عند تصميم نظام أنابيب الضغط، غالباً ما يحدد المهندس المسؤول أن أنابيب النظام يجب أن تتوافق مع جزء أو أكثر من كود ASME B31 لأنابيب الضغط. كيف يلتزم المهندسون بمتطلبات الكود بشكل صحيح عند تصميم أنظمة الأنابيب؟
أولاً، يجب على المهندس تحديد مواصفات التصميم التي ينبغي اختيارها. بالنسبة لأنظمة أنابيب الضغط، لا يقتصر هذا بالضرورة على معيار ASME B31. قد تخضع المعايير الأخرى الصادرة عن ASME أو ANSI أو NFPA أو غيرها من الهيئات التنظيمية لموقع المشروع أو التطبيق، وما إلى ذلك. في معيار ASME B31، توجد حاليًا سبعة أقسام منفصلة سارية المفعول.
ASME B31.1 أنابيب الكهرباء: يغطي هذا القسم الأنابيب في محطات توليد الطاقة، والمنشآت الصناعية والمؤسسية، وأنظمة التدفئة الحرارية الأرضية، وأنظمة التدفئة والتبريد المركزية والإقليمية. ويشمل ذلك الأنابيب الخارجية وغير الخارجية المستخدمة في تركيب غلايات القسم الأول من معيار ASME. لا ينطبق هذا القسم على المعدات المشمولة بمدونة ASME للغلايات وأوعية الضغط، وبعض أنابيب توزيع التدفئة والتبريد ذات الضغط المنخفض، وأنظمة أخرى متنوعة موصوفة في الفقرة 100.1.3 من معيار ASME B31.1. تعود أصول معيار ASME B31.1 إلى عشرينيات القرن الماضي، حيث نُشرت الطبعة الرسمية الأولى عام 1935. تجدر الإشارة إلى أن الطبعة الأولى، بما في ذلك الملاحق، كانت أقل من 30 صفحة، بينما تتجاوز الطبعة الحالية 300 صفحة.
ASME B31.3 أنابيب العمليات: يغطي هذا القسم الأنابيب في مصافي النفط؛ ومصانع الكيماويات والأدوية والمنسوجات والورق وأشباه الموصلات ومصانع التبريد؛ ومحطات المعالجة والمحطات الطرفية المرتبطة بها. يشبه هذا القسم إلى حد كبير معيار ASME B31.1، لا سيما عند حساب الحد الأدنى لسمك جدار الأنابيب المستقيمة. كان هذا القسم في الأصل جزءًا من معيار B31.1، وقد صدر بشكل منفصل لأول مرة عام 1959.
نظام نقل السوائل والمواد اللزجة عبر خطوط الأنابيب ASME B31.4: يغطي هذا القسم الأنابيب التي تنقل المنتجات السائلة بشكل أساسي بين المصانع والمحطات، وداخل المحطات، ومحطات الضخ والمعالجة والقياس. كان هذا القسم في الأصل جزءًا من B31.1 وتم إصداره بشكل منفصل لأول مرة في عام 1959.
ASME B31.5 أنابيب التبريد ومكونات نقل الحرارة: يغطي هذا القسم أنابيب المبردات والمبردات الثانوية. كان هذا الجزء في الأصل جزءًا من B31.1 وتم إصداره بشكل منفصل لأول مرة في عام 1962.
أنظمة أنابيب نقل وتوزيع الغاز ASME B31.8: يشمل هذا القسم الأنابيب المستخدمة لنقل المنتجات الغازية بشكل أساسي بين المصادر والمحطات، بما في ذلك الضواغط ومحطات المعالجة والقياس؛ وأنابيب تجميع الغاز. كان هذا القسم في الأصل جزءًا من B31.1 وتم إصداره بشكل منفصل لأول مرة في عام 1955.
ASME B31.9 أنابيب خدمات المباني: يغطي هذا القسم الأنابيب الشائعة الاستخدام في المباني الصناعية والمؤسسية والتجارية والعامة؛ والمساكن متعددة الوحدات التي لا تتطلب نطاقات الحجم والضغط ودرجة الحرارة المشمولة في ASME B31.1. يشبه هذا القسم ASME B31.1 وB31.3، ولكنه أقل تحفظًا (خاصة عند حساب الحد الأدنى لسمك الجدار) ويحتوي على تفاصيل أقل. يقتصر على تطبيقات الضغط المنخفض ودرجة الحرارة المنخفضة كما هو موضح في الفقرة 900.1.2 من ASME B31.9. نُشر هذا القسم لأول مرة عام 1982.
ASME B31.12 أنابيب الهيدروجين والأنابيب: يغطي هذا القسم الأنابيب المستخدمة في خدمة الهيدروجين الغازي والسائل، والأنابيب المستخدمة في خدمة الهيدروجين الغازي. نُشر هذا القسم لأول مرة في عام 2008.
يعود اختيار رمز التصميم المناسب في نهاية المطاف إلى المالك. تنص مقدمة معيار ASME B31 على أن "مسؤولية اختيار قسم الرمز الذي يُطابق تركيب الأنابيب المقترح تقع على عاتق المالك". وفي بعض الحالات، "قد تنطبق أقسام متعددة من الرمز على أجزاء مختلفة من التركيب".
سيُعتمد إصدار 2012 من معيار ASME B31.1 كمرجع أساسي للمناقشات اللاحقة. يهدف هذا المقال إلى توجيه المهندس المسؤول خلال بعض الخطوات الرئيسية في تصميم نظام أنابيب ضغط متوافق مع معيار ASME B31. يوفر اتباع إرشادات ASME B31.1 تمثيلاً جيدًا لتصميم النظام بشكل عام. تُستخدم أساليب تصميم مماثلة عند اتباع معيار ASME B31.3 أو B31.9. أما باقي معيار ASME B31 فيُستخدم في تطبيقات أضيق، وخاصةً لأنظمة أو تطبيقات محددة، ولن يتم تناوله بالتفصيل هنا. مع أننا سنُسلط الضوء هنا على الخطوات الرئيسية في عملية التصميم، إلا أن هذه المناقشة ليست شاملة، ويجب الرجوع دائمًا إلى المعيار الكامل أثناء تصميم النظام. جميع الإشارات إلى النص تُشير إلى معيار ASME B31.1 ما لم يُذكر خلاف ذلك.
بعد اختيار الكود الصحيح، يجب على مصمم النظام مراجعة أي متطلبات تصميم خاصة بالنظام. تنص الفقرة 122 (الجزء 6) على متطلبات التصميم المتعلقة بالأنظمة الشائعة في تطبيقات أنابيب الكهرباء، مثل أنظمة البخار، ومياه التغذية، وأنابيب تصريف المياه، وأنابيب أجهزة القياس، وأنظمة تخفيف الضغط. يحتوي معيار ASME B31.3 على فقرات مشابهة لمعيار ASME B31.1، ولكن بتفاصيل أقل. تشمل الاعتبارات الواردة في الفقرة 122 متطلبات الضغط ودرجة الحرارة الخاصة بالنظام، بالإضافة إلى القيود القضائية المختلفة المحددة بين المرجل نفسه، وأنابيب المرجل الخارجية، والأنابيب الخارجية غير التابعة للمرجل والمتصلة بتعريف أنابيب المرجل وفقًا للجزء الأول من معيار ASME. يوضح الشكل 2 هذه القيود الخاصة بالمرجل الأسطواني.
يجب على مصمم النظام تحديد الضغط ودرجة الحرارة التي سيعمل عندها النظام والظروف التي يجب تصميم النظام لتلبيتها.
وفقًا للفقرة 101.2، يجب ألا يقل ضغط التصميم الداخلي عن أقصى ضغط تشغيل مستمر (MSOP) داخل نظام الأنابيب، بما في ذلك تأثير الضغط الساكن. يجب تصميم الأنابيب المعرضة لضغط خارجي لتحمل أقصى فرق ضغط متوقع في ظروف التشغيل أو الإيقاف أو الاختبار. بالإضافة إلى ذلك، يجب مراعاة التأثيرات البيئية. وفقًا للفقرة 101.4، إذا كان من المحتمل أن يؤدي تبريد السائل إلى خفض الضغط في الأنبوب إلى ما دون الضغط الجوي، فيجب تصميم الأنبوب لتحمل الضغط الخارجي أو اتخاذ تدابير لكسر الفراغ. في الحالات التي قد يؤدي فيها تمدد السائل إلى زيادة الضغط، يجب تصميم أنظمة الأنابيب لتحمل الضغط المتزايد أو اتخاذ تدابير لتخفيف الضغط الزائد.
ابتداءً من القسم 101.3.2، يجب أن تمثل درجة حرارة المعدن المستخدمة في تصميم الأنابيب أقصى الظروف الحرارية المتوقعة. ولتبسيط الأمر، يُفترض عمومًا أن درجة حرارة المعدن تساوي درجة حرارة السائل. ويمكن، عند الرغبة، استخدام متوسط ​​درجة حرارة المعدن شريطة معرفة درجة حرارة الجدار الخارجي. كما ينبغي إيلاء اهتمام خاص للسوائل المسحوبة عبر المبادلات الحرارية أو من معدات الاحتراق لضمان مراعاة أسوأ ظروف درجات الحرارة.
غالبًا ما يضيف المصممون هامش أمان إلى أقصى ضغط تشغيل و/أو درجة حرارة. يعتمد حجم هذا الهامش على التطبيق. من المهم أيضًا مراعاة قيود المواد عند تحديد درجة حرارة التصميم. قد يتطلب تحديد درجات حرارة تصميم عالية (أعلى من 750 درجة فهرنهايت) استخدام مواد سبائكية بدلًا من الفولاذ الكربوني الأكثر شيوعًا. تُقدم قيم الإجهاد في الملحق (أ) الإلزامي فقط لدرجات الحرارة المسموح بها لكل مادة. على سبيل المثال، لا يمكن للفولاذ الكربوني توفير قيم إجهاد إلا حتى 800 درجة فهرنهايت. قد يؤدي التعرض المطول للفولاذ الكربوني لدرجات حرارة أعلى من 800 درجة فهرنهايت إلى تفحم الأنبوب، مما يجعله أكثر هشاشة وعرضة للكسر. عند التشغيل فوق 800 درجة فهرنهايت، يجب أيضًا مراعاة تلف الزحف المتسارع المرتبط بالفولاذ الكربوني. راجع الفقرة 124 لمناقشة كاملة لحدود درجة حرارة المواد.
في بعض الأحيان، يُمكن للمهندسين تحديد ضغوط الاختبار لكل نظام. تُقدّم الفقرة 137 إرشادات حول اختبار الإجهاد. عادةً، يُحدّد اختبار الضغط الهيدروستاتيكي عند 1.5 ضعف ضغط التصميم؛ ومع ذلك، يجب ألا تتجاوز الإجهادات المحيطية والطولية في الأنابيب 90% من مقاومة الخضوع للمادة المذكورة في الفقرة 102.3.3 (ب) أثناء اختبار الضغط. بالنسبة لبعض أنظمة الأنابيب الخارجية غير الخاصة بالغلايات، قد يكون اختبار التسرب أثناء التشغيل طريقةً أكثر عمليةً للتحقق من التسربات نظرًا لصعوبة عزل أجزاء من النظام، أو ببساطة لأن تصميم النظام يسمح بإجراء اختبار تسرب بسيط أثناء التشغيل الأولي. هذا مقبول.
بمجرد تحديد شروط التصميم، يمكن تحديد مواصفات الأنابيب. أول ما يجب تحديده هو نوع المادة المستخدمة. وكما ذُكر سابقًا، تختلف حدود درجات الحرارة باختلاف المواد. وتُقدم الفقرة 105 قيودًا إضافية على مواد الأنابيب المختلفة. يعتمد اختيار المادة أيضًا على سائل النظام، مثل استخدام سبائك النيكل في تطبيقات أنابيب المواد الكيميائية المسببة للتآكل، أو استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ لتوفير هواء نظيف للأجهزة، أو استخدام الفولاذ الكربوني ذي المحتوى العالي من الكروم (أكثر من 0.1%) لمنع التآكل المتسارع بالتدفق. يُعد التآكل المتسارع بالتدفق ظاهرة تآكل/تآكل ثبت أنها تُسبب ترققًا شديدًا في الجدران وفشل الأنابيب في بعض أنظمة الأنابيب الأكثر أهمية. إن عدم مراعاة ترقق مكونات السباكة بشكل صحيح قد يُؤدي إلى عواقب وخيمة، كما حدث في عام 2007 عندما انفجر أنبوب إزالة التسخين الزائد في محطة إياتان للطاقة التابعة لشركة KCP&L، مما أسفر عن مقتل عاملين وإصابة ثالث بجروح خطيرة.
