ارزیابی زبری سطح داخلی انواع لوله‌های فایبرگلاس با دستگاه اندازه‌گیری زبری سطح

الموضوعات :

فرنوش آقایی دانشور ¹ , ناصر طالب بیدختی ² , سید مهدی دهقان ³ , سید محمد مهدی الهامیان ⁴

1 - استادیار دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران
2 - استاد گروه مهندسی عمران و محیط زیست، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز و رئیس مرکز توسعه پایدار دانشگاه شیراز، شیراز، ایران
3 - دانشیار دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران
4 - مرکز تکنولوژی فراتک مجموعه تولیدی و صنعتی فراسان، شیراز، ایران

تاريخ الإرسال : 12 الجمعة , رجب, 1444 تاريخ التأكيد : 02 الإثنين , شعبان, 1445 تاريخ الإصدار : 11 السبت , شوال, 1445

الکلمات المفتاحية: دستگاه‌های زبری‌سنجی سطح, لوله پلاستیکی تقویت شده با شیشه (GRP), پارامترهای زبری, کاغذ سمباده, لوله پولیکا,

ملخص المقالة :

چکیده
مقدمه: بررسی زبری سطح داخلی لوله‌‌‌های انتقال سیالات دارای اهمیت بسزایی در میزان افت انرژی سیستم‌های انتقال دارد. مفاهیم و روش‌های مختلفی در بررسی زبری‌های سطوح به کار گرفته شده است. برخی از این روش‌ها بر پایه زبری‌سنجی و استفاده از دستگاه‌ها و تجهیزات موجود در این زمینه استوار می‌باشد. از این رو، زبری جنس جداره لوله‌ها و مقاومت جریان در برابر جداره لوله و رسوب گذاری در گذر زمان در خطوط لوله به روش های مختلف مطالعه و بررسی می‌گردد. عمده تحقیقات صورت گرفته در این زمینه شامل زبری‌سنجی سطوح در لوله‌های از جنس فولاد، مس و یا لوله‌های پلاستیکی و یا روکش‌دار بوده است.
روش­: در این مطالعه زبری سطح داخلی لوله‌‌های فایبر گلاس، که کمتر مورد بررسی قرار گرفته، با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی و دستگاه‌‌های زبری سنجی ارزیابی شده است. نتایج کالیبراسیون و صحت‌‌سنجی دستگاه زبری‌‌سنجی سطح بر روی سطوح کاغذ سمباده و جداره لوله پولیکا ارزیابی شده است. همچنین، نتایج زبری سطح داخلی لوله‌‌های فایبرگلاس در چندین قطر و دو نوع جنس مختلف لوله ارائه شده است. علاوه براین، اثر پارامترهای زبری، زبری سطح محاسبه شده با استفاده از آن ها و همچنین اثر زمان و بکارگیری لوله فایبرگلاس در خطوط انتقال آب نیز بررسی شده است.
یافته ­ها: در این تحقیق به اندازه‌گیری زبری سطح داخلی لوله‌های فایبرگلاس با استفاده از دستگاه تست کننده زبری و برآورد پارامترهای مختلف زبری پرداخته شده است و تاثیر هریک از این پارامترهای زبری را در برآورد مقدار زبری سطح بررسی گردید. بر اساس نتایج آزمایشات این تحقیق، پارامترهای زبری Rz و Ra به ترتیب در طول برش 0/8 و 2/5، پارامترهای مناسبی جهت برآورد زبری سطح داخلی لوله فایبرگلاس می‌باشند. همچنین زبری سطح داخلی لوله‌های دو محوری بطور متوسط کمتر از لوله‌های تک محوری می‌باشد. علاوه بر این، در مقایسه زبری لوله‌های فایبرگلاس تازه تولید شده و قدیمی، پارامترهای زبری سطح در اثر گذر زمان و بکارگیری لوله فایبرگلاس در پروژه‌ها، به سبب فرسایش کاهش می‌یابند که این ناشی از حداکثرهای زبری‌های ناگهانی سطح داخلی لوله می‌باشد. در حالی که، پارامترهای زبری مرتبط با جنس لوله، در لوله‌های قدیمی و نو تغییر چندانی نداشته که نشانگر ثابت ماندن زبری متوسط سطح لوله‌های فایبرگلاس در گذر زمان می‌باشد.
نتیجه­ گیری: بر اساس نتایج دستگاه Surftest SJ-210 در برآورد زبری سطح داخلی لوله‌های فایبرگلاس نتایج بهتری نسبت به سایر ابزارها دارد و دقت محاسباتی نسبت به مقدار ارتفاع زبری گزارش شده برای لوله‌های فایبرگلاس برابر با 98/84 درصد می‌باشد. در لوله پولیکا (U-PVC) نیز مشابه با لوله فایبرگلاس مقدار زبری متوسط این نوع لوله را با دقت بالایی با استفاده از پارامتر زبری Ra با طول برش 2/5 برآورد نموده است.

المصادر:

1. 1.    Landolfo R. Lightweight steel framed systems in seismic areas: Current achievements and future challenges. Thin-Walled Structures. 2019;140:114-31.


2. 2.    Nikuradse J. Stromungsgesetze in rauhen Rohren. vdi-forschungsheft. 1933;361:1.


3. 3. Moody LF. Friction factors for pipe flow. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. 1944;66(8):671-8.


4. 4.    Colebrook CF, Blench T, Chatley H, Essex E, Finniecome J, Lacey G, et al. Correspondence. turbulent flow in pipes, with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws.(includes plates). Journal of the Institution of Civil engineers. 1939;12(8):393-422.


5. 5.    Chadwick A, Morfett J, Borthwick M. Hydraulics in civil and environmental engineering: Crc Press; 2021.


6. 6.    Kudela H. Hydraulic losses in pipes. Wroclas University of Science and. 2012.


7. 7.    Brkić D, Praks P. Unified friction formulation from laminar to fully rough turbulent flow. Applied Sciences. 2018; 8(11):2036.


8. 8.    Rawool A, Mitra SK, Kandlikar S. Numerical simulation of flow through microchannels with designed roughness. Microfluidics and nanofluidics. 2006;2:215-21.


9. 9.    Taylor JB, Carrano AL, Kandlikar SG. Characterization of the effect of surface roughness and texture on fluid flow—past, present, and future. International journal of thermal sciences. 2006;45(10):962-8.


10. 10. Thomas T. Rough Surfaces, edited by Imperial College Press. London; 1999.


11. 11.  Ren J. Micro/nano scale surface roughness tailoring and its effect on microfluidic flow. 2013.


12. 12.  Farshad F, Rieke H, Garber J. New developments in surface roughness measurements, characterization, and modeling fluid flow in pipe. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2001; 29(2):139-50.


13. 13. Farshad FF, Rieke H, Mauldin C, editors. Flow test validation of direct measurement methods used to determine surface roughness in pipes (OCTG). SPE Western Regional/AAPG Pacific Section Joint Meeting; 2002: OnePetro.


14. 14.  Farshad FF, Pesacreta TC. Coated pipe interior surface roughness as measured by three scanning probe instruments. Anti-Corrosion Methods and Materials. 2003; 50(1):6-16.


15. 15. Kleinstreuer C. Modern fluid dynamics: Springer; 2018.


16. 16.  Dzarma G, Adeyemi A, Taj-Liad A. Effect of Inner Surface Roughness on Pressure Drop in a Small Diameter Pip. Int J Novel Res Eng Pharm Sci. 2020; 7(1):1-8.


17. 17. Liu Y, Li J, Smits AJ. Roughness effects in laminar channel flow. Journal of Fluid Mechanics. 2019; 876:1129-45.


18. 18. Xue P, Huang Z, Chen C. Effect of Substrate Roughness on the Friction and Wear Behaviors of Laser-Induced Graphene Film. Lubricants. 2022;10(10):239.


19. 19.  Effendi MK, Soepangkat BO, Noorcahyo R, Batan IML, Wahyudi A, Harnany D, editors. An analysis of frictional coefficient and surface roughness in surface grinding of SKD 11 tool steel using Minimum Quantity Lubrication (MQL) and dry techniques. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering; 2021: IOP Publishing.


20. 20. Khaday S, Li K-W, Peng L, Chen C-C. Relationship between friction coefficient and surface roughness of stone and ceramic floors. Coatings. 2021;11(10):1254.


21. 21.  Farshad FF, Rieke HH. Surface-roughness design values for modern pipes. SPE Drilling & Completion. 2006; 21(03):212-5.


22. 22.  Manual A. M45: Fiberglass Pipe Design. American Water Works Association; 2005.


23. 23.  Raja J, Muralikrishnan B, Fu S. Recent advances in separation of roughness, waviness and form. Precision Engineering. 2002; 26(2):222-35.


24. 24.  Muralikrishnan B, Raja J. Computational surface and roundness metrology: Springer Science & Business Media; 2008.


25. 25.  Fadzil MA, Prakasa E, Fitriyah H, Nugroho H, Affandi AM, Hussein S. Validation on 3D surface roughness algorithm for measuring roughness of psoriasis lesion. International Journal of Biomedical and Biological Engineering. 2010; 4(3):82-7.


26. 26.  Blunt L, Jiang X. Advanced techniques for assessment surface topography: development of a basis for 3D surface texture standards" surfstand": Elsevier; 2003.


27. 27.  ASME B46.1. Surface texture—surface roughness, waviness, and lay. 1995.


28. 28. Iso E. 4288–Geometrical product specifications (GPS)–Surface texture: profile method–Rules and procedures for the assessment. 1996.


29. 29.  Iso E. 4287–Geometrical product specifications (GPS)–Surface texture: profile method–terms, definitions and surface texture parameters. International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland. 1997.


30. 30.  DIN4768/1. Determination of Surface Roughness of Parameters Ra, Rz, and Rmax by means of Electrical Stylus Instruments. Deutsche Inst fuer Normung eV Berlin; 1987.


31. 31. Mitutoyo productivity quality INC. Surface Finish Analysis, Mitutoyo corporation 80th anniversary since 1934. 2014; 1-58.


32. 32.  Mitutoyo America corporation. Quick guide to surface roughness measurement, Reference guide for laboratory and workshop Bulletin. 2016; 2229, 1-888-MITUTOYO (1-888-648-8869).


33. 33. Adams T, Grant C, Watson H. A simple algorithm to relate measured surface roughness to equivalent sand-grain roughness. International Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics. 2012; 1(2):66-71.


34. 34.  Kandlikar SG, Schmitt D, Carrano AL, Taylor JB. Characterization of surface roughness effects on pressure drop in single-phase flow in minichannels. Physics of Fluids. 2005; 17(10):100606.


35. 35.  Darcy H. Recherches expérimentales relatives au mouvement de l'eau dans les tuyaux: Mallet-Bachelier; 1857.


36. 36. Kandlikar SG. Single-phase liquid flow in minichannels and microchannels.  Heat transfer and fluid flow in minichannels and microchannels. 2: Elsevier Oxford, UK; 2006. p. 87.


37. 37.  Brown CA. Introduction to surface roughness measurement roughness measurement guidebook.  OLYMPUS Corporation Shinjuku Monolith, Tokyo 163-0914, Japan. N8600858-102020.


38. 38. Mitutoyo corporation user’s manual. Surface roughness tester SJ-210, No. 99MBB122A2, SERIES No. 178.


39. 39.  Mitutoyo America corporation. Surface roughness measurement, Practical tips for laboratory and workshop Bulletin, 1984, 1-888-MITUTOYO (1-888-648-8869). 2009.


40. 40.  Sheen S, Bao G, Cooke P. Food surface texture measurement using reflective confocal laser scanning microscopy. Journal of food science. 2008; 73(5):E227-E34.


41. 41.  Kessels PHL. Engineering toolbox for structural-acoustic design applied to MRI-scanners. 2003.

