Beim Entwurf eines Druckrohrleitungssystems gibt der zuständige Ingenieur häufig an, dass die Systemrohrleitungen einem oder mehreren Teilen des ASME B31-Codes für Druckrohrleitungen entsprechen müssen. Wie befolgen Ingenieure die Codeanforderungen beim Entwurf von Rohrleitungssystemen ordnungsgemäß?
Zunächst muss der Ingenieur bestimmen, welche Konstruktionsspezifikation ausgewählt werden soll. Bei Druckrohrleitungssystemen ist dies nicht unbedingt auf ASME B31 beschränkt. Andere von ASME, ANSI, NFPA oder anderen Verwaltungsorganisationen herausgegebene Codes können durch den Projektstandort, die Anwendung usw. geregelt sein. In ASME B31 sind derzeit sieben separate Abschnitte gültig.
ASME B31.1 Elektrische Rohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen in Kraftwerken, Industrie- und öffentlichen Anlagen, geothermischen Heizsystemen sowie Zentral- und Fernwärme- und -kühlsystemen. Dies schließt Kesselaußen- und Nicht-Kesselaußenrohrleitungen ein, die zur Installation von Kesseln gemäß ASME Abschnitt I verwendet werden. Dieser Abschnitt gilt nicht für Geräte, die vom ASME Boiler and Pressure Vessel Code abgedeckt sind, bestimmte Niederdruck-Heiz- und -Kühlverteilungsrohrleitungen und verschiedene andere Systeme, die in Absatz 100.1.3 von ASME B31.1 beschrieben werden. Die Ursprünge von ASME B31.1 lassen sich bis in die 1920er Jahre zurückverfolgen; die erste offizielle Ausgabe wurde 1935 veröffentlicht. Beachten Sie, dass die erste Ausgabe einschließlich der Anhänge weniger als 30 Seiten umfasste und die aktuelle Ausgabe über 300 Seiten lang ist.
ASME B31.3 Prozessrohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen in Raffinerien, Chemie-, Pharma-, Textil-, Papier-, Halbleiter- und Kryotechnikanlagen sowie zugehörigen Verarbeitungsanlagen und Terminals. Dieser Abschnitt ist ASME B31.1 sehr ähnlich, insbesondere bei der Berechnung der Mindestwandstärke für gerade Rohre. Dieser Abschnitt war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde 1959 erstmals separat veröffentlicht.
ASME B31.4 Rohrleitungstransportsysteme für Flüssigkeiten und Schlämme: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen, die hauptsächlich flüssige Produkte zwischen Anlagen und Terminals sowie innerhalb von Terminals Pump-, Konditionierungs- und Messstationen transportieren. Dieser Abschnitt war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde erstmals 1959 separat veröffentlicht.
ASME B31.5 Kältemittelleitungen und Wärmeübertragungskomponenten: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen für Kältemittel und Sekundärkühlmittel. Dieser Teil war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde 1962 erstmals separat veröffentlicht.
ASME B31.8 Rohrleitungssysteme für Gastransport und -verteilung: Hierzu gehören Rohrleitungen für den Transport hauptsächlich gasförmiger Produkte zwischen Quellen und Terminals, einschließlich Kompressoren, Konditionierungs- und Messstationen sowie Rohrleitungen zur Gassammlung. Dieser Abschnitt war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde erstmals 1955 separat veröffentlicht.
ASME B31.9 Gebäudetechnik-Rohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen, die üblicherweise in Industrie-, Instituts-, Gewerbe- und öffentlichen Gebäuden sowie Mehrfamilienhäusern zu finden sind, für die nicht die in ASME B31.1 beschriebenen Größen-, Druck- und Temperaturbereiche erforderlich sind. Dieser Abschnitt ähnelt ASME B31.1 und B31.3, ist jedoch weniger konservativ (insbesondere bei der Berechnung der Mindestwandstärke) und enthält weniger Details. Er ist auf Niederdruck- und Niedertemperaturanwendungen beschränkt, wie in ASME B31.9, Absatz 900.1.2, angegeben. Die Erstveröffentlichung erfolgte im Jahr 1982.
ASME B31.12 Wasserstoffleitungen und Rohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen für den Einsatz mit gasförmigem und flüssigem Wasserstoff sowie Rohrleitungen für den Einsatz mit gasförmigem Wasserstoff. Dieser Abschnitt wurde erstmals im Jahr 2008 veröffentlicht.
Welcher Konstruktionscode verwendet werden sollte, liegt letztendlich beim Eigentümer. In der Einleitung zu ASME B31 heißt es: „Es liegt in der Verantwortung des Eigentümers, den Codeabschnitt auszuwählen, der der geplanten Rohrleitungsinstallation am nächsten kommt.“ In einigen Fällen „können mehrere Codeabschnitte für verschiedene Abschnitte der Installation gelten.“
Die Ausgabe 2012 von ASME B31.1 dient als primäre Referenz für nachfolgende Diskussionen. Der Zweck dieses Artikels besteht darin, den Konstrukteur durch einige der wichtigsten Schritte beim Entwurf eines ASME B31-konformen Druckrohrleitungssystems zu führen. Die Befolgung der Richtlinien von ASME B31.1 bietet eine gute Darstellung des allgemeinen Systementwurfs. Ähnliche Entwurfsmethoden werden verwendet, wenn ASME B31.3 oder B31.9 befolgt werden. Der Rest von ASME B31 wird in engeren Anwendungen verwendet, hauptsächlich für bestimmte Systeme oder Anwendungen, und wird nicht weiter besprochen. Obwohl hier die wichtigsten Schritte des Entwurfsprozesses hervorgehoben werden, ist diese Diskussion nicht erschöpfend und der vollständige Code sollte während des Systementwurfs immer referenziert werden. Alle Textverweise beziehen sich auf ASME B31.1, sofern nicht anders angegeben.
Nach der Auswahl des richtigen Codes muss der Systemdesigner auch alle systemspezifischen Designanforderungen überprüfen. Absatz 122 (Teil 6) enthält Designanforderungen für Systeme, die üblicherweise in elektrischen Rohrleitungsanwendungen zu finden sind, wie z. B. Dampf-, Speisewasser-, Abschlämm- und Abblase-, Instrumentierungsrohrleitungen und Druckentlastungssysteme. ASME B31.3 enthält ähnliche Absätze wie ASME B31.1, jedoch mit weniger Details. Überlegungen in Absatz 122 umfassen systemspezifische Druck- und Temperaturanforderungen sowie verschiedene rechtliche Einschränkungen, die zwischen dem Kessel selbst, externen Kesselrohrleitungen und externen Nicht-Kesselrohrleitungen, die an die Kesselrohrleitungen von ASME Teil I angeschlossen sind, abgegrenzt sind. Definition. Abbildung 2 zeigt diese Einschränkungen des Trommelkessels.
Der Systemkonstrukteur muss den Druck und die Temperatur bestimmen, bei denen das System betrieben wird, sowie die Bedingungen, die das System erfüllen muss.
Gemäß Absatz 101.2 darf der interne Auslegungsdruck nicht niedriger sein als der maximale kontinuierliche Betriebsdruck (MSOP) innerhalb des Rohrleitungssystems, einschließlich der Auswirkung des statischen Drucks. Rohrleitungen, die äußerem Druck ausgesetzt sind, müssen für den maximalen Differenzdruck ausgelegt sein, der unter Betriebs-, Abschalt- oder Testbedingungen zu erwarten ist. Darüber hinaus müssen Umweltauswirkungen berücksichtigt werden. Gemäß Absatz 101.4 muss die Rohrleitung so ausgelegt sein, dass sie äußerem Druck standhält, wenn die Abkühlung der Flüssigkeit wahrscheinlich dazu führt, dass der Druck in der Rohrleitung unter den atmosphärischen Druck sinkt, oder es müssen Maßnahmen zum Brechen des Vakuums ergriffen werden. In Situationen, in denen die Ausdehnung der Flüssigkeit zu einem Druckanstieg führen kann, müssen Rohrleitungssysteme so ausgelegt sein, dass sie dem erhöhten Druck standhalten, oder es müssen Maßnahmen zum Ablassen des Überdrucks ergriffen werden.
Ab Abschnitt 101.3.2 muss die Metalltemperatur für die Rohrleitungskonstruktion repräsentativ für die erwarteten maximalen Dauerbedingungen sein. Der Einfachheit halber wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass die Metalltemperatur der Flüssigkeitstemperatur entspricht. Falls gewünscht, kann die durchschnittliche Metalltemperatur verwendet werden, solange die Außenwandtemperatur bekannt ist. Besondere Aufmerksamkeit sollte auch den Flüssigkeiten gewidmet werden, die durch Wärmetauscher oder aus Verbrennungsgeräten angesaugt werden, um sicherzustellen, dass die schlechtesten Temperaturbedingungen berücksichtigt werden.
Konstrukteure fügen dem maximalen Betriebsdruck und/oder der maximalen Betriebstemperatur häufig eine Sicherheitsmarge hinzu. Die Größe dieser Marge hängt von der Anwendung ab. Bei der Bestimmung der Auslegungstemperatur müssen auch Materialbeschränkungen berücksichtigt werden. Die Angabe hoher Auslegungstemperaturen (über 750 °F) kann die Verwendung von Legierungsmaterialien anstelle des standardmäßigeren Kohlenstoffstahls erfordern. Die Spannungswerte im obligatorischen Anhang A gelten nur für die zulässigen Temperaturen der einzelnen Materialien. Beispielsweise kann Kohlenstoffstahl nur Spannungswerte bis 800 °F liefern. Längerer Kontakt von Kohlenstoffstahl mit Temperaturen über 800 °F kann zur Karbonisierung des Rohrs führen, wodurch es spröder und störanfälliger wird. Bei einem Betrieb über 800 °F muss auch die mit Kohlenstoffstahl verbundene beschleunigte Kriechschädigung berücksichtigt werden. Eine ausführliche Erläuterung der Materialtemperaturgrenzen finden Sie in Absatz 124.
Manchmal können Ingenieure auch Prüfdrücke für jedes System festlegen. Absatz 137 enthält Hinweise zur Belastungsprüfung. Typischerweise wird für die hydrostatische Prüfung der 1,5-fache Auslegungsdruck angegeben; die Ring- und Längsspannungen in der Rohrleitung dürfen jedoch während der Druckprüfung 90 % der Streckgrenze des Materials gemäß Absatz 102.3.3 (B) nicht überschreiten. Bei einigen externen Rohrleitungssystemen, die nicht Teil eines Kessels sind, kann eine Dichtheitsprüfung während des Betriebs eine praktischere Methode zur Lecksuche sein, da es schwierig ist, Systemteile zu isolieren, oder einfach weil die Systemkonfiguration eine einfache Dichtheitsprüfung bei der ersten Inbetriebnahme zulässt. Einverstanden, das ist akzeptabel.
Sobald die Konstruktionsbedingungen festgelegt sind, können die Rohrleitungen spezifiziert werden. Zunächst muss entschieden werden, welches Material verwendet werden soll. Wie bereits erwähnt, haben unterschiedliche Materialien unterschiedliche Temperaturgrenzen. Absatz 105 enthält zusätzliche Einschränkungen für verschiedene Rohrleitungsmaterialien. Die Materialauswahl hängt auch von der Systemflüssigkeit ab, z. B. von der Verwendung von Nickellegierungen in Rohrleitungsanwendungen für korrosive Chemikalien, von Edelstahl zur Bereitstellung sauberer Instrumentenluft oder von Kohlenstoffstahl mit einem hohen Chromgehalt (über 0,1 %) zur Verhinderung von strömungsbeschleunigter Korrosion. Strömungsbeschleunigte Korrosion (FAC) ist ein Erosions-/Korrosionsphänomen, das nachweislich zu starker Wandverdünnung und Rohrversagen in einigen der kritischsten Rohrleitungssysteme führt. Die unzureichende Berücksichtigung der Verdünnung von Rohrleitungskomponenten kann schwerwiegende Folgen haben und hatte dies auch schon, wie beispielsweise 2007, als ein Heißdampfrohr im Kraftwerk IATAN von KCP&L platzte, wodurch zwei Arbeiter starben und ein dritter schwer verletzt wurde.
