هنگام طراحی سیستم لوله‌کشی تحت فشار، مهندس طراح اغلب مشخص می‌کند که لوله‌کشی سیستم باید با یک یا چند بخش از آیین‌نامه لوله‌کشی تحت فشار ASME B31 مطابقت داشته باشد. مهندسان چگونه هنگام طراحی سیستم‌های لوله‌کشی، الزامات آیین‌نامه را به درستی رعایت می‌کنند؟
ابتدا، مهندس باید مشخص کند که کدام مشخصات طراحی باید انتخاب شود. برای سیستم‌های لوله‌کشی تحت فشار، این لزوماً محدود به ASME B31 نیست. سایر کدهای صادر شده توسط ASME، ANSI، NFPA یا سایر سازمان‌های حاکم ممکن است بر اساس محل پروژه، کاربرد و غیره تنظیم شوند. در ASME B31، در حال حاضر هفت بخش جداگانه در حال اجرا است.
لوله‌کشی برق ASME B31.1: این بخش لوله‌کشی در نیروگاه‌ها، کارخانه‌های صنعتی و سازمانی، سیستم‌های گرمایش زمین‌گرمایی و سیستم‌های گرمایش و سرمایش مرکزی و منطقه‌ای را پوشش می‌دهد. این شامل لوله‌کشی بیرونی دیگ بخار و لوله‌کشی بیرونی غیر دیگ بخار مورد استفاده برای نصب دیگ‌های بخار ASME بخش I می‌شود. این بخش در مورد تجهیزات تحت پوشش کد دیگ بخار و مخازن تحت فشار ASME، برخی از لوله‌کشی‌های توزیع گرمایش و سرمایش کم‌فشار و سایر سیستم‌های مختلف شرح داده شده در بند 100.1.3 از ASME B31.1 صدق نمی‌کند. ریشه‌های ASME B31.1 را می‌توان به دهه 1920 نسبت داد، که اولین نسخه رسمی آن در سال 1935 منتشر شد. توجه داشته باشید که نسخه اول، شامل ضمائم، کمتر از 30 صفحه بود و نسخه فعلی بیش از 300 صفحه دارد.
ASME B31.3 لوله‌کشی فرآیندی: این بخش لوله‌کشی در پالایشگاه‌ها؛ کارخانه‌های شیمیایی، دارویی، نساجی، کاغذ، نیمه‌هادی و برودتی؛ و کارخانه‌های فرآوری و پایانه‌های مرتبط را پوشش می‌دهد. این بخش بسیار شبیه به ASME B31.1 است، به خصوص هنگام محاسبه حداقل ضخامت دیواره برای لوله مستقیم. این بخش در ابتدا بخشی از B31.1 بود و برای اولین بار در سال ۱۹۵۹ به طور جداگانه منتشر شد.
ASME B31.4 سیستم‌های انتقال خط لوله برای مایعات و دوغاب: این بخش شامل لوله‌کشی‌هایی است که عمدتاً محصولات مایع را بین کارخانه‌ها و پایانه‌ها و در داخل پایانه‌ها، ایستگاه‌های پمپاژ، تهویه مطبوع و اندازه‌گیری منتقل می‌کنند. این بخش در ابتدا بخشی از B31.1 بود و برای اولین بار به طور جداگانه در سال ۱۹۵۹ منتشر شد.
اجزای لوله‌کشی و انتقال حرارت تبرید ASME B31.5: این بخش لوله‌کشی مبردها و خنک‌کننده‌های ثانویه را پوشش می‌دهد. این بخش در ابتدا بخشی از B31.1 بود و برای اولین بار به طور جداگانه در سال ۱۹۶۲ منتشر شد.
سیستم‌های لوله‌کشی انتقال و توزیع گاز ASME B31.8: این بخش شامل لوله‌کشی برای انتقال محصولات گازی بین منابع و پایانه‌ها، از جمله کمپرسورها، ایستگاه‌های تهویه و اندازه‌گیری و لوله‌کشی جمع‌آوری گاز می‌شود. این بخش در ابتدا بخشی از B31.1 بود و برای اولین بار در سال ۱۹۵۵ به طور جداگانه منتشر شد.