تحدد المعادلتان 7 و9 في الفقرة 104.1.1 الحد الأدنى المطلوب لسمك جدار الأنبوب المستقيم المعرض لضغط داخلي، والحد الأقصى لضغط التصميم الداخلي، على التوالي. تشمل المتغيرات في هاتين المعادلتين الحد الأقصى المسموح به للإجهاد (من الملحق الإلزامي أ)، والقطر الخارجي للأنبوب، ومعامل المادة (كما هو موضح في الجدول 104.1.2 (أ))، وأي بدلات إضافية للسمك (كما هو موضح أدناه). مع وجود هذا العدد الكبير من المتغيرات، قد تكون عملية تحديد مادة الأنابيب المناسبة، والقطر الاسمي، وسمك الجدار عملية تكرارية، وقد تشمل أيضًا سرعة السائل، وانخفاض الضغط، وتكاليف الأنابيب والضخ. وبغض النظر عن التطبيق، يجب التحقق من الحد الأدنى المطلوب لسمك الجدار.
يمكن إضافة سماحية سُمك إضافية للتعويض عن أسباب مختلفة، بما في ذلك التآكل الناتج عن الشد. وقد تكون هذه السماحية مطلوبة لإزالة الخيوط أو الفتحات أو غيرها من المواد اللازمة لعمل الوصلات الميكانيكية. ووفقًا للفقرة 102.4.2، يجب أن يكون الحد الأدنى للسماحية مساويًا لعمق الخيط مضافًا إليه سماحية التشغيل. كما قد تكون هناك حاجة إلى سماحية لتوفير قوة إضافية لمنع تلف الأنابيب أو انهيارها أو ترهلها المفرط أو انبعاجها نتيجة للأحمال الإضافية أو لأسباب أخرى مذكورة في الفقرة 102.4.4. ويمكن أيضًا إضافة سماحيات لمراعاة الوصلات الملحومة (الفقرة 102.4.3) والمرفقات (الفقرة 102.4.5). وأخيرًا، يمكن إضافة سماحيات للتعويض عن التآكل و/أو التعرية. ويخضع سُمك هذه السماحية لتقدير المصمم، ويجب أن يتوافق مع العمر الافتراضي المتوقع للأنابيب وفقًا للفقرة 102.4.1.
يُقدّم الملحق الرابع الاختياري إرشادات حول مكافحة التآكل. وتُعدّ الطلاءات الواقية، والحماية الكاثودية، والعزل الكهربائي (مثل الحواف العازلة) جميعها طرقًا لمنع التآكل الخارجي لخطوط الأنابيب المدفونة أو المغمورة. ويمكن استخدام مثبطات التآكل أو البطانات لمنع التآكل الداخلي. كما يجب الحرص على استخدام مياه اختبار الضغط الهيدروستاتيكي ذات النقاء المناسب، وإذا لزم الأمر، تفريغ الأنابيب تمامًا بعد اختبار الضغط الهيدروستاتيكي.
قد لا يكون الحد الأدنى لسمك جدار الأنبوب أو الجدول الزمني المطلوب للحسابات السابقة ثابتًا عبر قطر الأنبوب، وقد يتطلب مواصفات لجداول زمنية مختلفة لأقطار مختلفة. يتم تحديد قيم الجدول الزمني وسمك الجدار المناسبة في معيار ASME B36.10 الخاص بأنابيب الصلب الملحومة وغير الملحومة.
عند تحديد مادة الأنابيب وإجراء الحسابات المذكورة سابقًا، من المهم التأكد من تطابق قيم الإجهاد الأقصى المسموح به المستخدمة في الحسابات مع المادة المحددة. على سبيل المثال، إذا تم تحديد أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ A312 304L بدلاً من أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ A312 304، فقد يكون سمك الجدار غير كافٍ نظرًا للاختلاف الكبير في قيم الإجهاد الأقصى المسموح به بين المادتين. وبالمثل، يجب تحديد طريقة تصنيع الأنبوب بشكل مناسب. على سبيل المثال، إذا تم استخدام قيمة الإجهاد الأقصى المسموح به للأنابيب غير الملحومة في الحساب، فيجب تحديد الأنابيب غير الملحومة. وإلا، فقد يقدم المصنّع/المُركِّب أنابيب ملحومة، مما قد يؤدي إلى عدم كفاية سمك الجدار نظرًا لانخفاض قيم الإجهاد الأقصى المسموح به.