نص كامل:



Water Resources Engineering Journal        Sprig 2024. Vol 17. Issue 60

Research Paper
Evaluation of internal surface roughness in fiberglass pipes by surface roughness instruments
Farnoush Aghaee Daneshvar1*, Nasser Talebbeydokhti2, Seyed Mehdi Dehghan3, Seyed Mohammad Mehdi Elhamian4 1. Assistant Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran 2. Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Head of Environmental Research and Sustainable Development Center, Shiraz University, Shiraz, Iran 3. Associate Professor, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran 4. Faratec N.P. Technology Center, Farassan Industrial Group, Shiraz, Iran
Received: 2023/02/03 Revised: 2023/02/05 Accepted: 2023/04/14	Abstract Introduction: Investigation of the internal surface roughness of fluid transmission systems pipes is very important in the amount of energy loss. Different concepts and methods have been used to examine surface roughness. Some of these methods are based on roughness measurement devices and equipment in this field. Significant researches are done in surface roughness measuring in steel, copper, plastic, or coated pipes. Methods: In this study, the inner surface roughness of fiberglass pipes, has been evaluated using laboratory methods and roughness measuring devices in several diameters and two different types. Calibration and verification results of the surface roughness tester machine on sandpaper and U-PVC pipe wall surfaces are evaluated. In addition, the effect of roughness parameters and their calculated surface roughness and time using of fiberglass pipe have been investigated. Findings: According to the results, the roughness parameters Rz and Ra in the cut length of 0.8 and 2.5 respectively are suitable parameters to estimate the roughness of the inner surface of the fiberglass tube. Also, the roughness of the inner surface of biaxial tubes is lower than uniaxial tubes. In addition, in comparing the roughness of newly produced and old fiberglass pipes, the surface roughness parameters decrease due to the passage of time and the use in projects. Whereas, the roughness parameters related to the type of pipe have not changed.  Conclusion: Based on the results of the Surftest SJ-210 device has best results with accuracy of the roughness height reported for fiberglass pipes is equal to 98.84%. In U-PVC, similar to fiberglass pipe, the average roughness values has been estimated with high accuracy using the Ra with a cutting length of 2.5.
Use your device to scan and read the article online       DOI: 10.30495/wej.2024.31547.2377
Keywords: Surface roughness measuring devices, glass reinforced plastic pipe (GRP), roughness parameters, sandpaper, U-PVC pipe
Citation: Aghaee Daneshvar F, Talebbeydokhti N, Dehghan SM, Elhamian SMM. Evaluation of internal surface roughness in fiberglass pipes by surface roughness instruments. Water Resources Engineering Journal. 2024; 17 (60): 88- 107.
*Corresponding author: Farnoush Aghaee Daneshvar Address: Dept. of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran. Tell: [phone] Email: [e-mail]

 

Extended Abstract

Introduction

The evaluation of surface roughness is challenging due to its many complexities. A comprehensive definition of surface roughness entails not only measuring the height of roughness, but also considering factors such as distance, various surface designs, materials, and manufacturing methods, all of which contribute to variations in surface roughness. Fiberglass pipes, for instance, are known for their smooth inner surfaces, which offer advantages such as reduced energy loss and resistance to flow. In the past, the roughness of pipe surfaces and the resulting friction loss were determined through hydraulic tests, as there were no profilometric tools available to measure the inner surface roughness of pipes. However, advancements in engineering equipment have led to the use of various tools and methods for measuring surface and pipe wall roughness. The roughness of different types of pipes with modern inner coatings was measured using the Surface Profilometer and Roughness Tester. Additionally, a precise evaluation of the internal surface roughness was achieved by atomic force microscope (AFM) 3D digital images of the surface of a small sample of the pipe with different internal coatings. 

 

Materials and Methods

In this research, we investigate and study the roughness of the inner surface of the Fiberglass Glass Reinforced Plastic (GRP) pipes of varying diameters using a profilometric tool. To accurately assess the inner surface roughness of fiberglass pipes, a portable surface roughness tester was utilized to verify the accuracy of this device, the surface roughness of a reference piece and a piece of No. 400 sandpaper was measured using this device. Roughness tests were conducted on fiberglass pipes, and roughness and profilometry were measured using a surface roughness tester (Surf test SJ-210). Samples, 30 cm in length, were taken from the walls of fiberglass pipes with diameters of 20, 40, 150, 200, 300, 600, 800, and 1000 mm in uniaxial type. Additionally, samples with diameters of 200 and 800 mm were prepared in the biaxial type.

 

 Findings

Surface roughness profiles were generated for each cutoff length across all diameters, and roughness parameters were subsequently calculated. The average absolute roughness (ε) values were then estimated from these parameters. The Rz parameters, with a cutting length of 0.8, demonstrated relative accuracies of 98.84% and 88.2% for all fiberglass and uniaxial tubes, effectively estimating the average roughness of the fiberglass tube. The minimum calculated error and the most accurate roughness of the inner surface of fiberglass tubes with diameters less than 150 mm were associated with the Ra roughness parameter at a cut length of 2.5, while for larger diameters, it was more closely related to the Raesg and Rt parameters at a cut length of 0.8. Overall, the results indicate that, across all cut lengths, the Ra roughness parameter exhibited the least error in measuring the roughness of the inner surface of the fiberglass pipes.

 

Discussion

In the comparison of the measured roughness values between bi-axial and uni-axial pipes, it was observed that the average roughness value of the inner surface in uni-axial pipes is higher than that of bi-axial pipes for both 200- and 800-mm diameters. This higher roughness is attributed to the greater resistance of the materials used in their construction and the presence of sand in the wall of the uni-axial pipes. Additionally, when comparing the roughness of new and old fiberglass pipes with a diameter of 1000 mm and different lengths, it was found that the roughness of the old pipe is slightly less than that of the new pipe. This reduction in roughness is due to erosion and the natural smoothing of the pipe surface over time. Consequently, the roughness of the pipes decreases with use. It is worth noting that the roughness coefficient increases in the transmission network due to sedimentation. To validate the performance of the roughness testing device, a sample of U-PVC pipe with a diameter of 120 mm and a length of 30 cm was prepared, and the roughness of its inner surface was measured. The results indicate that the average absolute roughness of the inner surface of the U-PVC pipe, with a cutting length of 2.5, closely matches the reported roughness value of 1.5 microns for a PVC pipe, demonstrating 97.46% calculation accuracy as per available sources.

 

Conclusion

In this study, we examined the inner surface roughness of fiberglass pipes using a roughness tester and evaluated it using various roughness parameters. We also investigated the impact of each roughness parameter on estimating the surface roughness. Our experimental results indicate that the roughness parameter Rz and Ra with a cutoff length of 0.8 and 2.5 is generally suitable for estimating the inner surface roughness of fiberglass pipes, respectively. Additionally, our measurements revealed that the inner surface roughness of biaxial pipes is generally lower than that of uniaxial pipes. Comparing newly manufactured pipes with old pipes removed from the Sangar water supply transmission line, we found that the surface roughness parameters, based on the difference between the maximum and minimum roughness of the inner surface pipes, are influenced by the pipe manufacturing process. Over time and with use in projects, these parameters decrease due to the erosion of the maximum roughness of the pipe's inner surface. However, the roughness parameters that primarily indicate the average roughness of the pipe surface, and are related to the type of pipe, remain relatively unchanged in old and new pipes, suggesting that the average roughness of the fiberglass pipe surface remains constant over time and use in transmission lines.

Our measurements of the U-PVC pipe also demonstrated the accuracy of the roughness testing device in estimating the inner surface roughness of the pipe. The roughness parameter Ra, with a cutting length of 2.5, in the U-PVC pipe, is similar to that of the fiberglass pipe and accurately estimates the average roughness value of this type of pipe. According to the results obtained from the Surftest SJ-210 device, it provides better results than other tools in estimating the roughness of the inner surface of fiberglass pipes. Its calculation accuracy, compared to the reported roughness height for fiberglass pipes, is equal to 98.84%.

 

Ethical Considerations compliance with ethical guidelines

The cooperation of the participants in the present study was voluntary and accompanied by their consent.

 

Funding

No funding.

 

Authors' contributions

Design and conceptualization: Farnoush Aghaee Daneshvar, Nasser Talebbeydokhti, Seyed Mehdi Dehghan.

Methodology and data analysis: Farnoush Aghaee Daneshvar, Seyed Mehdi Dehghan, Seyed Mohammad Mehdi Elhamian.

Supervision and final writing: Farnoush Aghaee Daneshvar, Seyed Mehdi Dehghan.

 

Conflicts of interest

The authors declared no conflict of interest.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقاله پژوهشی
ارزیابی زبري سطح داخلي انواع لوله‌هاي فايبرگلاس با دستگاه اندازه‌گیری زبري سطح
فرنوش آقايي دانشور1*، ناصر طالب بيدختي2، سيد مهدي دهقان3، سيد محمد مهدي الهاميان4 1. استادیار دانشكده مهندسي عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شيراز، شيراز، ايران 2.         استاد گروه مهندسي عمران و محيط زيست، دانشکده مهندسي، دانشگاه شيراز و رئيس مرکز توسعه پايدار دانشگاه شيراز، شيراز، ايران 3. دانشیار دانشكده مهندسي عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شيراز، شيراز، ايران 4. مرکز تکنولوژي فراتک مجموعه توليدي و صنعتي فراسان، شيراز، ايران
تاریخ دریافت: 14/11/1401 تاریخ داوری: 16/11/1401 تاریخ پذیرش: 25/01/1402	چکیده مقدمه: بررسي زبري سطح داخلي لوله‌‌‌هاي انتقال سيالات داراي اهميت بسزايي در ميزان افت انرژي سيستم‌هاي انتقال دارد. مفاهيم و روش‌هاي مختلفي در بررسي زبري‌هاي سطوح بکار گرفته شده است. برخي از اين روش‌ها بر پايه زبري‌سنجي و استفاده از دستگاه‌ها و تجهيزات موجود در اين زمينه استوار مي‌باشد. از اين رو، زبري جنس جداره لوله‌ها و مقاومت جريان در برابر جداره لوله و رسوبگذاري در گذر زمان در خطوط لوله به روش هاي مختلف مطالعه و بررسي مي‌گردد. عمده تحقيقات صورت گرفته در اين زمينه شامل زبري‌سنجي سطوح در لوله‌هاي از جنس فولاد، مس و یا لوله‌های پلاستیکی و يا روکش‌دار بوده است. روش­: در اين مطالعه زبري سطح داخلي لوله‌‌هاي فایبر گلاس، که کمتر مورد بررسي قرار گرفته، با استفاده از روش‌هاي آزمايشگاهي و دستگاه‌‌هاي زبري سنجي ارزيابي شده است. نتايج کاليبراسيون و صحت‌‌سنجي دستگاه زبري‌‌سنجي سطح بر روي سطوح کاغذ سمباده و جداره لوله پوليکا ارزيابي شده است. همچنين، نتايج زبري سطح داخلي لوله‌‌هاي فايبرگلاس در چندين قطر و دو نوع جنس مختلف لوله ارائه شده است. علاوه براين، اثر پارامترهاي زبري، زبري سطح محاسبه شده با استفاده از آن ها و همچنين اثر زمان و بکارگيري لوله فايبرگلاس در خطوط انتقال آب نيز بررسي شده است. یافته­ها: در اين تحقيق به اندازه‌گیری زبري سطح داخلي لوله‌هاي فايبرگلاس با استفاده از دستگاه تست کننده زبري و برآورد پارامترهاي مختلف زبري پرداخته شد و تاثير هريک از اين پارامترهاي زبري را در برآورد مقدار زبري سطح بررسي گردید. بر اساس نتايج آزمايشات اين تحقيق، پارامترهاي زبري Rz و Ra به ترتیب در طول برش 8/0 و 5/2، پارامترهای مناسبي جهت برآورد زبري سطح داخلي لوله فايبرگلاس مي‌باشند. همچنين زبری سطح داخلي لوله‌هاي دو محوري بطور متوسط کمتر از لوله‌هاي تک محوري مي‌باشد. علاوه بر اين، در مقايسه زبري لوله‌هاي فايبرگلاس تازه توليد شده و قديمي، پارامترهاي زبري سطح در اثر گذر زمان و بکارگيري لوله فايبرگلاس در پروژه‌ها، به سبب فرسايش کاهش مي‌يابند که اين ناشي از حداکثرهاي زبري‌هاي ناگهاني سطح داخلي لوله مي‌باشد. در حالي که، پارامترهاي زبري مرتبط با جنس لوله، در لوله‌هاي قديمي و نو تغيير چنداني نداشته که نشانگر ثابت ماندن زبري متوسط سطح لوله‌هاي فايبرگلاس در گذر زمان مي‌باشد. نتیجه­گیری: بر اساس نتایج دستگاه Surftest SJ-210 در برآورد زبری سطح داخلی لوله‌های فایبرگلاس نتایج بهتری نسبت به سایر ابزارها دارد و دقت محاسباتی نسبت به مقدار ارتفاع زبری گزارش شده برای لوله‌های فایبرگلاس برابر با 84/98 درصد می‌باشد. در لوله پوليکا (U-PVC) نيز مشابه با لوله فايبرگلاس مقدار زبري متوسط اين نوع لوله را با دقت بالايي با استفاده از پارامتر زبري Ra با طول برش 5/2 برآورد نموده است.
از دستگاه خود برای اسکن و خواندن مقاله به صورت آنلاین استفاده کنید     DOI: 10.30495/wej.2024.31547.2377
واژه­های کلیدی: دستگاه‌هاي زبري‌سنجي سطح، لوله پلاستیکی تقویت شده با شیشه (GRP)، پارامترهاي زبري، کاغذ سمباده، لوله پوليکا
* نویسنده مسئول: فرنوش آقايي دانشور نشانی: گروه آب و سازه هیدرولیکی، دانشکده عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران. تلفن: [phone] پست الکترونیکی: [e-mail]

