سیستم های انتقال فاضلاب، عموماً به دو بخش کلی تقسیم می شوند: سیستم های تحت فشار و سیستم های با جریان ثقلی و بدون فشار. معمولاً فاضلاب شهری، توسط جریان ثقلی و از طریق لوله های شیب دار انتقال می یابد. اما زمانی که امکان استفاده از جریان ثقلی برای انتقال فاضلاب وجود ندارد و یا از نظر اقتصادی توجیه پذیر نیست، انتقال فاضلاب از طریق سیستم تحت فشار صورت می پذیرد. در این تحقیق، به طور خاص، به سیستم های انتقال فاضلاب تحت فشار پرداخته شده است.
تحقیقات علمی نشان می دهد که لوله PVC قادر است تا بیش از 10 میلیون فشار دوره ای را بدون شکست تحمل کند. سیستم های فاضلاب تحت فشار PVC مقاومت بالایی دربرابر فشار دوره ای از خود نشان داده است. علاوه بر این، کاربرد50 ساله لوله های PVC در آمریکا و کانادا، مناسب بودن لوله های PVC را برای سیستم های فاضلابی تحت فشار تایید می نماید. این تحقیق به دنبال آن است که نشان دهد چگونه می توان سیستم فاضلابی تحت فشار PVC را با درنظرگرفتن فشارهای دوره ای و طول عمر مورد نیاز، طراحی نمود.
- عناصر طراحی PVC لوله فشار
1- طراحی هیدرولیک:
مرحله اول در طراحی هیدرولیک، تعیین افت فشار با استفاده از یکی از معادلات زیر است:
1- معادله Darcy–Weisbach
پارامتری که در این معادله از آن استفاده می شود، "زبری مطلق لوله" می باشد و برای لوله PVC، مقدار زبری ×7 فوت لحاظ شده است.
2- معادله Hazen–Williams:
تحقیقات نشان داده است که ضریب جریان Hazen-Williams (ضریب C) برای لوله PVC بین 155- 165 می باشد که برای اطمینان بیشتر، در طراحی لوله PVC از مقدار 150 برای ضریب C استفاده می شود. بر خلاف بسیاری از متریال های دیگر که ضرایب آنها در طول زمان کاهش می یابد، ضرایب لوله های PVC در معادلات: Hazen-Williams و Darcy-Weisbach بدون تغییر باقی می ماند.
پس از تعیین پارامترهای هیدرولیکی اولیه برای پروژه، از منحنی های پمپ و سیستم، برای تعیین فشار و جریان در داخل سیستم، برای شرایط عملیاتی مختلف استفاده می شود. در این مرحله می توان شرایط هیدرولیکی سیستم را ترسیم نمود. از اطلاعات بدست آمده، برای تعیین کلاس فشار(PC) یا رتبه فشار (PR) لوله PVC مطابق با الزامات پروژه استفاده می گردد.
بررسی های طراحی فشار داخلی
برای طراحی لوله PVC برای فشارهای داخلی سه مرحله بررسی در طراحی وجود دارد. این بررسی‌ها اطمینان حاصل می‌کنند که لوله می‌تواند حداکثر فشار عملیاتی(فشار نوسانی) ، ولتاژ دوره ای ، مانند راه‌اندازی/خاموش شدن پمپ، و فشار مقطعی ، بدترین حالت نوسان برق را تحمل کند.
این بررسی طراحی ها به شرح ذیل می باشد:
اولین مرحله بررسی طراحی WPmax ≤ PC × FT
دومین مرحله بررسی طراحی Prs(max) = WPnormal + Prs ≤ PC × FT
سومین مرحله بررسی طراحی Pos(max) = WPmax + Pos ≤ 1.6 × PC × FT
WPmax = حد اکثر فشار کاری در حین عملیات پمپ، psi
WPnormal = فشار کاری معمولی در طول عملیات پمپ، psi
Prs = فشارهای نوسانی، psi (بواسطه روشن/خاموش کردن پمپ های عادی)
Prs(max) = حداکثر فشار در شرایط نوسانی بروی لوله، psi
Pos = فشار نوسانی، psi (بدترین حالت گذرا، به عنوان مثال، قطع برق)
Pos(max) = حداکثر فشار لوله در شرایط نوسانی، psi PC = طبقه بندی فشار (مطابق با جدول B.1)
FT = ضریب کاهش حرارتی بدون بعد است (اگر دمای عملیاتی پایدار بالاتر از 73 درجه فارنهایت باشد، می بایست از یک ضریب کاهش حرارتی استفاده نمود. (مطابق جدول B.2)
زیرنویس های WP در بررسی‌های طراحی، برای عملیات چند پمپی هستند. برای ایستگاه های بالابر که فقط با یک پمپ کار می کنند، بررسی های طراحی به شرح زیر اصلاح می شوند:
| WPmax = WPnormal |
بررسی طراحی فشارهای سیکلی:
فشارهای سیکلی (که «فشارهای نوسانی» نیز نامیده می شود) معمولاً در شبکه های انتقال یا توزیع آب به اندازه ای بزرگ نیستند که در طراحی مورد توجه قرار گیرند. اما در مقابل، فشارهای سیکلی در فرکانس‌های بالا در سیستم های فاضلاب تحت فشار، به دلیل کارکرد پمپ‌ها، در تخلیه چاه‌های مرطوب با ظرفیت کم، رخ می‌دهد. این بدان معنی است که برای فاضلاب تحت فشار، به چهار مرحله بررسی در طراحی نیاز است.
دانشگاه ایالتی یوتا تحقیقات و تجزیه و تحلیل فشار چرخه ای را برای توسعه روشی بهبود یافته برای تعیین عمر چرخه ای لوله PVC انجام داده است. این تحقیق شامل آزمایش نمونه‌های متعددی از لوله PVC تا شکست و سپس تجزیه و تحلیل تعداد چرخه‌ها و تنش‌های دیواره لوله بود. نتیجه «معادله فولکمن» است. اگر تعداد سیکلی که لوله تجربه می‌کند مشخص باشد، از نتیجه این معادله می‌توان برای تعیین عمر لوله (cyclic life) در فشارهای نوسانی استفاده کرد. همانطور که در بررسی طراحی زیر نشان داده شده است، عمر چرخه ای محاسبه شده باید از عمر طراحی مشخص شده بیشتر باشد:
Cyclic Life ≥ Design Life
عمر سیکلی به تعداد سال هایی اطلاق می شود که لوله PVC می تواند فشارهای سیکلی را تحمل کند. عمر سیکلی با طول عمر کلی متفاوت است و مقدار سال هایی است که لوله PVC می تواند فشارهای سیکلی را تحمل نماید.
تعیین طول عمر لوله های PVC در فشار های سیکلی:
فرمول 1 : تعیین تنش اعمالی براساس کمترین و بیشترین فشارهای سیکلی (چرخه ایی)
فرمول 2: محاسبه تعداد سیکل های کوتاه ( فشار های سیکلی که طول عمر کوتاهی دارند) فرمول 3: طول عمر لوله ها از تقسیم تعداد سیکل موج های کوتاه به تعداد کل سیکل موج ها ( تعداد موج ها در سال) بدست می آید.
فرمول 1:
