Κατά τον σχεδιασμό ενός συστήματος σωληνώσεων υπό πίεση, ο μηχανικός που ορίζει το σύστημα συχνά καθορίζει ότι οι σωληνώσεις του συστήματος θα πρέπει να συμμορφώνονται με ένα ή περισσότερα μέρη του Κώδικα Σωληνώσεων Πίεσης ASME B31. Πώς ακολουθούν σωστά οι μηχανικοί τις απαιτήσεις του κώδικα κατά τον σχεδιασμό συστημάτων σωληνώσεων;
Καταρχάς, ο μηχανικός πρέπει να καθορίσει ποια προδιαγραφή σχεδιασμού πρέπει να επιλεγεί. Για συστήματα σωληνώσεων πίεσης, αυτό δεν περιορίζεται απαραίτητα στο ASME B31. Άλλοι κώδικες που εκδίδονται από τις ASME, ANSI, NFPA ή άλλους αρμόδιους οργανισμούς ενδέχεται να διέπονται από την τοποθεσία του έργου, την εφαρμογή κ.λπ. Στο ASME B31, υπάρχουν επί του παρόντος επτά ξεχωριστά τμήματα σε ισχύ.
ASME B31.1 Ηλεκτρικές σωληνώσεις: Αυτή η ενότητα καλύπτει τις σωληνώσεις σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας, βιομηχανικές και θεσμικές εγκαταστάσεις, γεωθερμικά συστήματα θέρμανσης και κεντρικά και τηλεθέρμανσης και συστήματα ψύξης. Αυτό περιλαμβάνει τις εξωτερικές σωληνώσεις του λέβητα και τις εξωτερικές σωληνώσεις εκτός λέβητα που χρησιμοποιούνται για την εγκατάσταση λεβήτων του Τμήματος Ι του ASME. Αυτή η ενότητα δεν ισχύει για εξοπλισμό που καλύπτεται από τον Κώδικα Λεβήτων και Δοχείων Πίεσης ASME, ορισμένες σωληνώσεις διανομής θέρμανσης και ψύξης χαμηλής πίεσης και διάφορα άλλα συστήματα που περιγράφονται στην παράγραφο 100.1.3 του ASME B31.1. Η προέλευση του ASME B31.1 μπορεί να εντοπιστεί στη δεκαετία του 1920, με την πρώτη επίσημη έκδοση να δημοσιεύεται το 1935. Σημειώστε ότι η πρώτη έκδοση, συμπεριλαμβανομένων των παραρτημάτων, είχε λιγότερο από 30 σελίδες και η τρέχουσα έκδοση έχει μήκος πάνω από 300 σελίδες.
ASME B31.3 Σωληνώσεις διεργασιών: Αυτή η ενότητα καλύπτει τις σωληνώσεις σε διυλιστήρια, χημικές, φαρμακευτικές, κλωστοϋφαντουργικές, χαρτοβιομηχανίες, ημιαγωγούς και κρυογονικές μονάδες, καθώς και σε συναφείς μονάδες και τερματικούς σταθμούς επεξεργασίας. Αυτή η ενότητα είναι πολύ παρόμοια με την ASME B31.1, ειδικά κατά τον υπολογισμό του ελάχιστου πάχους τοιχώματος για ευθύγραμμους σωλήνες. Αυτή η ενότητα ήταν αρχικά μέρος του B31.1 και κυκλοφόρησε για πρώτη φορά ξεχωριστά το 1959.
ASME B31.4 Συστήματα Μεταφοράς Αγωγών για Υγρά και Υδατάνθρακες: Αυτή η ενότητα καλύπτει τις σωληνώσεις που μεταφέρουν κυρίως υγρά προϊόντα μεταξύ μονάδων και τερματικών σταθμών, καθώς και εντός τερματικών σταθμών, σταθμών άντλησης, επεξεργασίας και μέτρησης. Αυτή η ενότητα ήταν αρχικά μέρος του B31.1 και κυκλοφόρησε για πρώτη φορά ξεχωριστά το 1959.
ASME B31.5 Σωληνώσεις ψύξης και εξαρτήματα μεταφοράς θερμότητας: Αυτή η ενότητα καλύπτει τις σωληνώσεις για ψυκτικά και δευτερογενή ψυκτικά μέσα. Αυτό το μέρος ήταν αρχικά μέρος του B31.1 και κυκλοφόρησε για πρώτη φορά ξεχωριστά το 1962.
ASME B31.8 Συστήματα σωληνώσεων μεταφοράς και διανομής φυσικού αερίου: Αυτό περιλαμβάνει σωληνώσεις για τη μεταφορά κυρίως αέριων προϊόντων μεταξύ πηγών και τερματικών σταθμών, συμπεριλαμβανομένων συμπιεστών, σταθμών προετοιμασίας και μέτρησης, καθώς και σωληνώσεις συλλογής αερίου. Αυτό το τμήμα ήταν αρχικά μέρος του B31.1 και κυκλοφόρησε για πρώτη φορά ξεχωριστά το 1955.
ASME B31.9 Σωληνώσεις Κτιριακών Υπηρεσιών: Αυτή η ενότητα καλύπτει τις σωληνώσεις που συναντώνται συνήθως σε βιομηχανικά, θεσμικά, εμπορικά και δημόσια κτίρια, καθώς και σε πολυκατοικίες που δεν απαιτούν τα εύρη μεγέθους, πίεσης και θερμοκρασίας που καλύπτονται από το ASME B31.1. Αυτή η ενότητα είναι παρόμοια με το ASME B31.1 και το B31.3, αλλά είναι λιγότερο συντηρητική (ειδικά κατά τον υπολογισμό του ελάχιστου πάχους τοιχώματος) και περιέχει λιγότερες λεπτομέρειες. Περιορίζεται σε εφαρμογές χαμηλής πίεσης και χαμηλής θερμοκρασίας, όπως αναφέρεται στην παράγραφο 900.1.2 του ASME B31.9. Αυτό δημοσιεύθηκε για πρώτη φορά το 1982.
