Dr. Ahmet GÜLEÇ*
Metalurji Yük. Müh.
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi,
Karasu Meslek Yüksek Okulu, Makine ve Kaynak Teknolojileri Bölümü
ahmetgulec@subu.edu.tr

Özet
Malzeme biliminin ve malzeme sentezleme yöntemlerindeki gelişmeler yenilikçi malzemelerin elde edilmesini mümkün kılmaktadır. Bunun en son ve somut örneği ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen – UHWMPE olmuştur. Birçok üstün özelliği bünyesinde barındıran UHWMPE ve UHWMPE’den üretilmiş borular düşük ve yüksek sıcaklığın bulunduğu, yoğun aşınmalı ortamlar gibi zor koşullara dayanabilmekte ve kullanıcılara önemli avantajları sunabilmektedir. Bu makalede bu yenilikçi ürün olan UHWMPE malzeme ile UHWMPE’den üretilmiş boruların özellikleri, kullanım alanları ile üretim imalat bilgileri ve montajlama hakkında bilgi verilmektedir.

1. Giriş
Çalışma koşullarının daha hızlı ve daha etkin olmasını temin etmek yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve yüksek aşınmalı ortamlarda çalışan ekipmanları zorunlu kılmaktadır. Malzeme teknolojisinin gelişimi ile yeni nesil malzemelerin ortaya çıkması sayesinde bu tür zorlu koşullara dayanıklı, spesifik alanlarda kullanılabilen borular günümüzde endüstride yerini almaya başlamıştır. Bunların belki de en önemlisi ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMWPE) borular olmaktadır. UHMWPE borular özellikle aşınma dayanımı konusunda önemli avantajlara sahiptir. UHMWPE boruların aşınma dayanımları normal çelikten 15 kat, yumuşak çelikten 8 kat daha yüksek olup sürtünme katsayısı da çelikten 5 kat daha düşüktür. Bu borularda oluşacak basınç kaybı da çelik boruların 1/10’u kadar olmaktadır [1].

2. UHMWPE Nedir?
Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMWPE), bir katalizörün etkisi altında etilen ve bütadien monomeri ile polimerize edilen, ortalama moleküler ağırlığı 1,5 milyondan fazla olan, zorlu işler ve çok çeşitli uygulamalar için tasarlanmış yeni bir mühendislik termoplastik türüdür (Şekil 1).

Şekil 1. UHMWPE granülü

Ortalama moleküler ağırlığı 3.100.000'den büyük olan bir polietilen polimer, Ultra Yüksek Moleküler Ağırlıklı Polietilen (UHWMPE) olarak ifade edilmek olup bir polietilen polimerin sahip olduğu 400.000 ile 1.000.000 arasındaki moleküler ağırlığının çok çok üzerindedir. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMWPE), günümüzde yoğun bir kullanım alanı bulan yüksek yoğunluklu polietilen moleküllerinin (HDPE) yaklaşık on katı yüksek molekül ağırlığına sahiptir. UHMWPE nin son derece yüksek moleküler ağırlığı, performansının diğer herhangi bir termal mühendislik plastiğine göre, aşınmaya ve darbeye karşı daha yüksek bir dayanım sağlamaktadır. UHWMPE’nin ağırlık ve diğer özellikleri ASTM D4020’da belirtilmektedir. Bütün bunlara bağlı olarak polietilen moleküler ağırlık sınıflandırması aşağıdaki Tablo 1’de sınıflandırılmıştır.

Tablo 1

2.1. UHMWPE’nin Özellikleri;

UHMW-PE sahip olduğu aşınmaya karşı yüksek direnç, düşük sıcaklıkta çalışabilirlik, yüksek korozyon direnci, kendi kendini yağlama, yüksek darbe direnci gibi özellikler açısından diğer tüm plastikler ve teflon, naylon, karbon çeliği gibi malzemelerden çok daha dayanıklı olup kullanım üstünlüğü sunmaktadır. Bu özellikleri nedeniyle, koşulların diğer malzemeler için çok zor olabileceği uygulamalarda güvenilir bir şekilde kullanılabilmektedir.

UHMWPE granülleri standart olarak süt beyazı ve siyah renklerde üretilirken, ilave edilecek çeşitli pigmentler ile farklı renklerde üretilebilir. Fakat bu tür borular yoğun olarak yüksek sıcaklıklarda kullanıldığı için yapıdan akarabilir, bu istenmeyen bir durumdur. UHWMPE malzemesinin sahip olduğu önemli özellikler aşağıda açıklanmaktadır.

• Yüksek Aşınma Direnci; UHMWPE nin aşınma direnci, temel alaşımlı çelikten 6,6 kat, paslanmaz çelikten 27.3 kat daha yüksektir. Fenolik malzemelerin yıllık aşınma değeri 17,9, naylonların 6, polietilenin 4 tür. UHMW nin aşınma değeri ise 0,58 olması nedeniyle kullanım ömrü çok uzundur [3].