ASME B31.9 لوله‌کشی خدمات ساختمانی: این بخش لوله‌کشی‌هایی را که معمولاً در ساختمان‌های صنعتی، سازمانی، تجاری و عمومی یافت می‌شوند، و خانه‌های چند واحدی که نیازی به اندازه، فشار و محدوده دمایی ذکر شده در ASME B31.1 ندارند، پوشش می‌دهد. این بخش مشابه ASME B31.1 و B31.3 است، اما محافظه‌کاری کمتری دارد (به خصوص هنگام محاسبه حداقل ضخامت دیواره) و جزئیات کمتری را شامل می‌شود. همانطور که در بند 900.1.2 از ASME B31.9 ذکر شده است، به کاربردهای کم فشار و دمای پایین محدود می‌شود. این بخش برای اولین بار در سال 1982 منتشر شد.
ASME B31.12 لوله کشی هیدروژن و لوله کشی: این بخش لوله کشی در سرویس هیدروژن گازی و مایع و لوله کشی در سرویس هیدروژن گازی را پوشش می دهد. این بخش برای اولین بار در سال 2008 منتشر شد.
اینکه کدام کد طراحی باید استفاده شود در نهایت به عهده مالک است. در مقدمه ASME B31 آمده است: «مسئولیت مالک است که بخشی از کد را انتخاب کند که بیشترین شباهت را به نصب لوله‌کشی پیشنهادی داشته باشد.» در برخی موارد، «ممکن است چندین بخش کد برای بخش‌های مختلف نصب اعمال شود.»
نسخه ۲۰۱۲ استاندارد ASME B31.1 به عنوان مرجع اصلی برای بحث‌های بعدی عمل خواهد کرد. هدف از این مقاله، راهنمایی مهندس طراح در برخی از مراحل اصلی طراحی یک سیستم لوله‌کشی تحت فشار مطابق با استاندارد ASME B31 است. پیروی از دستورالعمل‌های ASME B31.1، نمایش خوبی از طراحی کلی سیستم ارائه می‌دهد. در صورت پیروی از استانداردهای ASME B31.3 یا B31.9، از روش‌های طراحی مشابهی استفاده می‌شود. بقیه ASME B31 در کاربردهای محدودتر، عمدتاً برای سیستم‌ها یا کاربردهای خاص، استفاده می‌شود و بیشتر مورد بحث قرار نخواهد گرفت. اگرچه مراحل کلیدی در فرآیند طراحی در اینجا برجسته خواهد شد، اما این بحث جامع نیست و کد کامل باید همیشه در طول طراحی سیستم مورد ارجاع قرار گیرد. تمام ارجاعات به متن به ASME B31.1 اشاره دارد، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.
پس از انتخاب کد صحیح، طراح سیستم باید هرگونه الزامات طراحی خاص سیستم را نیز بررسی کند. پاراگراف 122 (بخش 6) الزامات طراحی مربوط به سیستم‌هایی را که معمولاً در کاربردهای لوله‌کشی برق یافت می‌شوند، مانند بخار، آب تغذیه، تخلیه و تخلیه، لوله‌کشی ابزار دقیق و سیستم‌های کاهش فشار، ارائه می‌دهد. ASME B31.3 شامل پاراگراف‌های مشابهی با ASME B31.1 است، اما با جزئیات کمتر. ملاحظات موجود در پاراگراف 122 شامل الزامات فشار و دمای خاص سیستم و همچنین محدودیت‌های مختلف قضایی مشخص شده بین بدنه دیگ بخار، لوله‌کشی خارجی دیگ بخار و لوله‌کشی خارجی غیر دیگ بخار متصل به لوله‌کشی دیگ بخار ASME بخش I است. تعریف. شکل 2 این محدودیت‌های دیگ بخار درام را نشان می‌دهد.