 

 

مقدمه

یکی از معمولی‌ترین و مهمترین مسائل در مکانیک انتقال سیالات، تخمین میزان افت انرژی و فشار در سیستم‌هاي لوله‌کشی می‌باشد که تاثیر بسزایی در تعیین اجزاء و سیستم‌های پمپاژ و قدرت و توان آنها دارد. کاهش انرژی و افت فشار سیالات در سیستم‌های لوله‌کشی به‌جهت تغییر ارتفاع سیستم، وجود زبری جدار لوله‌ها و همچنین جریان‌های داخلی و متلاطم که به واسطه تغییرات ناگهانی مسیر، قطر، سطح مقطع لوله‌ها و استفاده از سایر اجزا شامل شیرها و زانویی‌ها و ... به وقوع می‌پیوندد. بررسي و ارزيابي هر کدام از اين عوامل به روش‌های مختلف تجربی و محاسباتی مي‌تواند تاثير بسزايي در کنترل افت فشار شبکه‌هاي لوله کشي و صرفه جويي در مقدار انرژي لازم در سيستم‌هاي پمپاژ داشته باشد. يکي از اين عواملي که افت اصطکاکی در شبکه لوله کشي را ايجاد مي‌کند مي‌تواند به واسطه مقاومت تماسی حاصل از زبری جدار لوله در برابر جریان ايجاد شود. بنابراين زبري جدار داخلي لوله عامل مهمي در افت اصطکاکي جريان در لوله است که بسته به جنس، فورم ساخت، قطر و عمر لوله مي تواند تاثير متفاوتي داشته باشد. به علت وجود پیچیدگی‌های بسیار در زبري سطوح، ارزیابی کمی آنها مشکل است، علاوه براینکه یک تعریف کامل از زبری سطوح نه تنها نیاز دارد که ارتفاع زبری‌ها را محاسبه کند بلکه، باید فاصله و طرح‌های مختلف زبری‌های سطوح را نیز درنظر بگیرد. جنس و شيوه ساخت لوله‌هاي مختلف سبب مي‌شود که ارتفاع زبري سطوح متفاوت باشند. بر اساس مطالعات منابع مهندسي در مقدار ارتفاع استاندارد زبري (ε)، لوله‌ها به دو دسته لوله­هاي صاف¹ و زبر² تقسيم تقسيم مي‌شوند. لوله‌های فایبرگلاس دارای محیط و سطح داخلی صاف می‌باشند که از مزایای این نوع لوله‌ها است و منجر به کاهش افت انرژی و کاهش مقاومت در برابر جریان در این نوع لوله‌ها می‌شود. همچنین، این مشخصه لوله‌های فایبرگلاس منجر به کاهش توان مورد نیاز سیستم پمپ‌های بکار رفته در خطوط انتقال این نوع لوله‌ها می‌گردد که تاثیر بسزایی در صرفه‌جویی و کاهش هزینه‌ها دارد. سطوح داخلی این لوله‌ها معمولا در برابر عبور بیشتر سیالات در طول زمان صاف باقی می‌ماند. سطح صاف داخلی این نوع لوله‌ها سبب می‌شود که برای انتقال جریانی با ظرفیت معین قطر لوله کمتری نسبت به سایر لوله‌ها مورد نیاز باشد (1).

در سالهای گذشته ابزار پروفیلومتری برای اندازه‌گیری زبری سطح داخلي لوله وجود نداشت و زبری لوله‌ها و افت اصطکاک از طريق آزمایش‌های هیدرولیکی محاسبه می‌شد. نيکورادزه (2) با در نظر گرفتن زبری مصنوعی از طريق چسباندن دانه‌های یکنواخت شن و ماسه با قطر معین در سطح داخلی لوله‌ها زبری نسبی (ε/d) را معادل قطر دانه ها به قطر لوله جریان تعریف کرد و با استفاده از لوله‌های مختلف و قطر‌های متفاوت ذرات شن و ماسه، آزمایشاتی را برای تعيين زبری‌های نسبی مختلف طراحی نمود. مودي (3) همبستگي زبري نسبي و ضريب اصطکاک را در نموداري براي جنس لوله‌ها و شرايط جريان مختلف بر اساس نتايج زبري مصنوعي دانه‌هاي شن تهيه نمود. کلبروک (4) هم بر اساس آزمايش‌هاي بسيار بر لوله‌هاي تجاري رابطه ضريب افت اصطکاک با توجه به مقدار زبري نسبي لوله‌ها را ارائه نمود. لوله‌ها معمولا بر اساس ارتفاع زبری‌های سطح جدار داخلی لوله (ε) در دو نوع لوله صاف و زبر وابسته به جنس و نحوه ساخت لوله موجود می‌باشند. علاوه بر اين ماهيت جريان هم در ميزان تاثير زبري جدار در مقاومت جريان موثر است. زیر لایه لزج³ (δs) یک لایه لزج ورقه‌ای است که در نزدیک دیواره لوله به علت شرط مرزی بدون لغزش دیواره و کاهش سرعت جریان در نزدیک جدار و حاکم شدن جریان ورقه‌ای تشکیل می‌شود و ضخامت آن با کاهش عدد رینولدز افزایش می‌یابد. نتایج آزمایش‌ها نشان داده است که زبری موثر (ε) اثری در جریان آرام یا ورقه‌ای ندارد و در واقع لوله از لحاظ هیدرولیکی صاف است و جریان بر روی زیر لایه ورقه‌ای حرکت می‌کند. اما در جريان متلاطم و زماني که ارتفاع زبری‌های جدار بیشتر از ضخامت زیر لایه لزج یا ورقه‌ای باشد، لوله زبر در نظر گرفته می‌شود و زبری‌های جدار در جریان اصلی در مقطع لوله تاثیر خواهندداشت (5, 6). با افزایش عدد رینولدز ضخامت زیر لایه ورقه‌ای کاهش یافته و زبری‌های جدار پارامتر مهمی در مقاومت جریان خواهد بود و نقش غالب را در رژیم متلاطم زبر تکامل یافته، ایفا می‌کند و متناسب با توان دوم سرعت جریان است (7). مطالعه اثر زبری جدار در نیروی اصطکاک و افت فشار در جریان آرام و متلاطم (8-10) اهمیت و نیاز به کنترل و ارزیابی مورفولوژی سطح جدار لوله در عملکرد سیستم‌های سیالاتی را نشان می‌دهد (11).

با پيشرفت تجهيزات مهندسي ابزارهاي مختلف و روشهای گوناگوني برای اندازه‌گیری زبری‌های جدار سطوح و لوله بکار رفته است. فرشاد و همکاران (12, 13) و فرشاد و پساکرتا (14) با استفاده از دو ابزار پروفایل‌ متری سطح Dektak 3ST⁴و تست کننده زبری سطح T1000⁵Hommel ناهمواری و زبری سطح داخلی انواع مختلف لوله­های با پوشش داخلی مدرن را اندازه­گیری کردند (15). همچنین با استفاده از ابزاز میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) بعد 3000 ⁶ تصویر دیجیتالی دقیق سه بعدی از سطح نمونه کوچک لوله با پوششهای مختلف داخلی تهیه و زبری سطح داخلی لوله با این ابزار که جز زیرمجموعه میکروسکوپ پروب اسکن مي‌باشد ارزیابی شده است. بر اساس نتایج مطالعه آنها تهیه تصویر دیجیتالی با AFM، و زبری برآورد شده از آن برای آنالیزهای شیمیانی سطح بیشتر مناسب هستند. در سال‌های اخیر، اثر زبری سطح داخلی بر افت فشار به صورت عددی توسط نرم‌افزارهای CFD، ANSYS/Fluent در لوله‌های با قطر کوچک (16) و در جریان کانال آرام (17) مدل‌سازی شده است. همچنین روشها و تجهیزات جدیدی جهت اندازه گیری زبری سطح و مشخصات آن ارائه شده است (18-20). نتایج حاصل از ابزارهای پروفیل‌متری سطح برای ارزیابی ناهمواری‌ها و زبری‌های سطح که در جریان متلاطم موثرند، کاربرد دارد. در تحقیقات زبری سنجی فرشاد و همکاران (12, 21) ارزيابي‌هاي عددي و تحليل‌هاي آماري نيز بر روي نتايج زبري سنجي انجام شده است. فرشاد و همکاران (13)، تست اندازه‌گیری ضریب افت اصطکاک لوله‌های مختلف در سيستم جریان گاز نیتروژن خشک را در موسسه تحقیقاتی SWRI⁷، را انجام داده‌اند. از مطالعات آماری بر روی نتایج زبری-سنجی پارامتر Rz تطابق بهتری را با نتایج حاصل از تست جریان نشان داده است. همچنین، فرشاد و همکاران (21)، بر اساس مطالعاتشان یک نمودار درباره زبری نسبی در مقابل قطر چند نوع از لوله‌های با پوشش داخلی مدرن و جدولی برای زبری مطلق این لوله‌ها ارائه نمودند. روابط مختلفی برای هریک از انواع لوله‌ها بین قطر لوله و زبری نسبی بر اساس متوسط برداشتهای زبری-سنجی نمونه‌ها از گرافهای ترسیم شده بدست آوردند. همچنین در این مطالعه مقدار زبری مطلق لوله‌های با روکش داخلی فایبرگلاس 38 میکرون بدست آورده شده است. قنبری و همکاران نیز رابطه جدیدی برای ضریب اصطکاک بر اساس مطالعات خود در لوله‌های با پوشش مدرن در مهندسی شیمی و نفت ارائه نمودند.

در این تحقیق به بررسي و مطالعه زبري سطح داخلي لوله‌های فايبرگلاس⁸ AWWA⁹, 1999 (22)، پلاستیک تقویت شده شیشه¹⁰ تولیدی در شرکت توليدي و صنعتی فراسان که با تکنولوژی جدید و فناوری برتر تولید شده‌اند، مي‌پردازيم. در طول این مطالعه تلاش می‌شود که با زبري سنجي و اندازه‌گيري زبري سطح داخلي لوله‌هاي فايبرگلاس با ابزار پروفيلومتري مقادير زبري سطح داخلي لوله‌هاي فايبرگلاس را در قطرهاي مختلف تعيين و مورد مقايسه و بررسي قرار دهيم. هدف از این مطالعه صحت-سنجی و ارزیابی دقیق‌تر زبري سطوح داخلي لوله فايبرگلاس و مقايسه با ساير سطوح مي‌باشد. همچنين، در اين مقاله روابط تئوری و تجربی در پارامترهاي مختلف زبري را مورد بررسي قرار مي‌دهيم. علاوه بر اين تاثير انواع روش ساخت لوله‌هاي فايبرگلاس در دو نوع پيوسته و ناپيوسته و اثر عمر لوله و کاربرد آن در خطوط لوله فايبرگلاس را بر روي زبري سطح داخلي ارزيابي مي نماييم.