• Kimyasal Direnç; Bazı asitler, yüksek sıcaklıkla birlikte güçlü bir kimyasal erozyona neden olabilir. UHWMPE inert bir malzeme olduğundan güçlü kimyasal erozyona dayanabilmektedir. Çamaşır suyu gibi yüksek oranda oksitleyici kimyasallar dışındaki su çözeltilerine karşı dayanımı yüksektir. UHMWPE % 80 seyreltilmiş hidroklorik asit ve %20'den daha az seyreltilmiş nitrik asit, alkaliler, tuz çözeltileri, alkoller ve diğer birçok kimyasaldan etkilenmemektedir. İçlerinde taşınan malzemelere tat veya koku vermemektedir.

• Yüksek Darbe Direnci; Mevcut mühendislik plastiklerinde yüzey gerilimi ve tekrarlanan darbeler nedeniyle çatlama, kırılma veya ezilmeler oluşabilmektedir. UHMWPE malzemesinin sahip olduğu yüksek tokluk sebebiyle önemli ölçüde yüksek darbe direnci sunmaktadır.

• Çevresel gerilim bölünmesine karşı en iyi direnç; ekolojik ve çevresel etkilerden dolayı bozunuma karşı yüksek dirence sahiptir. Esnekliği PE100'den 1,5 kat daha fazla olup yorulmaya karşı direnci PE100’e göre 500.000 kat yüksek olmaktadır. UHMWPE, rüzgârın aşındırıcı etkisinden ve yağmur ile deniz suyundan etkilenmez.

• Kendinden Yağlama Özelliği; UHWMPE’nin bal mumu benzeri bir özelliğe sahip olması ve bünyesindeki yağ miktarı sayesinde kendi kendini yağlama özelliği bulunmaktadır. Sürtünme katsayısı sadece 0,219 mn/m'dir. Kendinden kayan performans, yağlanmış çelik veya pirinçten bile üstündür. Özellikle kirli ve kum bulunan ortamlarda kendinden kuru yağlama özelliği olan malzemeler verimliliği artırdığı için kullanıma daha uygundur. Bu şekilde sadece açık olarak çalışmakla kalmaz, aynı zamanda çalışma yüzeyini koruyarak zedelenmesine engel olur.

• Organik Güvenlik; Ana malzeme, renksiz ve kokusuzdur. Ayrıca toksik değildir. Biyoinert bir özelliğe sahiptir.

• Düşük sıcaklık direnci; UHWMPE olağanüstü düşük sıcaklık güvenli bir şekilde kullanılabilmektedir. UHMWPE, aşırı düşük sıcaklıklarda da (-269 °C) bozulma olmadan çalışabilir. Ürün mevcut haliyle sürekli olarak + 82 °C’de, aralıklı olarak da + 93 °C ‘de çalışabilir. 93 °C’nin üzerindeki uzun süreli çalışmalarda ise sahip olduğu üstün mekanik özelliklerinde düşme gözükebilmektedir. Ancak çalışma sıcaklığı bazı özel ilaveler ile 150 °C’ye kadar artırılabilir.

• Düşük Sürtünme Katsayısı; HDPE nin (0,28 – ISO 8295)) veya Çeliğin (0,58 - ISO 8295) sahip olduğu sürtünme katsayısı ile karşılaştırıldığında UHMWPE ‘nin sürtünme katsayısı ise sadece 0,05'tir. Sahip olduğu bu düşük sürtünme katsayısının sonucu olarak akışkan içerisinde bulunan birçok partikül yüzeylere yapışmaz. Ortamın pH değeri 9 dan büyük olduğu durumlarda diğer malzemelerin yüzeyleri pürüzlenmesine karşın UHWMPE’nin yüzeyinde herhangi bir pürüzlenme gözükmemektedir. Bu özelliği nedeniyle birçok alanda uzun süreler boyunca güvenle kullanılabilmektedir.

• Yüksek hava koşullarına dayanıklılık; UHMWPE' nin moleküler ağırlığı, doymuş moleküler yapı olarak 2 milyondan fazladır. Ultraviyole ışık altında güçlü yaşlanmama kabiliyetine sahiptir ve çalışma sıcaklığı -70 ℃'den düşük değilse mekanik özelliklerini aynen kormaktadır.

• Diğer özellikler; UHWMPE yüksek gürültü sönümleme, anti-statik ve nötron sabitleme özelliğine sahiptir. Suyu emmez, kimyasal olarak inerttir, hafiftir, kolay işlenir, renklendirilebilir. UHMWPE, geri dönüştürülemez. Eğer ürün geri dönüştürülerek birçok kez kullanılmışsa aşınma ve darbe direnci büyük ölçüde etkilenebilir.

UHMWPE’yi günümüzde yaygın olarak kullanılan HDPE’ den ayırabilmek için aşağıda belirtilen pratik yöntemler kullanılabilir.

Yanık Testi; kibritle yakın ve dumanı koklayın. Mum gibi kokuyorsa, bu polietileni gösterir. UHMWPE, HDPE kadar kolay damlamaz.

Fırın Testi; 300 derecelik bir fırında alüminyum bir kaba koyun. Normal HDPE çöker veya erir, ancak UHMW boyut veya şekil değiştirmez. Ancak, yerleşik gerilimler nedeniyle bükülebilir veya deforme olabilir.

