انواع شکست ها (نقیصه ها) در لوله پلی اتیلن

۱-شکست نرم (Ductile failure)

در مقیاس میکروسکوپی، پلی‌اتیلن به‌عنوان یک پلیمر نیمه‌بلوری دارای ریزساختاری متشکل از لایه‌های بلورین (lamellae) و زنجیرهای آمورف است. معمولاً فرض می‌شود که زنجیرهای پلیمری در بخش بلورین به‌صورت تاخورده در کنار هم قرار دارند. در زمینه‌ی شکست مواد پلیمری، در واقع این زنجیرهای پلیمری موسوم به مولکول‌های پیوندی (tie molecules) که نواحی بلورین و آمورف را به هم متصل می‌کنند، بیشترین نقش را ایفا می‌کنند. این مولکول‌های پیوندی مانند یک المان تقویتی عمل کرده و تحت تنش بالا تا جایی کشیده می‌شوند که دیگر قادر به تحمل بار واردشده نباشند. در این حالت، لایه‌های بلورین به قطعات کوچک‌تر تجزیه می‌شوند و شکست نرم رخ می‌دهد (شکل ۱).

شکل ۱ فرآیند شکست نرم پلی‌اتیلن در مقیاس میکروسکوپی

در مقیاس ماکروسکوپی، شکست نرم با جاری‌شدن وسیع ماده در اطراف ناحیه‌ی آسیب مشخص می‌شود و این نوع شکست معمولاً در تنش‌های بالاتر یا در زمان کوتاه‌تر اتفاق می‌افتد. از نظر ماکروسکوپی، این مکانیزم شکست با رفتار ویسکوالاستیک ارتباط دارد، به‌ویژه در پدیده‌ی خزش منجر به شکست، به‌طوری که زمان وقوع شکست نرم به نرخ خزش وابسته است.

همان‌طور که در شکل ۲ دیده می‌شود، به دلیل ناهمگنی ماده، در زمان اعمال فشار داخلی بیش از حد به لوله‌های پلی اتیلنی، تغییر شکل زیاد و آسیب‌های نرم موضعی رخ می‌دهد. همچنین تحت اثر سایر بارهای خارجی بزرگ، مانند آسیب‌های ناشی از طرف ثالث یا عملیات حفاری مکانیکی، شکست نرم ایجاد خواهد شد.

شکل ۲ شکست نرم لوله پلی‌اتیلن تحت فشار داخلی

بدیهی است بارهای خارجی دیگری همچون نشست زمین یا حفاری مکانیکی (مطابق شکل ۳) نیز می‌توانند تنش‌های بالایی ایجاد کرده و موجب شکست نرم لوله شوند.

شکل ۳ شکست نرم لوله پلی‌اتیلن تحت اثر حفاری مکانیکی

۲- شکست ترد (Brittle failure)

در مقایسه با شکست نرم، شکست ترد در مواد پلی‌اتیلن معمولاً در سطوح تنش پایین‌تر رخ می‌دهد. در مقیاس میکروسکوپی، مولکول‌های پیوندی به مرور زمان شروع به آزاد شدن و شل شدن می‌کنند و برخی از آن‌ها به‌تدریج از ناحیه بلورین خارج می‌شوند. در این حالت، تمرکز تنش بر روی تعداد اندکی از مولکول‌های پیوندی باقی‌مانده افزایش می‌یابد. هنگامی که این مولکول‌های پیوندی به طور پیوسته بیرون کشیده می‌شوند و ترک‌ها به جلو گسترش می‌یابند، در نهایت ماده دچار شکست ترد می‌گردد. شکل ۴ فرآیند شکست ترد در مقیاس میکروسکوپی را نشان می‌دهد.

شکل ۴ فرآیند شکست ترد در مقیاس میکروسکوپی

در مقیاس ماکروسکوپی، شکست ترد با رشد ترک همراه است و این رفتار (که به نام رشد آهسته ترک SCG شناخته می‌شود) در مدت زمان طولانی‌تری نسبت به تغییر شکل نرم اتفاق می‌افتد. این فرآیند شکست مستقیماً با ایجاد craze ناشی از حفره‌ها یا عیوب و ترک‌هایی که از گسیختگی رشته‌های درون craze به وجود می‌آیند، مرتبط است. در نهایت، هنگامی که این ترک‌ها ضخامت لوله را قطع می‌کنند، شکست ترد رخ می‌دهد. لازم به ذکر است که گسست زنجیرهای پلیمری نقش نسبتاً کمی در فروپاشی رشته‌ها دارد.