ASME B31.12 Σωληνώσεις υδρογόνου και σωληνώσεις: Αυτή η ενότητα καλύπτει τις σωληνώσεις σε υπηρεσίες αερίου και υγρού υδρογόνου, καθώς και τις σωληνώσεις σε υπηρεσίες αερίου υδρογόνου. Αυτή η ενότητα δημοσιεύθηκε για πρώτη φορά το 2008.
Ο κώδικας σχεδιασμού που θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί εξαρτάται τελικά από τον ιδιοκτήτη. Η εισαγωγή στο ASME B31 αναφέρει: «Είναι ευθύνη του ιδιοκτήτη να επιλέξει το τμήμα κώδικα που προσεγγίζει περισσότερο την προτεινόμενη εγκατάσταση σωληνώσεων». Σε ορισμένες περιπτώσεις, «πολλαπλά τμήματα κώδικα ενδέχεται να ισχύουν για διαφορετικά τμήματα της εγκατάστασης».
Η έκδοση του ASME B31.1 του 2012 θα χρησιμεύσει ως η κύρια αναφορά για τις επόμενες συζητήσεις. Σκοπός αυτού του άρθρου είναι να καθοδηγήσει τον μηχανικό που ορίζει τα δεδομένα σε ορισμένα από τα κύρια βήματα στο σχεδιασμό ενός συστήματος σωληνώσεων πίεσης που συμμορφώνεται με το ASME B31. Η τήρηση των κατευθυντήριων γραμμών του ASME B31.1 παρέχει μια καλή αναπαράσταση του γενικού σχεδιασμού του συστήματος. Παρόμοιες μέθοδοι σχεδιασμού χρησιμοποιούνται εάν ακολουθείται το ASME B31.3 ή το B31.9. Το υπόλοιπο του ASME B31 χρησιμοποιείται σε στενότερες εφαρμογές, κυρίως για συγκεκριμένα συστήματα ή εφαρμογές, και δεν θα συζητηθεί περαιτέρω. Ενώ τα βασικά βήματα στη διαδικασία σχεδιασμού θα επισημανθούν εδώ, αυτή η συζήτηση δεν είναι εξαντλητική και ο πλήρης κώδικας θα πρέπει πάντα να αναφέρεται κατά τον σχεδιασμό του συστήματος. Όλες οι αναφορές σε κείμενο αναφέρονται στο ASME B31.1, εκτός εάν αναφέρεται διαφορετικά.
Αφού επιλέξει τον σωστό κώδικα, ο σχεδιαστής του συστήματος πρέπει επίσης να εξετάσει τυχόν απαιτήσεις σχεδιασμού που αφορούν συγκεκριμένα το σύστημα. Η παράγραφος 122 (Μέρος 6) παρέχει απαιτήσεις σχεδιασμού που σχετίζονται με συστήματα που συναντώνται συνήθως σε εφαρμογές ηλεκτρικών σωληνώσεων, όπως ατμός, νερό τροφοδοσίας, εκκένωση και εκκένωση, σωληνώσεις οργάνων και συστήματα εκτόνωσης πίεσης. Το ASME B31.3 περιέχει παρόμοιες παραγράφους με το ASME B31.1, αλλά με λιγότερες λεπτομέρειες. Οι σκέψεις στην παράγραφο 122 περιλαμβάνουν τις απαιτήσεις πίεσης και θερμοκρασίας που αφορούν συγκεκριμένα το σύστημα, καθώς και διάφορους περιορισμούς δικαιοδοσίας που οριοθετούνται μεταξύ του σώματος του λέβητα, των εξωτερικών σωληνώσεων του λέβητα και των εξωτερικών σωληνώσεων εκτός λέβητα που συνδέονται με τις σωληνώσεις λέβητα του Τμήματος Ι του ASME. Ορισμός. Το Σχήμα 2 δείχνει αυτούς τους περιορισμούς του λέβητα τυμπάνου.
Ο σχεδιαστής του συστήματος πρέπει να καθορίσει την πίεση και τη θερμοκρασία στην οποία θα λειτουργεί το σύστημα, καθώς και τις συνθήκες που θα πρέπει να έχει σχεδιαστεί για να πληροί.
Σύμφωνα με την παράγραφο 101.2, η εσωτερική πίεση σχεδιασμού δεν πρέπει να είναι μικρότερη από τη μέγιστη συνεχή πίεση λειτουργίας (MSOP) εντός του συστήματος σωληνώσεων, συμπεριλαμβανομένης της επίδρασης της στατικής πίεσης. Οι σωληνώσεις που υπόκεινται σε εξωτερική πίεση πρέπει να σχεδιάζονται για τη μέγιστη διαφορική πίεση που αναμένεται υπό συνθήκες λειτουργίας, διακοπής λειτουργίας ή δοκιμής. Επιπλέον, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Σύμφωνα με την παράγραφο 101.4, εάν η ψύξη του ρευστού είναι πιθανό να μειώσει την πίεση στον σωλήνα κάτω από την ατμοσφαιρική πίεση, ο σωλήνας πρέπει να σχεδιάζεται ώστε να αντέχει στην εξωτερική πίεση ή πρέπει να λαμβάνονται μέτρα για τη διακοπή του κενού. Σε περιπτώσεις όπου η διαστολή του ρευστού μπορεί να αυξήσει την πίεση, τα συστήματα σωληνώσεων πρέπει να σχεδιάζονται ώστε να αντέχουν στην αυξημένη πίεση ή πρέπει να λαμβάνονται μέτρα για την ανακούφιση της υπερπίεσης.