Testere Testi; Testere ile kesildiğinde, normal HDPE talaş verir, UHMW ise ip verir veya hiçbir şey vermez [1,3].

3. UHWMPE BORULAR
Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMWPE), moleküler ağırlığı 3 milyondan fazla olan sert, aşınmaya dayanıklı bir termoplastiktir. UHMWPE' nin yüksek moleküler ağırlığı, erimeyeceği veya erimiş bir sıvı olarak akmayacağı anlamına gelmektedir. Bu nedenle işleme yöntemleri, toz metal teknolojisinden türetilmiştir. UHMWPE, geleneksel plastik işleme teknikleriyle (enjeksiyonla kalıplama, şişirerek kalıplama veya ısıyla şekillendirme) dönüştürülemez ve kalıplanamaz. Ancak sıkıştırma kalıplama yöntemi ile herhangi bir ürüne dönüştürülebildiği için, UHMWPE boru üretmek te oldukça zordur. Bu yüzden özel tasarlanmış bir plastik ekstrüder ile sürekli ekstrüzyon yöntemi şeklinde yapılan boru üretim hızı, diğer plastiklere göre oldukça düşüktür. UHMWPE boru, yaklaşık 200 - 300 kg/gün olarak işlenebilir (Bu değerler boru boyutuna ve ekstrüzyon makinesi kapasitesine göre değişebilir). Şekil 2’de UHWMPE borular verilmektedir.

Şekil 2. UHWMPE’den üretilmiş borular

3.1. UHWMPE Boruların Üretim Yöntemi

UHWMPE’nin üretimi konusunda da bilgi verilmesi uygun olacaktır.

3.2. UHWMPE Boruların Özellikleri

Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen boru, çok yüksek aşınma direnci, yüksek korozyon direnci, darbe emiciliği, iç basınca karşı mükemmel direnç, çevresel stres çatlamasına karşı direnç, kendinden yağlama, yapışma önleyici, düşük sıcaklık direnci gibi özellikleri nedeniyle geleneksel HDPE boruya göre üstün performansa sahiptir.

Mükemmel üstün özelliklere sahip yeni bir plastik boru türü olan ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen boru (UHMWPE boru), her türlü sıvı, gaz, toz veya katı-sıvı karışımının taşınmasında kullanılabilir.

Bu özellikleri kullanacak pazarlardan birkaçı madencilik, medikal ürünler, sulama ve alt yapı tesisleri, paketleme, gıda işleme ve otomotivdir.

Aşınmaya dayanıklı UHMWPE boru, mevcut çelik borularla karşılaştırıldığında, Q235 çelik borunun 4 ila 7 katı ve aşınmaya dayanıklı çelik 16Mn'nin 2,7 katı, mükemmel aşınma direncine sahiptir. Bu özellik boru akış hızını ve iletim verimliliğini %20'den fazla artırır. UHMWPE boruların çalışma ömrü, aşınmaya dayanıklı çelik borulardan 3 kat daha fazladır. Tipik olarak üretilen UHWMPE boruların ölçüleri Şekil 3’de verilmektedir.

Şekil 3. UHWMPE boruların üretim boyut ölçüleri

3.3. UHMWPE Borunun Avantajları;

Üretimi diğer konvansiyonel PE borulara nazaran zor bir proses olan UHWMPE boruların sağladığı avantajlar aşağıda verilmektedir.

Yüksek aşınma direnci
UHMWPE, tüm mühendislik plastikleri arasında en iyi aşınma direncine sahiptir. Malzemenin ortalama moleküler ağırlığı ne kadar yüksekse, aşınma direnci o kadar fazladır. UHMWPE boruların aşınma direnci, P235 çelik borunun 4 ila 7 katı, HDPE 100 borunun 10 katıdır. Bu da UHMWPE boruların çoğu çalışma koşulunda daha uzun ömürlü çalışmasını, daha az bakım maliyeti ve duruş kaybı sağlar. Bu nedenle bulamaç, maden atıkları ve diğer katı veya karışımların taşınması için özellikle uygundur.

Yüksek darbe direnci
Birçok malzemede şiddetli veya tekrarlanan darbelerden dolayı çatlak, kırılma, ezilme veya yüzey gerilimi ve malzeme yorgunluğu meydana gelir. UHMWPE borunun darbe direnci ve darbenin oluşturduğu enerjiyi emme özelliği, diğer plastiklere göre ilk sıradadır. Bu özellik UHMWPE boruları, sağlamlık ve yüksek basınç altında daha dayanıklı olmaları nedeniyle tercih edilebilir duruma getirir. UHMWPE borular, normal PE borunun 5 katı, HDPE borunun 4 katı, polikarbonat boruların 2 katı ve teflon boruların 10 katına kadar darbelere dayanıklıdır.