 

مواد و روش­ها

تئوری زبری سطح

هر سطح دارای نوعی بافت است که به شکل مجموعه­ای از قله­ها و دره­هاست که از نظر ارتفاع و فاصله متفاوت بوده که نتیجه روش تولید آن سطح است. سه جز اصلي بافت هر سطح شامل زبري¹¹، موج دار¹² و فورم¹³ است که زبري سطح ناشي از جنس ماده و شيوه ساخت ايجاد مي­شود. موج­دار بودن سطح در حقيقت يک انحناي کلي است که به نظر مي­رسد بر روي زبري اعمال شده است و فورم يک انحراف در مقياس بزرگتر است (23-26). شکل 1 تفاوت و تفکيک بين زبري، موج­دار بودن و فورم در يک سطح زبر را نشان مي­دهد. هر يک از اين سه مولفه پهناي باند طول موج مشخصي را دارا مي­باشند و دو طول برش يکي براي پايين و يکي براي بالاي باند هر يک از آنها مورد نياز است. بنابراين طول برش (λc) براي طول موج بالاگذر و (λs) پايين­گذر باند زبري را معين مي­کنند و بر طبق استانداردهاي ASME B46.1 (27)، DIN EN ISO 4288 (28)،DIN EN ISO 4287  (29) و DIN4768/1 (30) مقادير اين طول برش­ها و طول نمونه­گيري تعيين مي­شود. پروفیلی که بعد از اعمال فیلتر پایین­گذر در مقادیر اندازه­گیری شده با استفاده از طول برش طول موج (λs) حاصل می­شود پروفیل اولیه ناميده مي­شود که معمولا با پارامتر P شناخته می­شود (شکل 1). پروفیلی که از فیلتر شدن پایین گذر پروفیل اولیه با طول موج برش λc حاصل می­شود (شکل 1) که به دنبال آن فیلتر بالاگذر با طول موج برش λf در آن اعمال می­شود پروفیل موج­دار ناميده مي­شود که در حقیقت از کاربرد متوالی و توامان فیلتر با طول موج برش λf و λc در پروفیل اولیه حاصل می­شود و با پارامتر W تعیین می­شوند. پروفیلی که پس از فیلتر شدن طول موج بالاگذر از پروفیل اولیه با طول موج برش λc حاصل می­شود پروفیل زبری است که معمولا با پارامتر R معرفی می­شود و در طول ارزیابی ln که معمولا شامل پنج طول نمونه lr می­باشد، ارزیابی می­شود (شکل1). طول نمونه­برداری با طول برش¹⁴ λc از فیلتر مشخصات مطابقت دارد.

پارامترهای زبری

در تحقیقات صورت گرفته تعیین و اندازه­گیری زبری­های جدار سطوح و لوله مورد توجه محققین و مهندسین بوده است. براي ارزيابي اثر زبری بر طبق استاندارد DIN EN ISO 4287 (29) پارامترهای زبری شامل زبری میانگین حسابی¹⁵ (Ra)، عمق متوسط زبری¹⁶ (Rz)، حداکثر زبری¹⁷ (Rt)، میانگین مربعات زبری¹⁸ (Rq) و بخش مادي پروفيل¹⁹ زبري سطح (Rmr(c)) در نظر گرفته شده است. میانگین حسابی که از متوسط مجموع کل قدر مطلق مقادیر انحرافات پروفایل ارزیابی شده زبری سطح (Zi) از خط میانگین و n تعداد داده­هاي زبري است (شکل 2) که از رابطه (1) محاسبه می­شود.

(1)                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---

[1]  - Smooth

[2]  - Rough

[3]  - Viscous sublayer

[4]  - Dektak 3ST Surface Profilometer

[5]  - Roughness Tester HOMMEL

[6]  - Dimension 3000 atomic force microscope (AFM)

[7]  - South West Research Inst

[8]  - Fiberglass Reinforced Plastic (FRP)

[9]  - American Water Works Association

[10]  - Glass Reinforced Plastic (GRP)

[11]  - Roughness

[12]  - Waviness

[13]  - Form

[14]  - Arithmetic average roughness 

[15]  - Arithmetic average roughness

[16]  - Mean roughness depth (Mean peak-to-valley height)

[17]  - Total height of the roughness profile (Maximum roughness)

[18]  - Mean square of roughness

[19]  - Material portion of profile

 

شکل 1- استخراج پروفيل زبري از پروفيل اوليه و موج دار (24, 25, 27) و تعيين طول نمونه برداري و طول ارزيابي از پروفيل زبري بر اساس طول برش

 

 

شکل 2- پارامتر زبری میانگین حسابی (Ra)، عمق متوسط زبری (Rz)، حداکثر زبری (Rt) و بخش مادي پروفيل زبري سطح (Rmr(c)) (32)

 

 

مقدار میانگین مربعات زبری در واقع ريشه مربع مقادیر انحراف (Zi) از خط میانگین پروفایل زبری می­باشد که از رابطه (2) محاسبه می­شود. Rq نسبت به Ra بیشتر به مقادیر حداکثر و حداقل پروفیل زبری حساس می­باشد.

(2)                                                

Zi مجموع Pi و Vi در هریک از 5 قسمت طول نمونه lri در شکل 2 می­باشد که از میانگین­گیری مقادیر Zi مقدار عمق متوسط زبری (Rz) محاسبه مي­شود.

(3)                                                        

ارتفاع کل پروفیل زبری یا حداکثر زبری (Rt)، مجموع فاصله از خط متوسط تا حداکثر ارتفاع یا بلندترین قله پروفیل زبری و فاصله از خط متوسط تا حداقل ارتفاع یا پست ترین دره پروفیل زبری در کل طول ارزیابی ln می­باشد. در شکل 2 مقدار ارتفاع کل زبری (Rt) نشان داده شده است. در این مطالعه مقدار ارتفاع کل زبری حداکثر (Rtmax)، که معادل حداکثر مقادیر Rt در کل پروفیل برداشتی از سطح می­باشد، نیز برای ارزیابی زبری سطح استفاده شده است.

پارامتر میانگین حسابی زبری دانه شن و ماسه¹ (Rasg) توسط آدام و گرنت (33) برای برآورد زبری معادل دانه­های یکنواخت شن و ماسه با قطر معین ارائه شده است. نیکورادزه زبری مصنوعی معادل با زبری دانه­های یکنواخت شن و ماسه با قطر معین را برای سطح داخلی لوله در آزمایشگاه در نظر گرفت. آدام و گرنت (33) با مدلسازی زبری سطح مطابق با دانه‌‌های شن و ماسه یکنواخت (شکل 3) و با استفاده از رابطه ریاضی معادل با دانه­های شن و ماسه یکنواخت رابطه 4 را برای ارتفاع زبری سطح(ε) ، متناسب با زبری میانگین حسابی (Ra) که از پروفیلومتری سطح حاصل می­شود، ارائه کرده است. آدام و گرنت (33)، با استفاده از نرم افزار متلب زبری سطح را با کره­های بسته بندی شده شش گوشه مدلسازی کرده (شکل 3) و میانگین حسابی زبری برآورد شده دانه شن و ماسه² را از رابطه 5، محاسبه کرده­اند. در مطالعه حاضر پارامترهاي زبري میانگین حسابی زبری دانه ماسه (Rasg) و میانگین حسابی زبری برآورد شده دانه شن و ماسه (Raesg) نامیده شده است و محاسبه و ارزيابي شده است.

(4)                                                      

(5)                                                    

کاندلیکار و همکاران (34) پارامترهایی را بر اساس مشخصات مختلف زبری ارزیابی کردند و یک گروه از سه پارامتر Rp متوسط حداکثر ارتفاعات اوج پروفیل، RSm متوسط فواصل نامنظمی­های پروفیل و Fp فاصله کف از خط متوسط (Ra) ارائه کرده­اند که مقدار زبری (ε)، از جمع دو مقدار Rp و Fp بدست می­آید. این تعریف مقدار مشابهی با مقدار زبری بدست آمده از دانه شن در آزمایش­های دارسی (35) و نیکورادزه (2) دارد لذا ضریب تصحیحی برای استفاده از دیاگرام مودی نیاز نمی­باشد (36).

(الف)(ب)

شکل 3- (الف) مدلسازی زبری سطح با دانه­های یکنواخت شن و ماسه برای برآورد پارامترهاي زبری میانگین حسابی زبری دانه شن و ماسه (Rasg)، (ب) مدلسازی کره های بسته بندی شده شش گوشه ایجاد شده در متلب برای برای برآورد پارامتر میانگین حسابی زبری برآورد شده دانه شن و ماسه (Raesg) (33)

اندازه­گیری زبری سطح

روشهای مختلفی برای اندازه­گیری زبری­های جدار سطوح و لوله بکار رفته است که شامل دو روش کلی پروفیلی و سطحی مي­باشند. در روش پروفیلی زبری بصورت خطی با استفاده از پروب³ اندازه­گیری می­شود در حالی که در روش سطحی برداشت داده­ها بصورت سه بعدی و با روش­های مشاهدات نوری می­باشد. ابزارهای اندازه­گیری زبری سطح بر اساس اینکه با سطح در تماس هستند یا نه، به دو گروه اصلی اندازه­گیری با تماس⁴ و اندازه­گیری بدون تماس⁵ تقسیم می­شوند. دقت در برداشت داده زبری سطح در روش تماسی با توجه به شعاع قلم بین 2 تا 10 میکرون و در روش بدون تماس لیزری (میکروسکوپ لیزری) با توجه به شعاع نقطه لیزری به اندازه 2/0 میکرون کمتر می­باشد (37). ابزارهاي مختلفي با دقت­هاي مختلف با روش پروفيلومتري همچون پروفایلومتر⁶، دستگاه اندازه­گیری پروفیل سطح⁷ (SPG) (پروفیل­متر)، PosiTector ⁸، وسیله اندازه­گیری دیجیتالی پروفیل سطح⁹، پروفیل­متر سطح Dektak 3ST، پروفیلومتر تست کننده زبری¹⁰ (PCE-RT)، تست کننده زبری سطح Hommel  و تست کننده قابل حمل زبری سطح¹¹ (Surftest) جهت ارزيابي زبري سطوح ساخته شده است.

دستگاه تست کننده قابل حمل زبری سطح (Surftest SJ-210) که با دقت و سرعت بیشتر قابلیت برداشت زبری­های سطح را دارد و پروفیل زبری سطح را بر روی صفحه نمایشگر LCD و در نرم افزار بر روی کامپیوتر ترسیم می­کند، در اين مطالعه جهت ارزيابي زبري سطح داخلي لوله­هاي فايبرگلاس استفاده شده است. در این دستگاه یک قلم از جنس الماس با حرکت روی سطح جسم که کاملا عمود به مسیر دستگاه برداشت زبری است، تا حداکثر مقدار 5/17 میلیمتر، می­تواند زبری روی سطح را اندازه­گیری کند. شعاع این قلم 5 میکرون است و با زوایای 90 و 60 درجه می­تواند روی سطح قرار گیرد. سرعت حرکت آن بین(mm/s)  25/0تا 75/0 میلی­متر در ثانیه و سرعت برگشت قلم (mm/s) 1 است. دقت برداشت زبری سطح از 02/0 تا 002/0میکرون به ترتیب برای طول 360 تا 25 میکرون بر طبق استاندارد ISO 1997 می­باشد. شکل 4، یک نمونه از دستگاه اندازه­گیری زبری سطح را نشان می­دهد. این دستگاه حداکثر ارتفاع زبری 360 میکرون را می­تواند برداشت کند. در این دستگاه بر اساس استاندارد ISO 4287 (29)، DIN EN 4288 (28) و فیلتر گوس¹² منحنی­های سطح و نوسانات از مقادیر زبری­های اندازه­گیری شده از سطح حذف و اصلاح می­شود. با انجام این کار، نقایص سطح از جمله ترکها، خراشیدگی­ها و فرورفتگی­های سطح به عنوان زبری سطح مطرح نشده و اندازه­گیری نمي­شوند. برای این دستگاه 5 طول برش (λc) 08/0، 25/0، 8/0، 5/2 و 8 میلی­متر تعریف شده است. همچنین برای حذف موج در اندازه­گیری­های زبری سطح در این دستگاه از سه طول موج 5/2، 8 و 25 میکرون استفاده شده است. بر اساس استاندارد DIN4768/1(1978) (30)  چنانچه مقدار Rz بین 5/0 تا 10 میکرون باشد، طول نمونه اندازه­گیری زبری باید 8/4 میلي­متر باشد که طول برش 8/0 میلي­متر و Ra بین 1/0 تا 2 میکرون است. اگر مقدار Rz بین 10 تا 30 میکرون باشد، طول نمونه باید 5/12 میلي­متر باشد و طول برش 5/2 میلي­متر و Ra بین 2 تا 10 میکرون است. براي طول برش 0.25 میلي­متر هم طول نمونه 25/1میلي­متر و مقادير Rz بين 1/0 تا 5/0 ميکرون و Ra بين 02/0 تا 1/0 ميکرون است.

