การเลือกท่อเหล็กและท่อ HDPE สำหรับงานดันลอดแบบ HDD เลือก PN SDR และความหนาท่ออย่างไร

งานดันลอดแบบ Horizontal Directional Drilling หรือ HDD เป็นวิธีติดตั้งท่อใต้ดินโดยไม่จำเป็นต้องเปิดผิวถนนตลอดแนว เหมาะสำหรับการลอดใต้ถนน แม่น้ำ คลอง ทางรถไฟ พื้นที่โรงงาน และแนวสาธารณูปโภคเดิม การเลือกท่อสำหรับงาน HDD แตกต่างจากการเลือกท่อที่ติดตั้งด้วยวิธีขุดเปิดทั่วไป เพราะในระหว่างการดึงท่อกลับเข้

การเลือกท่อสำหรับงานดันลอดแบบ HDD

การติดตั้งท่อด้วยวิธี Horizontal Directional Drilling หรือ HDD เป็นวิธีการก่อสร้างระบบท่อใต้ดินที่สามารถลดการเปิดผิวถนนและลดผลกระทบต่อพื้นที่ด้านบนได้ หลักการทำงานเริ่มจากการเจาะนำหรือ Pilot Bore ตามแนวและระดับที่ออกแบบไว้ จากนั้นขยายรูเจาะด้วย Reamer จนได้ขนาดที่เหมาะสม ก่อนดึงท่อผลิตภัณฑ์กลับเข้าสู่รูเจาะในขั้นตอน Pullback

ช่วง Pullback ถือเป็นช่วงที่มีความสำคัญต่อการเลือกท่ออย่างมาก เนื่องจากตัวท่อจะรับแรงในลักษณะที่แตกต่างจากช่วงใช้งานปกติ ท่อ HDPE จะได้รับแรงดึงตามแนวยาวพร้อมกับแรงดัดตามแนวโค้งของ Bore Path ขณะที่แรงดันของ Drilling Fluid และสภาพของดินรอบรูเจาะอาจสร้างแรงกดจากภายนอกต่อผนังท่อได้

มาตรฐาน ASTM F1962 เป็นแนวทางสำหรับการออกแบบ การเลือก และการติดตั้งท่อ Polyethylene ด้วยระบบ Horizontal Directional Drilling โดยเฉพาะงาน Maxi HDD และสามารถใช้เป็นหลักทางวิศวกรรมสำหรับพิจารณาแรงต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นกับท่อระหว่างการติดตั้ง งานขนาดเล็กและขนาดกลางยังสามารถประยุกต์แนวทางของ PPI TR-46 สำหรับ Mini HDD และ Midi HDD ได้ตามลักษณะโครงการ

ท่อ HDPE สำหรับงาน HDD ไม่ควรเลือกจากค่า PN อย่างเดียว

ท่อ HDPE ที่ใช้ในระบบประปามักระบุความสามารถในการรับแรงดันด้วย PN เช่น PN10 PN12.5 PN16 หรือ PN20 ขณะที่โครงสร้างของท่อจะสัมพันธ์กับค่า SDR หรือ DR ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกกับความหนาของผนังท่อ

เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อเท่ากัน ค่า SDR ที่ต่ำลงจะหมายถึงผนังท่อที่หนาขึ้น ตัวอย่างเช่น SDR11 จะมีผนังหนากว่า SDR17 และสามารถต้านทานแรงจากภายใน รวมถึงแรงบางประเภทที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการ HDD ได้มากกว่า

ASTM F714 เป็นหนึ่งในมาตรฐานสำคัญสำหรับท่อ Polyethylene ที่กำหนดขนาดตาม Outside Diameter และ Dimension Ratio โดยครอบคลุมท่อสำหรับระบบน้ำ น้ำเสีย ของเหลวอุตสาหกรรม รวมถึงระบบทั้งแบบมีแรงดันและไม่มีแรงดัน ท่อขนาดเล็กกว่าสามารถพิจารณาตาม ASTM D3035 ตามช่วงขนาดที่มาตรฐานครอบคลุม

ความสัมพันธ์ระหว่าง SDR และความหนาของท่อ HDPE

การคำนวณความหนาท่อ HDPE เบื้องต้นสามารถหาได้จากเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกหารด้วยค่า SDR ดังนั้นท่อขนาด 500 มิลลิเมตร SDR11 จะมีความหนาผนังเชิงทฤษฎีประมาณ 45.5 มิลลิเมตร ขณะที่ท่อขนาดเดียวกัน SDR17 จะมีความหนาประมาณ 29.4 มิลลิเมตร