Yüksek korozyon direnci
UHMWPE doymuş moleküler yapısı nedeniyle teflondan sonra ikinci en yüksek kimyasal erozyona, her türlü korozif ortama (asit, alkali, tuz) ve organik solventlere karşı dirençli yapıya sahiptir. UHMWPE borular 85 °C nin altındaki asidik ve aşındırıcı uygulamalarda diğer boru hatlarına göre çok daha uzun ömürlüdür. Çok çeşitli kimyasal reaktiflere karşı bu üstün direnç, UHMWPE sistemlerinin atık boru hatlarında ve madencilik faaliyetlerinde kullanılan kimyasal arıtma uygulamalarında kullanılmasına olanak tanır. Yüksek sıcaklıklardaki belirli asitlerde, %80'den az konsantrasyona sahip hidroklorik asitte, %75'ten az konsantrasyona sahip nitrik asitte kullanılabilir.

Mükemmel kendinden yağlama
HDPE için 0,28 veya Çelik için 0,58 ile karşılaştırıldığında UHMWPE boruların kendinden yağlama ve yapışkan olmayan özelliği nedeniyle sürtünme katsayısı sadece 0,006 dır. Bu özellik nedeniyle yüksek pompalama verimliliği ve önemli ölçüde maliyet tasarrufu da sağlar. Daha az sürtünme kaybı, daha az basınç kaybı ve büyük ölçüde azaltılmış enerji girdileri anlamına gelir. Özel işlemle üretilen boru hattının iç duvarı, korozyon direnci, aşınma direnci ve kireçlenme olmaması gibi avantajlara sahiptir. Bu durum akış hızında %20 enerji tasarrufu sağlayarak enerji tüketiminin düşürülmesinde faydası olur.

Pürüzsüz yüzey
Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen borunun pürüzlülüğü 0,0065, çelik borunun pürüzlülüğü 0,012 ve çimento borunun pürüzlülüğü 0,013'tür. Aynı çaptaki UHMWPE boruların su akış hızı, CTP borulardan ve dökme demir borulardan daha fazladır. Ürünün son derece pürüzsüz ve düzgün bir yüzeye sahip olması, düşük sürtünme kaybı ve yüksek akış hızı sağladığından, tesisatın bakım maliyetinden ve pompalama maliyetinden tasarruf edilmesine yardımcı olur. UHMWPE borular diğer boru tiplerine göre aynı debi ile %25 oranında enerji tasarrufu sağlamaktadır. Bu özellik UHMWPE boruya bugün piyasadaki diğer tüm boru hatlarına göre çok daha üstün kireç önleyici özellikte sağlar. Ayrıca boru iç yüzeyinde tortu oluşmasına, bakteri üremesine engel olduğu için içinden geçen temiz su kalitesinin bozulmamasını da sağlar.

Uzun ömür
Kül deşarjı, beyaz çamur, kırmızı çamur vb. güçlü korozyon ve yüksek aşınma koşullarında hizmet ömrü çelik borunun hizmet ömründen 4 - 6 kat daha fazladır. Ayrıca Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen boru, korozyon direnci, düşük sıcaklık direnci, tufalleşmeme ve sızıntı olmaması gibi bir dizi özelliğe sahiptir. Bu nedenle, borunun kullanımdan sonra onlarca yıl paslanmaya karşı dayanıklı olması, dekontamine edilmesi ve elden geçirilmesi gerekmez, bu da işletme ve bakım maliyetlerinde %95'ten fazla tasarruf sağlayabilir.

Kolay kurulum
UHMWPE boruların metre birim ağırlığı çelik borunun yaklaşık 1/8 i kadardır. Ürünün hafif olması yükleme ve boşaltma, nakliye, kurulum ve kullanım için kolaylık sağlar. Boru tesisatının kurulumu flanşlı bağlantı veya sıcak eritme ( alın kaynağı ) yöntemi ile çok kolay yapılır.

Uygun maliyetli
Pürüzsüz çalışma yüzeyi, düşük temel gereksinimi ve operasyondan sonra aşınmaya dayanıklı, korozyon direnci, donma direnci ve anti-kirlilik vb. performansı ile borunun pas önleyici gibi günlük bakım yapılmasına gerek yoktur. Donmaya karşı koruma, kireç çözme vb. ve bakım maliyetinden %95'ten fazla tasarruf edilebilir. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen borunun fiyatı, düşük sürtünme katsayısı, geniş sirkülasyon kapasitesi, yüksek darbe dayanımı, korozyon direnci, aşınma direnci, hava direnci ve diğer birçok faktörle birleştiğinde geleneksel çelik borudan daha düşüktür. Performans-fiyat oranı diğer plastik boru ve çelik borulara göre çok daha yüksektir.

Çevre dostu
UHMWPE borunun imalatı, ana hammaddesi renksiz, kokusuz, toksik olmayan ve düşük karbonlu bir üretim yöntemidir. UHMWPE borular, müşteriler tarafından talep edilen katkı maddeleri olmadıkça, saf UHMWPE'den üretilir. UHMWPE boru üretim süreci, atık su, egzoz gazı ve atık kalıntısı deşarjı olmaksızın eşdeğer miktarda çelik borunun karbondioksit emisyonunun yalnızca %15'ini üretir.

Yüksek hava ve yaşlanma direnci
Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen boru, iyi hava direncine ve yaşlanma direncine sahiptir. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilenin (UHMWPE) moleküler zincirindeki doymamış grupların çok az olması ve moleküler ağırlığın büyük olması nedeniyle, en az %70 uygun çalışma şartları sağlansa bile boru hattının ömrü en az 50 yıl olarak hesaplanmıştır.