Gleichung 7 und Gleichung 9 in Abschnitt 104.1.1 definieren die erforderliche Mindestwandstärke bzw. den maximalen internen Auslegungsdruck für gerade Rohre, die einem internen Druck ausgesetzt sind. Die Variablen in diesen Gleichungen umfassen die maximal zulässige Spannung (aus dem obligatorischen Anhang A), den Außendurchmesser des Rohrs, den Materialfaktor (wie in Tabelle 104.1.2 (A) gezeigt) und alle zusätzlichen Dickentoleranzen (wie unten beschrieben). Bei so vielen beteiligten Variablen kann die Festlegung des geeigneten Rohrmaterials, des Nenndurchmessers und der Wandstärke ein iterativer Prozess sein, der auch Flüssigkeitsgeschwindigkeit, Druckabfall sowie Rohr- und Pumpenkosten umfassen kann. Unabhängig von der Anwendung muss die erforderliche Mindestwandstärke überprüft werden.
Zusätzliche Dickentoleranzen können zum Ausgleich aus verschiedenen Gründen, einschließlich FAC, hinzugefügt werden. Toleranzen können durch das Entfernen von Gewinden, Schlitzen usw. erforderlich sein, die zum Herstellen mechanischer Verbindungen erforderlich sind. Gemäß Abschnitt 102.4.2 muss die Mindesttoleranz der Gewindetiefe zuzüglich der Bearbeitungstoleranz entsprechen. Toleranzen können auch erforderlich sein, um zusätzliche Festigkeit zu erzielen und so Rohrschäden, Einstürze, übermäßiges Durchhängen oder Knicken aufgrund von überlagerten Lasten oder anderen in Abschnitt 102.4.4 beschriebenen Ursachen zu verhindern. Toleranzen können auch hinzugefügt werden, um Schweißverbindungen (Absatz 102.4.3) und Bögen (Absatz 102.4.5) zu berücksichtigen. Schließlich können Toleranzen hinzugefügt werden, um Korrosion und/oder Erosion auszugleichen. Die Dicke dieser Toleranz liegt im Ermessen des Konstrukteurs und muss der erwarteten Lebensdauer der Rohrleitung gemäß Abschnitt 102.4.1 entsprechen.
Der optionale Anhang IV enthält Richtlinien zur Korrosionskontrolle. Schutzbeschichtungen, kathodischer Korrosionsschutz und elektrische Isolierung (z. B. Isolierflansche) sind allesamt Methoden zur Verhinderung der äußeren Korrosion erdverlegter oder untergetauchter Rohrleitungen. Zur Verhinderung innerer Korrosion können Korrosionsinhibitoren oder -auskleidungen verwendet werden. Außerdem muss darauf geachtet werden, hydrostatisches Prüfwasser mit der entsprechenden Reinheit zu verwenden und die Rohrleitungen nach der hydrostatischen Prüfung gegebenenfalls vollständig zu entleeren.
Die für vorherige Berechnungen erforderliche Mindestwandstärke oder der Mindestplan für Rohre ist möglicherweise nicht über den gesamten Rohrdurchmesser hinweg konstant und erfordert möglicherweise Spezifikationen für unterschiedliche Pläne für unterschiedliche Durchmesser. Entsprechende Plan- und Wandstärkenwerte sind in ASME B36.10 „Geschweißte und nahtlos geschmiedete Stahlrohre“ definiert.
Bei der Festlegung des Rohrmaterials und der Durchführung der zuvor beschriebenen Berechnungen muss darauf geachtet werden, dass die in den Berechnungen verwendeten maximal zulässigen Spannungswerte mit dem angegebenen Material übereinstimmen. Wird beispielsweise fälschlicherweise ein Edelstahlrohr A312 304L anstelle eines Edelstahlrohrs A312 304 angegeben, kann die angegebene Wandstärke aufgrund der erheblichen Unterschiede zwischen den maximal zulässigen Spannungswerten der beiden Materialien unzureichend sein. Ebenso muss das Herstellungsverfahren des Rohrs entsprechend angegeben werden. Wird beispielsweise der maximal zulässige Spannungswert für nahtlose Rohre für die Berechnung verwendet, muss ein nahtloses Rohr angegeben werden. Andernfalls bietet der Hersteller/Installateur möglicherweise nahtgeschweißte Rohre an, was aufgrund der niedrigeren maximal zulässigen Spannungswerte zu einer unzureichenden Wandstärke führen kann.