Ξεκινώντας από την Ενότητα 101.3.2, η θερμοκρασία του μετάλλου για τον σχεδιασμό των σωληνώσεων πρέπει να είναι αντιπροσωπευτική των αναμενόμενων μέγιστων διατηρούμενων συνθηκών. Για λόγους απλότητας, θεωρείται γενικά ότι η θερμοκρασία του μετάλλου είναι ίση με τη θερμοκρασία του ρευστού. Εάν είναι επιθυμητό, ​​μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέση θερμοκρασία του μετάλλου, εφόσον είναι γνωστή η θερμοκρασία του εξωτερικού τοιχώματος. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει επίσης να δοθεί στα ρευστά που αντλούνται μέσω εναλλακτών θερμότητας ή από εξοπλισμό καύσης, ώστε να διασφαλιστεί ότι λαμβάνονται υπόψη οι χειρότερες συνθήκες θερμοκρασίας.
Συχνά, οι σχεδιαστές προσθέτουν ένα περιθώριο ασφαλείας στη μέγιστη πίεση λειτουργίας ή/και θερμοκρασία. Το μέγεθος του περιθωρίου εξαρτάται από την εφαρμογή. Είναι επίσης σημαντικό να λαμβάνονται υπόψη οι περιορισμοί των υλικών κατά τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας σχεδιασμού. Ο καθορισμός υψηλών θερμοκρασιών σχεδιασμού (άνω των 750 F) μπορεί να απαιτεί τη χρήση κραμάτων αντί για τον πιο τυπικό χάλυβα άνθρακα. Οι τιμές τάσης στο Υποχρεωτικό Παράρτημα Α παρέχονται μόνο για τις επιτρεπόμενες θερμοκρασίες για κάθε υλικό. Για παράδειγμα, ο χάλυβας άνθρακα μπορεί να παρέχει μόνο τιμές τάσης έως 800 F. Η παρατεταμένη έκθεση του χάλυβα άνθρακα σε θερμοκρασίες άνω των 800 F μπορεί να προκαλέσει την ενανθράκωση του σωλήνα, καθιστώντας τον πιο εύθραυστο και επιρρεπή σε αστοχία. Εάν λειτουργεί πάνω από τους 800 F, θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η επιταχυνόμενη ζημιά ερπυσμού που σχετίζεται με τον χάλυβα άνθρακα. Δείτε την παράγραφο 124 για μια πλήρη συζήτηση σχετικά με τα όρια θερμοκρασίας υλικού.
Μερικές φορές οι μηχανικοί μπορούν επίσης να καθορίσουν πιέσεις δοκιμής για κάθε σύστημα. Η παράγραφος 137 παρέχει οδηγίες σχετικά με τις δοκιμές καταπόνησης. Συνήθως, οι υδροστατικές δοκιμές θα καθορίζονται σε 1,5 φορά την πίεση σχεδιασμού. Ωστόσο, οι στεφάνες και οι διαμήκεις τάσεις στις σωληνώσεις δεν πρέπει να υπερβαίνουν το 90% του ορίου διαρροής του υλικού στην παράγραφο 102.3.3 (Β) κατά τη διάρκεια της δοκιμής πίεσης. Για ορισμένα εξωτερικά συστήματα σωληνώσεων χωρίς λέβητα, η δοκιμή διαρροών κατά τη λειτουργία μπορεί να είναι μια πιο πρακτική μέθοδος ελέγχου για διαρροές λόγω δυσκολιών στην απομόνωση τμημάτων του συστήματος ή απλώς επειδή η διαμόρφωση του συστήματος επιτρέπει απλή δοκιμή διαρροών κατά την αρχική λειτουργία. Συμφωνώ, αυτό είναι αποδεκτό.
Μόλις καθοριστούν οι συνθήκες σχεδιασμού, μπορούν να καθοριστούν οι σωληνώσεις. Το πρώτο πράγμα που πρέπει να αποφασιστεί είναι το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικά όρια θερμοκρασίας. Η παράγραφος 105 παρέχει πρόσθετους περιορισμούς σε διάφορα υλικά σωληνώσεων. Η επιλογή υλικού εξαρτάται επίσης από το ρευστό του συστήματος, όπως κράματα νικελίου σε εφαρμογές διαβρωτικών χημικών σωληνώσεων, ανοξείδωτο χάλυβα για την παροχή καθαρού αέρα οργάνων ή ανθρακούχο χάλυβα με υψηλή περιεκτικότητα σε χρώμιο (μεγαλύτερη από 0,1%) για την πρόληψη της διάβρωσης με επιτάχυνση της ροής. Η διάβρωση με επιτάχυνση της ροής (FAC) είναι ένα φαινόμενο διάβρωσης που έχει αποδειχθεί ότι προκαλεί σοβαρή λέπτυνση τοιχωμάτων και αστοχία σωλήνων σε ορισμένα από τα πιο κρίσιμα συστήματα σωληνώσεων. Η μη σωστή εξέταση της λέπτυνσης των υδραυλικών εξαρτημάτων μπορεί και είχε σοβαρές συνέπειες, όπως το 2007, όταν ένας σωλήνας αφυπερθέρμανσης στον σταθμό παραγωγής ενέργειας IATAN της KCP&L εξερράγη, σκοτώνοντας δύο εργάτες και τραυματίζοντας σοβαρά έναν τρίτο.