 

شکل 4- نمونه دستگاه تست‌کننده قابل حمل زبری سطح Surftest SJ-210، قطعه شاهد و پروفیل زبری سطح آن جهت صحت‌سنجی.

برای اطمینان از صحت­سنجي اين دستگاه در برداشت زبری سطح یک قطعه از کاغذ سمباده شماره 400 توسط این دستگاه، زبري­سنجي شد (شکل 5) و یکي از نمونه پروفیل­هاي ترسیم شده از زبري سطح کاغذ سمباده به وسيله دستگاه در شکل 5 نشان داده شده است. پروفیل کاغد سمباده به واسطه تراکم تقریبا یکنواخت زبری­های روی سطح شکل تقريبا مشابهي دارد که با فرم خاصی تکرار می­شود. با 6 بار اندازه گیری از این نمونه کاغد سمباده مقدار میانگین پارامترهای زبری سطح با مقدار طول برش 25/0 میلی­متر برآورده شد. مقدار میانگین زبری متوسط Ra کاغذ سمباده 013/5 میکرون و مقدار میانگین ارتفاع زبری دانه­های کاغد سمباده Rt، 49/34 تقریبا 35 میکرون محاسبه شده است. از نتایج تحقیقات صورت گرفته روی 4 نوع مختلف کاغذ سمباده توسط شین و همکاران در سال 2008 (40)، مقدار ارتفاع متوسط زبری کاغذ سمباده 400 برابر با 55/2 ± 24/35 (69/32 – 79/37) میکرون می­باشد که مقدار میانگین ارتفاع زبری (Rt) اندازه­گیری شده کاغذ سمباده 400 با دستگاه تست کننده زبری

 

شکل 5- نمونه قطعه کاغذ سمباده 400 برای صحت سنجی دستگاه تست کننده قابل حمل زبری سطح Surftest SJ-210 و پروفیل زبری سطح از قطعه کاغذ سمباده 400.

میکرون محاسبه شده است. از نتایج تحقیقات صورت گرفته روی 4 نوع مختلف کاغذ سمباده توسط شین و همکاران در سال 2008 (40)، مقدار ارتفاع متوسط زبری کاغذ سمباده 400 برابر با 55/2 ± 24/35 (69/32 – 79/37) میکرون می­باشد که مقدار میانگین ارتفاع زبری (Rt) اندازه­گیری شده کاغذ سمباده 400 با دستگاه تست کننده زبری سطح در بازه مقدار گزارش شده توسط شین و همکارانش می­باشد و تنها 25/0میکرون با مقدار متوسط آن اختلاف دارد که دارای دقت نسبی 3/99% می­باشد. همچنین مقدار زبری متوسط Ra کاغذ سمباده 400 گزارش شده توسط شین و همکاران (40) برابر با 839/0± 47/5 (631/4 – 309/6) میکرون می­باشد که مقدار بدست آمده از اندازه­گیری دستگاه تست کننده زبری در این مطالعه در اين بازه می­باشد و تنها 457/0 میکرون با مقدار متوسط آن اختلاف دارد که دارای دقت نسبی 6/91% می­باشد. لذا دستگاه زبري کاغذ سمباده را با دقت بالايي برآورد نموده است

برای انجام آزمایشات زبری سنجی بر روي لوله­هاي فايبرگلاس و اندازه­گیری زبری و پروفایلومتری به وسیله ابزار تست کننده زبری سطح (Surf test SJ-210) نمونه­هایی با طول 30 سانتی­متر از جدار لوله­های فايبرگلاس تهيه شد. به منظور بررسی اثر شیوه ساخت پیوسته (CFW)، با قطر بيشتر از 300 ميلي­متر و ناپیوسته (DFW)، با قطر کمتر از 300 ميلي­متر لوله­ها در زبری سطح داخلی آنها، نمونه­هایی از قطرهای مختلف لوله در دو رنج مختلف کمتر و بیشتر از 300 میلی­متر انتخاب و تهیه شد. همچنین، جهت بررسی اثر جنس مواد بکار رفته در ساخت لوله­ها به منظور استحکام مختلف آنها، نمونه­هایی از دو نوع مختلف تک محوری¹³ و دو محوری¹⁴ لوله­ها با مواد بکار رفته در ساخت آنها که دو نوع پلی­استر¹⁵ و وینل­استر¹⁶ می باشد، تهیه شد. لوله­ها با قطرهای 20، 40، 150، 200، 300، 600، 800 و 1000 میلی­متر از نوع تک محوری مي­باشند. البته از دو قطر 200 و 800 میلی­متر از نوع دو محوری نیز به منظورر مقایسه مشخصات زبری لوله­هاي تک محوري و دومحوري نمونه تهیه شده است. همچنین، به منظور ارزیابی زبری لوله­ها پس از استفاده در خطوط انتقال آب یک نمونه از لوله با قطر 1000 میلی­متر که 15 سال در خط انتقال آب سنقر بوده است تهيه و لوله 1000 قدیمی ناميده شد. شکل 6، نمونه لوله­هاي تهیه شده در قطرهای مختلف و مشخصات آنها را نشان می­دهد.

نتایج

زبری سطح سطح داخلی نمونه لوله­های فایبرگلاس تهیه شده با استفاده از دستگاه تست کننده زبری سطح مورد ارزيابي قرار گرفت (شکل 7) و برداشت­هاي زبري از سطح هریک از لوله ها به طول 10 الی 12 سانتی­متر با سه طول برش 25/0، 8/0 و 5/2 انجام شد. بدین ترتیب بر اساس استاندارد زبري، برای طول برش، 25/0، 41 الی 43 برداشت به فواصل 25/1 میلی­متر، برای طول برش 8/0، 25 برداشت به فواصل 4 میلی‌متر و برای طول برش 5/2، 9 برداشت به فواصل 5/12 میلی­متر صورت گرفت. داده های استخراج شده از این برداشتها بصورت پروفیل زبری سطح برای هریک از طول برش­ها در تمامی قطرها در شکل 8 و 9 ترسیم شده است. همانطور که از تصاویر مشخص می­باشد، با افزایش مقدار طول برش چون طول برداشت نمونه به وسیله دستگاه بیشتر می­شود و هم زبری­های بزرگتری از سطح در برداشت دیده می­شود، مقادیر زبری بزرگتری برای سطح حاصل می­شود. و به همین جهت مقادیر زبری و به ویژه حداکثر و حداقل مقادیر با طول برش بیشتر افزایش یافته است. پروفیل­های زبری بدست آمده از نتایج دستگاه تست کننده زبری سطح نشان مي­دهد که این دستگاه ناهمواری­ها و شیب­ها و موج­های موجود در سطح را از نتایج زبری سطح جدا می­کند و تنها ارتفاع زبری­های سطح را بدون اثر سایر عوامل محاسبه مي­کند. 5/12 در هر برداشت زبری سطح با دستگاه Surftest  

 

---

[1]  - Sand-grain roughness arithmetic average

[2]  - Estimated sand-grain roughness arithmetic average

[3]  - Probe

[4]  - Contact-Based Measurement

[5]  - Non-Contact-Based Measurement

[6]  - IRASOL (PFM 5020)

[7]  - Surface Profile Gage (SPG)

[8]  - PosiTector Surface Profile Gage (PT-SPG)

[9]  - Digital Surface Profile Gauge

[10]  - Profilometer - Roughness Tester (PCE-RT)

[11]  - Portable Surface Roughness Tester (Surftest)

[12]  - Filter GAUSS

[13]  - Uni-Axial

[14]  - Bi-axial

[15]  - Polyester

[16]  - Vinylester

 

شکل 6- مشخصات نمونه لوله‌های فايبرگلاس انتخابی با قطرهای 20، 40، 150، 200، B 200، 300، 600، B 800، 800 و لوله 1000 میلی‌متر جدید و قدیمی جهت ارزیابی زبری سطح داخلی لوله

 

شکل 7- قرائت سطح داخلی نمونه لوله فایبرگلاس (GRP) با قطرهای 20، 40، 150، B 200، 300، 600، B 800 میلی­متر و لوله 1000 میلی­متر قدیمی با استفاده از دستگاه تست کننده زبری سطح (Surftest SJ-210).

 

SJ-210 پارامترهای زبری سطح توسط دستگاه محاسبه و نمایش داده می­شود که مقادیر این پارامترها برای طول برش 25/0 و برای قطرهای 40، B 200، 300، 600 و B 800 و براي دو طول برش 8/0 و 5/2 در همه قطرها محاسبه شد و مقادير متوسط آنها در جدول 1 ارائه شده است. در اين جدول مقادير متوسط زبری مطلق ε از پارامترهاي زبري برآورد شده توسط دستگاه شامل Ra، Rz و Rt و مقادیر پارامترهاي زبری محاسبه شده در اين مطالعه شامل Rasg، Raesg و Rasgmax و Rtmax در قطر­های مختلف در جدول 1 ارائه شده است. بر اساس استاندرادهاي زبري مقادير زبري مطلق سطح بايستي کمتر از 200 میکرون باشند زيرا مقادير بيشتر طبق استاندارد زبري به عنوان زبری سطح مطرح نمی­شوند، تمام مقادير پارامترهاي زبري برآورد شده در جدول 1 که کمتر از 200 ميکرون هستند به عنوان زبري سطح مطرح مي­باشند.