طراح سیستم باید فشار و دمایی را که سیستم در آن کار خواهد کرد و شرایطی را که سیستم باید برای برآورده کردن آنها طراحی شود، تعیین کند.
طبق بند 101.2، فشار طراحی داخلی نباید کمتر از حداکثر فشار کاری مداوم (MSOP) در سیستم لوله‌کشی، شامل اثر هد استاتیک، باشد. لوله‌کشی تحت فشار خارجی باید برای حداکثر فشار تفاضلی مورد انتظار در شرایط عملیاتی، خاموشی یا آزمایش طراحی شود. علاوه بر این، اثرات زیست‌محیطی نیز باید در نظر گرفته شود. طبق بند 101.4، اگر خنک شدن سیال احتمالاً فشار لوله را به زیر فشار اتمسفر کاهش دهد، لوله باید طوری طراحی شود که در برابر فشار خارجی مقاومت کند یا اقداماتی برای شکستن خلاء انجام شود. در شرایطی که انبساط سیال ممکن است فشار را افزایش دهد، سیستم‌های لوله‌کشی باید طوری طراحی شوند که در برابر فشار افزایش یافته مقاومت کنند یا اقداماتی برای کاهش فشار اضافی انجام شود.
از بخش 101.3.2، دمای فلز برای طراحی لوله‌کشی باید نمایانگر حداکثر شرایط پایدار مورد انتظار باشد. برای سادگی، عموماً فرض می‌شود که دمای فلز برابر با دمای سیال است. در صورت تمایل، می‌توان از میانگین دمای فلز تا زمانی که دمای دیواره بیرونی مشخص باشد، استفاده کرد. همچنین باید به سیالاتی که از مبدل‌های حرارتی یا از تجهیزات احتراق کشیده می‌شوند توجه ویژه‌ای شود تا از در نظر گرفتن بدترین شرایط دمایی اطمینان حاصل شود.
اغلب، طراحان یک حاشیه ایمنی به حداکثر فشار کاری و/یا دما اضافه می‌کنند. اندازه این حاشیه به کاربرد بستگی دارد. همچنین در نظر گرفتن محدودیت‌های مواد هنگام تعیین دمای طراحی مهم است. تعیین دماهای طراحی بالا (بیشتر از 750 درجه فارنهایت) ممکن است نیاز به استفاده از مواد آلیاژی به جای فولاد کربنی استانداردتر داشته باشد. مقادیر تنش در پیوست اجباری A فقط برای دماهای مجاز برای هر ماده ارائه شده است. به عنوان مثال، فولاد کربنی فقط می‌تواند مقادیر تنش تا 800 درجه فارنهایت را ارائه دهد. قرار گرفتن طولانی مدت فولاد کربنی در معرض دماهای بالاتر از 800 درجه فارنهایت ممکن است باعث کربنی شدن لوله شود و آن را شکننده‌تر و مستعد شکست کند. در صورت کار در دمای بالاتر از 800 درجه فارنهایت، آسیب خزش تسریع شده مرتبط با فولاد کربنی نیز باید در نظر گرفته شود. برای بحث کامل در مورد محدودیت‌های دمایی مواد، به بند 124 مراجعه کنید.
گاهی اوقات مهندسان می‌توانند فشارهای آزمایش را برای هر سیستم نیز مشخص کنند. پاراگراف ۱۳۷ راهنمایی‌هایی در مورد آزمایش تنش ارائه می‌دهد. معمولاً آزمایش هیدرواستاتیک در ۱.۵ برابر فشار طراحی مشخص می‌شود. با این حال، تنش‌های حلقه‌ای و طولی در لوله‌کشی نباید در طول آزمایش فشار از ۹۰٪ استحکام تسلیم ماده در پاراگراف ۱۰۲.۳.۳ (ب) تجاوز کند. برای برخی از سیستم‌های لوله‌کشی خارجی غیر دیگ بخار، آزمایش نشتی در حین کار ممکن است به دلیل مشکلات در جداسازی قطعات سیستم یا صرفاً به این دلیل که پیکربندی سیستم امکان آزمایش نشتی ساده را در طول سرویس اولیه فراهم می‌کند، روش عملی‌تری برای بررسی نشتی باشد. موافقم، این قابل قبول است.