Η Εξίσωση 7 και η Εξίσωση 9 στην παράγραφο 104.1.1 ορίζουν το ελάχιστο απαιτούμενο πάχος τοιχώματος και τη μέγιστη εσωτερική πίεση σχεδιασμού, αντίστοιχα, για ευθύγραμμο σωλήνα που υπόκειται σε εσωτερική πίεση. Οι μεταβλητές σε αυτές τις εξισώσεις περιλαμβάνουν τη μέγιστη επιτρεπόμενη τάση (από το Υποχρεωτικό Παράρτημα Α), την εξωτερική διάμετρο του σωλήνα, τον παράγοντα υλικού (όπως φαίνεται στον Πίνακα 104.1.2 (Α)) και τυχόν πρόσθετα επιτρεπόμενα πάχη (όπως περιγράφονται παρακάτω). Με τόσες πολλές μεταβλητές που εμπλέκονται, ο καθορισμός του κατάλληλου υλικού σωληνώσεων, της ονομαστικής διαμέτρου και του πάχους τοιχώματος μπορεί να είναι μια επαναληπτική διαδικασία που μπορεί επίσης να περιλαμβάνει την ταχύτητα του ρευστού, την πτώση πίεσης και το κόστος σωληνώσεων και άντλησης. Ανεξάρτητα από την εφαρμογή, πρέπει να επαληθευτεί το ελάχιστο απαιτούμενο πάχος τοιχώματος.
Μπορεί να προστεθεί επιπλέον ανοχή πάχους για την αντιστάθμιση διαφόρων λόγων, συμπεριλαμβανομένου του FAC. Ενδέχεται να απαιτούνται ανοχές λόγω της αφαίρεσης σπειρωμάτων, εγκοπών κ.λπ. υλικού που απαιτείται για την κατασκευή μηχανικών συνδέσεων. Σύμφωνα με την παράγραφο 102.4.2, η ελάχιστη ανοχή πρέπει να είναι ίση με το βάθος του σπειρώματος συν την ανοχή κατεργασίας. Μπορεί επίσης να απαιτείται ανοχή για την παροχή πρόσθετης αντοχής για την αποφυγή ζημιάς, κατάρρευσης, υπερβολικής χαλάρωσης ή κάμψης του σωλήνα λόγω υπερτιθέμενων φορτίων ή άλλων αιτιών που αναφέρονται στην παράγραφο 102.4.4. Μπορούν επίσης να προστεθούν ανοχές για να ληφθούν υπόψη οι συγκολλημένες συνδέσεις (παράγραφος 102.4.3) και οι γωνίες (παράγραφος 102.4.5). Τέλος, μπορούν να προστεθούν ανοχές για την αντιστάθμιση της διάβρωσης ή/και της διάβρωσης. Το πάχος αυτής της ανοχής εξαρτάται από την κρίση του σχεδιαστή και πρέπει να είναι σύμφωνο με την αναμενόμενη διάρκεια ζωής των σωληνώσεων σύμφωνα με την παράγραφο 102.4.1.
Το προαιρετικό Παράρτημα IV παρέχει καθοδήγηση σχετικά με τον έλεγχο της διάβρωσης. Οι προστατευτικές επικαλύψεις, η καθοδική προστασία και η ηλεκτρική απομόνωση (όπως οι μονωτικές φλάντζες) είναι όλες μέθοδοι πρόληψης της εξωτερικής διάβρωσης θαμμένων ή βυθισμένων αγωγών. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν αναστολείς διάβρωσης ή επενδύσεις για την πρόληψη της εσωτερικής διάβρωσης. Πρέπει επίσης να λαμβάνεται μέριμνα ώστε να χρησιμοποιείται νερό υδροστατικής δοκιμής κατάλληλης καθαρότητας και, εάν είναι απαραίτητο, να αποστραγγίζεται πλήρως ο σωλήνας μετά την υδροστατική δοκιμή.
Το ελάχιστο πάχος τοιχώματος του σωλήνα ή το χρονοδιάγραμμα που απαιτείται για προηγούμενους υπολογισμούς ενδέχεται να μην είναι σταθερό σε όλη τη διάμετρο του σωλήνα και ενδέχεται να απαιτεί προδιαγραφές για διαφορετικά χρονοδιαγράμματα για διαφορετικές διαμέτρους. Οι κατάλληλες τιμές χρονοδιαγράμματος και πάχους τοιχώματος ορίζονται στο πρότυπο ASME B36.10 Συγκολλημένοι και χωρίς ραφή σφυρήλατοι χαλύβδινοι σωλήνες.
Κατά τον καθορισμό του υλικού του σωλήνα και την εκτέλεση των υπολογισμών που συζητήθηκαν προηγουμένως, είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι οι μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές τάσης που χρησιμοποιούνται στους υπολογισμούς ταιριάζουν με το καθορισμένο υλικό. Για παράδειγμα, εάν ο σωλήνας από ανοξείδωτο χάλυβα A312 304L έχει χαρακτηριστεί λανθασμένα ως σωλήνας από ανοξείδωτο χάλυβα A312 304, το παρεχόμενο πάχος τοιχώματος μπορεί να είναι ανεπαρκές λόγω της σημαντικής διαφοράς στις μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές τάσης μεταξύ των δύο υλικών. Ομοίως, η μέθοδος κατασκευής του σωλήνα πρέπει να καθορίζεται κατάλληλα. Για παράδειγμα, εάν η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή τάσης για σωλήνα χωρίς ραφή χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό, θα πρέπει να καθορίζεται ο σωλήνας χωρίς ραφή. Διαφορετικά, ο κατασκευαστής/εγκαταστάτης μπορεί να προσφέρει σωλήνα συγκολλημένο με ραφή, κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε ανεπαρκές πάχος τοιχώματος λόγω χαμηλότερων μέγιστων επιτρεπόμενων τιμών τάσης.
Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι η θερμοκρασία σχεδιασμού του αγωγού είναι 300 F και η πίεση σχεδιασμού είναι 1.200 psig.2″ και 3″. Θα χρησιμοποιηθεί σύρμα από ανθρακούχο χάλυβα (χωρίς ραφή A53 Βαθμού Β). Προσδιορίστε το κατάλληλο σχέδιο σωληνώσεων που θα καθοριστεί για να πληροί τις απαιτήσεις της Εξίσωσης 9 του ASME B31.1. Αρχικά, εξηγούνται οι συνθήκες σχεδιασμού:
Στη συνέχεια, προσδιορίστε τις μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές τάσης για το A53 Βαθμού Β στις παραπάνω θερμοκρασίες σχεδιασμού από τον Πίνακα Α-1. Σημειώστε ότι η τιμή για τον σωλήνα χωρίς ραφή χρησιμοποιείται επειδή ο σωλήνας χωρίς ραφή καθορίζεται:
Πρέπει επίσης να προστεθεί ανοχή πάχους. Για αυτήν την εφαρμογή, λαμβάνεται ανοχή 1/16 της ίντσας. Θεωρείται ανοχή διάβρωσης. Θα προστεθεί ξεχωριστή ανοχή άλεσης αργότερα.
3 ίντσες. Ο σωλήνας θα καθοριστεί πρώτα. Υποθέτοντας έναν σωλήνα Schedule 40 και ανοχή φρεζαρίσματος 12,5%, υπολογίστε τη μέγιστη πίεση:
Ο σωλήνας Schedule 40 είναι ικανοποιητικός για σωλήνα 3 ιντσών στις συνθήκες σχεδιασμού που ορίζονται παραπάνω. Στη συνέχεια, ελέγξτε 2 ίντσες. Ο αγωγός χρησιμοποιεί τις ίδιες υποθέσεις:
2 ίντσες. Υπό τις συνθήκες σχεδιασμού που καθορίζονται παραπάνω, οι σωληνώσεις θα απαιτούν παχύτερο πάχος τοιχώματος από το Πρόγραμμα 40. Δοκιμάστε 2 ίντσες. Σωλήνες Προγράμματος 80:
Ενώ το πάχος του τοιχώματος του σωλήνα είναι συχνά ο περιοριστικός παράγοντας στον σχεδιασμό πίεσης, εξακολουθεί να είναι σημαντικό να επαληθεύεται ότι τα εξαρτήματα, τα εξαρτήματα και οι συνδέσεις που χρησιμοποιούνται είναι κατάλληλα για τις καθορισμένες συνθήκες σχεδιασμού.
Κατά γενικό κανόνα, σύμφωνα με τις παραγράφους 104.2, 104.7.1, 106 και 107, όλες οι βαλβίδες, τα εξαρτήματα και άλλα εξαρτήματα που περιέχουν πίεση και κατασκευάζονται σύμφωνα με τα πρότυπα που αναφέρονται στον Πίνακα 126.1 θεωρούνται κατάλληλα για χρήση υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας ή κάτω από τις προδιαγραφές πίεσης-θερμοκρασίας που καθορίζονται στο . Οι χρήστες θα πρέπει να γνωρίζουν ότι εάν ορισμένα πρότυπα ή κατασκευαστές ενδέχεται να επιβάλουν αυστηρότερα όρια στις αποκλίσεις από την κανονική λειτουργία από αυτά που καθορίζονται στο ASME B31.1, θα ισχύουν τα αυστηρότερα όρια.
Στις διασταυρώσεις σωλήνων, συνιστώνται ταυ, εγκάρσιες συνδέσεις, διασταυρώσεις, συγκολλημένες συνδέσεις διακλάδωσης κ.λπ., κατασκευασμένες σύμφωνα με τα πρότυπα που αναφέρονται στον Πίνακα 126.1. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι διασταυρώσεις αγωγών ενδέχεται να απαιτούν μοναδικές συνδέσεις διακλάδωσης. Η παράγραφος 104.3.1 παρέχει πρόσθετες απαιτήσεις για τις συνδέσεις διακλάδωσης, ώστε να διασφαλίζεται ότι υπάρχει επαρκές υλικό σωληνώσεων για να αντέξει την πίεση.
Για την απλοποίηση του σχεδιασμού, ο σχεδιαστής μπορεί να επιλέξει να ορίσει τις συνθήκες σχεδιασμού υψηλότερες ώστε να πληρούν την ονομαστική τιμή της φλάντζας μιας συγκεκριμένης κατηγορίας πίεσης (π.χ. κατηγορία ASME 150, 300, κ.λπ.) όπως ορίζεται από την κατηγορία πίεσης-θερμοκρασίας για συγκεκριμένα υλικά που καθορίζονται στο ASME B16 .5 Φλάντζες σωλήνων και συνδέσεις φλάντζας ή παρόμοια πρότυπα που αναφέρονται στον Πίνακα 126.1. Αυτό είναι αποδεκτό εφόσον δεν οδηγεί σε περιττή αύξηση του πάχους του τοιχώματος ή σε άλλα σχέδια εξαρτημάτων.
Ένα σημαντικό μέρος του σχεδιασμού σωληνώσεων είναι η διασφάλιση της διατήρησης της δομικής ακεραιότητας του συστήματος σωληνώσεων μόλις εφαρμοστούν οι επιδράσεις της πίεσης, της θερμοκρασίας και των εξωτερικών δυνάμεων. Η δομική ακεραιότητα του συστήματος συχνά παραβλέπεται στη διαδικασία σχεδιασμού και, εάν δεν γίνει σωστά, μπορεί να είναι ένα από τα πιο δαπανηρά μέρη του σχεδιασμού. Η δομική ακεραιότητα συζητείται κυρίως σε δύο σημεία, την Παράγραφο 104.8: Ανάλυση Στοιχείων Αγωγού και την Παράγραφο 119: Επέκταση και Ευελιξία.