Nehmen wir beispielsweise an, dass die Auslegungstemperatur der Rohrleitung 300 °F und der Auslegungsdruck 1.200 psig beträgt. 2″ und 3″. Es wird Kohlenstoffstahldraht (nahtlos, Klasse B, A53) verwendet. Bestimmen Sie den geeigneten Rohrleitungsplan, um die Anforderungen von ASME B31.1 Gleichung 9 zu erfüllen. Zunächst werden die Auslegungsbedingungen erläutert:
Bestimmen Sie als Nächstes die maximal zulässigen Spannungswerte für A53 Klasse B bei den oben genannten Auslegungstemperaturen aus Tabelle A-1. Beachten Sie, dass der Wert für nahtlose Rohre verwendet wird, da nahtlose Rohre angegeben sind:
Außerdem muss eine Dickentoleranz hinzugefügt werden. Für diese Anwendung beträgt sie 1/16 Zoll. Eine Korrosionstoleranz wird vorausgesetzt. Eine separate Frästoleranz wird später hinzugefügt.
3 Zoll. Das Rohr wird zuerst angegeben. Berechnen Sie den maximalen Druck, indem Sie von einem Schedule 40-Rohr und einer Frästoleranz von 12,5 % ausgehen:
Schedule 40-Rohre sind für 3 Zoll Rohre unter den oben angegebenen Konstruktionsbedingungen ausreichend. Überprüfen Sie als Nächstes 2 Zoll. Für die Pipeline gelten die gleichen Annahmen:
2 Zoll. Unter den oben angegebenen Konstruktionsbedingungen erfordert die Rohrleitung eine dickere Wandstärke als Schedule 40. Versuchen Sie es mit 2 Zoll. Schedule 80-Rohre:
Obwohl die Rohrwandstärke häufig der begrenzende Faktor bei der Druckauslegung ist, muss dennoch überprüft werden, ob die verwendeten Armaturen, Komponenten und Verbindungen für die angegebenen Auslegungsbedingungen geeignet sind.
Als allgemeine Regel gilt gemäß den Absätzen 104.2, 104.7.1, 106 und 107, dass alle Ventile, Armaturen und anderen drucktragenden Komponenten, die gemäß den in Tabelle 126.1 aufgeführten Normen hergestellt wurden, für den Einsatz unter normalen Betriebsbedingungen oder unterhalb der in diesen Normen angegebenen Druck-Temperatur-Werte geeignet sind. Benutzer sollten sich bewusst sein, dass, wenn bestimmte Normen oder Hersteller strengere Grenzwerte für Abweichungen vom Normalbetrieb vorschreiben als die in ASME B31.1 angegebenen, diese strengeren Grenzwerte gelten.
An Rohrkreuzungen werden T-Stücke, Quer- und Kreuzstücke, Abzweigschweißverbindungen usw. empfohlen, die gemäß den in Tabelle 126.1 aufgeführten Normen hergestellt sind. In einigen Fällen können Rohrleitungskreuzungen besondere Abzweigverbindungen erfordern. Absatz 104.3.1 enthält zusätzliche Anforderungen für Abzweigverbindungen, um sicherzustellen, dass ausreichend Rohrmaterial vorhanden ist, um dem Druck standzuhalten.
Um die Konstruktion zu vereinfachen, kann der Konstrukteur die Konstruktionsbedingungen höher ansetzen, um die Flanschfestigkeit einer bestimmten Druckklasse (z. B. ASME-Klasse 150, 300 usw.) zu erreichen, wie sie durch die Druck-Temperatur-Klasse für bestimmte Materialien in ASME B16.5 „Rohrflansche und Flanschverbindungen“ oder ähnlichen in Tabelle 126.1 aufgeführten Normen definiert ist. Dies ist akzeptabel, solange es nicht zu einer unnötigen Erhöhung der Wandstärke oder anderer Komponentenkonstruktionen führt.
Ein wichtiger Aspekt der Rohrleitungskonstruktion besteht darin, sicherzustellen, dass die strukturelle Integrität des Rohrleitungssystems erhalten bleibt, wenn es Druck, Temperatur und äußeren Kräften ausgesetzt wird. Die strukturelle Integrität des Systems wird im Konstruktionsprozess häufig übersehen und kann, wenn sie nicht gut umgesetzt wird, zu den kostspieligeren Aspekten der Konstruktion gehören. Die strukturelle Integrität wird hauptsächlich an zwei Stellen erörtert, und zwar in Absatz 104.8: Analyse der Rohrleitungskomponenten und in Absatz 119: Ausdehnung und Flexibilität.