ค่าเหล่านี้ใช้สำหรับทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่าง SDR กับโครงสร้างท่อเท่านั้น ความหนาจริงของผลิตภัณฑ์ต้องเป็นไปตามตารางขนาดและค่าความคลาดเคลื่อนของมาตรฐานการผลิตที่กำหนด

ค่า PN และ SDR ที่พบในท่อ PE100

สำหรับท่อ PE100 ที่ใช้กับงานน้ำที่อุณหภูมิอ้างอิงประมาณ 20 องศาเซลเซียส มักพบการจับคู่ระหว่าง PN และ SDR ในลักษณะดังต่อไปนี้ ทั้งนี้ PN เป็นระบบการเรียกชั้นแรงดันที่พบได้ทั่วไปในมาตรฐาน ISO และมาตรฐานผลิตภัณฑ์ที่อ้างอิงระบบดังกล่าว ขณะที่ ASTM F714 ใช้แนวคิด Dimension Ratio และ Pressure Rating จึงควรระบุมาตรฐานผลิตภัณฑ์ในเอกสารจัดซื้อทุกครั้ง

SDR โดยทั่วไป	ชั้นแรงดันที่มักพบสำหรับ PE100	ลักษณะการใช้งาน
SDR 17	ประมาณ PN10	ระบบแรงดันทั่วไปและแนวติดตั้งที่ได้รับการตรวจสอบแรง HDD แล้ว
SDR 13.6	ประมาณ PN12.5	ระบบแรงดันระดับกลางและต้องการผนังหนาขึ้น
SDR 11	ประมาณ PN16	ระบบประปา งาน HDD และงานที่ต้องการความแข็งแรงของผนังสูงขึ้น
SDR 9	ประมาณ PN20	ระบบแรงดันสูงหรืองานที่ผลการคำนวณต้องการผนังหนามากขึ้น
SDR 7.4	ประมาณ PN25	งานแรงดันสูงและงานเฉพาะทาง

ควรกำหนด SDR ขั้นต่ำสำหรับงาน HDD เท่าใด

ในทางวิศวกรรมไม่มีข้อกำหนด ASTM ที่ระบุว่าท่อ HDD ทุกขนาดต้องใช้ SDR11 หรือ SDR17 เป็นขั้นต่ำ เพราะค่า SDR ที่เหมาะสมต้องได้จากการตรวจสอบแรงดึงระหว่าง Pullback การ Buckling หรือ Collapse ของท่อ รัศมีดัด ระยะทางดันลอด ลักษณะดิน ขนาดรูเจาะ และแรงดัน Drilling Fluid

อย่างไรก็ตาม หากต้องจัดทำสเปกเบื้องต้นสำหรับงานระบบประปาที่ติดตั้งด้วย HDD และยังไม่มีการคำนวณ Pullback โดยละเอียด การกำหนดท่อ PE100 SDR11 หรือประมาณ PN16 เป็นเกณฑ์เริ่มต้นสำหรับงานที่ต้องการความแข็งแรงสูงถือเป็นแนวทางที่ค่อนข้างอนุรักษนิยมมากกว่าการเลือกท่อผนังบาง เช่น SDR17

ไม่ได้หมายความว่า SDR17 ไม่สามารถติดตั้งด้วย HDD ได้ ท่อ SDR17 สามารถใช้ในงาน HDD ได้เมื่อผลการตรวจสอบแรงดึง แรงดัดและ External Pressure แสดงว่าท่อสามารถรับภาระระหว่างการติดตั้งและช่วงใช้งานได้อย่างปลอดภัย

ตัวอย่างความหนาของท่อ HDPE SDR11 สำหรับงาน HDD

OD ท่อ	SDR11 ความหนาโดยประมาณ
110 มม.	10.0 มม.
160 มม.	14.5 มม.
200 มม.	18.2 มม.
225 มม.	20.5 มม.
250 มม.	22.7 มม.
280 มม.	25.5 มม.
315 มม.	28.6 มม.
355 มม.	32.3 มม.
400 มม.	36.4 มม.
450 มม.	40.9 มม.
500 มม.	45.5 มม.
560 มม.	50.9 มม.
630 มม.	57.3 มม.
710 มม.	64.5 มม.
800 มม.	72.7 มม.
900 มม.	81.8 มม.
1,000 มม.	90.9 มม.

