การเชื่อมท่อลอนพอลิเอทิลีนเสริมเหล็ก SRPE ด้วย Extrusion Welding

ท่อลอนพอลิเอทิลีนเสริมเหล็ก SRPE หรือ Steel-Reinforced Polyethylene Corrugated Pipe เป็นท่อคอมโพสิตที่ได้รับความนิยมในงานโครงสร้างพื้นฐานสมัยใหม่ โดยเฉพาะงานระบายน้ำ งานน้ำเสีย งานวางท่อใต้ดิน งานสนามบิน งานถนนทางหลวง งานเทศบาล และงานระบบสาธารณูปโภคขนาดใหญ่ เนื่องจากมีน้ำหนักเบากว่าท่อคอนกรีต ติดตั้งสะดวก ทนต่อการกัดกร่อน และมีโครงสร้างเสริมเหล็กที่ช่วยเพิ่มความสามารถในการรับแรงกดทับจากดินและน้ำหนักบรรทุกด้านบน

หนึ่งในขั้นตอนสำคัญของการติดตั้งท่อ SRPE คือ การเชื่อมต่อท่อให้เกิดความต่อเนื่องและลดความเสี่ยงการรั่วซึม โดยเฉพาะท่อขนาดใหญ่ที่ใช้ในระบบระบายน้ำหรือบ่อกักเก็บน้ำ การเชื่อมด้วยวิธี Extrusion Welding หรือการเชื่อมแบบอัดรีดเนื้อพลาสติกหลอมเหลว เป็นวิธีที่ใช้วัสดุเติม HDPE หลอมและอัดลงในแนวรอยต่อ เพื่อให้เกิดการประสานระหว่างผิวท่อเดิมกับวัสดุเติมเชื่อม

SRPE คืออะไร และทำไมต้องให้ความสำคัญกับงานเชื่อม

ท่อ SRPE เป็นท่อผนังสองชั้นที่ประกอบด้วยวัสดุ HDPE เป็นผิวด้านในและด้านนอก ส่วนตรงกลางเสริมด้วยเหล็กชุบสังกะสีในรูปแบบลอนเกลียว เช่น รูปทรง V หรือ U เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความสามารถในการรับแรงกดทับ โครงสร้างลักษณะนี้ทำให้ท่อมีข้อดีจากวัสดุสองประเภท คือ HDPE ช่วยให้ท่อทนต่อสารเคมี ความชื้น และการกัดกร่อน ส่วนเหล็กเสริมช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความคงรูปของท่อ

แม้ตัวท่อจะมีความแข็งแรง แต่จุดต่อระหว่างท่อถือเป็นตำแหน่งสำคัญที่ต้องควบคุมคุณภาพอย่างรอบคอบ หากแนวเชื่อมมีโพรงอากาศ การหลอมรวมไม่สมบูรณ์ หรือเกิดการเย็นตัวเร็วเกินไป อาจทำให้แนวเชื่อมกลายเป็นจุดอ่อน ส่งผลต่อความแข็งแรง ความทนทาน และการรั่วซึมในระยะยาว

หลักการเชื่อมแบบ Extrusion Welding

Extrusion Welding เป็นกระบวนการเชื่อมพลาสติกที่ใช้ความร้อนหลอมวัสดุเติมเชื่อม เช่น แท่ง HDPE แล้วอัดรีดวัสดุหลอมเหลวลงไปบริเวณรอยต่อของชิ้นงาน เมื่อวัสดุหลอมรวมกับผิวท่อเดิมและเย็นตัวลง จะเกิดเป็นแนวเชื่อมที่ยึดประสานชิ้นงานเข้าด้วยกัน

ข้อดีของการเชื่อมแบบ Extrusion Welding คือสามารถเติมเนื้อเชื่อมได้ในปริมาณมาก เชื่อมแนวขนาดใหญ่ได้ภายในรอบการทำงานเดียว และเหมาะกับงานเชื่อมท่อพลาสติกขนาดใหญ่ โดยเฉพาะบริเวณด้านในของท่อหรือบริเวณที่ต้องการแนวเชื่อมกว้างและมีเนื้อเชื่อมเพียงพอ