Esneklik
UHMWPE borular, dış çapının minimum 30 katına kadar bükülebilir. Bu esneklik, borunun toprak hareketinin neden olduğu dalgalanma basınçlarını, titreşimi ve gerilimleri emmesini sağlar. Bu, boruları özellikle denizaltı boru hatlarında, maden çökmelerinde ve deprem eğilimli alanlarda kullanışlı hale getirir.

Düşük sıcaklıkta güvenli kullanım
Yapılan test ve denemelerde UHMWPE malzemelerin – 269 derecede dâhi mekanik özelliklerini koruduğu gözlemlenmiştir. Günümüzde mutlak ‘0’ dereceye yakın sıcaklıklarda çalışabilen tek mühendislik plastiğidir. Aynı zamanda, ürün 269 ? ila 80 ? gibi geniş bir çalışma sıcaklık aralığına sahiptir.

Süper gerilme mukavemeti ve basınç taşıma kabiliyeti;
UHMWPE borunun gerilme mukavemeti PE100'ün iki katıdır ve çevresel stres çatlağına karşı direnci PE100'ün iki katından fazladır. Bu nedenle, ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen boru hattının basınç taşıma kabiliyeti ve çevresel hasar direnci, genel polietilen borudan çok daha yüksektir. Şekil 4. UHWMPE boruların diğer borular ile kıyaslaması verilmektedir [4].

Şekil 4. UHWMPE boruların diğer borular ile karşılaştırılması

4. UHMWPE Boruların Kullanım Yerleri;

UHMWPE boru, malzemenin moleküler yapısı nedeniyle sahip olduğu üstün özelliklerin avantajıyla, içme suyu kalitesindeki sıvılar, katı parçalar, madencilik metalürji, tekstil, kâğıt yapımı, gıda, mekanik ve diğer endüstrilerde yaygın olarak kullanılabilir. Madenlerde (cevher tozu, atık boşaltma boru hatları), kimya endüstrisinde, alüminyum endüstrisinde, atık bulamacında, kömür suyu bulamacında, enerji santralinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca malzemenin ultra yüksek moleküler ağırlıklı yapısı ve özellikleri değiştirilerek, gaz ve petrol taşımacılığı gibi farklı endüstrilerde de, kullanılabilir

Madencilik Endüstrisi; UHMWPE borular, cüruf, maden bulamacı, atıklar, tortular ve cevher konsantreleri için taşıma boru hatları olarak kullanılmaktadır. Kömür madenlerinde toz haline getirilmiş kömürün ve kömür hazırlama tesisinin kömür - su bulamacının yüksek basınçla taşınmasında kullanılır.

Tarama Endüstrisi; UHMWPE borular, nehir, göl, iskele ve limanların, barajların ve lagünlerin taranması sırasında çıkan çamur ve kumun taşınmasında kullanılır (Şekil 5).

Şekil 5. Madencilik ve Tarama endüstrisi uygulamaları örnekleri

Termik santraller; Kömürle çalışan enerji santrallerinde, kömür külü bulamacının yakındaki çökeltme havuzlarına taşınması, kireçtaşı bulamacının baca gazlarından SO2 ve seyreltik hidroklorik asidin uzaklaştırılması için emici sprey kulelerine aktarılması ve kalsiyum sülfat yan ürününün taşınması için yapılan boru sistemlerinde kullanılır. Baca gazı kükürt giderme (FGD) sistemlerinde kullanılan kireçtaşı bulamacı baca gazı ile reaksiyona girerek SO2'yi uzaklaştırır. İşlemde, kireçtaşı bulamacı, bir kalsiyum sülfat bulamacına dönüştürülür. Atık ürünler daha sonra ileri arıtma için FGD püskürtme kulelerinin altından UHMWPE boru yoluyla pompalanır.

Şekil 6. Termik santralleri ve inşaat uygulamaları

İnşaat Endüstrisi; UHMWPE borular, karışık beton ve püskürtme beton harcının pompalı kamyonlarda taşınmasının yanı sıra yeraltı tünellerinden sondaj kumu ve kayaların taşınmasında kullanılır (Şekil 6).

Ürün Taşıma; UHMWPE borular, çimento gibi toz ve dökme malzemelerin basınçlı hava ile sevk dilmeleri, yanmış kömür artıkları, cam, kum ve gıda ürünlerinin sevkinde kullanılır.