Η παράγραφος 104.8 παραθέτει τους βασικούς τύπους κώδικα που χρησιμοποιούνται για να προσδιοριστεί εάν ένα σύστημα σωληνώσεων υπερβαίνει τις επιτρεπόμενες τάσεις του κώδικα. Αυτές οι εξισώσεις κώδικα αναφέρονται συνήθως ως συνεχή φορτία, περιστασιακά φορτία και φορτία μετατόπισης. Το παρατεταμένο φορτίο είναι η επίδραση της πίεσης και του βάρους σε ένα σύστημα σωληνώσεων. Τα τυχαία φορτία είναι συνεχή φορτία συν πιθανά φορτία ανέμου, σεισμικά φορτία, φορτία εδάφους και άλλα βραχυπρόθεσμα φορτία. Υποτίθεται ότι κάθε τυχαίο φορτίο που εφαρμόζεται δεν θα δράσει σε άλλα τυχαία φορτία ταυτόχρονα, επομένως κάθε τυχαίο φορτίο θα αποτελεί ξεχωριστή περίπτωση φόρτισης κατά τη στιγμή της ανάλυσης. Τα φορτία μετατόπισης είναι οι επιδράσεις της θερμικής ανάπτυξης, της μετατόπισης του εξοπλισμού κατά τη λειτουργία ή οποιουδήποτε άλλου φορτίου μετατόπισης.
Η παράγραφος 119 εξετάζει τον τρόπο χειρισμού της διαστολής και της ευκαμψίας των σωλήνων στα συστήματα σωληνώσεων και τον τρόπο προσδιορισμού των φορτίων αντίδρασης. Η ευκαμψία των συστημάτων σωληνώσεων είναι συχνά η πιο σημαντική στις συνδέσεις εξοπλισμού, καθώς οι περισσότερες συνδέσεις εξοπλισμού μπορούν να αντέξουν μόνο την ελάχιστη ποσότητα δύναμης και ροπής που εφαρμόζεται στο σημείο σύνδεσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η θερμική ανάπτυξη του συστήματος σωληνώσεων έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στο φορτίο αντίδρασης, επομένως είναι σημαντικό να ελέγχεται η θερμική ανάπτυξη στο σύστημα αναλόγως.
Για να προσαρμοστεί η ευελιξία του συστήματος σωληνώσεων και να διασφαλιστεί ότι το σύστημα υποστηρίζεται σωστά, είναι καλή πρακτική η υποστήριξη των χαλύβδινων σωλήνων σύμφωνα με τον Πίνακα 121.5. Εάν ένας σχεδιαστής προσπαθεί να τηρήσει την τυπική απόσταση στήριξης για αυτόν τον πίνακα, επιτυγχάνει τρία πράγματα: ελαχιστοποιεί την παραμόρφωση του ίδιου βάρους, μειώνει τα παρατεταμένα φορτία και αυξάνει τη διαθέσιμη τάση για φορτία μετατόπισης. Εάν ο σχεδιαστής τοποθετήσει την υποστήριξη σύμφωνα με τον Πίνακα 121.5, συνήθως θα έχει ως αποτέλεσμα λιγότερο από 1/8 ίντσα μετατόπισης ή χαλάρωσης του ίδιου βάρους μεταξύ των στηριγμάτων των σωλήνων. Η ελαχιστοποίηση της παραμόρφωσης του ίδιου βάρους βοηθά στη μείωση της πιθανότητας συμπύκνωσης σε σωλήνες που μεταφέρουν ατμό ή αέριο. Η τήρηση των συστάσεων απόστασης στον Πίνακα 121.5 επιτρέπει επίσης στον σχεδιαστή να μειώσει την παρατεταμένη τάση στις σωληνώσεις σε περίπου 50% της συνεχούς επιτρεπόμενης τιμής του κώδικα. Σύμφωνα με την Εξίσωση 1Β, η επιτρεπόμενη τάση για φορτία μετατόπισης είναι αντιστρόφως ανάλογη με τα παρατεταμένα φορτία. Επομένως, ελαχιστοποιώντας το παρατεταμένο φορτίο, η ανοχή τάσης μετατόπισης μπορεί να μεγιστοποιηθεί. Η συνιστώμενη απόσταση για τα στηρίγματα σωλήνων φαίνεται στο Σχήμα 3.
Για να διασφαλιστεί ότι τα φορτία αντίδρασης του συστήματος σωληνώσεων λαμβάνονται σωστά υπόψη και ότι ικανοποιούνται οι τάσεις κώδικα, μια συνηθισμένη μέθοδος είναι η εκτέλεση ανάλυσης τάσεων σωληνώσεων με τη βοήθεια υπολογιστή. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά πακέτα λογισμικού ανάλυσης τάσεων σωληνώσεων διαθέσιμα, όπως το Bentley AutoPIPE, το Intergraph Caesar II, το Piping Solutions Tri-Flex ή ένα από τα άλλα εμπορικά διαθέσιμα πακέτα. Το πλεονέκτημα της χρήσης ανάλυσης τάσεων σωληνώσεων με τη βοήθεια υπολογιστή είναι ότι επιτρέπει στον σχεδιαστή να δημιουργήσει ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του συστήματος σωληνώσεων για εύκολη επαλήθευση και τη δυνατότητα να κάνει τις απαραίτητες αλλαγές στη διαμόρφωση. Το Σχήμα 4 δείχνει ένα παράδειγμα μοντελοποίησης και ανάλυσης ενός τμήματος αγωγού.
Κατά τον σχεδιασμό ενός νέου συστήματος, οι σχεδιαστές συστημάτων συνήθως καθορίζουν ότι όλες οι σωληνώσεις και τα εξαρτήματα πρέπει να κατασκευάζονται, να συγκολλούνται, να συναρμολογούνται κ.λπ., όπως απαιτείται από τον κώδικα που χρησιμοποιείται. Ωστόσο, σε ορισμένες ανακαινίσεις ή άλλες εφαρμογές, μπορεί να είναι ωφέλιμο για έναν ορισμένο μηχανικό να παρέχει καθοδήγηση σχετικά με ορισμένες τεχνικές κατασκευής, όπως περιγράφεται στο Κεφάλαιο V.