อุปกรณ์ที่ใช้ในการเชื่อมท่อ SRPE ด้วยวิธี Extrusion Welding

1. เครื่องเชื่อม Extrusion Welder

เครื่องเชื่อม Extrusion Welder เป็นอุปกรณ์หลักสำหรับหลอมและอัดรีดวัสดุ HDPE ลงในแนวรอยต่อ ภายในเครื่องจะมีชุดให้ความร้อนสำหรับทำให้แท่ง HDPE อ่อนตัวและหลอมเป็นเนื้อเดียวกัน ก่อนถูกอัดออกจากหัวเชื่อมลงบนรอยต่อของท่อ

2. แท่ง HDPE สำหรับเป็นวัสดุเติมเชื่อม

วัสดุเติมเชื่อมที่ใช้โดยทั่วไปคือแท่ง HDPE ซึ่งถูกป้อนเข้าสู่เครื่องเชื่อม และหลอมเป็นเนื้อพลาสติกก่อนอัดลงบริเวณรอยต่อ ในการเชื่อมท่อ SRPE ควรเลือกวัสดุเติมที่เข้ากันได้กับวัสดุท่อเดิม เพื่อให้เกิดการหลอมรวมที่ดีและลดความเสี่ยงของแนวเชื่อมไม่สมบูรณ์

3. ระบบให้ความร้อนและหัว Preheat

ระบบ Preheat มีหน้าที่อุ่นผิวรอยต่อก่อนเติมเนื้อเชื่อม การอุ่นชิ้นงานช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างผิวท่อกับวัสดุเติมหลอมเหลว ทำให้เนื้อเชื่อมสามารถไหล ประสาน และหลอมรวมกับผิวท่อเดิมได้ดีขึ้น

4. เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรด

เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดใช้สำหรับตรวจสอบอุณหภูมิจริงบริเวณแนวเชื่อมและผิวชิ้นงาน เพราะการควบคุมอุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญของงานเชื่อม HDPE หากอุณหภูมิต่ำเกินไปอาจทำให้หลอมรวมไม่สมบูรณ์ แต่หากสูงเกินไปอาจทำให้วัสดุเสื่อมสภาพหรือคุณสมบัติเชิงกลลดลง

5. อุปกรณ์จับยึดและเตรียมแนวรอยต่อ

ก่อนเชื่อมต้องจัดตำแหน่งท่อให้ตรงแนว ควบคุมช่องว่างของรอยต่อ และทำความสะอาดผิวบริเวณที่จะเชื่อมให้ปราศจากฝุ่น ความชื้น คราบน้ำมัน หรือสิ่งปนเปื้อน เพราะสิ่งเหล่านี้อาจเป็นสาเหตุของโพรงอากาศและแนวเชื่อมไม่สมบูรณ์

ขั้นตอนการเชื่อมท่อ SRPE ด้วยวิธี Extrusion Welding

ขั้นตอนที่ 1 เตรียมปลายท่อและแนวรอยต่อ

ปลายท่อควรถูกตัดหรือปรับแต่งให้ได้แนวรอยต่อที่เหมาะสม โดยรอยต่อควรมีช่องว่างที่เหมาะสมเพื่อให้วัสดุเติมสามารถแทรกและหลอมรวมในแนวรอยต่อได้อย่างเพียงพอ หลังจากนั้นควรทำความสะอาดผิวท่อด้านในบริเวณแนวเชื่อม เพื่อป้องกันปัญหาการเกิด Void หรือโพรงภายในแนวเชื่อม

ขั้นตอนที่ 2 จัดตำแหน่งและยึดท่อ

ท่อ SRPE ต้องถูกจัดให้อยู่ในแนวเดียวกันก่อนเชื่อม หากแนวท่อเยื้องศูนย์หรือมีช่องว่างไม่สม่ำเสมอ จะทำให้แนวเชื่อมมีความหนาไม่เท่ากันและอาจเกิดจุดอ่อนเฉพาะตำแหน่ง

ขั้นตอนที่ 3 อุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อม หรือ Preheat