Şekil 7. Ürün taşıma ve tünel kaçış uygulamaları

Tünel Kaçış Borusu; İnsanlar sürünerek hareket ederken, nispeten rahat hareket edebildikleri şekildeki vücut yüksekliği 800 mm'dir. Bu nedenle insanların sürünerek geçmeleri için hazırlanan kaçış geçişlerindeki yuvarlak boru çapları 800 mm'den az olmaz. İnsanların sürünerek geçmeleri için hazırlanan kaçış geçişlerindeki, tünel şantiyelerinde acil kurtarma ve kaçış borusu olarak 800 mm çapında ve 30 mm et kalınlığında UHMWPE den üretilen boru kullanılabilir. UHMWPE kaçış borularının temel kullanım amacı, riskleri önlemektir. UHMWPE kaçış boruları, güçlü yer kabuğu hareketlerinden etkilenseler bile, çok güçlü darbe direncine sahip oldukları için bir miktar deforme olur fakat kırılmazlar. UHMWPE boruların darbe dayanım sınırını ölçmek neredeyse imkânsızdır. Bu nedenle, kaçış borusu olarak kullanılma maliyeti çok düşüktür.

UHMWPE den yapılan tünel kaçış boruların doğası gereği sağlam, dayanıklıdır ve bozulmaz. Hafiftir, sökülmesi ve taşınması kolaydır, boru hattı iyi bir tokluğa sahiptir. Borunun kalitesi, yaygın olarak kullanılan borulara göre çok daha yüksektir. Son derece yüksek darbe direncine sahiptir ve dış etkilerle kırılamaz. Güçlü bir dış kuvvetten etkilendiğinde deforme olur, fakat büyük miktarda darbe enerjisini emer ve ardından orijinal şeklini hızla geri dönerek örneğin otoyol tüneli inşaatı kaçışları için acil kurtarma sağlar (Şekil 7).

Kimya endüstrisi; Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen, doymuş bir moleküler yapıya, son derece yüksek kimyasal stabiliteye sahiptir. Bu nedenle kimyasal kararlılığı son derece yüksektir ve korozyon ortamlarına, organik çözücülere dayanabilir. Çeşitli aşındırıcı ortamların (asit, alkali, tuz) ve organik çözücünün belirli sıcaklık ve yoğunlaşma aralığında erozyonuna karşı koyabilir.

Acı tuz bulamacı ve tuz kimyasalının, ham tuzun taşınmasında kullanılabilir. Ayrıca deniz mühendisliğinde tuzdan arındırma işleminde deniz suyunun, tatlı suyun taşınmasında da kullanılabilir.

Petrol endüstrisi; Yapışmaz ve korozyon önleyici özelliğinden dolayı UHMWPE boru artık petrol endüstrisinde de kullanılmaktadır. Kuyulardan çıkan petrol ve gazın taşınmasında, atık suların uzaklaştırılmasında avantajları nedeniyle tercih edilmektedir (Şekil 8).

Şekil 8. Kimya ve petrokimya uygulamaları

Metalurji Endüstrisi; Benzersiz özellikleri nedeniyle kok tozu, mineral tozu, kâğıt hamuru ve yağ arıtma cürufunun taşınması gibi boru sistemlerinde tercih edilirler.?

Diğer kullanım yerleri; Değirmenler, dökümhaneler, depolama tesisleri, atık bertaraf tesisleri, cüruf ve kum tesisleri. Şehir alt yapısı temiz su temini, kanalizasyon ve drenaj hatlarında kullanılmaktadır [5].

5. UHMWPE BORU MONTAJI
UHMWPE boru birleştirmesi, boru uçlarına konulan çelik flanş ile yapılır. Birleştirme yerindeki sızdırmazlık ise mevcut boru ucunun ısıtılarak flanş üzerinde oluşturulan yaka ile sağlanır. Bağlantı yaparken, boru birleşme yüzeyi temizlenir, ardından her iki boru yüzeyi eksenel yönde hizalanır, çelik flanşlar uygun vidalar kullanılarak birbirine bağlanır. Contaya gerek yoktur, conta fonksiyonu olarak yaka yapılmış birleşme yüzeyi yeterlidir.

Aynı zamanda HDPE boruda olduğu gibi alın kaynak ve füzyon yöntemi ile birleştirme yapılabilir. Fakat ısıtılarak yapılan kaynaktan dolayı özellikle boru içinde bir set – dudak oluşacağı için burada birikecek tortu, borunun veya tüm sistemin bir süre sonra çökmesine neden olacağından tavsiye edilmez. Şekil 9’da UHWMPE boruların bağlantı biçimleri verilmektedir.

Şekil 9. UHWMPE borulardaki flanş bağlantılar

UHMWPE, erime noktası olan 150 C nin üzerindeki bir sıcaklıkta kolaylıkla bükme veya katlama işlemi yapılabilir. Bu sıcaklıkta kolayca şekillenir. Ancak soğuyana kadar bükülü veya katlanmış konumda sabitlenmelidir.

6. UHMWPE KAPLI ÇELİK BORULAR (UHMWPE Kompozit Boru);

UHMWPE kaplı çelik borular, PE-çelik kompozit boru olarak da adlandırılır. Özel teknik bir yöntemle karbon çelik boru hattı ve UHMWPE boru hattı birbirine birleştirilerek kompozit boru sistemi oluşturulur (Şekil 10).

Şekil 10. UHWMPE kaplı çelik borıular

Çelik boru termal genleşme katsayısı ile UHMWPE boru genleşme katsayısı aynı olmadığı için bu birleştirme esnasında herhangi bir yapıştırıcı malzeme kullanılmaz. Ancak basınca duyarlı sistemlerde soyulmaya karşı sabitleme yapılması gerekiyorsa ya epoksi bazlı yapıştırıcılar veya çimento bazlı yapıştırıcılar kullanılabilir. Fakat bunun yanında geleneksel yöntemlerle mekanik olarak ta sabitleme yapılabilir.