على سبيل المثال، لنفترض أن درجة حرارة التصميم لخط الأنابيب هي 300 فهرنهايت وضغط التصميم هو 1200 رطل لكل بوصة مربعة. سيتم استخدام سلك من الفولاذ الكربوني (A53 Grade B غير ملحوم) بقطر 2 بوصة و3 بوصات. حدد مخطط الأنابيب المناسب الذي يجب تحديده لتلبية متطلبات معادلة ASME B31.1 رقم 9. أولاً، يتم شرح شروط التصميم:
بعد ذلك، حدد قيم الإجهاد القصوى المسموح بها للفولاذ من الدرجة A53 B عند درجات حرارة التصميم المذكورة أعلاه من الجدول A-1. لاحظ أنه تم استخدام قيمة الأنابيب غير الملحومة لأن الأنابيب غير الملحومة هي المحددة:
يجب إضافة سماحية السُمك. في هذا التطبيق، يُفترض أن تكون 1/16 بوصة. كما يُفترض وجود سماحية للتآكل. سيتم إضافة سماحية طحن منفصلة لاحقًا.
3 بوصات. سيتم تحديد الأنبوب أولاً. بافتراض استخدام أنبوب من النوع Schedule 40 وتفاوت في الطحن بنسبة 12.5%، احسب أقصى ضغط:
يُعدّ أنبوب الجدول 40 مناسبًا لأنبوب قطره 3 بوصات في ظروف التصميم المحددة أعلاه. بعد ذلك، تحقق من أنبوب قطره بوصتان. يعتمد خط الأنابيب على نفس الافتراضات:
بوصتان. في ظل ظروف التصميم المحددة أعلاه، سيتطلب تركيب الأنابيب سماكة جدار أكبر من سماكة أنابيب الجدول 40. جرب بوصتين. أنابيب الجدول 80:
على الرغم من أن سمك جدار الأنبوب غالباً ما يكون العامل المحدد في تصميم الضغط، إلا أنه لا يزال من المهم التحقق من أن التركيبات والمكونات والوصلات المستخدمة مناسبة لظروف التصميم المحددة.
كقاعدة عامة، ووفقًا للفقرات 104.2 و104.7.1 و106 و107، تُعتبر جميع الصمامات والوصلات والمكونات الأخرى التي تحتوي على ضغط والمصنعة وفقًا للمعايير المذكورة في الجدول 126.1 مناسبة للاستخدام في ظل ظروف التشغيل العادية أو دون تصنيفات الضغط ودرجة الحرارة المحددة في المعايير. يجب على المستخدمين الانتباه إلى أنه في حال فرضت بعض المعايير أو الشركات المصنعة حدودًا أكثر صرامة على الانحرافات عن التشغيل العادي مقارنةً بتلك المحددة في معيار ASME B31.1، فسيتم تطبيق الحدود الأكثر صرامة.
عند تقاطعات الأنابيب، يُوصى باستخدام وصلات على شكل حرف T، ووصلات عرضية، ووصلات متقاطعة، ووصلات ملحومة للفروع، وما إلى ذلك، المصنعة وفقًا للمعايير المذكورة في الجدول 126.1. في بعض الحالات، قد تتطلب تقاطعات خطوط الأنابيب وصلات فرعية خاصة. تنص الفقرة 104.3.1 على متطلبات إضافية للوصلات الفرعية لضمان وجود كمية كافية من مادة الأنابيب لتحمل الضغط.
لتبسيط التصميم، يمكن للمصمم اختيار رفع شروط التصميم لتلبية تصنيف الشفة لفئة ضغط معينة (مثل فئة ASME 150، 300، إلخ) كما هو محدد في فئة الضغط ودرجة الحرارة لمواد محددة في معيار ASME B16.5 لشفة الأنابيب ووصلات الشفة، أو معايير مماثلة مدرجة في الجدول 126.1. وهذا مقبول طالما أنه لا يؤدي إلى زيادة غير ضرورية في سمك الجدار أو تصميمات المكونات الأخرى.
يُعدّ ضمان الحفاظ على السلامة الهيكلية لنظام الأنابيب عند تعرضه لتأثيرات الضغط ودرجة الحرارة والقوى الخارجية جزءًا أساسيًا من تصميم الأنابيب. غالبًا ما يتم إغفال السلامة الهيكلية للنظام في عملية التصميم، وإذا لم يتم التعامل معها بشكل جيد، فقد تُشكّل أحد أكثر جوانب التصميم تكلفة. تُناقش السلامة الهيكلية بشكل أساسي في موضعين: الفقرة 104.8: تحليل مكونات خط الأنابيب، والفقرة 119: التمدد والمرونة.