پس از مشخص شدن شرایط طراحی، می‌توان لوله‌کشی را مشخص کرد. اولین چیزی که باید در مورد آن تصمیم گرفت این است که از چه ماده‌ای استفاده شود. همانطور که قبلاً ذکر شد، مواد مختلف محدودیت‌های دمایی متفاوتی دارند. بند 105 محدودیت‌های بیشتری را در مورد مواد مختلف لوله‌کشی ارائه می‌دهد. انتخاب مواد همچنین به سیال سیستم بستگی دارد، مانند آلیاژهای نیکل در کاربردهای لوله‌کشی مواد شیمیایی خورنده، فولاد ضد زنگ برای انتقال هوای تمیز ابزار دقیق، یا فولاد کربنی با محتوای کروم بالا (بیشتر از 0.1٪) برای جلوگیری از خوردگی تسریع‌شده با جریان. خوردگی تسریع‌شده با جریان (FAC) یک پدیده فرسایش/خوردگی است که نشان داده شده است که باعث نازک شدن شدید دیواره و خرابی لوله در برخی از بحرانی‌ترین سیستم‌های لوله‌کشی می‌شود. عدم در نظر گرفتن صحیح نازک شدن اجزای لوله‌کشی می‌تواند عواقب جدی داشته باشد، مانند سال 2007 که یک لوله دی‌سوپرهیت در نیروگاه IATAN شرکت KCP&L ترکید و دو کارگر را کشت و یک نفر سوم را به شدت مجروح کرد.
معادله 7 و معادله 9 در بند 104.1.1 به ترتیب حداقل ضخامت دیواره مورد نیاز و حداکثر فشار طراحی داخلی را برای لوله مستقیم تحت فشار داخلی تعریف می‌کنند. متغیرهای موجود در این معادلات شامل حداکثر تنش مجاز (از پیوست اجباری A)، قطر خارجی لوله، ضریب ماده (مطابق جدول 104.1.2 (A)) و هرگونه ضخامت مجاز اضافی (مطابق توضیحات زیر) هستند. با وجود متغیرهای بسیار زیاد، تعیین جنس لوله، قطر اسمی و ضخامت دیواره مناسب می‌تواند یک فرآیند تکراری باشد که ممکن است شامل سرعت سیال، افت فشار و هزینه‌های لوله‌کشی و پمپاژ نیز باشد. صرف نظر از کاربرد، حداقل ضخامت دیواره مورد نیاز باید تأیید شود.
ممکن است به دلایل مختلف از جمله FAC، ضخامت مجاز اضافی اضافه شود. ممکن است به دلیل حذف رزوه‌ها، شیارها و غیره، مواد مورد نیاز برای ساخت اتصالات مکانیکی، نیاز به ضخامت‌های مجاز باشد. طبق بند 102.4.2، حداقل ضخامت مجاز باید برابر با عمق رزوه به علاوه تلرانس ماشینکاری باشد. همچنین ممکن است برای جلوگیری از آسیب لوله، فروپاشی، افتادگی بیش از حد یا کمانش ناشی از بارهای اضافی یا سایر علل مورد بحث در بند 102.4.4، ضخامت مجاز لازم باشد. همچنین می‌توان ضخامت‌های مجاز را برای در نظر گرفتن اتصالات جوشی (بند 102.4.3) و زانویی‌ها (بند 102.4.5) اضافه کرد. در نهایت، می‌توان تلرانس‌ها را برای جبران خوردگی و/یا فرسایش اضافه کرد. ضخامت این ضخامت مجاز به صلاحدید طراح است و باید مطابق با بند 102.4.1 با عمر مورد انتظار لوله‌کشی سازگار باشد.
