تفاوت عملکرد لوله‌کشی PEX-A و PEX-B در برابر یخ‌زدگی: چرا ساختار مولکولی پشت دیوار مهم است؟

لحظه‌ای که تعیین می‌کند آیا یک لوله آب مسکونی از یک یخ‌بندان سخت زمستانی جان سالم به در می‌برد یا خیر، مدت‌ها قبل از رسیدن آن به فروشگاه ابزارآلات رقم می‌خورد. این اتفاق در داخل یک دستگاه اکسترودر صنعتی و در دمای بیش از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد، طی یک واکنش شیمیایی به نام «شبکه‌سازی» (Cross-linking) رخ می‌دهد. هنگامی که پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) ذوب می‌شود، زنجیره‌های پلیمری بلند آن به طور طبیعی از کنار یکدیگر عبور می‌کنند. اگر در این حالت باقی بماند، پلاستیک در مواجهه با آب گرم ذوب خواهد شد. برای ساخت لوله‌ای که بتواند فشار لوله‌کشی خانگی را تحمل کند، تولیدکنندگان باید آن زنجیره‌های مستقل را مجبور کنند تا به یک شبکه دائمی پیوند بخورند. این فرآیند شبکه‌سازی، پلاستیک را از یک ترموپلاستیک (که ذوب می‌شود) به یک ترموست (که شکل خود را حفظ می‌کند) تبدیل می‌کند. نحوه و زمان تشکیل این پل‌های مولکولی، انعطاف‌پذیری نهایی لوله، فشار ترکیدگی و توانایی آن برای انبساط زمانی که آب درون آن یخ می‌زند را تعیین می‌کند.[1]

صنعت لوله‌کشی این لوله‌های پلی‌اتیلن شبکه‌ای را به سه دسته اصلی تقسیم می‌کند. همانطور که شرکت تولیدکننده لوله Viega اشاره می‌کند: «PEX-A، PEX-B و PEX-C دسته‌بندی‌های تولیدی هستند، نه درجه‌های کیفی. این حروف نحوه شبکه‌سازی پلی‌اتیلن در طول تولید را توصیف می‌کنند» [۲]. دو نوع رایج‌تر در ساخت و ساز مسکونی، PEX-A و PEX-B، استحکام خود را از طریق مسیرهای شیمیایی اساساً متفاوتی به دست می‌آورند. PEX-A از «روش انگل» (Engel method) استفاده می‌کند، یک فرآیند شبکه‌سازی داغ که در سال ۱۹۶۸ ثبت اختراع شد و در آن پراکسید قبل از اکسترود شدن به لوله، به پایه پلی‌اتیلن اضافه می‌شود [۱][۲]. از آنجایی که واکنش شیمیایی در حالی رخ می‌دهد که پلاستیک هنوز یک مایع مذاب بالاتر از دمای ذوب کریستالی خود است، پیوندهای کربن به کربن حاصل، یک شبکه دو بعدی و بسیار یکنواخت را تشکیل می‌دهند [۱].[1]

این روش پراکسید، لوله‌ای با درجه شبکه‌سازی معمولاً بین ۷۰ تا ۸۹ درصد تولید می‌کند که بالاترین میزان در بین انواع PEX است [۱][۲]. این شبکه مولکولی متراکم و یکنواخت، ویژگی اصلی PEX-A یعنی «حافظه حرارتی» را به آن می‌دهد. اگر یک لوله‌کش به طور تصادفی خط PEX-A را در حین نصب خم کند، می‌تواند به سادگی یک تفنگ حرارتی (Heat Gun) را روی قسمت آسیب‌دیده بگیرد و پیوندهای مولکولی لوله را به شکل یک استوانه کامل بازگردانند [۴]. این ماده فعالانه می‌خواهد به شکلی بازگردد که پیوندهای شیمیایی آن برای اولین بار در کارخانه اکستروژن شکل گرفته‌اند.[1]

در مقابل، PEX-B با استفاده از «روش سیلان» (Silane method) تولید می‌شود [۱]. در این فرآیند، ابتدا پلی‌اتیلن به شکل نهایی لوله اکسترود می‌شود و شبکه‌سازی پس از آن انجام می‌گیرد. لوله اکسترود شده در معرض یک عامل شیمیایی سیلان قرار می‌گیرد و سپس در حمام آب گرم یا بخار عمل‌آوری می‌شود [۱][۲]. این روش عمل‌آوری با رطوبت، یک ساختار بدنه سه بعدی ایجاد می‌کند و یک مولکول پل سیلان را بین زنجیره‌های پلی‌اتیلن قرار می‌دهد [۱]. درجه شبکه‌سازی حاصل پایین‌تر است – معمولاً حداقل ۶۵ درصد استاندارد ASTM F876 را برآورده می‌کند – اما پیوندهای سه بعدی یک محصول نهایی به طور محسوسی سفت‌تر ایجاد می‌کنند [۱][۲].[1]

این سفتی به PEX-B فشار ترکیدگی پایه بالاتری در دمای اتاق می‌دهد [۴]. از آنجایی که این ماده سفت‌تر است، در شرایط عملیاتی عادی، کمی بهتر از PEX-A نرم‌تر در برابر نیروی خارجی آب تحت فشار مقاومت می‌کند. با این حال، این سختی به قیمت از دست دادن حافظه حرارتی تمام می‌شود که ویژگی اصلی روش انگل است [۴]. یک خمیدگی در لوله PEX-B به طور دائمی به یکپارچگی ساختاری دیواره آسیب می‌زند؛ نمی‌توان آن را با تفنگ حرارتی ترمیم کرد و باید کاملاً بریده و جایگزین شود [۴].