تُدرج الفقرة 104.8 الصيغ الأساسية المستخدمة في الكود لتحديد ما إذا كان نظام الأنابيب يتجاوز الإجهادات المسموح بها. تُعرف هذه المعادلات عادةً بالأحمال المستمرة، والأحمال العرضية، وأحمال الإزاحة. الحمل المستمر هو تأثير الضغط والوزن على نظام الأنابيب. أما الأحمال العرضية فهي الأحمال المستمرة بالإضافة إلى أحمال الرياح المحتملة، والأحمال الزلزالية، وأحمال التضاريس، وغيرها من الأحمال قصيرة الأجل. يُفترض أن كل حمل عرضي مُطبق لن يؤثر على أحمال عرضية أخرى في الوقت نفسه، لذا يُعتبر كل حمل عرضي حالة تحميل منفصلة وقت التحليل. أحمال الإزاحة هي تأثيرات التمدد الحراري، أو إزاحة المعدات أثناء التشغيل، أو أي حمل إزاحة آخر.
تتناول الفقرة 119 كيفية التعامل مع تمدد الأنابيب ومرونتها في أنظمة الأنابيب، وكيفية تحديد أحمال رد الفعل. غالبًا ما تكون مرونة أنظمة الأنابيب بالغة الأهمية عند وصلات المعدات، حيث لا تتحمل معظم هذه الوصلات إلا الحد الأدنى من القوة والعزم المطبق عند نقطة الوصل. في معظم الحالات، يكون للتمدد الحراري لنظام الأنابيب التأثير الأكبر على حمل رد الفعل، لذا من المهم التحكم في هذا التمدد الحراري في النظام وفقًا لذلك.
لضمان مرونة نظام الأنابيب ودعمه بشكل صحيح، يُنصح بدعم الأنابيب الفولاذية وفقًا للجدول 121.5. يُحقق المصمم، عند التزامه بمسافة الدعم القياسية المذكورة في هذا الجدول، ثلاثة أهداف: تقليل الانحراف الناتج عن الوزن الذاتي، وخفض الأحمال المستمرة، وزيادة الإجهاد المتاح لأحمال الإزاحة. عادةً ما ينتج عن وضع الدعامات وفقًا للجدول 121.5 إزاحة أو انحناء ناتج عن الوزن الذاتي أقل من 1/8 بوصة بين دعامات الأنابيب. يُساعد تقليل الانحراف الناتج عن الوزن الذاتي على الحد من احتمالية تكثف البخار أو الغاز في الأنابيب. كما يُتيح اتباع توصيات المسافة في الجدول 121.5 للمصمم خفض الإجهاد المستمر في الأنابيب إلى حوالي 50% من القيمة المسموح بها في الكود. وفقًا للمعادلة 1ب، يتناسب الإجهاد المسموح به لأحمال الإزاحة عكسيًا مع الأحمال المستمرة. لذا، بتقليل الحمل المستمر، تقل الإزاحة. يمكن زيادة تحمل الإجهاد إلى أقصى حد. يوضح الشكل 3 المسافة الموصى بها لدعامات الأنابيب.
لضمان مراعاة أحمال رد فعل نظام الأنابيب بشكل صحيح، والتأكد من استيفاء متطلبات الإجهاد وفقًا للمعايير، يُعدّ إجراء تحليل إجهاد الأنابيب بمساعدة الحاسوب أسلوبًا شائعًا. تتوفر العديد من برامج تحليل إجهاد الأنابيب، مثل Bentley AutoPIPE وIntergraph Caesar II وPiping Solutions Tri-Flex، بالإضافة إلى برامج أخرى متوفرة تجاريًا. تكمن ميزة استخدام تحليل إجهاد الأنابيب بمساعدة الحاسوب في تمكين المصمم من إنشاء نموذج العناصر المحدودة لنظام الأنابيب، مما يُسهّل عملية التحقق ويُمكّنه من إجراء التعديلات اللازمة على التصميم. يوضح الشكل 4 مثالًا على نمذجة وتحليل جزء من خط أنابيب.
عند تصميم نظام جديد، يحدد مصممو الأنظمة عادةً أن جميع الأنابيب والمكونات يجب تصنيعها ولحامها وتجميعها وما إلى ذلك وفقًا لما هو مطلوب بموجب أي كود مستخدم. ومع ذلك، في بعض عمليات التحديث أو التطبيقات الأخرى، قد يكون من المفيد أن يقدم مهندس معين إرشادات حول تقنيات تصنيع معينة، كما هو موضح في الفصل الخامس.