با توجه به استانداردهاي زبری ISO 4287 (29)، DIN EN 4288 (28) ، مقادیر پارامترهای زبری Ra، برای طول برش(λc)  25/0 باید در بازه 02/0 تا 1/0 میکرون، برای طول برش 8/0 در بازه 1/0 تا 2 میکرون و براي طول برش 5/2 باید به ترتیب در بازه 2 تا 10 ميکرون باشند. همچنين مقادیر پارامترهای زبری Rt یا Rz براي طول برش 25/0 باید در بازه 1/0 تا 5/0 میکرون، برای طول برش 8/0 در بازه 1/0 تا 2 میکرون و براي طول برش 5/2 بايد در بازه 10 تا 50 میکرون باشند در غير اينصورت طول برش انتخابي مناسب سطح نمي­باشد. مقادیر متوسط پارامترهای زبری Ra، Rz و Rt محاسبه شده برای طول برش 25/0 (جدول 1) و ساير پارامترها در بازه استاندارد زبری واقع نمی­شوند. در نتیجه طول برش 0.25 مناسب برای ارزیابی زبری های سطح داخلی لوله­ها نمی­باشد. مقادیر متوسط پارامترهای زبری Ra، Rz و Rt محاسبه شده برای قطرهای مختلف با طول برش 8/0 در جدول 1، براي تمام مقادیر متوسط پارامترهای زبری در تمامی قطرها بجز قطر 40 و پارامتر زبری Rt در قطر 20، همه پارامترها در این بازه استاندارد قرار می­گیرند که با رنگ خاکستری در جدول 1 مشخص شده است. لذا طول برش 8/0 بجز در قطر 40 ميلي­متر در ساير قطرها طول برش مناسب براي برآورد زبري مي­باشد. در ساير پارامترهاي زبري با اين طول برش فقط پارامتر Raesg در همه قطرها بجز قطر 40 ميلي­متر در بازه استاندارد قرار مي­گيرد. مقادیر متوسط زبري مطلق پارامترهای زبری Ra و Rt یا Rz برای طول برش 5/2 در قطرهای مختلف بجز پارامتر زبری Rt در قطر 40، همه مقادیر در بازه استاندارد قرار می­گیرند و بنابراین، طول برش 5/2 برای محاسبه زبری با ابزار زبری­سنجی Surftest SJ-210 و این جنس لوله­ها در قطرهای مختلف به طور متوسط طول برش مناسبی می­باشد. در این جدول مقادیر زبری مطلق محاسبه شده از پارامترهای Rtmax و Rasgmax در طول برش 8/0 در تمامی قطرها در بازه استاندارد زبري نمي­باشند و در طول برش 5/2 تنها در برخی قطرها در بازه استاندارد زبری می­باشند. لذا اين دو پارامتر مناسبي در برآورد زبري سطح داخلي لوله­هاي فايبرگلاس نمي­باشند. اما پارامترهای زبری Ra، Rz، Rt و Raesg در طول برش 8/0 در تمامی قطرها بجز در قطر 40 ميلي­متر و در طول برش 5/2 بجز پارامتر Rt در قطر 40 ميلي­متر در ساير قطرها در بازه استاندارد زبری برای این طول برش­ها می­باشند. همچنين، نتایج زبری محاسبه شده از پارامتر زبری Ra در همه طول برشها و در پارامتر زبري Rz براي قطر بيشتر از 40 ميلي­متر بجز طول برش 5/2 کمتر از مقدار 18/5 میکرون زبری استاندارد لوله فایبرگلاس که در منابع مهندسي (41) گزارش شده است، مي­باشد و در پارامتر زبري Rz با طول برش 5/2 بيشتر از مقدار زبری استاندارد است.

مقادیر زبري سطح داخلي لوله به ازاي پارامترهای زبری مختلف برداشت شده و محاسبه شده با مقدار طول برش­هاي 8/0 و 5/2 برای متوسط همه قطرها و همه قطرهاي لوله­هاي تک محوري مورد مطالعه قرار گرفته که در چند رديف آخر جدول 1 ارائه شده است. در هر دو رديف همه لوله­ها و لوله­هاي تک محوري مقدار زبري حاصل از پارامترهاي Rz با طول برش 8/0 به ترتیب 12/5 و 79/5 میکرون است که به مقدار 18/5 میکرون بسیار نزدیک است و اختلاف آنها 06/0 و 61/0 می­باشد که بخوبي زبري سطح لوله فايبرگلاس را برآورد نموده است. لذا پارامتر زبري Rz با طول برش 8/0 هم در بازه استاندارد زبري هست و هم پارامتر مناسبي است که زبري متوسط لوله فايبرگلاس به واسطه جنس را با دقت نسبي 84/98 و 2/88 درصد به ترتيب در همه لوله­هاي فايبرگلاس و لوله­هاي تک محوري برآورد کرده است. پس از پارامتر زبري Rz پارامتر زبري Raesg برآورد مناسبي از زبري سطح لوله فايبرگلاس بطور متوسط داشته است. مقدار زبري متوسط لوله فايبرگلاس با استفاده از اين پارامتر زبري 57/5 و 22/6 ميکرون به ترتيب براي متوسط کل لوله­ها و لوله­هاي تک محوري فايبرگلاس بوده است. مقاديربرآورد شده با مقدار زبري استاندارد لوله فايبرگلاس به ترتيب 39/0 و 04/1 ميکرون اختلاف دارد و دقت آن­ها به ترتيب 47/92 و 80 درصد مي­باشد. مقادير متوسط زبري به ازاي هردو برش و به ازاي همه قطرهاي لوله و لوله هاي تک محوري نيز در رديف­هاي آخر جدول 1 محاسبه شده است. نتايج آنها نشان مي­دهد که در حالت کلي براي کل طول برش­ها پارامتر زبري Ra داراي خطای کمتري در اندازه­گيري زبري سطح داخلي لوله فايبرگلاس بوده است. در مقايسه مقدار زبري اندازه­گيري شده لوله­های دو محوری (Bi-axial) و تک محوری (Uni-axial)، مقدار متوسط زبري حاصل از پارامترهاي زبري در ستون آخر جدول 1، نشان مي­دهد که در لوله­هاي تک محوري زبري سطح داخلي بيشتر از لوله دو محوري در هر دو قطر 200 و 800 ميلي­متر مي­باشد. برداشت زبري سطح داخلي نمونه لوله­ها در اين مطالعه در جهت طول لوله بوده است و از آنجايي که لوله­هاي تک محوري داراي مقاومت بالايي در جهت طول لوله مي­باشند و به جهت استفاده در انتقال سيالات به ويژه بصورت دفني ساخته مي­شوند، لذا

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 8- پروفیل تهیه شده از قرائت سطح داخلی نمونه لوله فایبرگلاس با قطرهای 20، 40، 150، B 200، 300، 600، B 800 میلی­متر و لوله 1000 میلی­متر قدیمی و استفاده از دستگاه تست کننده زبری سطح Surftest SJ-210.

 

 

شکل 9- پروفیل تهیه شده از قرائت سطح داخلی نمونه لوله فایبرگلاس با قطرهای 600، B 800 میلی­متر و لوله 1000 میلی­متر قدیمی و استفاده از دستگاه تست کننده زبری سطح Surftest SJ-210.

مقاومت بيشتر جنس مواد بکار رفته در ساخت آنها و استفاده از شن در ديواره سبب زبري بيشتر در ديواره داخلي لوله نيز شده است. هرچند لوله­هاي دو محوري نيز قابليت مقاومت در برابر تنش­هاي برشی در هر   

جدول 1- مقادیر زبری مطلق محاسبه شده از پارامترهای زبری برداشت شده از سطح داخلی لوله GRP به وسیله دستگاه Surftest SJ-210 با مقادير طول برش ((λc و قطر های مختلف.

d (mm)	(λc)	ε (Ra) (µm)	ε (Rz) (µm)	ε (Rasg) (µm)	ε (Raesg) (µm)	ε (Rtmax) (µm)	ε (Rasgmax) (µm)	ε (Rt) (µm)	(µm)
20	0.8	1.45	8.38	16.04	8.53	67.12	38.84	18.90	22.75
	2.5	4.98	23.96	54.92	29.19	99.24	97.30	44.07	50.52
40	0.25	0.98	5.26	10.86	5.77	75.33	68.99	12.47	25.67
	0.8	2.41	16.06	26.55	14.11	122.87	59.02	39.74	40.11
	2.5	4.63	30.58	51.05	27.14	108.92	59.67	54.60	48.08
150	0.8	0.93	4.39	10.21	5.43	21.57	21.50	7.94	10.28
	2.5	4.94	20.36	54.51	28.97	41.35	86.19	31.87	38.31
200	0.8	0.98	4.19	10.81	5.75	23.06	20.33	7.57	10.38
	2.5	4.18	17.24	46.05	24.48	36.12	56.59	27.37	30.29
200 B	0.25	0.19	1.17	2.07	1.10	20.99	9.70	3.13	5.48
	0.8	0.62	3.29	6.79	3.61	22.85	13.11	6.78	8.15
	2.5	2.84	12.73	31.37	16.67	27.73	47.26	20.99	22.80
300	0.25	0.18	1.24	2.04	1.08	20.22	8.68	3.14	5.23
	0.8	0.74	3.78	8.17	4.34	22.03	24.50	6.85	10.06
	2.5	3.13	15.83	34.47	18.32	56.63	45.49	32.26	29.45
600	0.25	0.15	1.03	1.69	0.90	20.33	7.67	2.61	4.91
	0.8	0.61	3.13	6.74	3.58	23.27	12.36	6.49	8.03
	2.5	2.75	12.63	30.39	16.15	32.99	41.14	19.96	22.29
800	0.8	0.74	3.33	8.20	4.36	38.51	22.32	7.11	12.08
	2.5	3.96	18.53	43.73	23.25	85.60	90.15	36.29	43.07
800 B	0.25	0.16	0.96	1.74	0.92	19.71	10.47	2.37	5.19
	0.8	0.73	3.49	8.03	4.27	39.25	13.52	8.36	11.09
	2.5	3.45	16.04	38.07	20.24	81.37	52.99	31.21	34.77
1000	0.8	0.63	3.06	6.92	3.68	31.84	16.95	6.48	9.94
	2.5	3.25	13.79	35.87	19.06	43.85	51.21	22.89	27.13
1000 old	0.8	0.62	3.23	6.81	3.62	27.17	15.54	7.92	9.27
	2.5	2.88	13.19	31.81	16.91	30.63	38.95	24.01	22.63
All	0.8	0.95	5.12	10.48	5.57	39.96	23.45	11.29	13.83
	2.5	3.73	17.72	41.11	21.85	58.58	60.63	31.41	33.58
Average		2.34	11.42	25.795	13.71	49.27	42.04	21.35	23.705
Uniaxial	0.8	1.06	5.79	11.71	6.22	43.78	26.98	12.64	15.45
	2.5	3.98	19.12	43.87	23.32	63.09	65.97	33.66	36.14
Average		2.52	12.45	27.79	14.77	53.435	46.475	23.15	25.8

 

 

دو جهت را دارند و بجز در جهت طول لوله در جهت عرض لوله نيز لذا مقاومت بيشتر جنس مواد بکار رفته در ساخت آنها و استفاده از شن در ديواره سبب زبري بيشتر در ديواره داخلي لوله نيز شده است. هرچند لوله­هاي دو محوري نيز قابليت مقاومت در برابر تنش­هاي برشي در هر دو جهت را دارند و بجز در جهت طول لوله در جهت عرض لوله نيز الیاف­های پشم شیشه جهت افزایش مقاومت لوله به کار رفته است، اما مقاومت طولي آنها کمتر از لوله­هاي تک محوري بوده و بيشتر در روي سطح زمين استفاده مي­شوند. لذا زبری سطح داخلي لوله­هاي دو محوري بطور متوسط همانطور که نتايج زبري­سنجي هم نشان مي­دهد کمتر از لوله­هاي تک محوري مي­باشد. در قطر 200 ميلي­متر لوله تک محوري، به ازاي همه پارامترهاي زبري، اين روند برقرار است و مقدار زبري لوله تک محوري بيشتر از لوله دو محوري (B200) مي­باشد. اما در قطر 800 ميلي­متر تنها در زبري حاصل از پارامترهاي Rt، Rz، Rtmax و Rasgmax مقدار اندکي زبري در لوله دو محوري بيشتر از تک محوري شده است. اين پارامترهاي زبري متاثر از مقادير حداقل و حداکثر زبري مي­باشند و چون در لوله­هاي دو محوري الياف­هاي عرضي در ديواره لوله افزايش داشته در مقادير حداکثر و حداقل زبري­ها تاثير بيشتري داشته است و به همين جهت زبري حاصل از اين پارامترها در لوله دو محوري بيشتر از تک محوري بوده است. در حالي که زبري حاصل از ساير پارامترها در لوله دومحوري کمتر از تک محوري است. به منظور بررسی دقت زبری مطلق محاسبه شده از دستگاه تست کننده زبری سطح مقدار خطای محاسباتی جذر ميانگين مربعات (RMSE) آنها نسبت به مقدار زبری مطلق لوله فایبرگلاس (18/5 میکرون) محاسبه محاسبه و در جدول 2، ارائه شده است. مقادير حداقل خطاي جذر ميانگين مربعات به ازای طول برش­های مختلف با رنگ زمینه خاکستري مشخص شده است که رنگ سبز نشان دهنده حداقل اين خطا به ازاي هر قطر می­باشد. مقدار حداقل قدرمطلق خطاي نسبي هر قطر نيز در ستون آخر نشان محاسبه شده است. همانطور که در جدول

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول 2- خطای محاسباتی ميانگين مربعات (RMSE) زبری مطلق حاصل از پارامترهای زبری برداشت شده و محاسبه شده از سطح داخلی لوله فايبرگلاس (GRP) به وسیله دستگاه تست کننده زبری سطح بر حسب ميکرون و حداقل قدرمطلق خطاي نسبي زبري مطلق نسبت به زبری مطلق لوله فایبرگلاس (18/5 میکرون) با مقدار طول برش ((λc و قطر های مختلف.