Ένα συνηθισμένο πρόβλημα που αντιμετωπίζεται σε εφαρμογές ανακαίνισης είναι η προθέρμανση της συγκόλλησης (παράγραφος 131) και η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (παράγραφος 132). Μεταξύ άλλων πλεονεκτημάτων, αυτές οι θερμικές επεξεργασίες χρησιμοποιούνται για την ανακούφιση από την τάση, την πρόληψη ρωγμών και την αύξηση της αντοχής της συγκόλλησης. Στοιχεία που επηρεάζουν τις απαιτήσεις θερμικής επεξεργασίας πριν και μετά τη συγκόλληση περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, τα ακόλουθα: Ομαδοποίηση αριθμού P, χημεία υλικού και πάχος υλικού στην ένωση που πρόκειται να συγκολληθεί. Κάθε υλικό που αναφέρεται στο Υποχρεωτικό Παράρτημα Α έχει έναν εκχωρημένο αριθμό P. Για την προθέρμανση, η παράγραφος 131 παρέχει την ελάχιστη θερμοκρασία στην οποία πρέπει να θερμανθεί το βασικό μέταλλο πριν από τη συγκόλληση. Για την PWHT, ο Πίνακας 132 παρέχει το εύρος θερμοκρασίας συγκράτησης και το χρονικό διάστημα για τη συγκράτηση της ζώνης συγκόλλησης. Οι ρυθμοί θέρμανσης και ψύξης, οι μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασίας, οι τεχνικές θέρμανσης και άλλες διαδικασίες θα πρέπει να ακολουθούν αυστηρά τις οδηγίες που ορίζονται στον κώδικα. Μπορεί να προκύψουν μη αναμενόμενες δυσμενείς επιπτώσεις στην περιοχή συγκόλλησης λόγω μη σωστής θερμικής επεξεργασίας.
Ένας άλλος πιθανός τομέας ανησυχίας στα συστήματα σωληνώσεων υπό πίεση είναι οι κάμψεις των σωλήνων. Η κάμψη των σωλήνων μπορεί να προκαλέσει λέπτυνση των τοιχωμάτων, με αποτέλεσμα ανεπαρκές πάχος τοιχώματος. Σύμφωνα με την παράγραφο 102.4.5, ο κώδικας επιτρέπει κάμψεις εφόσον το ελάχιστο πάχος τοιχώματος ικανοποιεί τον ίδιο τύπο που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του ελάχιστου πάχους τοιχώματος για ευθύγραμμο σωλήνα. Συνήθως, προστίθεται ένα επίδομα για να ληφθεί υπόψη το πάχος τοιχώματος. Ο Πίνακας 102.4.5 παρέχει συνιστώμενες ανοχές μείωσης κάμψης για διαφορετικές ακτίνες κάμψης. Οι κάμψεις ενδέχεται επίσης να απαιτούν θερμική επεξεργασία πριν από την κάμψη ή/και μετά την κάμψη. Η παράγραφος 129 παρέχει οδηγίες σχετικά με την κατασκευή αγκώνων.
Για πολλά συστήματα σωληνώσεων πίεσης, είναι απαραίτητο να εγκατασταθεί μια βαλβίδα ασφαλείας ή μια βαλβίδα εκτόνωσης για την αποφυγή υπερπίεσης στο σύστημα. Για αυτές τις εφαρμογές, το προαιρετικό Παράρτημα II: Κανόνες Σχεδιασμού Εγκατάστασης Βαλβίδας Ασφαλείας είναι ένας πολύτιμος αλλά μερικές φορές ελάχιστα γνωστός πόρος.
Σύμφωνα με την παράγραφο II-1.2, οι βαλβίδες ασφαλείας χαρακτηρίζονται από πλήρως ανοιχτή αναδυόμενη λειτουργία για παροχή αερίου ή ατμού, ενώ οι βαλβίδες ασφαλείας ανοίγουν σε σχέση με την στατική πίεση ανάντη και χρησιμοποιούνται κυρίως για παροχή υγρού.
Οι μονάδες βαλβίδων ασφαλείας χαρακτηρίζονται από το αν είναι ανοιχτά ή κλειστά συστήματα εκκένωσης. Σε μια ανοιχτή εξάτμιση, ο αγκώνας στην έξοδο της βαλβίδας ασφαλείας συνήθως εξάγει στον σωλήνα εξάτμισης στην ατμόσφαιρα. Συνήθως, αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα λιγότερη αντίθλιψη. Εάν δημιουργηθεί επαρκής αντίθλιψη στον σωλήνα εξάτμισης, ένα μέρος των καυσαερίων μπορεί να αποβληθεί ή να εκκενωθεί από το άκρο εισόδου του σωλήνα εξάτμισης. Το μέγεθος του σωλήνα εξάτμισης πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο για να αποτρέψει την αντίστροφη ροή. Σε εφαρμογές κλειστού εξαερισμού, η πίεση συσσωρεύεται στην έξοδο της βαλβίδας εκτόνωσης λόγω της συμπίεσης του αέρα στη γραμμή εξαερισμού, προκαλώντας ενδεχομένως διάδοση κυμάτων πίεσης. Στην παράγραφο II-2.2.2, συνιστάται η πίεση σχεδιασμού της κλειστής γραμμής εκκένωσης να είναι τουλάχιστον δύο φορές μεγαλύτερη από την πίεση λειτουργίας σταθερής κατάστασης. Τα Σχήματα 5 και 6 δείχνουν την εγκατάσταση της βαλβίδας ασφαλείας ανοιχτή και κλειστή, αντίστοιχα.