تفاوت عملی بین این دو ساختار مولکولی زمانی حیاتی می‌شود که دمای یک فضای زیرین بدون تهویه به زیر نقطه انجماد می‌رسد. وقتی آب یخ می‌زند، حجم آن تقریباً ۹ درصد افزایش می‌یابد. در یک سیستم مسی یا CPVC سخت، این انبساط جایی برای رفتن ندارد. توده یخ تشکیل می‌شود، فشار به صورت تصاعدی افزایش می‌یابد و دیواره لوله می‌ترکد [۳]. هر دو PEX-A و PEX-B در این سناریو به مراتب بهتر از لوله‌کشی سخت عمل می‌کنند، زیرا ساختارهای پلیمری آن‌ها به دیواره‌های لوله اجازه می‌دهد تا به سمت بیرون کشیده شوند و توده یخ را بدون شکستن در خود جای دهند [۳][۵].[2]

با این حال، این دو ماده تنش شدید را به طور متفاوتی مدیریت می‌کنند. هنگامی که یک توده یخ، PEX-A را مجبور به انبساط می‌کند، پیوندهای پراکسید دو بعدی آن به طور یکنواخت کشیده می‌شوند [۱][۴]. لوله مانند یک بادکنک به بیرون متورم می‌شود تا آب یخ‌زده را نگه دارد، و هنگامی که یخ ذوب می‌شود، حافظه حرارتی ماده، دیواره را به قطر اصلی خود باز می‌گرداند [۴]. همانطور که ویل پلامب، پیمانکار لوله‌کشی، توضیح می‌دهد: «ماده انبساط‌پذیر PEX-A می‌تواند تا ۵۰۰ PSI را تحمل کند، که آن را در دماهای بسیار سرد قابل اعتماد می‌سازد» [۴]. PEX-A می‌تواند از چرخه‌های مکرر یخ‌زدگی-ذوب شدن در همان مکان جان سالم به در ببرد بدون اینکه دچار خرابی فاجعه‌بار شود، که آن را به انتخابی ایمن‌تر برای زیرشیروانی‌ها و دیوارهای خارجی در مناطق سردسیر تبدیل می‌کند [۴][۷].[1][3]

PEX-B نیز برای جای دادن توده یخ منبسط می‌شود، اما پیوندهای سیلان سه بعدی آن انعطاف‌پذیری کمتری دارند [۱][۴]. لوله در هنگام کشیده شدن فراتر از قطر عادی خود، مستعد پارگی‌های ریز در امتداد دیواره داخلی است [۴]. در حالی که بعید است لوله PEX-B در اولین یخ‌زدگی بترکد، چرخه‌های مکرر یخ‌زدگی-ذوب شدن در همان نقطه، به تدریج پل‌های سیلان را تضعیف می‌کند [۴][۶]. در نهایت، دیواره لوله تخریب شده پس از ذوب شدن یخ، تحت فشار استاندارد آب خانگی از کار می‌افتد [۶].[1]

روش‌های تولید همچنین نحوه اتصال لوله‌ها به اتصالات را تعیین می‌کنند، که بر نرخ جریان کلی سیستم لوله‌کشی تأثیر می‌گذارد. از آنجایی که PEX-A دارای حافظه حرارتی است، از اتصالات انبساطی (Expansion Fittings) استفاده می‌کند [۴]. یک ابزار تخصصی انتهای لوله را کش می‌دهد، یک اتصال با همان قطر داخلی دقیقاً وارد می‌شود و لوله به عقب جمع می‌شود تا یک آب‌بندی محکم ایجاد کند [۴]. این روش تضمین می‌کند که اتصال جریان آب را محدود نمی‌کند [۴]. PEX-B، فاقد آن حافظه انبساطی، متکی بر اتصالات چین‌دار (Crimp) یا گیره‌ای است که باید قبل از فشرده شدن یک حلقه فلزی روی قسمت بیرونی، در داخل لوله قرار داده شوند [۴]. این اتصالات داخلی، قطر داخلی یک لوله استاندارد نیم اینچی را در هر اتصال تقریباً ۲۰ درصد کاهش می‌دهند و به طور جزئی حجم آب تحویل داده شده به شیرآلات را پایین می‌آورند [۴].

هیچ یک از روش‌های تولید، لوله‌ای را ایجاد نمی‌کند که کاملاً در برابر آب و هوای زمستانی مصون باشد [۵][۶]. اگر دمای محیط به اندازه کافی پایین بیاید و برای مدت طولانی باقی بماند، آب داخل هر لوله‌ای یخ می‌زند، جریان را متوقف می‌کند و به سیستم فشار می‌آورد [۶]. دفاع در برابر سیل شدن زیرزمین، همچنان عایق‌بندی مناسب، نوار حرارتی و نگه داشتن دمای محیط بالای ۵۵ درجه فارنهایت است [۶]. اما زمانی که این اقدامات پیشگیرانه شکست می‌خورند، این پیوندهای مولکولی هستند که در کارخانه اکستروژن شکل گرفته‌اند و تعیین می‌کنند که آیا مالک خانه با قطع موقت آب مواجه می‌شود یا یک بازسازی بزرگ [۷].[2][3]