Absatz 104.8 listet die grundlegenden Codeformeln auf, die verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Rohrleitungssystem die im Code zulässigen Spannungen überschreitet. Diese Codegleichungen werden üblicherweise als Dauerlasten, gelegentliche Lasten und Verschiebungslasten bezeichnet. Dauerlast ist die Auswirkung von Druck und Gewicht auf ein Rohrleitungssystem. Zufällige Lasten sind Dauerlasten zuzüglich möglicher Windlasten, seismischer Lasten, Geländelasten und anderer kurzfristiger Lasten. Es wird davon ausgegangen, dass jede angewendete zufällige Last nicht gleichzeitig auf andere zufällige Lasten einwirkt, sodass jede zufällige Last zum Zeitpunkt der Analyse einen separaten Lastfall darstellt. Verschiebungslasten sind die Auswirkungen von Wärmeausdehnung, Geräteverschiebung während des Betriebs oder anderen Verschiebungslasten.
In Absatz 119 wird der Umgang mit Rohrausdehnung und Flexibilität in Rohrleitungssystemen sowie die Ermittlung von Reaktionslasten erörtert. Die Flexibilität von Rohrleitungssystemen ist häufig an Geräteanschlüssen am wichtigsten, da die meisten Geräteanschlüsse nur der Mindestkraft und dem Mindestmoment standhalten können, die an der Verbindungsstelle ausgeübt werden. In den meisten Fällen hat die Wärmeausdehnung des Rohrleitungssystems den größten Einfluss auf die Reaktionslast. Daher ist es wichtig, die Wärmeausdehnung im System entsprechend zu kontrollieren.
Um die Flexibilität des Rohrleitungssystems zu berücksichtigen und eine ordnungsgemäße Abstützung sicherzustellen, empfiehlt es sich, Stahlrohre gemäß Tabelle 121.5 abzustützen. Bemüht sich ein Konstrukteur, die in dieser Tabelle angegebenen Standardabstände für die Abstützung einzuhalten, werden drei Dinge erreicht: die Eigengewichtsdurchbiegung wird minimiert, Dauerlasten reduziert und die verfügbare Spannung für Verschiebungslasten erhöht. Platziert der Konstrukteur die Abstützung gemäß Tabelle 121.5, ergibt sich typischerweise eine Eigengewichtsverschiebung bzw. ein Durchhang von weniger als 1/8 Zoll zwischen den Rohrstützen. Die Minimierung der Eigengewichtsdurchbiegung trägt dazu bei, die Kondensationsgefahr in Dampf- oder Gasleitungen zu verringern. Durch Befolgen der Abstandsempfehlungen in Tabelle 121.5 kann der Konstrukteur außerdem die Dauerspannung in der Rohrleitung auf etwa 50 % des zulässigen Dauerwerts reduzieren. Gemäß Gleichung 1B ist die zulässige Spannung für Verschiebungslasten umgekehrt proportional zu den Dauerlasten. Daher kann durch Minimierung der Dauerlast die Toleranz für Verschiebungsspannungen maximiert werden. Der empfohlene Abstand für Rohrstützen ist in Abbildung 3 dargestellt.
Um sicherzustellen, dass die Reaktionslasten des Rohrleitungssystems richtig berücksichtigt und die Spannungsvorschriften eingehalten werden, wird häufig eine computergestützte Spannungsanalyse des Systems durchgeführt. Es stehen verschiedene Softwarepakete zur Spannungsanalyse von Rohrleitungen zur Verfügung, z. B. Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex oder andere im Handel erhältliche Pakete. Der Vorteil der computergestützten Spannungsanalyse von Rohrleitungen besteht darin, dass der Konstrukteur ein Finite-Elemente-Modell des Rohrleitungssystems erstellen kann, um die Überprüfung zu vereinfachen und notwendige Änderungen an der Konfiguration vornehmen zu können. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die Modellierung und Analyse eines Rohrleitungsabschnitts.
