سامانه مدیریت نشریات علمی دانشگاه شهید بهشتی

صدرالساداتی, سید علی, جلیلی قاضی زاده, محمد رضا. (1397). مطالعه آزمایشگاهی نشت آب از ترک‌های طولی لوله‌های پلی‌اتیلن. , 16(4), 229-248.
سید علی صدرالساداتی; محمد رضا جلیلی قاضی زاده. "مطالعه آزمایشگاهی نشت آب از ترک‌های طولی لوله‌های پلی‌اتیلن". , 16, 4, 1397, 229-248.
صدرالساداتی, سید علی, جلیلی قاضی زاده, محمد رضا. (1397). 'مطالعه آزمایشگاهی نشت آب از ترک‌های طولی لوله‌های پلی‌اتیلن', , 16(4), pp. 229-248.
صدرالساداتی, سید علی, جلیلی قاضی زاده, محمد رضا. مطالعه آزمایشگاهی نشت آب از ترک‌های طولی لوله‌های پلی‌اتیلن. , 1397; 16(4): 229-248.

مطالعه آزمایشگاهی نشت آب از ترک‌های طولی لوله‌های پلی‌اتیلن

فصلنامه علوم محیطی
مقاله 14، دوره 16، شماره 4، دی 1397، صفحه 229-248    اصل مقاله (1.6 M)
نوع مقاله: مقاله پژوهشی
نویسندگان
سید علی صدرالساداتی؛ محمد رضا جلیلی قاضی زاده*
دانشکده عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
چکیده
سابقه و هدف:
نشت در شبکه‌های آبرسانی سبب از دست رفتن منابع آب و انرژی زیادی می‌شود. پیش‌بینی میزان نشت و تصمیم‌گیری بهینه در مورد استراتژی‌های کنترل نشت، به درک عمیقی در مورد رابطه نشت-فشار نیاز دارد. لوله‌های پلی‌اتیلن چگالی بالا (HDPE) به صورت گسترده در شبکه‌های توزیع آب در دهه‌های اخیر استفاده می‌شود و رفتار نشت در این نوع لوله‌ها هنوز کاملا مشخص نیست. هدف از انجام این مطالعه شناخت رفتار نشت از شکاف طولی برای لوله‌های پلی‌اتیلن و پارامترهای موثر برای رفتار الاستیک می‌باشد.
مواد و روش ها:
برای نیل به اهداف این پژوهش، مدل نیمه صنعتی آزمایشگاهی ساخته شد. براساس بررسی های اولیه و مطالعات کتابخانه ای، پارامترهای موثر استخراج شده و سپس با در نظر گرفتن پارامترهای قطر و ضخامت لوله، ابعاد ترک و دما، 10 نمونه آزمایشگاهی تهیه شد. سپس نمونه ها توسط پمپ فشار قوی تحت فشار قرار داده شدند و با تنظیم فشار میزان دبی خروجی از ترک طولی و دمای محیط در طول آزمایش برای هر فشار اندازه‌گیری گردید. سپس با استفاده از روش آنالیز ابعادی، نتایج حاصل آزمایشگاهی تحلیل گردید.
نتایج و بحث:
در شکاف‌های طولی لوله‌های پلی‌اتیلن مقدار دبی نشت تابعی از تغییرات مساحت موضع نشت است. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که میزان تغییر در مساحت موثر موضع نشت با فشار در حالت الاستیک رابطه تقریبا خطی دارد. همچنین شیب تغییرات مساحت موثر نسبت تغییرات فشار بستگی به پارامترهایی نظیر ابعاد ترک، قطر و ضخامت لوله و دمای محیط دارد. از میان این پارامترها تاثیر طول ترک و دمای محیط به نسبت دیگر پارامترها برجسته بوده و تاثیر بیشتری بر میزان نشت در ترک طولی داشته است. با استفاده از نتایج آزمایشگاهی و استفاده از تحلیل ابعادی، رابطه‌ای برای تخمین تغییر مساحت موثر موضع نشت در ترک طولی لوله پلی‌اتیلن ارائه شده است. با استفاده از این رابطه دبی نشت در فشارهای مختلف قابل محاسبه است. در مطالعه حاضر توان نشت برای ترک های طولی لوله پلی‌اتیلن در محدوده 0.44 تا 1.44 محاسبه شده است و با رابطه ارائه شده همخوانی دارد. در صورتی که هر کدام از پارامترهای موثر مانند طول ترک و یا فشار افزایش یابد، در حالت الاستیک توان نشت به 1.5 نزدیک می‌گردد. با توجه به وجود عدم قطعیت در مورد ابعاد ترک ها در شبکه های توزیع آب نمی توان یک عدد را برای توان نشت ارائه کرد اما میانگین توان نشت در آزمایشات صورت گرفته معادل 1 می باشد. همچنین در آزمایش دیگری اثر دما بر میزان نشت به طور مستقل در فشار 5 بار بررسی شد و نشان داد افزایش دما می‌تواند سبب افزایش نشت در لوله‌های پلی‌اتیلن گردد. همچنین در فشار 40 درجه سانتی‌گراد از حالت الاستیک خارج شده و شیب تغییرات به شدت افزایش می یابد.