ตารางดังกล่าวเป็นการคำนวณจาก OD หารด้วย SDR เพื่อใช้ในการประเมินเบื้องต้น การจัดซื้อจริงต้องตรวจสอบตาราง Dimension ของผู้ผลิตและมาตรฐานผลิตภัณฑ์อีกครั้ง

ท่อ HDPE ร้อยสายไฟสำหรับงาน HDD

ในกรณีที่ HDD ใช้ติดตั้งท่อร้อยสายไฟหรือสายสื่อสาร ลักษณะการเลือกท่อจะแตกต่างจากท่อประปา เนื่องจากระบบดังกล่าวไม่มีแรงดันน้ำภายใน จึงไม่จำเป็นต้องกำหนด PN เหมือนท่อส่งน้ำ แต่ควรกำหนดค่า SDR หรือ DR รวมถึงมาตรฐาน Conduit ให้เหมาะสม

ASTM F2160 เป็นมาตรฐานสำหรับ Solid Wall HDPE Conduit ที่ใช้ป้องกันสายไฟและสายสื่อสารในระบบ Non Pressure และระบุการติดตั้งด้วย HDD ไว้โดยตรง มาตรฐานครอบคลุม Dimension หลายประเภท เช่น SDR9 SDR11 SDR13.5 DR15.5 Schedule 40 และ Schedule 80

สำหรับงานดันลอดที่ต้องรับแรงดึงสูง ผู้ควบคุมงานจึงอาจกำหนด SDR11 หรือ SDR13.5 ตามผลการออกแบบ แต่ไม่ควรเขียนว่างาน HDD ทุกงานต้องใช้ SDR11 เพราะความต้องการจริงขึ้นอยู่กับความยาวแนวดันลอด รัศมีโค้งและกำลังเครื่องจักร

การเลือกท่อเหล็กสำหรับ HDD

ท่อเหล็กสามารถใช้เป็น Product Pipe หรือใช้เป็น Casing Pipe สำหรับให้ท่ออีกชนิดหนึ่งลอดผ่านภายในได้ การเลือกความหนาท่อเหล็กจึงต้องแยกจากการเลือกท่อ HDPE เนื่องจากพฤติกรรมของวัสดุต่างกันอย่างมาก

กรณีใช้ท่อเหล็กสำหรับ Casing งานลอดใต้ดิน สามารถพิจารณา ASTM A1097 ซึ่งเป็นมาตรฐาน Steel Casing Pipe แบบ Electric Fusion Arc Welded สำหรับ NPS 10 ขึ้นไปและออกแบบมาโดยตรงสำหรับงาน Horizontal Underground Boring งาน Tunneling และงาน Open Trench มาตรฐานดังกล่าวครอบคลุมท่อที่มีความหนาผนังตั้งแต่ 0.200 นิ้ว หรือประมาณ 5.1 มิลลิเมตรขึ้นไป

อย่างไรก็ตาม ค่า 5.1 มิลลิเมตรเป็นเพียงขอบเขตขั้นต่ำของผลิตภัณฑ์ที่ ASTM A1097 ครอบคลุม ไม่ได้หมายความว่าท่อเหล็กขนาด 600 มิลลิเมตร 800 มิลลิเมตร หรือ 1,000 มิลลิเมตร สามารถใช้ความหนา 5.1 มิลลิเมตรในทุกงาน HDD ได้ ความหนาที่ใช้จริงต้องตรวจสอบแรงดึง แรงดัด External Pressure ความเสี่ยงต่อ Local Buckling และสภาพการติดตั้ง

ความหนาท่อเหล็กสำหรับงาน HDD ที่ใช้เป็นสเปกเบื้องต้น

หากต้องการจัดทำ Tender Specification หรือประมาณราคาก่อนที่จะมี Detailed Design สามารถใช้ความหนาระดับ Schedule 40 ของท่อเหล็กเป็นจุดเริ่มต้นในช่วงขนาดมาตรฐาน แต่ต้องระบุในข้อกำหนดว่าความหนาสุดท้ายต้องได้รับการตรวจสอบจากการคำนวณ HDD และแรง Pullback ก่อนดำเนินงาน

ขนาดท่อเหล็กโดยประมาณ	OD มาตรฐาน	ความหนา Schedule 40 โดยประมาณ	ข้อเสนอสำหรับสเปกเบื้องต้น HDD
4 นิ้ว	114.3 มม.	6.02 มม.	ไม่น้อยกว่า 6 มม.
6 นิ้ว	168.3 มม.	7.11 มม.	ไม่น้อยกว่า 7 มม.
8 นิ้ว	219.1 มม.	8.18 มม.	ไม่น้อยกว่า 8 มม.
10 นิ้ว	273.0 มม.	9.27 มม.	ไม่น้อยกว่า 9 มม.
12 นิ้ว	323.9 มม.	10.31 มม.	ไม่น้อยกว่า 10 มม.
14 นิ้ว	355.6 มม.	11.13 มม.	ไม่น้อยกว่า 11 มม.
16 นิ้ว	406.4 มม.	12.70 มม.	ไม่น้อยกว่า 12 มม.
18 นิ้ว	457.2 มม.	14.27 มม.	ไม่น้อยกว่า 14 มม.
20 นิ้ว	508.0 มม.	15.09 มม.	ไม่น้อยกว่า 15 มม.
24 นิ้ว	609.6 มม.	17.48 มม.	ไม่น้อยกว่า 17 มม.