d (mm)	(λc)	RMSE ε (Ra)	RMSE ε (Rz)	RMSE ε (Rasg)	RMSE ε (Raesg)	RMSE ε (Rtmax)	RMSE ε (Rasgmax)	RMSE ε (Rt)	Min |E( ε)|
20	0.8	2.638	2.263	7.679	2.369	43.798	23.801	9.702	0.618
	2.5	0.141	13.279	35.171	16.978	66.510	65.139	27.499	0.039
40	0.25	2.970	0.057	4.016	0.417	49.604	45.120	5.155	0.015
	0.8	1.959	7.693	15.111	6.314	83.219	38.071	24.438	0.535
	2.5	0.389	17.961	32.435	15.528	73.355	38.530	34.945	0.106
150	0.8	3.005	0.559	3.557	0.177	11.589	11.540	1.952	0.048
	2.5	0.170	10.734	34.882	16.822	25.576	57.283	18.873	0.046
200	0.8	2.970	0.700	3.981	0.403	12.643	10.713	1.690	0.110
	2.5	0.707	8.528	28.899	13.647	21.878	36.352	15.691	0.193
200 B	0.25	3.528	2.835	2.199	2.885	11.179	3.196	1.450	0.396
	0.8	3.224	1.336	1.138	1.110	12.495	5.607	1.131	0.303
	2.5	1.655	5.339	18.519	8.125	15.945	29.755	11.179	0.452
300	0.25	3.536	2.786	2.220	2.899	10.635	2.475	1.442	0.394
	0.8	3.140	0.990	2.114	0.594	11.915	13.661	1.181	0.162
	2.5	1.450	7.531	20.711	9.291	36.381	28.503	19.148	0.396
600	0.25	3.557	2.934	2.468	3.026	10.713	1.761	1.817	0.481
	0.8	3.231	1.450	1.103	1.131	12.792	5.077	0.926	0.253
	2.5	1.718	5.268	17.826	7.757	19.665	25.428	10.451	0.469
800	0.8	3.140	1.308	2.135	0.580	23.568	12.120	1.365	0.158
	2.5	0.863	9.440	27.259	12.777	56.866	60.083	21.998	0.236
800 B	0.25	3.550	2.984	2.432	3.012	10.274	3.741	1.987	0.542
	0.8	3.147	1.195	2.015	0.643	24.091	5.897	2.249	0.176
	2.5	1.223	7.679	23.257	10.649	53.874	33.807	18.406	0.334
1000	0.8	3.217	1.499	1.230	1.061	18.851	8.323	0.919	0.251
	2.5	1.365	6.088	21.701	9.815	27.344	32.548	12.523	0.373
1000 old	0.8	3.224	1.379	1.153	1.103	15.549	7.326	1.937	0.301
	2.5	1.626	5.664	18.830	8.294	17.996	23.879	13.315	0.444

 

جدول 3-مقدار خطای محاسباتی ميانگين مربعات (RMSE) زبری پارامترهاي مختلف بر حسب ميکرون با طول برش 8/0 و 5/2 در لوله فايبرگلاس تک محوري قديمي نسبت به لوله نو براي قطر 1000 ميلي­متر

d (mm)	(λc)	RMSE ε (Ra)	RMSE ε (Rz)	RMSE ε (Rasg)	RMSE ε (Raesg)	RMSE ε (Rtmax)	RMSE ε (Rasgmax)	RMSE ε (Rt)	Min |E( ε)|
1000 old	0.8	0.007	0.120	0.078	0.042	3.302	0.997	1.018	0.016
	2.5	0.262	0.424	2.871	1.520	9.348	8.669	0.792	0.044

 

جدول 4- زبری مطلق برداشت شده و محاسبه شده از سطح داخلی لوله فايبرگلاس به وسیله دستگاه تست کننده زبري با مقدار طول برش ((λc مختلف و مقادير ميانگين آنها.

d (mm)	(λc)	ε (Ra) (µm)		ε (Rz) (µm)		ε (Rasg) (µm)		ε (Raesg) (µm)		ε (Rtmax) (µm)		ε (Rasgmax) (µm)		ε (Rt) (µm)
120	0.25	0.74	4.17		8.13		4.32		8.92		11.80		5.78
	0.8	1.11	7.50		12.25		6.51		14.15		17.20		9.48
	2.5	1.46	10.80		16.13		8.57		18.32		19.68		13.23
Average		1.10	7.49		12.17		6.47		13.80		16.23		9.50

 

2، دیده می­شود، نتایج زبری محاسبه شده از پارامترهای زبری Ra، Rz، Rt و Raesg دارای حداقل خطا در هر یک از قطرها هستند و حداقل خطای محاسبه شده و دقیق ترین زبری سطح داخلی لوله فایبرگلاس در جدول 2 برای قطرهای کمتر از 150 میلی­متر بیشتر مربوط به پارامتر زبری Ra با طول برش 5/2 و در قطرهای بالاتر بیشتر مربوط به پارامتر زبری Raesg و Rt با طول برش 8/0 می­باشد. لذا در محاسبه زبری مطلق سطح لوله فایبرگلاس پارامترهای  Raبا طول برش 5/2 و Raesg و Rt با طول برش 8/0 پارامترهای مناسبی جهت ارزیابی زبری حاصل از جنس لوله فایبرگلاس مي­باشند. مقادير حداقل قدرمطلق خطاي نسبي زبري برداشت شده نسبت به زبري مطلق براي قطرهاي کمتر از 150 میلی­متر با طول برش 8/0 و براي بيشتر از 150 ميلي­متر بجز قطر 40 ميلي­متر با طول برش 5/2 کمينه خطا حاصل شده و براي قطر 40 ميليمتر طول برش 25/0 کمترين خطا و بيشترين دقت ( 5/98 درصد) را داشته است.

جهت بررسي اثر کارکرد و بکارگيري لوله­هاي فايبرگلاس در پروژه­هاي آبرساني بر روي مقادير ضرايب زبري اين لوله­ها، يک نمونه از لوله فايبرگلاس تک محوری با قطر 1000 ميلي­متر تازه توليد شده و يک نمونه از لوله فايبرگلاس تک محوری که پس از 15 سال استفاده در خطوط آبرساني سنقر از خط خارج شده با مشخصاتي مشابه تهيه شد. رسوبات که در سطح داخلي لوله خارج شده از خط آبرساني ته نشين شده از سطح نمونه زدوده شد و مقادير زبري سطح داخلي اين لوله با دستگاه‌هاي زبرسنجي برداشت شد. پس از انجام محاسبات مقدار زبري سطح با استفاده از پارامترهاي زبري در جدول 1 براي لوله 1000 قديمي تهيه گرديد. مقايسه زبري لوله­هاي فايبرگلاس نو و قديمي با قطر 1000 ميلي­متر و طول برش مختلف نشان مي­دهد که زبري لوله قديمي اندکي کمتر از لوله نو شده است که اين به جهت فرسايش و کاهش زبري جنس سطح لوله در گذر زمان مي­باشد. در نتيجه زبري لوله ها در اثر استفاده در لوله­هاي قديمي کاهش يافته است. البته، در شبکه انتقال بواسطه رسوبگذاري مقدار ضريب زبري افزايش مي­يابد.

خطاي ميانگين مربعات زبری در لوله فايبرگلاس تک محوري قديمي نسبت به لوله نو براي قطر 1000 ميلي­متر در جدول 3 ارائه شده است. مقادير خطاي ميانگين مربعات زبري بسيار اندک مي‌باشد و مقادير اين خطاها در طول برش 5/2 از 8/0 بيشتر مي­باشد. همچنين مقادير خطاي محاسباتي بيشتر از ساير ضرايب زبري در لوله قديمي نسبت به لوله نو مي­باشد. اين افزايش خطا به مقدار بسيار ناچيز که حداکثر 3/3 و 34/9 ميکرون در پارامتر زبري Rtmax، به ترتيب براي طول برش 8/0 و 5/2 مي­باشد ناشي از تاثير تغييرات حداکثر و حداقل ارتفاع زبري لوله قديمي نسبت به لوله نو به واسطه تاثيرات فرسايش مي­باشد که در پارامترهاي زبري که به حداکثر و حداقل­هاي زبري سطح و مراحل ساخت لوله وابسته هستند، نمايان شده است. در حالي که تغييرات زبري جنس لوله فايبرگلاس قديمي و نو که در پارامتر زبري Ra به عنوان متوسط زبري جنس سطح مطرح مي­باشد، بسيار اندک و در حدود 007/0 و 26/0 ميکرون به ترتيب براي طول برش 8/0 و 5/2 مي­باشد و به همين جهت مي­توان گفت که زبري جنس لوله فايبرگلاس در طول استفاده در خطوط انتقال تقريبا يکسان مي‌ماند. حداقل خطاي نسبي در ستون آخر جدول 3 نيز تاييد کننده اين مطلب مي­باشد که با دقت 4/98 و 6/95 درصد به ترتيب براي طول برش 8/0 و 5/2 مقدار زبري مطلق لوله قديمي نسبت به نو تغيير زيادي نداشته است.

به منظور مقایسه و صحت سنجی عملکرد دستگاه تست کننده زبری نمونه­ای از لوله پولیکا¹ (U-PVC) با قطر 120 میلی­متر با طول 30 سانتی­متر تهیه شد و زبری سطح داخلی آن با این دستگاه برداشت شد (شکل 10). با انتخاب سه طول برش 25/0، 8/0 و 5/2 برداشتهایی از سطح لوله به طول 5 سانتیمتر انجام شد. بدین ترتیب که برای طول برش 25/0، 21 برداشت به فواصل 1.25 میلیمتر و برای طول برش 8/0، 11 برداشت به فواصل 4 میلی متر و برای طول برش 5/2، 4 برداشت به فواصل 5/12 میلی­متر صورت گرفت. داده­های استخراج شده بصورت پروفیل زبری سطح برای هریک از طول برش­ها در شکل 10ترسیم شده است. متوسط زبری مطلق (ε) سطح داخلي لوله U-PVC با استفاده از پارامترهای زبري برای طول برش مختلف در جدول 4 ارائه شده است. مقادیر متوسط پارامترهای زبری به ازای طول برش 25/0 در بازه استاندارد زبری نمی­باشد اما برای طول برش 8/0 و 5/2 در بازه استاندارد می­باشد که با رنگ خاکستری هم در جدول نشان داده شده است. در این جدول مقادیر زبری مطلق محاسبه شده از پارامترهای زبری Ra، Rz، Rt و Raesg برای طول برش 8/0 و تمامی پارامترها برای طول برش 5/2 در بازه استاندارد قرار دارند.

در لوله U-PVC، U مخفف غیرپلاستیک است تنها تفاوت لوله U-PVC و PVC حذف مواد پلاستیک ساز فتالات و BPA در لوله U-PVC می­باشد. لذا لوله U-PVC دارای استحکام بیشتری نسبت به لوله PVC است و معمولاً پلاستیک سفت و سخت نامیده می­شود. ارتفاع زبری مطلق ذکر شده در منابع مهندسي (41) برای لوله PVC، 5/1 میکرون می­باشد. بررسی نتایج متوسط زبری مطلق سطح داخلی لوله U-PVC در جدول 4 در مقایسه با مقدار گزارش شده آن که برابر با لوله PVC 5/1 میکرون در نظر گرفته شده، نشان می­دهد که پارامتر زبری Ra با طول برش 5/2 بهترین تطابق را با مقدار زبری گزارش شده در منابع را دارد و اختلاف آن در حدود 038/0میکرون و دقت محاسباتی آن 46/97% می­باشد. لذا، پارامتر Ra با طول برش 5/2پارامتر مناسبی برای ارزیابی ضریب زبری ناشی از زبری سطح داخلی این نوع لوله می­باشد. مقادير متوسط زبري به ازاي تمام مقادير طول برشها نيز در رديف آخر جدول 4 نيز نشان می­دهد که پارامتر Ra مشابه لوله فايبرگلاس پارامتر مناسبي براي برآورد زبري لوله U-PVC نيز مي‌باشد.