پیوست اختیاری IV راهنمایی‌هایی در مورد کنترل خوردگی ارائه می‌دهد. پوشش‌های محافظ، حفاظت کاتدی و ایزولاسیون الکتریکی (مانند فلنج‌های عایق) همگی روش‌هایی برای جلوگیری از خوردگی خارجی خطوط لوله مدفون یا غوطه‌ور هستند. می‌توان از مهارکننده‌های خوردگی یا آسترها برای جلوگیری از خوردگی داخلی استفاده کرد. همچنین باید دقت شود که از آب تست هیدرواستاتیک با خلوص مناسب استفاده شود و در صورت لزوم، پس از تست هیدرواستاتیک، لوله‌کشی به طور کامل تخلیه شود.
حداقل ضخامت دیواره لوله یا جدول مورد نیاز برای محاسبات قبلی ممکن است در سراسر قطر لوله ثابت نباشد و ممکن است برای قطرهای مختلف به مشخصات جدول‌های مختلف نیاز باشد. مقادیر مناسب جدول و ضخامت دیواره در استاندارد ASME B36.10 برای لوله‌های فولادی فورج شده جوش داده شده و بدون درز تعریف شده است.
هنگام مشخص کردن جنس لوله و انجام محاسبات مورد بحث قبلی، مهم است که اطمینان حاصل شود که حداکثر مقادیر تنش مجاز مورد استفاده در محاسبات با جنس مشخص شده مطابقت دارد. به عنوان مثال، اگر لوله فولادی ضد زنگ A312 304L به اشتباه به عنوان لوله فولادی ضد زنگ A312 304 تعیین شده باشد، ضخامت دیواره ارائه شده ممکن است به دلیل تفاوت قابل توجه در حداکثر مقادیر تنش مجاز بین دو ماده، ناکافی باشد. به همین ترتیب، روش ساخت لوله باید به طور مناسب مشخص شود. به عنوان مثال، اگر حداکثر مقدار تنش مجاز برای لوله بدون درز برای محاسبه استفاده شود، لوله بدون درز باید مشخص شود. در غیر این صورت، سازنده/نصاب ممکن است لوله جوش داده شده درزدار ارائه دهد که ممکن است به دلیل مقادیر حداکثر تنش مجاز کمتر، منجر به ضخامت دیواره ناکافی شود.
برای مثال، فرض کنید دمای طراحی خط لوله ۳۰۰ درجه فارنهایت و فشار طراحی ۱۲۰۰ پوند بر اینچ مربع (۲ و ۳ اینچ) باشد. از سیم فولادی کربنی (بدون درز درجه B A53) استفاده خواهد شد. طرح لوله‌کشی مناسب را برای برآورده کردن الزامات ASME B31.1 معادله ۹ تعیین کنید. ابتدا، شرایط طراحی توضیح داده می‌شود:
در مرحله بعد، حداکثر مقادیر تنش مجاز برای A53 درجه B را در دماهای طراحی فوق از جدول A-1 تعیین کنید. توجه داشته باشید که از مقدار مربوط به لوله بدون درز استفاده شده است زیرا لوله بدون درز مشخص شده است:
همچنین باید ضخامت مجاز اضافه شود. برای این کاربرد، ضخامت ۱/۱۶ اینچ در نظر گرفته می‌شود. ضخامت مجاز در نظر گرفته شده برای خوردگی نیز در نظر گرفته شده است. تلرانس فرزکاری جداگانه‌ای بعداً اضافه خواهد شد.
۳ اینچ. ابتدا لوله مشخص خواهد شد. با فرض لوله رده ۴۰ و تلرانس فرز ۱۲.۵٪، حداکثر فشار را محاسبه کنید:
لوله رده ۴۰ برای لوله ۳ اینچی در شرایط طراحی ذکر شده در بالا رضایت‌بخش است. سپس، ۲ اینچ را بررسی کنید. خط لوله از فرضیات مشابهی استفاده می‌کند:
۲ اینچ. تحت شرایط طراحی مشخص شده در بالا، لوله کشی به ضخامت دیواره ضخیم تری نسبت به رده ۴۰ نیاز دارد. ۲ اینچ را امتحان کنید. لوله های رده ۸۰:
اگرچه ضخامت دیواره لوله اغلب عامل محدودکننده در طراحی فشار است، اما همچنان تأیید مناسب بودن اتصالات، اجزا و اتصالات مورد استفاده برای شرایط طراحی مشخص شده، مهم است.