ขั้นตอนนี้เป็นหัวใจสำคัญของการเชื่อม SRPE ด้วย Extrusion Welding การ Preheat ช่วยอุ่นผิว HDPE เดิมบริเวณแนวรอยต่อ ทำให้วัสดุเติมหลอมเหลวสามารถประสานกับผิวท่อได้ดีขึ้น ลดการสูญเสียความร้อนแบบฉับพลัน และลดการเย็นตัวเร็วเกินไป

จากงานวิจัยพบว่า การ Preheat ก่อนเชื่อมช่วยให้แนวเชื่อมมีการหลอมรวมสมบูรณ์ และลดการเกิดตำหนิภายในแนวเชื่อม ขณะที่การเชื่อมโดยไม่ Preheat มีโอกาสเกิดโพรงอากาศภายในแนวเชื่อมมากกว่า

ขั้นตอนที่ 4 เชื่อมด้วย Extrusion Welding

เมื่อผิวชิ้นงานถูกอุ่นจนเหมาะสมแล้ว จึงเริ่มเชื่อมโดยป้อนแท่ง HDPE เข้าสู่เครื่องเชื่อมให้หลอมเป็นเนื้อพลาสติก จากนั้นอัดรีดลงในแนวรอยต่ออย่างต่อเนื่อง การควบคุมความเร็วในการเชื่อมมีความสำคัญมาก หากเคลื่อนที่เร็วเกินไป เนื้อเชื่อมอาจไม่เพียงพอและหลอมรวมไม่เต็มแนว หากช้าเกินไป อาจทำให้ความร้อนสะสมสูงเกินไปและส่งผลต่อคุณสมบัติของวัสดุ

ขั้นตอนที่ 5 ปล่อยให้แนวเชื่อมเย็นตัวอย่างเหมาะสม

หลังเชื่อมควรปล่อยให้แนวเชื่อมเย็นตัวตามธรรมชาติ ไม่ควรเร่งให้เย็นด้วยน้ำหรือวิธีที่ทำให้อุณหภูมิลดลงเร็วผิดปกติ เพราะการเย็นตัวเร็วอาจทำให้เกิดความเค้นตกค้าง การหดตัวไม่สม่ำเสมอ และส่งผลต่อโครงสร้างผลึกของ HDPE

ขั้นตอนที่ 6 ตรวจสอบคุณภาพแนวเชื่อม

หลังจากเชื่อมเสร็จควรตรวจสอบแนวเชื่อมทั้งภายนอกและภายใน โดยอย่างน้อยควรตรวจสอบด้วยสายตาเพื่อดูความต่อเนื่อง ความกว้าง ความนูน ความเรียบร้อย และตำหนิบนผิวแนวเชื่อม สำหรับงานสำคัญอาจใช้วิธีตรวจสอบเพิ่มเติม เช่น Radiographic Testing เพื่อตรวจดูข้อบกพร่องภายในแนวเชื่อม

การทดสอบคุณภาพแนวเชื่อมท่อ SRPE

1. การตรวจสอบด้วยสายตา Visual Testing

การตรวจสอบด้วยสายตาเป็นขั้นตอนพื้นฐานในการประเมินคุณภาพแนวเชื่อม โดยพิจารณาความเรียบร้อย ความต่อเนื่อง ขนาดแนวเชื่อม และตำหนิที่ปรากฏบนผิว เช่น รอยแตก รูพรุน หรือการหลอมรวมไม่สมบูรณ์ที่เห็นได้จากภายนอก

2. การตรวจสอบด้วยรังสี Radiographic Testing

การตรวจสอบด้วยรังสี หรือ RT ใช้สำหรับตรวจสอบข้อบกพร่องภายในแนวเชื่อม เช่น โพรงอากาศ ช่องว่างภายใน หรือการหลอมรวมไม่สมบูรณ์ ซึ่งอาจไม่สามารถมองเห็นได้จากการตรวจด้วยสายตาเพียงอย่างเดียว

ผลจากงานวิจัยแสดงให้เห็นว่า แนวเชื่อมที่ผ่านการ Preheat มีความสมบูรณ์มากกว่า ขณะที่แนวเชื่อมที่ไม่ผ่านการ Preheat มีโอกาสพบโพรงอากาศภายในแนวเชื่อม ซึ่งอาจส่งผลต่อความแข็งแรงและอายุการใช้งานของระบบท่อ