نتیجه‌گیری:
براساس نتایج این تحقیق می‌توان گفت برای کنترل نشت در شبکه های توزیع آب شهری که لوله های پلی‌اتیلن به کار رفته است بایستی به کنترل و مدیریت فشار توجه بیشتری نمود. همچنین علاوه بر پارامترهای مرسوم بایستی به دمای محیط توجه کرد. در مناطق گرمسیر برای تخمین میزان نشت لوله‌های پلی‌اتیلن و انتخاب استراتژی مناسب جهت کاهش میزان نشت از رابطه توسعه یافته ارائه شده استفاده کرد.
کلیدواژه‌ها
شبکه توزیع آب؛ رابطه نشت و فشار؛ ترک طولی؛ رفتار الاستیک؛ دما
عنوان مقاله [English]
An experimental investigation of leakage from the longitudinal slits of the HDPE high density polyethylene pipes
نویسندگان [English]
Seyed Ali Sadr-Al-Sadati؛ Mohammadreza Jalili Ghazizadeh
Department of Water and Wastewater, Faculty of Civil, Water and Environmental Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]
Introduction:
Leakage in water supply networks causes loss of water and energy resources (Xu et al. 2014). Leakage prediction and optimal decision making on leakage control strategies require a deep understanding of the leakage-pressure relationship. High-density polyethylene pipes (HDPE) have been used extensively in water distribution networks in recent decades (Kim and Lee, 2015), and leakage behavior in this material is still debatable. The purpose of this study is to identify the leakage behavior of the longitudinal slits for high-density polyethylene pipes and the effective parameters in elastic faze.
Materials and methods:
To achieve the objectives of this research, a semi-industrial laboratory model was developed. Based on the preliminary studies and literature review, effective parameters were extracted and then 10 samples were prepared by considering the parameters of diameter and thickness of pipes, dimensions of slits and temperature. Then, the samples were pressurized by a high-pressure pump and, by setting the pressure, the leakage discharge of the longitudinal slits and temperature was measured during the test for each pressure. Using the dimensional analysis method, the experimental results were analyzed.
Results and discussion:
In the longitudinal slit of HDPE pipes, the leakage flow is a function of changes in the area of the leak. The results of the experimental investigation showed that the change in the effective area of the leak position with the pressure in the elastic state is relatively linear (Cassa, et al, 2010). Also, the slope of the effective area change due to the pressure variation depends on the parameters such as dimensions of slits, pipe diameter and thickness, and temperature. Among these parameters, the effect of the slits length and temperature had a greater effect on the amount of leakage in longitudinal slits. Using experimental results and using dimensional analysis, a relationship has been developed to estimate the effective area change of the leak in the longitudinal slits in the HDPE pipes. Using this relationship, leakage can be calculated at different pressures. In the present study, the leakage exponent for longitudinal slits in the HDPE pipe is calculated in the range of 0.44 to 1.44 and is consistent with the proposed relationship. If any of the effective parameters such as cracking length or pressure increase, in the elastic state, the leakage power is approaching 1.5 (Van Zyl and Cassa, 2013). Given the uncertainty about the size of the slits in the water distribution networks, one cannot provide a number for leakage power, but the average leakage power in the experiments is equal to 1. In another experiment, the effect of temperature on leakage was investigated independently at a pressure of 5 bar and showed that increasing the temperature could increase leakage in HDPE pipes. Also, at 40 ° C, it exits from the elastic state, and the slope of the changes increases significantly.
Conclusion:
Based on the results of this research, it should be noted that the leakage control and pressure management should be considered more in urban water distribution networks with HDPE pipes. In addition to conventional parameters, the temperature should be taken into account. In the tropics area, the developed relationship was suggested to estimate the leakage of HDPE pipes and to select the appropriate strategy to reduce leakage.
کلیدواژه‌ها [English]
Water distribution network (WDN), Leakage-pressure relation, High-density polyethylene (HDPE) pipe, Longitudinal slit, Temperature, Elastic behavior
مراجع
  1. Al-Ghamdi, A.S., 2011. Leakage–Pressure Relationship and Leakage Detection in Intermittent Water Distribution Systems. Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua, 60 (3), 178-183.