ค่าความหนาในตารางนี้ไม่ใช่ค่าขั้นต่ำตาม ASTM สำหรับ HDD ทุกกรณี แต่เป็นค่าที่สามารถใช้เป็นเกณฑ์ตั้งต้นในการจัดทำสเปกเบื้องต้นโดยอ้างอิงขนาดผนังท่อระดับ Schedule 40 แล้วจึงทำ Engineering Verification ก่อนใช้งานจริง

งาน HDD ขนาดใหญ่ไม่ควรกำหนดความหนาท่อเหล็กจากตารางอย่างเดียว

เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางท่อเพิ่มขึ้น ความเสี่ยงต่อ Ovalization และ Local Buckling จะเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะเมื่อท่ออยู่ในรูเจาะที่มีแรงกดจากดินและแรงดันของ Drilling Fluid ท่อขนาด 800 มิลลิเมตรหรือ 1,000 มิลลิเมตรจึงไม่ควรเลือกความหนาด้วยการเทียบสัดส่วนจากท่อขนาดเล็กเพียงอย่างเดียว

งานประเภทนี้ควรตรวจสอบอัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางต่อความหนาหรือ D ต่อ t กำลังครากของเหล็ก รัศมีโค้งตามแนว Bore Profile แรงดึงสูงสุดจากเครื่อง HDD และแรงดันภายนอกที่สามารถเกิดขึ้นกับท่อในแต่ละช่วง

ตัวอย่างข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับท่อ HDPE งาน HDD

สำหรับระบบท่อส่งน้ำ สามารถกำหนดเบื้องต้นเป็นท่อ HDPE PE100 ผลิตตามมาตรฐานที่โครงการกำหนด โดยใช้ SDR11 หรือประมาณ PN16 เป็นค่าเริ่มต้นสำหรับงาน HDD ที่ต้องการความแข็งแรงของท่อสูง รอยต่อใช้วิธี Butt Fusion และแนวเชื่อมต้องสามารถรับแรงดึงระหว่าง Pullback ได้

กรณีเลือก SDR สูงกว่า SDR11 เช่น SDR13.6 หรือ SDR17 ผู้รับจ้างควรจัดส่ง Calculation แสดง Maximum Allowable Pulling Force แรงดัดที่เกิดขึ้นจาก Bore Radius และความสามารถของท่อในการต้านทาน External Pressure ก่อนการติดตั้ง

ขนาดรูเจาะต้องใหญ่กว่าท่อผลิตภัณฑ์

การเลือกท่อที่แข็งแรงแต่ขยายรูเจาะเล็กเกินไปสามารถสร้างแรงดึงสูงมากในช่วง Pullback ได้ Reamed Hole จึงต้องมี Clearance เพียงพอสำหรับท่อและการหมุนเวียนของ Drilling Fluid การกำหนดขนาดรูเจาะต้องสัมพันธ์กับ OD ของ Product Pipe ชนิดดิน ระยะดันลอดและจำนวนท่อที่ดึงพร้อมกัน

หากมีท่อหลายเส้นอยู่ใน Bundle เช่น ท่อ HDPE ร้อยสายไฟหลายวงจร ต้องพิจารณาขนาดรวมของ Bundle ไม่ใช่ใช้เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแต่ละเส้นในการเลือก Reamer

แรง Pullback เป็นตัวกำหนดสำคัญของท่อ HDD

เครื่อง HDD ขนาดใหญ่สามารถสร้างแรง Pullback ได้หลายตันหรือหลายสิบตัน แต่แรงดึงสูงสุดของเครื่องไม่ควรนำมาใช้กับท่อทั้งหมดโดยไม่มีการควบคุม ระหว่างการดึงท่อควรมีระบบควบคุมและตรวจสอบแรงดึงเพื่อไม่ให้เกินค่าที่ท่อและรอยต่อสามารถรับได้