UHMWPE borunun ve karbon çelik borunun özellikleri birleştirilerek aşınma direnci, darbe direnci, korozyon direnci, yüksek basınç direnci, kendi kendine yağlama, darbe emme performansı ve bağ direnci ile boru hattı daha dayanıklı hale getirilmiş olur.

UHMWPE boruların çalışma basıncı 0,6 MPa ile 2,0 MPa arasındadır. UHMWPE kompozit borunun çalışma basıncı ise 6,4 MPa'ya kadar ulaşabilir. Kompozit borunun, 8 mm ile 20 mm arasında et kalınlığına sahip iç UHMWPE borusunun sadece üstün özelliklerinden yararlanılmakla kalınmaz, aynı zamanda boru sisteminin daha yüksek basınçlarda çalışabilmesi sağlanmış olur.

UHMWPE kompozit borunun dış kılıfında, spiral kaynak çelik boru, boyuna kaynaklı çelik boru ve yüksek kaliteli dikişsiz çelik boru kullanılmaktadır.
Kompozit borunun dış tabakası çelik flanşlı çelik boru, iç tabakası UHMWPE borudur. İç UHMWPE borunun her iki ucu da çelik borudan 60 mm daha uzun tutulur. Bu uzunluklar ısıtılarak çelik boru flanşının üzerine yaka şeklinde sıvanır. Boru hattının sızdırmazlığı çelik flanş üzerinde oluşturulan UHMWPE yaka ile sağlanır.

6.1. Kompozit Borunun Özellikleri ve Avantajları;

Kompozit borunun yapısı iki katmandan oluşmuştur. İç kısımda UHMWPE nin aşınma direnci, korozyon direnci, düşük sürtünme katsayısı, yapışmama, pürüzsüz yüzey, küçük termal iletkenlik oranı vb. gibi tüm özelliklerini taşıyan ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen boru bulunur.

Dışta ise UHMWPE borunun mekanik çalışma değerlerini yükselterek daha yüksek basınçlarda çalışabilme özelliği getiren çelik boru bulunmaktadır.

• Kompozit boru sisteminin ağırlığı aynı özelliklere sahip çelik borunun yalnızca 1/6'sı kadardır. bu da nakliye ve kurulum maliyetini büyük ölçüde azaltır.

• UHMWPE boru hattının pürüzlülüğü sadece 0.00022 iken, HDPE 0.01 ve çelik 0.1'dir. Düşük sürtünme katsayısı, iç yüzeyin pürüzsüzlüğü, boru sistemlerinde çalışan pompa motorlarında yakıt kullanımını azaltarak işletme maliyetinde en az %20 tasarruf edilmesini sağlar.

• Kurulum basittir. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen, aşınmaya dayanıklı boru esas olarak flanş ile birleştirildiği için sökülmesi kolaydır, boşaltması kolaydır, kurulumu kolaydır, bağlantı noktalarına korozyon önleyici conta eklenmesi gerekmez, boru hattındaki arıza noktası azalır, bakım uygundur, kurulum ve bakım maliyeti büyük ölçüde azalır ve ekonomik fayda artar.

• UHMWPE-çelik kompozit boru 5~8 Mpa'lık basınca dayanabilir.

• UHMWPE boru aşınma direnci açısından en iyisidir. Ortalama moleküler ağırlığının 1,5 milyonun üzerinde olması nedeniyle molekül ağırlığı 0,3 ~ 0,5 milyon olan HDPE boruya göre 4 kat aşınmaya dayanıklıdır. UHMWPE boru hattını çelik borunun içine döşeyerek aşınmaya karşı direnci 6 kat artırılmış olur.

• Çok kararlı korozyon önleyici kimyasal özelliklere sahip iç UHMWPE boru, tüm boru hattının kullanım ömrünü mükemmel şekilde artırır. Güçlü asit, alkali, tuz, su, kanalizasyon ve topraktan kaynaklanan korozyon oluşumunu önler.

• Geri dönüştürülebilir. Çelik boru yalnızca bir defaya mahsus yatırım gerektirir, eskiyen çelik boru tamir edilebilir ve ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen boru tabakasıyla kaplanabilir. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMWPE) boru tabakası, metal borunun ömrünün 4 katına eşdeğerdir.

• UHMWPE borunun termal iletkenliği çelikten 1000 kat daha küçük olduğundan, boru hattı taşımacılığının ısı koruma gereksinimi büyük ölçüde azaltılabilir. Sıcaklık performansı -50 ? ila 80 ? arasında iyidir. Bu özellik soğuk bölgede sıvı taşınması için büyük önem taşımaktadır.

• Daha uzun servis ömrü. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen boru özellikleri ile çelik borunun özellikleri birleştirilerek diğer boru sistemlerine göre daha uzun servis ömrü sağlanmış olur.