  2. Ardakanian, R. and Ghazali, A.A., 2003. Pressure-Leakage Relation in Urban Water Distribution Systems. New Pipeline Technologies, Security, and Safety. 304-312.
  3. Awwa and Dwrwco, 1992. Water Audit And Leak Detection Guide Book: American Water Works Association (California-Nevada Section) And Department Of Water Resources Water Conservation Office, Water Conservation Guide Book No 5.
  4. Boiko, Y.M., Brostow, W., Goldman, A.Y. and Ramamurthy, A., 1995. Tensile, Stress Relaxation And Dynamic Mechanical Behavior Of Polyethylene Crystallized From Highly Deformed Melts. Polymer, 36 (7), 1383-1392.
  5. Brunone, B., Giustolisi, O., Ferrante, M., Laucelli, D., Meniconi, S., Berardi, L., Campisano, A., Cassa, A.M. and Van Zyl, J.E., 2013. Predicting the Leakage Exponents of Elastically Deforming Cracks in Pipe. 12th International Conference on Computing and Control for the Water Industry, CCWI2013, 302-310.
  6. Cassa, A., Van Zyl, J. and Laubscher, R., 2010. A Numerical Investigation into the Effect of Pressure on Holes and Cracks in Water Supply Pipes. Urban Water Journal, 7 (2), 109-120.
  7. Coetzer, A., Van Zyl, J. And Clayton, C., 2006. An Experimental Investigation into the Turbulent-Flow Hydraulics of Small Circular Holes in Plastic Pipesed. Water Distribution Systems Analysis Symposium, 1-9.
  8. De Marchis, M., Fontanazza, C.M., Freni, G., Notaro, V. And Puleo, V., 2016. Experimental Evidence of Leaks in Elastic Pipes. Water Resources Management, 30 (6), 2005-2019.
  9. De Miranda, S., Molari, L., Scalet, G. and Ubertini, F., 2011. Simple Beam Model to Estimate Leakage in Longitudinally Cracked Pressurized Pipes. Journal of Structural Engineering, 138 (8), 1065-1074.
  10. Farley, M. and Trow, S., 2003. Losses in Water Distribution Networks: A Practitioner's Guide to Assessment, Monitoring and Control: IWA Publishing.
  11. Farshad, M., 2006. Plastic Pipe Systems. Plastic Pipe Systems. Oxford: Elsevier Science, 1-27.
  12. Ferrante, M., Massari, C., Brunone, B. and Meniconi, S., 2010. Experimental Evidence of Hysteresis in the Head-Discharge Relationship for a Leak in a Polyethylene Pipe. Journal of Hydraulic Engineering, 137 (7), 775-780.
  13. Ferrante, M., Massari, C., Brunone, B. and Meniconi, S., 2013. Leak Behavior in Pressurized PVC Pipes. Water Science and Technology: Water Supply, 13 (4), 987-992.
  14. Ferrante, M., Meniconi, S. and Brunone, B., 2014. Local And Global Leak Laws. Water Resources Management, 28 (11), 3761-3782.
  15. Fox, S., Collins, R. and Boxall, J., 2016a. Experimental Study Exploring the Interaction of Structural and Leakage Dynamics. Journal of Hydraulic Engineering, 04016080.
  16. Fox, S., Collins, R. and Boxall, J., 2016b. Physical Investigation into the Significance of Ground Conditions on Dynamic Leakage Behavior. Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua, 65 (2), 103-115.
  17. Franchini, M. and Lanza, L., 2014. Leakages in Pipes: Generalizing Torricelli's Equation to Deal with Different Elastic Materials, Diameters and Orifice Shape and Dimensions. Urban Water Journal, 11 (8), 678-695.
  18. Greyvenstein, B. and Van Zyl, J., 2007. An Experimental Investigation into the Pressure-Leakage Relationship of Some Failed Water Pipes. Journal of Water Supply: Research and Technology-AQUA, 56 (2), 117-124.
  19. Hiki, S., 1981. Relationship between Leakage and Pressure. Journal of Japan Waterworks Association, 1 (982), 5.
  20. Imenez, P.A.L., Rodriguez, J.M., Mares, F.J.G. and Miquel, V.S.F., 2010. 3d Computational Model of External Intrusion in a Pipe across Defected. International Environmental Modelling And Software Society (Iemss) 2010 International Congress On Environmental Modelling And Software Modelling For Environment’s Sake, Fifth Biennial Meeting, Ottawa, Canada
  21. ISIR14427, 2012. Plastics- Piping Systems for Water Supply, And For Drainage and Sewerage under Pressure - Polyethylene (PE) Iran: Iranian National Standardization Organization.