Οι εγκαταστάσεις βαλβίδων ασφαλείας ενδέχεται να υπόκεινται σε διάφορες δυνάμεις, όπως συνοψίζονται στην παράγραφο II-2. Αυτές οι δυνάμεις περιλαμβάνουν φαινόμενα θερμικής διαστολής, την αλληλεπίδραση πολλαπλών βαλβίδων εκτόνωσης που εξαερώνουν ταυτόχρονα, σεισμικές ή/και δονητικές επιδράσεις και επιδράσεις πίεσης κατά τη διάρκεια συμβάντων εκτόνωσης πίεσης. Αν και η πίεση σχεδιασμού μέχρι την έξοδο της βαλβίδας ασφαλείας θα πρέπει να ταιριάζει με την πίεση σχεδιασμού του σωλήνα καθόδου, η πίεση σχεδιασμού στο σύστημα εκκένωσης εξαρτάται από τη διαμόρφωση του συστήματος εκκένωσης και τα χαρακτηριστικά της βαλβίδας ασφαλείας. Στην παράγραφο II-2.2 παρέχονται εξισώσεις για τον προσδιορισμό της πίεσης και της ταχύτητας στον αγκώνα εκκένωσης, στην είσοδο του σωλήνα εκκένωσης και στην έξοδο του σωλήνα εκκένωσης για ανοιχτά και κλειστά συστήματα εκκένωσης. Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, οι δυνάμεις αντίδρασης σε διάφορα σημεία του συστήματος εξάτμισης μπορούν να υπολογιστούν και να ληφθούν υπόψη.
Ένα παράδειγμα προβλήματος για μια εφαρμογή ανοιχτής εκκένωσης παρέχεται στην παράγραφο II-7. Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών ροής σε συστήματα εκκένωσης με βαλβίδες εκτόνωσης και ο αναγνώστης προειδοποιείται να επαληθεύσει ότι η μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι επαρκώς συντηρητική. Μία τέτοια μέθοδος περιγράφεται από τον GS Liao στο "Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis" που δημοσιεύτηκε από την ASME στο Journal of Electrical Engineering, Οκτώβριος 1975.
Η βαλβίδα εκτόνωσης θα πρέπει να βρίσκεται σε ελάχιστη απόσταση ευθύγραμμου σωλήνα από τυχόν καμπύλες. Αυτή η ελάχιστη απόσταση εξαρτάται από τη λειτουργία και τη γεωμετρία του συστήματος, όπως ορίζεται στην παράγραφο II-5.2.1. Για εγκαταστάσεις με πολλαπλές βαλβίδες εκτόνωσης, η συνιστώμενη απόσταση για τις συνδέσεις διακλάδωσης βαλβίδων εξαρτάται από τις ακτίνες των σωληνώσεων διακλάδωσης και λειτουργίας, όπως φαίνεται στη Σημείωση (10)(γ) του Πίνακα D-1. Σύμφωνα με την παράγραφο II-5.7.1, ενδέχεται να είναι απαραίτητο να συνδεθούν στηρίγματα σωληνώσεων που βρίσκονται στις εκκενώσεις των βαλβίδων εκτόνωσης με λειτουργικές σωληνώσεις αντί για παρακείμενες κατασκευές, για την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων της θερμικής διαστολής και των σεισμικών αλληλεπιδράσεων. Μια σύνοψη αυτών και άλλων σχεδιαστικών παραμέτρων στο σχεδιασμό συγκροτημάτων βαλβίδων ασφαλείας μπορεί να βρεθεί στην παράγραφο II-5.
Προφανώς, δεν είναι δυνατόν να καλυφθούν όλες οι απαιτήσεις σχεδιασμού του ASME B31 στο πλαίσιο αυτού του άρθρου. Ωστόσο, οποιοσδήποτε ορισμένος μηχανικός που εμπλέκεται στο σχεδιασμό ενός συστήματος σωληνώσεων πίεσης θα πρέπει τουλάχιστον να είναι εξοικειωμένος με αυτόν τον κώδικα σχεδιασμού. Ας ελπίσουμε ότι, με τις παραπάνω πληροφορίες, οι αναγνώστες θα βρουν το ASME B31 μια πιο πολύτιμη και προσβάσιμη πηγή.
Ο Monte K. Engelkemier είναι ο επικεφαλής του έργου στην Stanley Consultants. Ο Engelkemier είναι μέλος της Iowa Engineering Society, της NSPE και της ASME, και συμμετέχει στην Επιτροπή και την Υποεπιτροπή του Κώδικα Ηλεκτρικών Σωληνώσεων B31.1. Έχει πάνω από 12 χρόνια πρακτικής εμπειρίας στη διάταξη, το σχεδιασμό, την αξιολόγηση αντηρίδων και την ανάλυση τάσεων συστημάτων σωληνώσεων. Ο Matt Wilkey είναι Μηχανολόγος Μηχανικός στην Stanley Consultants. Έχει πάνω από 6 χρόνια επαγγελματικής εμπειρίας στο σχεδιασμό συστημάτων σωληνώσεων για μια ποικιλία πελατών κοινής ωφέλειας, δημοτικών, θεσμικών και βιομηχανικών εταιρειών και είναι μέλος της ASME και της Iowa Engineering Society.
Έχετε εμπειρία και εξειδίκευση στα θέματα που καλύπτονται σε αυτό το περιεχόμενο; Θα πρέπει να εξετάσετε το ενδεχόμενο να συνεισφέρετε στην ομάδα σύνταξης του CFE Media και να λάβετε την αναγνώριση που σας αξίζει εσείς και η εταιρεία σας. Κάντε κλικ εδώ για να ξεκινήσετε τη διαδικασία.