شکل ۵ مورفولوژی شکست ترد متداول در لوله‌های HDPE را نشان می‌دهد. همان‌طور که مشخص است، تغییر شکل پلاستیک جزئی و زمان طولانی تا وقوع شکست، از ویژگی‌های شکست ترد به شمار می‌روند که نسبت به شکست نرم زمان بسیار بیشتری نیاز دارد.

شکل ۵ فرآیند شکست ترد در مقیاس ماکروسکوپی

به طور کلی، شکست نرم و شکست ترد می‌توانند به طور همزمان رخ دهند و شکست نهایی به این بستگی دارد که در شرایط معین (مانند محیط اطراف، وجود اکسیژن، بارهای خارجی، دما و عیوب) کدام فرآیند سریع‌تر پیش برود. به عنوان مثال، هنگامی که پژوهشگران بر سطح لوله‌های PE خراش ایجاد کرده و سپس آن را تحت فشار انفجاری قرار دادند، شکست ترد ظاهر شد و نه شکست نرم. به همین ترتیب، شکست ترد در نمونه‌های کششی لوله‌های PE که دارای پیش‌ترک بودند نیز مشاهده شد.

۳-شکست ناشی از فرسودگی (Aging failure)

به دلیل اثرات محیطی نظیر پیری حرارتی-اکسایشی، پیری نوری-اکسایشی، محیط‌های شیمیایی و پیری زیستی، مصرف آنتی‌اکسیدان‌ها تسریع می‌شود. این موضوع منجر به ایجاد پیوندهای عرضی، شکست زنجیرهای مولکولی و در نهایت خرابی لوله‌های پلی‌اتیلن می‌شود. به‌عنوان نمونه، معمولاً واکنش پیری حرارتی-اکسایشی به‌صورت یک واکنش زنجیره‌ای رادیکال آزاد با ویژگی‌های خودکاتالیزوری در نظر گرفته می‌شود که شامل سه مرحله آغاز زنجیر، رشد زنجیر و پایان زنجیر است.

در حال حاضر، قدیمی‌ترین لوله‌های پلی اتیلن در چین بیش از ۴۰ سال است که با موفقیت در حال استفاده‌اند و مصرف آن‌ها همچنان در حال افزایش است. پدیده‌ی شکست ترد مستقل از تنش تنها در شرایط آزمایشگاهی و تحت پیری تسریع‌شده مصنوعی مشاهده شده است (شکل ۶).

شکل ۶ شکست ناشی از فرسودگی لوله پلی‌اتیلن (پس از ۲۵۰۰۰ ساعت پیری)

در این حالت، پیری ناهمگن به‌وضوح دیده می‌شود و پیری در سطح خارجی لوله شدیدتر از سطح داخلی است. بدیهی است که در قطعات لوله‌ای که در کوره‌ها قرار داده می‌شوند، پیری حرارتی-اکسایشی شدیدتر در سطح خارجی رخ می‌دهد، زیرا دما و غلظت اکسیژن در سطح خارجی بالاتر است و این موضوع منجر به پدیده‌هایی چون شکست زنجیر-ریزترک-ترک‌های ماکروسکوپی می‌گردد. علاوه بر این، گزارش شده است که پیری در نوک ترک‌های موضعی، فرآیند رشد آهسته ترک را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

در نهایت، حالت نهایی شکست لوله‌های پلی اتیلن ناشی از فرسودگی به‌صورت یک رفتار ترد در مقیاس بزرگ ظاهر می‌شود. شکست لوله‌های پلی اتیلن در واقع حاصل ترکیبی از شکست نرم و شکست ترد است. به‌طور کلی، فرآیندهای فوق به‌طور همزمان رخ می‌دهند و شکست نهایی به این بستگی دارد که تحت شرایط معین (با در نظر گرفتن سلامت و عیوب ماده، پارامترهای محیطی و وضعیت مکانیکی) کدام فرآیند سریع‌تر پیش برود. بنابراین، شکست لوله‌های پلی اتیلن تحت طیف‌های مختلف بارگذاری و شرایط محیطی را می‌توان همان‌طور که در شکل ۷ نشان داده شده است، خلاصه کرد.

شکل ۷ شکست لوله‌های پلی‌اتیلن تحت طیف‌های مختلف بارگذاری و شرایط محیطی

1.       S. Zha, H-q. Lan, H. Huang, Review on lifetime predictions of polyethylene pipes: Limitations and trends, International Journal of Pressure Vessels and Piping 198 (2022) 104663.