3. การวิเคราะห์โครงสร้างผลึกของ HDPE

HDPE เป็นวัสดุพอลิเมอร์กึ่งผลึก โครงสร้างผลึกภายในวัสดุมีผลต่อความแข็งแรง ความเหนียว และพฤติกรรมการแตกหัก การวิเคราะห์ด้วย X-ray Diffraction หรือ XRD ช่วยเปรียบเทียบโครงสร้างของวัสดุเดิมและแนวเชื่อมหลังผ่านกระบวนการเชื่อม

งานวิจัยพบว่า แนวเชื่อมที่ผ่านการ Preheat มีโครงสร้างผลึกใกล้เคียงกับ HDPE เดิมมากกว่า แสดงให้เห็นว่าการอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมช่วยควบคุมอัตราการเย็นตัว และลดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของวัสดุ

4. การทดสอบแรงดึงของแนวเชื่อม

การทดสอบแรงดึงใช้ประเมินว่าแนวเชื่อมสามารถรับแรงดึงได้ดีเพียงใด โดยงานวิจัยพบว่าแนวเชื่อมแบบ Preheat มีค่าความต้านทานแรงดึงสูงกว่าแนวเชื่อมแบบไม่ Preheat และมีการยืดตัวก่อนขาดมากกว่า แสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงและความเหนียวที่ดีกว่า

• แนวเชื่อมแบบ Preheat มีค่าความต้านทานแรงดึงประมาณ 46.04 MPa
• แนวเชื่อมแบบ Non-Preheat มีค่าความต้านทานแรงดึงประมาณ 31.01 MPa
• แนวเชื่อมแบบ Preheat มีการยืดตัวก่อนขาดประมาณ 98.53%
• แนวเชื่อมแบบ Non-Preheat มีการยืดตัวก่อนขาดประมาณ 64.13%

5. การทดสอบแรงกดและความแข็งแหวนของท่อ

สำหรับท่อ SRPE งานรับแรงกดจากดินและน้ำหนักบรรทุกด้านบนเป็นประเด็นสำคัญ งานวิจัยจึงทดสอบความสามารถในการรับแรงกดของท่อตามแนวทางมาตรฐาน ASTM F2435-15 และ TIS 2764-2559 โดยทดสอบที่การยุบตัว 5%

ผลการทดสอบพบว่าท่อที่เชื่อมมีค่าความแข็งแหวนประมาณ 0.41 MPa ที่การยุบตัว 5% และเมื่อทดสอบต่อที่การยุบตัวสูงขึ้น ก็ยังไม่พบการแตกร้าวที่บริเวณแนวเชื่อมหรือเนื้อท่อ สะท้อนให้เห็นว่าโครงสร้างเหล็กเสริมภายในท่อช่วยกระจายแรงกดได้ดี

6. การทดสอบการรั่วซึมและแรงดันน้ำ

งานวิจัยยังทดสอบการรั่วซึมและแรงดันน้ำ โดยปิดปลายท่อ เติมน้ำ และเก็บไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง พบว่าไม่เกิดการรั่วซึมบริเวณแนวเชื่อมและเนื้อวัสดุเดิม รวมถึงสามารถทนแรงดันน้ำได้ถึงประมาณ 0.18 MPa โดยไม่เกิดการรั่วซึมภายใต้เงื่อนไขการทดลอง

อย่างไรก็ตาม ผลทดสอบดังกล่าวเป็นข้อมูลจากงานวิจัยภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ ไม่ควรนำไปอ้างว่าเป็นค่ารับรองของผลิตภัณฑ์ใดผลิตภัณฑ์หนึ่ง เว้นแต่มีผลทดสอบจากห้องปฏิบัติการของผลิตภัณฑ์นั้นโดยตรง