Beim Entwurf eines neuen Systems geben Systemdesigner normalerweise an, dass alle Rohrleitungen und Komponenten gemäß den geltenden Vorschriften hergestellt, geschweißt, zusammengebaut usw. werden sollen. Bei einigen Nachrüstungen oder anderen Anwendungen kann es jedoch von Vorteil sein, wenn ein ausgewiesener Ingenieur Hinweise zu bestimmten Fertigungstechniken gibt, wie in Kapitel V beschrieben.
Ein häufiges Problem bei Nachrüstungen ist das Vorwärmen (Absatz 131) und die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Absatz 132). Diese Wärmebehandlungen dienen unter anderem dem Spannungsabbau, der Rissbildungsvermeidung und der Erhöhung der Schweißnahtfestigkeit. Zu den Faktoren, die die Anforderungen an die Wärmebehandlung vor und nach dem Schweißen beeinflussen, gehören unter anderem die P-Nummer-Gruppierung, die Werkstoffchemie und die Materialdicke an der zu schweißenden Verbindung. Jedem im obligatorischen Anhang A aufgeführten Werkstoff ist eine P-Nummer zugewiesen. Für das Vorwärmen gibt Absatz 131 die Mindesttemperatur an, auf die das Grundmetall vor dem Schweißen erhitzt werden muss. Für die PWHT gibt Tabelle 132 den Haltetemperaturbereich und die Haltezeit der Schweißzone an. Heiz- und Abkühlraten, Temperaturmessverfahren, Heiztechniken und andere Verfahren sollten den im Code festgelegten Richtlinien strikt entsprechen. Unerwartete negative Auswirkungen auf den Schweißbereich können durch unsachgemäße Wärmebehandlung auftreten.
Ein weiterer potenzieller Problembereich in unter Druck stehenden Rohrleitungssystemen sind Rohrbögen. Das Biegen von Rohren kann zu einer Ausdünnung der Wandstärke und damit zu einer unzureichenden Wanddicke führen. Gemäß Absatz 102.4.5 erlaubt der Code Biegungen, solange die Mindestwandstärke derselben Formel entspricht, die zur Berechnung der Mindestwandstärke für gerade Rohre verwendet wird. Normalerweise wird eine Toleranz hinzugefügt, um die Wandstärke zu berücksichtigen. Tabelle 102.4.5 enthält empfohlene Toleranzen zur Biegungsreduzierung für verschiedene Biegeradien. Biegungen können auch eine Wärmebehandlung vor und/oder nach dem Biegen erfordern. Absatz 129 enthält Hinweise zur Herstellung von Bögen.
Bei vielen Druckrohrleitungssystemen ist die Installation eines Sicherheitsventils oder Überdruckventils erforderlich, um einen Überdruck im System zu verhindern. Für diese Anwendungen ist der optionale Anhang II: Konstruktionsregeln für die Installation von Sicherheitsventilen eine sehr wertvolle, aber manchmal wenig bekannte Ressource.
Gemäß Abschnitt II-1.2 sind Sicherheitsventile bei Gas- oder Dampfanwendungen durch eine vollständig geöffnete Aufklappfunktion gekennzeichnet, während Sicherheitsventile relativ zum statischen Druck stromaufwärts öffnen und hauptsächlich bei Flüssigkeitsanwendungen eingesetzt werden.
Sicherheitsventileinheiten werden dadurch charakterisiert, ob es sich um offene oder geschlossene Auslasssysteme handelt. Bei einem offenen Auslass führt der Krümmer am Auslass des Sicherheitsventils normalerweise in das Auslassrohr in die Atmosphäre. Dies führt normalerweise zu einem geringeren Gegendruck. Wenn im Auslassrohr genügend Gegendruck erzeugt wird, kann ein Teil des Abgases aus dem Einlassende des Auslassrohrs ausgestoßen oder zurückgespült werden. Das Auslassrohr sollte groß genug sein, um einen Rückstoß zu verhindern. Bei Anwendungen mit geschlossener Entlüftung baut sich am Auslass des Überdruckventils aufgrund der Luftkompression in der Entlüftungsleitung Druck auf, was möglicherweise die Ausbreitung von Druckwellen verursacht. In Abschnitt II-2.2.2 wird empfohlen, dass der Auslegungsdruck der geschlossenen Auslassleitung mindestens doppelt so hoch sein sollte wie der stationäre Arbeitsdruck. Abbildungen 5 und 6 zeigen die Sicherheitsventilinstallation im offenen bzw. geschlossenen Zustand.