من المشاكل الشائعة في تطبيقات التحديث مشكلة التسخين المسبق للحام (الفقرة 131) والمعالجة الحرارية اللاحقة للحام (الفقرة 132). تُستخدم هذه المعالجات الحرارية، من بين فوائد أخرى، لتخفيف الإجهاد ومنع التشققات وزيادة قوة اللحام. تشمل العوامل المؤثرة على متطلبات المعالجة الحرارية قبل وبعد اللحام، على سبيل المثال لا الحصر، ما يلي: تجميع أرقام P، والتركيب الكيميائي للمادة، وسُمك المادة عند الوصلة المراد لحامها. لكل مادة مُدرجة في الملحق الإلزامي (أ) رقم P مُخصص. بالنسبة للتسخين المسبق، تُحدد الفقرة 131 الحد الأدنى لدرجة الحرارة التي يجب تسخين المعدن الأساسي إليها قبل بدء عملية اللحام. أما بالنسبة للمعالجة الحرارية اللاحقة للحام، فيُحدد الجدول 132 نطاق درجة حرارة التثبيت ومدة تثبيت منطقة اللحام. يجب أن تلتزم معدلات التسخين والتبريد، وطرق قياس درجة الحرارة، وتقنيات التسخين، والإجراءات الأخرى بدقة بالإرشادات المنصوص عليها في الكود. قد تحدث آثار سلبية غير متوقعة على منطقة اللحام نتيجة عدم إجراء المعالجة الحرارية بشكل صحيح.
من بين المشكلات المحتملة الأخرى في أنظمة الأنابيب المضغوطة، انحناءات الأنابيب. إذ قد يؤدي انحناء الأنابيب إلى ترقق جدارها، مما ينتج عنه عدم كفاية سمك الجدار. ووفقًا للفقرة 102.4.5، يسمح الكود بالانحناءات طالما أن الحد الأدنى لسمك الجدار يفي بنفس الصيغة المستخدمة لحساب الحد الأدنى لسمك جدار الأنابيب المستقيمة. وعادةً ما تُضاف قيمة سماحية لمراعاة سمك الجدار. ويُبين الجدول 102.4.5 قيم سماحية تقليل الانحناء الموصى بها لأنصاف أقطار الانحناء المختلفة. وقد تتطلب الانحناءات أيضًا معالجة حرارية قبل الانحناء و/أو بعده. وتُقدم الفقرة 129 إرشادات حول تصنيع الأكواع.
في العديد من أنظمة أنابيب الضغط، من الضروري تركيب صمام أمان أو صمام تخفيف الضغط لمنع زيادة الضغط في النظام. بالنسبة لهذه التطبيقات، يُعد الملحق الثاني الاختياري: قواعد تصميم تركيب صمام الأمان، مصدراً قيماً للغاية ولكنه غير معروف في بعض الأحيان.
وفقًا للفقرة II-1.2، تتميز صمامات الأمان بحركة فتح كاملة للغاز أو البخار، بينما تفتح صمامات الأمان بالنسبة للضغط الساكن في المنبع وتستخدم بشكل أساسي لخدمة السوائل.
تُصنّف وحدات صمامات الأمان حسب نوع نظام التصريف، سواء كان مفتوحًا أو مغلقًا. في نظام التصريف المفتوح، يُصرّف الكوع عند مخرج صمام الأمان عادةً إلى أنبوب العادم باتجاه الغلاف الجوي، مما يُقلّل عادةً من الضغط العكسي. في حال تكوّن ضغط عكسي كافٍ في أنبوب العادم، قد يُطرد جزء من غاز العادم أو يُعاد تدويره من مدخل أنبوب العادم. يجب أن يكون قطر أنبوب العادم كبيرًا بما يكفي لمنع الارتداد. في تطبيقات التهوية المغلقة، يتراكم الضغط عند مخرج صمام التنفيس نتيجةً لانضغاط الهواء في خط التهوية، مما قد يُؤدي إلى انتشار موجات الضغط. في الفقرة II-2.2.2، يُوصى بأن يكون ضغط التصميم لخط التصريف المغلق ضعف ضغط التشغيل في حالة الاستقرار على الأقل. يوضح الشكلان 5 و6 تركيب صمام الأمان في حالتي الفتح والإغلاق على التوالي.