ความสำคัญของ Preheat ต่อคุณภาพแนวเชื่อม

จากผลการทดสอบสามารถสรุปได้ว่า Preheat เป็นขั้นตอนที่มีผลอย่างมากต่อคุณภาพแนวเชื่อมท่อ SRPE โดยช่วยให้วัสดุเติม HDPE หลอมรวมกับผิวท่อเดิมได้ดีขึ้น ลดความเสี่ยงการเกิดโพรงอากาศ และทำให้แนวเชื่อมมีความแข็งแรงมากขึ้น

• ช่วยลดการเกิดโพรงอากาศภายในแนวเชื่อม
• ช่วยให้วัสดุเติม HDPE หลอมรวมกับผิวท่อเดิมได้ดีขึ้น
• ช่วยลดการเย็นตัวอย่างรวดเร็วของแนวเชื่อม
• ช่วยควบคุมโครงสร้างผลึกของ HDPE หลังเชื่อม
• ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียวของแนวเชื่อม
• ช่วยลดความเสี่ยงที่แนวเชื่อมจะกลายเป็นจุดอ่อนของระบบท่อ

ข้อควรควบคุมในงานเชื่อม SRPE ภาคสนาม

สำหรับงานติดตั้งท่อ SRPE ในพื้นที่ก่อสร้าง ควรให้ความสำคัญกับการควบคุมกระบวนการเชื่อมอย่างเป็นระบบ เพื่อให้แนวเชื่อมมีคุณภาพและลดความเสี่ยงของปัญหาที่อาจเกิดขึ้นภายหลัง

• ควบคุมความสะอาดของผิวรอยต่อก่อนเชื่อม
• กำจัดความชื้นและสิ่งปนเปื้อนบริเวณแนวเชื่อม
• จัดแนวท่อและช่องว่างรอยต่อให้สม่ำเสมอ
• ควบคุมอุณหภูมิ Preheat ให้เหมาะสม
• ควบคุมอุณหภูมิของวัสดุเติมเชื่อม
• ควบคุมความเร็วในการเชื่อม
• ตรวจสอบความหนาและความต่อเนื่องของแนวเชื่อม
• ปล่อยให้แนวเชื่อมเย็นตัวอย่างเหมาะสม
• ตรวจสอบแนวเชื่อมหลังเชื่อม
• ทดสอบการรั่วซึมหรือทดสอบแรงดันตามข้อกำหนดของโครงการ

สรุป

การเชื่อมท่อลอนพอลิเอทิลีนเสริมเหล็ก SRPE ด้วยวิธี Extrusion Welding เป็นกระบวนการที่เหมาะสมกับงานท่อขนาดใหญ่ และงานระบบระบายน้ำที่ต้องการความต่อเนื่องของแนวท่อ โดยใช้วัสดุเติม HDPE หลอมเหลวอัดลงในรอยต่อเพื่อสร้างแนวเชื่อม

จากงานวิจัยพบว่า การเชื่อมแบบมี Preheat ให้ผลดีกว่าการเชื่อมแบบไม่ Preheat อย่างชัดเจน ทั้งในด้านคุณภาพแนวเชื่อมภายใน ความแข็งแรงแรงดึง ความเหนียวของวัสดุ การควบคุมโครงสร้างผลึก และการลดปัญหาโพรงอากาศภายในแนวเชื่อม

ดังนั้น ในงานติดตั้งท่อ SRPE สำหรับโครงการระบายน้ำ ถนน ทางหลวง สนามบิน เทศบาล และงานโครงสร้างพื้นฐานอื่น ๆ ควรกำหนดขั้นตอนการเชื่อมอย่างเป็นระบบ โดยเฉพาะการควบคุมอุณหภูมิ การอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อม การเตรียมผิวรอยต่อ และการตรวจสอบคุณภาพหลังเชื่อม เพื่อให้แนวเชื่อมมีความแข็งแรง ลดความเสี่ยงการรั่วซึม และเพิ่มความมั่นใจต่ออายุการใช้งานของระบบท่อ

เอกสารอ้างอิง

Tippayasam, C., & Kaewvilai, A. (2020). Steel-Reinforced Polyethylene Pipe: Extrusion Welding, Investigation, and Mechanical Testing. Welding Journal, 99(2), 52s–58s. DOI: 10.29391/2020.99.005.