Sicherheitsventilinstallationen können verschiedenen Kräften ausgesetzt sein, wie in Abschnitt II-2 zusammengefasst. Zu diesen Kräften zählen Wärmeausdehnungseffekte, die Wechselwirkung mehrerer gleichzeitig entlüftender Überdruckventile, seismische und/oder Vibrationseffekte sowie Druckeffekte bei Druckentlastungsereignissen. Obwohl der Auslegungsdruck bis zum Auslass des Sicherheitsventils dem Auslegungsdruck des Fallrohrs entsprechen sollte, hängt der Auslegungsdruck im Abflusssystem von der Konfiguration des Abflusssystems und den Eigenschaften des Sicherheitsventils ab. Abschnitt II-2.2 enthält Gleichungen zur Bestimmung von Druck und Geschwindigkeit am Abflussknie, am Einlass und am Auslass des Abflussrohrs für offene und geschlossene Abflusssysteme. Anhand dieser Informationen können die Reaktionskräfte an verschiedenen Punkten im Abgassystem berechnet und berücksichtigt werden.
Ein Beispielproblem für eine Anwendung mit offenem Auslass wird in Abschnitt II-7 bereitgestellt. Es gibt andere Methoden zum Berechnen der Strömungseigenschaften in Auslasssystemen mit Sicherheitsventilen, und der Leser wird darauf hingewiesen, zu überprüfen, ob die verwendete Methode ausreichend konservativ ist. Eine solche Methode wird von GS Liao in „Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis“ beschrieben, das von ASME im Journal of Electrical Engineering, Oktober 1975, veröffentlicht wurde.
Bei der Platzierung des Sicherheitsventils muss ein Mindestabstand des geraden Rohrs zu allen Biegungen eingehalten werden. Dieser Mindestabstand hängt von der Art und Geometrie des Systems ab, wie in Abschnitt II-5.2.1 definiert. Bei Installationen mit mehreren Überdruckventilen hängt der empfohlene Abstand für die Ventilzweiganschlüsse von den Radien der Zweig- und Versorgungsrohrleitungen ab, wie in Anmerkung (10)(c) von Tabelle D-1 gezeigt. Gemäß Abschnitt II-5.7.1 kann es erforderlich sein, die Rohrleitungshalterungen am Auslass des Überdruckventils an die Betriebsrohrleitung und nicht an die angrenzende Struktur anzuschließen, um die Auswirkungen der Wärmeausdehnung und seismischer Wechselwirkungen zu minimieren. Eine Zusammenfassung dieser und anderer Konstruktionsüberlegungen zur Konstruktion von Sicherheitsventilbaugruppen finden Sie in Abschnitt II-5.
Natürlich ist es nicht möglich, im Rahmen dieses Artikels alle Konstruktionsanforderungen von ASME B31 abzudecken. Aber jeder Ingenieur, der an der Konstruktion eines Druckrohrleitungssystems beteiligt ist, sollte zumindest mit diesem Konstruktionscode vertraut sein. Wir hoffen, dass die Leser ASME B31 mit den obigen Informationen als wertvollere und zugänglichere Ressource empfinden.
Monte K. Engelkemier ist Projektleiter bei Stanley Consultants. Engelkemier ist Mitglied der Iowa Engineering Society, NSPE und ASME und sitzt im Ausschuss und Unterausschuss des B31.1 Electrical Piping Code. Er verfügt über mehr als 12 Jahre praktische Erfahrung in der Auslegung und Konstruktion von Rohrleitungssystemen sowie in der Bewertung von Verstrebungen und Spannungsanalysen. Matt Wilkey ist Maschinenbauingenieur bei Stanley Consultants. Er verfügt über mehr als 6 Jahre Berufserfahrung in der Konstruktion von Rohrleitungssystemen für verschiedene Versorgungsunternehmen, Kommunen, Institutionen und Industriekunden und ist Mitglied der ASME und der Iowa Engineering Society.
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