قد تتعرض تركيبات صمامات الأمان لقوى مختلفة كما هو موضح في الفقرة II-2. تشمل هذه القوى تأثيرات التمدد الحراري، وتفاعل صمامات التنفيس المتعددة التي تعمل في وقت واحد، والتأثيرات الزلزالية و/أو الاهتزازية، وتأثيرات الضغط أثناء عمليات تخفيف الضغط. على الرغم من أن ضغط التصميم حتى مخرج صمام الأمان يجب أن يتطابق مع ضغط التصميم لأنبوب التصريف، فإن ضغط التصميم في نظام التصريف يعتمد على تكوين نظام التصريف وخصائص صمام الأمان. ترد المعادلات في الفقرة II-2.2 لتحديد الضغط والسرعة عند كوع التصريف، ومدخل أنبوب التصريف، ومخرج أنبوب التصريف لأنظمة التصريف المفتوحة والمغلقة. باستخدام هذه المعلومات، يمكن حساب قوى رد الفعل عند نقاط مختلفة في نظام العادم وأخذها في الاعتبار.
يُقدَّم مثالٌ لمسألةٍ تتعلق بتطبيق تصريف مفتوح في الفقرة II-7. توجد طرقٌ أخرى لحساب خصائص التدفق في أنظمة تصريف صمامات تخفيف الضغط، ويُنصح القارئ بالتحقق من أن الطريقة المستخدمة متحفظةٌ بما فيه الكفاية. إحدى هذه الطرق وصفها جي إس لياو في بحثه "سلامة محطات الطاقة وتحليل مجموعة عادم صمام تخفيف الضغط" المنشور من قِبل الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين في مجلة الهندسة الكهربائية، أكتوبر 1975.
يجب أن يحافظ موقع صمام الأمان على مسافة دنيا من الأنبوب المستقيم من أي انحناء. وتعتمد هذه المسافة الدنيا على الخدمة وهندسة النظام كما هو موضح في الفقرة II-5.2.1. بالنسبة للمنشآت التي تحتوي على صمامات تخفيف ضغط متعددة، تعتمد المسافة الموصى بها لوصلات فروع الصمام على أنصاف أقطار أنابيب الفرع والخدمة، كما هو موضح في الملاحظة (10)(ج) من الجدول D-1. وفقًا للفقرة II-5.7.1، قد يكون من الضروري توصيل دعامات الأنابيب الموجودة عند مخرج صمام تخفيف الضغط بأنابيب التشغيل بدلاً من الهيكل المجاور لتقليل آثار التمدد الحراري والتفاعلات الزلزالية. يمكن الاطلاع على ملخص لهذه الاعتبارات التصميمية وغيرها في تصميم مجموعات صمامات الأمان في الفقرة II-5.
من الواضح أنه لا يمكن تغطية جميع متطلبات تصميم معيار ASME B31 ضمن نطاق هذه المقالة. ولكن ينبغي على أي مهندس مُعيَّن يُشارك في تصميم نظام أنابيب الضغط أن يكون على دراية بهذا المعيار على الأقل. نأمل أن يجد القراء، من خلال المعلومات المذكورة أعلاه، معيار ASME B31 مصدرًا أكثر قيمة وسهولة في الوصول إليه.
مونتي ك. إنجلكيمير هو مدير المشروع في شركة ستانلي للاستشارات. وهو عضو في جمعية أيوا الهندسية، والجمعية الوطنية للمهندسين المحترفين (NSPE)، والجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME)، كما أنه عضو في لجنة ولجنة فرعية لقانون أنابيب الكهرباء B31.1. يتمتع إنجلكيمير بخبرة عملية تزيد عن 12 عامًا في تخطيط وتصميم أنظمة الأنابيب، وتقييم الدعامات، وتحليل الإجهاد. أما مات ويلكي فهو مهندس ميكانيكي في شركة ستانلي للاستشارات، ولديه خبرة مهنية تزيد عن 6 سنوات في تصميم أنظمة الأنابيب لمجموعة متنوعة من عملاء المرافق العامة والبلديات والمؤسسات والقطاعات الصناعية، وهو عضو في الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) وجمعية أيوا الهندسية.
هل لديك خبرة ومعرفة في المواضيع التي يغطيها هذا المحتوى؟ ندعوك للانضمام إلى فريق التحرير في CFE Media واحصل على التقدير الذي تستحقه أنت وشركتك. انقر هنا للبدء.