• Son derece yüksek darbe direnci. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMW-PE) borunun kendisi çok yüksek darbe direncine sahiptir. Güçlendirilmiş bir koruyucu tabaka olarak çelik boru, kaplama borusunun kaymasını etkili bir şekilde önler, aynı zamanda darbeye, basınca ve bükülmeye karşı direncini artırır. Mukavemetlidir, daha güçlü bir taşıma kapasitesine sahiptir, sıradan mühendislik plastik borularından daha yüksek su basıncına dayanabilir. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen kompozit boru çarpmaktan korkmaz, kırılmaz. Kötü çalışma ortamlarında yüksek basınçlı nakliye boru hattı olarak kullanımı uygundur.

6.2. Kompozit Boru Kullanım Yerleri;

Uzun mesafe, yüksek basınç, yüksek aşınma direnci, yapışma önleyici vb. taleplerini karşılamak için firmamız DN150 mm ila DN600 mm arası kompozit boru üretmektedir [6].

• Madencilik endüstrisi; UHMWPE borular; mineral çamuru, maden atıkları, tortular ve cevher konsantreleri için uzun mesafeli taşıma boru hatları olarak kullanılmaktadır. Özellikle kömür madenlerinde, kömür tozu / pulverize kömür, kömür suyu bulamaç nakliyesi, maden hava beslemesi, havalandırma ve drenaj sistemleri ve kükürt giderme sisteminde kullanılır.

• Termik enerji endüstrisi; Enerji üretim sisteminde çıkan uçucu külün taşımacılığında, soğutma suyu boru hattında, atıklarda ve curuf taşımacılığında yaygın olarak kullanılır.

• Petrol çıkarma; kuyulardan çıkan ham petrol ve doğal gazın uzun mesafeli nakliyesinde kullanılır. Ayrıca basınçlı su temini ve gaz tedarik boru hattı olarak ta kullanılır.

Şekil 11'de UHWMPE kaplı çelik kompozit boruların üretim ölçüleri bulunmaktadır.

Şekil 11. Tipik Kompozit Boru Ölçüleri

7. SONUÇ
UHWMPE, yüksek yoğunluklu polietilen bir ilerisinde olan bu alandaki en nitelikli malzeme olarak ifade edilebilmektedir. Niteliklerine bağlı olarak UHWMPE’den üretilen borular, malzemenin sahip olduğu bu yüksek niteliklere bağlı olarak bünyesinde yüksek aşınma dayanımı, yüksek kimyasal direngenlik, yüksek tokluk, yüksek sıcaklık dayanımı, düşük sıcaklıklarda kullanılabilirlik ve korozyona uğramaması gibi birçok avantajı barındırmaktadır. Bu bakımdan HDPE boruların performans anlamında kullanılamadığı birçok alanda plastik boru avantajlarını bünyesinde barındırarak uygun şekilde kullanılabilmektedir. Uygun üretim parametrelerinde üretilen UHWMPE borular aşırı koşullarda uzun süreli servis verebilme kabiliyetine sahip olmaktadır. Ancak sahip olduğu yüksek yoğunluk sebebiyle üretim prosesi daha hassas olup daha yoğun bir bilgi birikimi gerektirmektedir.

8. KAYNAKLAR
[1] What Is UHMWPE Material, And What Is It Used For? (petronthermoplast.com)
[2] A. A. Lucas, J. D. Ambrósio, H. Otaguro, L. C. Costa, J. A.M. Agnelli, Abrasive wear of HDPE/UHMWPE blends, Wear 270 (2011) 576–583.
[3] Ultra-high-molecular-weight polyethylene - Wikipedia
[4] UHMWPE Pipe - gfdpipe (gfdplastic.com)
[5] UHMWPE Fittings (pe-fittings.com)
[6] Low Energy Consumption UHMWPE Pipe, Life Escape Pipe supplier (buoyandpipe.com)

*Yazar, bu makalenin yazımında bilgi, şekil ve literatür desteği veren Petek Boru firmasına teşekkür eder.

Dr. Ahmet GÜLEÇ, Lisans, yüksek lisans ve doktora eğitimini Sakarya Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümünde tamamladı. 2006-2012 yılları arasında İstanbul Su ve Kanalizasyon İdaresi (İSKİ)’nde Kontrol Mühendisi olarak görev yaptı. 2012-2015 yılları arasında Azerbaycan, Azersu ASC bünyesinde çeşitli içmesuyu, atıksu ve su artıma projelerinde uzman danışman, kontrol amiri ve kalite direktörü olarak yer aldı. TANAP projesinde Lead Inspektör ve Erciyas Çelik Boru Sanayi AŞ’de Teknik Genel Müdür Yardımcılığı görevlerini yürüttü. Şu anda Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Karasu Meslek Yüksek Okulu, Makine ve Kaynak Teknolojileri Bölümünde Öğretim Üyesi olarak görevine devam etmektedir. Özellikle boru malzeme seçimi, boruların korozyonu, altyapı hatlarının kazısız olarak rehabilitasyonu gibi alanlarda çalışmaları bulunmakta ve eğitimler vermekte olup, halen İSKİ Master Plan Danışma Kurulu Üyesidir.