  22. Kim, S., Lee, K., 2015. Field Performance of Recycled Plastic Foundation for Pipeline, Materials. 8, 2673-2687.
  23. Krushelnitzky, R. and Brachman, R., 2013. Buried High-Density Polyethylene Pipe Deflections at Elevated Temperatures. Geotextiles and Geomembranes, 40, 69-77.
  24. Lambert, A., 1997. Pressure Management/Leakage Relationships: Theory, Concepts and Practical Applications. Proceeding Of Minimizing Leakage In Water Supply/Distribution Systems, IQPC Seminar, London.
  25. Lambert, A., 2001. What Do We Know About Pressure-Leakage Relationships in Distribution Systems? IWA Conf. N Systems Approach To Leakage Control and Water Distribution System Management.
  26. Massari, C., Ferrante, M., Brunone, B. and Meniconi, S., 2012. Is The Leak Head–Discharge Relationship In Polyethylene Pipes A Bijective Function? Journal of Hydraulic Research, 50 (4), 409-417. May, J., 1994. Pressure Dependent Leakageed. World Water and Environmental Engineering.
  27. Mazzolani, G., Berardi, L., Laucelli, D., Simone, A., Martino, R. and Giustolisi, O., 2017. Estimating Leakages In Water Distribution Networks Based Only On Inlet Flow Data. Journal Of Water Resources Planning and Management, 143 (6), 04017014.
  28. Paola, F.D. and Giugni, M., 2012. Leakages and Pressure Relation: An Experimental Research. Drinking Water Engineering and Science, 5 (1), 59-65.
  29. Puust, R., Kapelan, Z., Savic, D.A. and Koppel, T., 2010. A Review of Methods for Leakage Management in Pipe Networks. Urban Water Journal, 7 (1), 25-45
  30. Schwaller, J. and Van Zyl, J., 2014. Modeling The Pressure-Leakage Response Of Water Distribution Systems Based On Individual Leak Behavior. Journal of Hydraulic Engineering, 141 (5), 04014089.
  31. Shahangiyan, S.A.R, Tabesh, M, Mirabi, M.H., 2017. Numerical Study of Leakage of Submerged Steel Pipes in Water Based On Laboratory Results of Non-Submerged Pipes. Iranian Hydraulic Journal. 11 (4), 29-44.
  32. Shahangiyan, S.A.R, Tabesh, M., 2016. Laboratory Study of Pressure-Leakage Relationship in Polyethylene Pipes. International Conference on New Achievements in Civil, Architectural, Environmental and Urban Management, Tehran.
  33. Ssozi, E., Reddy, B. and Van Zyl, J., 2015. The Behavior of Leaks in Plastic Pipes Displaying Viscoelastic Deformation. World Environmental and Water Resources Congress, 863-870.
  34. Sun, N., Wenzel, M. and Adams, A., 2014. Morphology of High-Density Polyethylene Pipes Stored Under Hydrostatic Pressure at Elevated Temperature. Polymer, 55 (16), 3792-3800.
  35. Tabesh, M., Yekta, A.A. and Burrows, R., 2009. An Integrated Model to Evaluate Losses in Water Distribution Systems. Water Resources Management, 23 (3), 477-492.
  36. Ulanicki, B., Kapelan, Z., Boxall, J., Latchoomun, L., King, R.T.F.A., Busawon, K., Mawooa, D. and Kaully, R.G., 2015. Computing and Control For the Water Industry (Ccwi2015) Sharing the Best Practice in Water Management Laboratory Investigation of the Leakage Characteristics of Unburied HDPE Pipes. Procedia Engineering, 119, 91-100
  37. Van Zyl, J. and Cassa, A., 2013. Modeling Elastically Deforming Leaks in Water Distribution Pipes. Journal of Hydraulic Engineering, 140 (2), 182-189.
  38. Van Zyl, J. and Clayton, C., 2007. The Effect of Pressure on Leakage in Water Distribution Systems. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management Thomas Telford Ltd, 109-114.
  39. Walski, T., Bezts, W., Posluszny, E.T., Weir, M. and Whitman, B.E., 2006. Modeling Leakage Reduction through Pressure Control. Journal (American Water Works Association), 98 (4), 147-155.
  40. Walski, T., Whitman, B., Baron, M. and Gerloff, F., 2009. Pressure vs. Flow Relationship for Pipe Leaks. World Environmental and Water Resources Congress: Great Rivers, 1-10.
  41. Xu, Q., Chen, Q., Ma, J., Blanckaert, K. & Wan, Z., 2014. Water saving and energy reduction through pressure management in urban water distribution networks. Water resources management, 28 (11), 3715-3726.
آمار
تعداد مشاهده مقاله: 14,595
تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 8,460