 

شکل 10- قرائت سطح داخلی نمونه لوله پولیکا (U-PVC) با قطر 120 میلی­متر با استفاده از دستگاه تست کننده زبری سطح و پروفیل تهیه شده از قرائت سطح داخلی نمونه لوله پولیکا (U-PVC).

بحث و نتیجه­گیری

در اين تحقيق به بررسي زبري سطح داخلي لوله‌‌هاي فايبرگلاس با استفاده از دستگاه تست کننده زبري و برآورد آن با پارامترهاي مختلف زبري پرداختيم و تاثير هريک از اين پارامترهاي زبري در برآورد زبري سطح را بررسي نموديم. ارزيابي و صحت‌‌سنجي دستگاه تست کننده زبري به وسيله کاغذ سمباده دقت مناسب اين دستگاه در برآورد زبري سطح کاغذ سمباده تاييد نمود. بر اساس نتايج آزمايشات اين تحقيق، پارامترهاي زبري Rz با طول برش 8/0 بطور متوسط پارامتر مناسبي براي برآورد زبري سطح داخلي لوله فايبرگلاس مي‌‌باشد و پس از آن پارامتر زبري Raesg با طول برش 8/0 پارامتر مناسبي در برآورد زبري سطح بوده است. در طول برش 5/2 نيز پارامتر Ra پارامتر مناسبي جهت برآورد زبري سطح داخلي لوله فايبرگلاس مي‌‌باشد. همچنين برداشت‌‌هاي زبري با دستگاه زبري‌‌سنجي نشان داد که زبری سطح داخلي لوله‌‌هاي دو محوري بطور متوسط کمتر از لوله‌‌هاي تک محوري مي‌‌باشد. علاوه بر اين در مقايسه زبري لوله‌‌هاي فايبرگلاس تازه توليد شده و قديمي، که از خط انتقال آبرساني سنقر خارج شده است، با قطر 1000 ميلي‌‌متر مشخص گرديد که پارامترهاي زبري سطح که بر اساس اختلاف حداکثر و حداقل‌‌هاي زبري سطح داخلي لوله تعيين مي‌‌شوند و مرتبط با اثر مراحل ساخت لوله مي‌‌باشند، در اثر گذر زمان و بکارگيري لوله فايبرگلاس در پروژه‌‌ها کاهش مي‌‌يابند که اين ناشي از فرسايش حداکثرهاي زبري‌‌هاي ناگهاني سطح داخلي لوله مي‌‌باشد. در حالي که، پارامترهاي زبري که بيشتر بيانگر زبري متوسط سطح لوله و مرتبط با جنس لوله مي‌‌باشند در لوله‌‌هاي قديمي و نو تغيير چنداني نداشته و تقريبا ثابت بوده‌‌اند که نشانگر ثابت ماندن زبري متوسط سطح لوله‌‌هاي فايبرگلاس در گذر زمان و بکارگيري در خطوط انتقال مي‌‌باشد. نتايج زبري‌‌سنجي در لوله پوليکا (U-PVC) نيز نشان از صحت دستگاه تست کننده زبري در برآورد زبري سطح داخلي لوله داشت. پارامتر زبري Ra با طول برش 5/2 در لوله پوليکا نيز مشابه با لوله فايبرگلاس مقدار زبري متوسط اين نوع لوله را با دقت بالايي برآورد نموده است.

 

پیشنهادها

در تحقيقات آينده به بررسي نتايج زبري سنجي لوله فايبرگلاس در ساير دستگاه‌‌هاي زبري‌سنجي می‌توان پرداخت و ضريب افت اصطکاک جريان در لوله‌‌هاي فايبرگلاس و عوامل موثر در کاهش افت جريان در اين نوع لوله‌‌ها را بررسي نمود.

 

ملاحظات اخلاقی پیروی از اصول اخلاق پژوهش

همکاری مشارکت­کنندگان در تحقیق حاضر به صورت داوطلبانه و با رضایت آنان بوده است.

 

حامی مالی

از مجموعه توليدي و صنعتی فراسان و مديريت محترم آن جناب آقاي دکتر محمد رضا ظهير امامي و شرکت دانش بنيان و مرکز تحقيقاتي فراتک که شرايط و امکانات لازم جهت تهيه نمونه لوله‌هاي فايبرگلاس و انجام اين تحقيق به عنوان مطالعه بخشي از عملکرد رشته لوله‌هاي فايبرگلاس توليدي در اين مجموعه را محقق ساخته اند کمال تشکر و سپاسگزاري را داريم. همچنين از آزمايشگاه مرکزي فيزيک دانشگاه صنعتي شيراز که امکان دسترسي به دستگاه تست کننده زبري را فراهم نمودند سپاسگزاريم.

 

مشارکت نویسندگان

طراحی و ایده­پردازی: فرنوش آقايي دانشور، ناصر طالب بيدختي، سيد مهدي دهقان؛

 روش­شناسی و تحلیل داده­ها: فرنوش آقايي دانشور، سيد مهدي دهقان، سيد محمد مهدي الهاميان؛

 نظارت و نگارش نهایی: فرنوش آقايي دانشور، سيد مهدي دهقان.

 

تعارض منافع

بنابر اظهار نویسندگان، مقاله حاضر فاقد هرگونه تعارض منافع بوده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---

[1]  - Unplasticized PolyVinyl Chloride) U-PVC)

References

1.         Landolfo R. Lightweight steel framed systems in seismic areas: Current achievements and future challenges. Thin-Walled Structures. 2019;140:114-31.

2.         Nikuradse J. Stromungsgesetze in rauhen Rohren. vdi-forschungsheft. 1933;361:1.

3. Moody LF. Friction factors for pipe flow. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. 1944;66(8):671-8.

4.         Colebrook CF, Blench T, Chatley H, Essex E, Finniecome J, Lacey G, et al. Correspondence. turbulent flow in pipes, with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws.(includes plates). Journal of the Institution of Civil engineers. 1939;12(8):393-422.

5.         Chadwick A, Morfett J, Borthwick M. Hydraulics in civil and environmental engineering: Crc Press; 2021.

6.         Kudela H. Hydraulic losses in pipes. Wroclas University of Science and. 2012.

7.         Brkić D, Praks P. Unified friction formulation from laminar to fully rough turbulent flow. Applied Sciences. 2018; 8(11):2036.

8.         Rawool A, Mitra SK, Kandlikar S. Numerical simulation of flow through microchannels with designed roughness. Microfluidics and nanofluidics. 2006;2:215-21.

9.         Taylor JB, Carrano AL, Kandlikar SG. Characterization of the effect of surface roughness and texture on fluid flow—past, present, and future. International journal of thermal sciences. 2006;45(10):962-8.

10.         Thomas T. Rough Surfaces, edited by Imperial College Press. London; 1999.

11.         Ren J. Micro/nano scale surface roughness tailoring and its effect on microfluidic flow. 2013.

12.         Farshad F, Rieke H, Garber J. New developments in surface roughness measurements, characterization, and modeling fluid flow in pipe. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2001; 29(2):139-50.

13.         Farshad FF, Rieke H, Mauldin C, editors. Flow test validation of direct measurement methods used to determine surface roughness in pipes (OCTG). SPE Western Regional/AAPG Pacific Section Joint Meeting; 2002: OnePetro.

14.         Farshad FF, Pesacreta TC. Coated pipe interior surface roughness as measured by three scanning probe instruments. Anti-Corrosion Methods and Materials. 2003; 50(1):6-16.

15.         Kleinstreuer C. Modern fluid dynamics: Springer; 2018.

16.         Dzarma G, Adeyemi A, Taj-Liad A. Effect of Inner Surface Roughness on Pressure Drop in a Small Diameter Pip. Int J Novel Res Eng Pharm Sci. 2020; 7(1):1-8.

17.         Liu Y, Li J, Smits AJ. Roughness effects in laminar channel flow. Journal of Fluid Mechanics. 2019; 876:1129-45.

18.         Xue P, Huang Z, Chen C. Effect of Substrate Roughness on the Friction and Wear Behaviors of Laser-Induced Graphene Film. Lubricants. 2022;10(10):239.

19.         Effendi MK, Soepangkat BO, Noorcahyo R, Batan IML, Wahyudi A, Harnany D, editors. An analysis of frictional coefficient and surface roughness in surface grinding of SKD 11 tool steel using Minimum Quantity Lubrication (MQL) and dry techniques. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering; 2021: IOP Publishing.

20.         Khaday S, Li K-W, Peng L, Chen C-C. Relationship between friction coefficient and surface roughness of stone and ceramic floors. Coatings. 2021;11(10):1254.

21.         Farshad FF, Rieke HH. Surface-roughness design values for modern pipes. SPE Drilling & Completion. 2006; 21(03):212-5.

22.         Manual A. M45: Fiberglass Pipe Design. American Water Works Association; 2005.

23.         Raja J, Muralikrishnan B, Fu S. Recent advances in separation of roughness, waviness and form. Precision Engineering. 2002; 26(2):222-35.

24.         Muralikrishnan B, Raja J. Computational surface and roundness metrology: Springer Science & Business Media; 2008.

25.         Fadzil MA, Prakasa E, Fitriyah H, Nugroho H, Affandi AM, Hussein S. Validation on 3D surface roughness algorithm for measuring roughness of psoriasis lesion. International Journal of Biomedical and Biological Engineering. 2010; 4(3):82-7.

26.         Blunt L, Jiang X. Advanced techniques for assessment surface topography: development of a basis for 3D surface texture standards" surfstand": Elsevier; 2003.

27.         ASME B46.1. Surface texture—surface roughness, waviness, and lay. 1995.

28.         Iso E. 4288–Geometrical product specifications (GPS)–Surface texture: profile method–Rules and procedures for the assessment. 1996.

29.         Iso E. 4287–Geometrical product specifications (GPS)–Surface texture: profile method–terms, definitions and surface texture parameters. International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland. 1997.

30.         DIN4768/1. Determination of Surface Roughness of Parameters Ra, Rz, and Rmax by means of Electrical Stylus Instruments. Deutsche Inst fuer Normung eV Berlin; 1987.

31.         Mitutoyo productivity quality INC. Surface Finish Analysis, Mitutoyo corporation 80th anniversary since 1934. 2014; 1-58.

32.         Mitutoyo America corporation. Quick guide to surface roughness measurement, Reference guide for laboratory and workshop Bulletin. 2016; 2229, 1-888-MITUTOYO (1-888-648-8869).

33.         Adams T, Grant C, Watson H. A simple algorithm to relate measured surface roughness to equivalent sand-grain roughness. International Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics. 2012; 1(2):66-71.

34.         Kandlikar SG, Schmitt D, Carrano AL, Taylor JB. Characterization of surface roughness effects on pressure drop in single-phase flow in minichannels. Physics of Fluids. 2005; 17(10):100606.

35.         Darcy H. Recherches expérimentales relatives au mouvement de l'eau dans les tuyaux: Mallet-Bachelier; 1857.

36.         Kandlikar SG. Single-phase liquid flow in minichannels and microchannels. Heat transfer and fluid flow in minichannels and microchannels. 2: Elsevier Oxford, UK; 2006. p. 87.

37.         Brown CA. Introduction to surface roughness measurement roughness measurement guidebook. OLYMPUS Corporation Shinjuku Monolith, Tokyo 163-0914, Japan. N8600858-102020.

38.         Mitutoyo corporation user’s manual. Surface roughness tester SJ-210, No. 99MBB122A2, SERIES No. 178. 

39.         Mitutoyo America corporation. Surface roughness measurement, Practical tips for laboratory and workshop Bulletin, 1984, 1-888-MITUTOYO (1-888-648-8869). 2009.

40.         Sheen S, Bao G, Cooke P. Food surface texture measurement using reflective confocal laser scanning microscopy. Journal of food science. 2008; 73(5):E227-E34.

41.         Kessels PHL. Engineering toolbox for structural-acoustic design applied to MRI-scanners. 2003.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

89        Water Resources Engineering Journal. 2024; 17 (60): 88-107

---