สำหรับท่อ HDPE รอยต่อ Butt Fusion ที่ดำเนินการอย่างถูกต้องทำให้แนวท่อสามารถดึงเป็นแนวยาวต่อเนื่องได้ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบสำคัญของ HDPE สำหรับงาน HDD แต่ยังต้องพิจารณาผลของแรงดึงระยะสั้นและระยะยาวที่อุณหภูมิระหว่างก่อสร้างตามแนวทางการออกแบบที่เหมาะสม

รัศมีโค้งของแนวเจาะมีผลต่อการเลือกท่อ

HDD ไม่ได้ดึงท่อเป็นเส้นตรงตลอดแนว โดยทั่วไปแนว Bore Profile จะประกอบด้วยช่วง Entry ช่วงโค้งเข้าสู่ระดับที่ต้องการ ช่วงแนวระดับ ช่วงโค้งขึ้นและ Exit ดังนั้นท่อจะได้รับ Bending Stress ขณะผ่านช่วงโค้ง

ท่อ HDPE มีข้อได้เปรียบด้านความยืดหยุ่นและสามารถรองรับแนวโค้งได้ดี แต่การกำหนดรัศมีต้องอยู่ภายในค่าที่ผลิตภัณฑ์และวิธีการติดตั้งสามารถรองรับได้ ส่วนท่อเหล็กต้องควบคุม Cold Bending และความเค้นของผนังท่ออย่างเหมาะสม

การเลือกท่อระหว่าง HDPE และท่อเหล็กสำหรับ HDD

HDPE เหมาะกับงานระบบประปา ระบบน้ำเสียแรงดัน ท่อร้อยสายไฟและสื่อสาร รวมถึงระบบของเหลวหลายประเภท เนื่องจากมีความยืดหยุ่น ไม่มีปัญหาการกัดกร่อนแบบเหล็ก และสามารถ Butt Fusion เป็นแนวยาวต่อเนื่องก่อน Pullback ได้

ท่อเหล็กเหมาะกับงานที่ต้องการความแข็งแรงสูง งาน Casing งานที่ต้องรับภาระเฉพาะ หรือระบบที่ข้อกำหนดของโครงการกำหนดให้ใช้ Steel Pipe อย่างไรก็ตามต้องพิจารณาการป้องกันการกัดกร่อน การเชื่อมสนาม การตรวจสอบแนวเชื่อมและคุณภาพ Coating หลังเชื่อมเพิ่มเติม

ASTM A53 ครอบคลุมท่อเหล็ก Seamless และ Welded ในช่วงขนาด NPS 1/8 ถึง NPS 26 และมีการกำหนดคุณสมบัติทางกลและการทดสอบของผลิตภัณฑ์ ส่วนงาน Steel Casing โดยตรงสามารถพิจารณา ASTM A1097 สำหรับท่อ NPS 10 ขึ้นไป ซึ่งกำหนดขอบเขตการใช้งานกับงาน Horizontal Underground Boring โดยเฉพาะ

การกำหนดสเปก HDD สำหรับโครงการจริง

เอกสารสเปกที่ดีไม่ควรเขียนเพียงว่าท่อ HDPE PN16 หรือท่อเหล็กหนา 10 มิลลิเมตร แต่ควรระบุชนิดวัสดุ มาตรฐานการผลิต OD ค่า SDR หรือ DR ความหนาผนัง วิธีต่อท่อ มาตรฐานการเชื่อม คุณสมบัติของวัตถุดิบ ระยะทางดันลอด Bore Profile Minimum Bend Radius และ Maximum Allowable Pullback Load

ก่อนเริ่มดึงท่อควรตรวจสอบผลการเจาะนำ ชั้นดินจริง ปริมาณ Drilling Fluid ขนาดรูหลัง Reaming ตำแหน่ง Entry และ Exit รวมถึงแนวระดับของ Bore Path เพราะข้อมูลเหล่านี้มีผลโดยตรงต่อแรงที่เกิดขึ้นกับท่อ

สำหรับงาน HDPE ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่หรือระยะดันลอดยาว ควรมี Engineering Calculation ตามแนวทาง ASTM F1962 หรือหลักการออกแบบ HDD ที่เทียบเท่า เพื่อยืนยันว่าท่อที่เลือกสามารถรับแรง Pullback แรงดัด และแรงกดจากภายนอกได้อย่างเหมาะสมก่อนดำเนินการก่อสร้าง

สรุป

หากต้องการคำแนะนำเฉพาะงาน ทีม Technical Support ของ TawanFlow ยินดีช่วยเลือกสินค้าให้เหมาะกับงานของคุณ ติดต่อขอคำแนะนำและใบเสนอราคา