به عنوان یک قاعده کلی، مطابق با بندهای 104.2، 104.7.1، 106 و 107، تمام شیرها، اتصالات و سایر اجزای تحت فشار که طبق استانداردهای ذکر شده در جدول 126.1 تولید شده‌اند، برای استفاده در شرایط عملیاتی عادی یا پایین‌تر از استانداردهای درجه‌بندی فشار-دما مشخص شده در مناسب تلقی می‌شوند. کاربران باید آگاه باشند که اگر استانداردها یا تولیدکنندگان خاصی ممکن است محدودیت‌های سختگیرانه‌تری نسبت به موارد مشخص شده در ASME B31.1 برای انحراف از عملکرد عادی اعمال کنند، محدودیت‌های سختگیرانه‌تر اعمال خواهد شد.
در تقاطع لوله‌ها، استفاده از سه‌راهی‌ها، اتصالات عرضی، صلیبی، اتصالات جوشی شاخه‌ای و غیره که مطابق با استانداردهای ذکر شده در جدول 126.1 ساخته شده‌اند، توصیه می‌شود. در برخی موارد، تقاطع خطوط لوله ممکن است به اتصالات شاخه‌ای منحصر به فرد نیاز داشته باشد. بند 104.3.1 الزامات اضافی برای اتصالات شاخه‌ای ارائه می‌دهد تا اطمینان حاصل شود که مواد لوله‌کشی کافی برای تحمل فشار وجود دارد.
برای ساده‌سازی طراحی، طراح می‌تواند شرایط طراحی را بالاتر تنظیم کند تا درجه‌بندی فلنج یک کلاس فشار خاص (مثلاً کلاس ASME 150، 300 و غیره) را مطابق با کلاس فشار-دما برای مواد خاص مشخص شده در ASME B16.5 فلنج‌های لوله و اتصالات فلنج یا استانداردهای مشابه ذکر شده در جدول 126.1 برآورده کند. این امر تا زمانی که منجر به افزایش غیرضروری ضخامت دیواره یا سایر طراحی‌های اجزا نشود، قابل قبول است.
بخش مهمی از طراحی لوله‌کشی، اطمینان از حفظ یکپارچگی ساختاری سیستم لوله‌کشی پس از اعمال اثرات فشار، دما و نیروهای خارجی است. یکپارچگی ساختاری سیستم اغلب در فرآیند طراحی نادیده گرفته می‌شود و اگر به خوبی انجام نشود، می‌تواند یکی از بخش‌های پرهزینه‌تر طراحی باشد. یکپارچگی ساختاری عمدتاً در دو جا مورد بحث قرار گرفته است، بند 104.8: تحلیل اجزای خط لوله و بند 119: انبساط و انعطاف‌پذیری.
بند 104.8 فرمول‌های اساسی آیین‌نامه را که برای تعیین اینکه آیا یک سیستم لوله‌کشی از تنش‌های مجاز آیین‌نامه فراتر می‌رود یا خیر، فهرست می‌کند. این معادلات آیین‌نامه معمولاً به عنوان بارهای پیوسته، بارهای گاه به گاه و بارهای جابجایی شناخته می‌شوند. بار پایدار، اثر فشار و وزن بر روی یک سیستم لوله‌کشی است. بارهای تصادفی، بارهای پیوسته به علاوه بارهای احتمالی باد، بارهای لرزه‌ای، بارهای زمین و سایر بارهای کوتاه مدت هستند. فرض بر این است که هر بار تصادفی اعمال شده به طور همزمان بر سایر بارهای تصادفی عمل نمی‌کند، بنابراین هر بار تصادفی در زمان تجزیه و تحلیل یک حالت بار جداگانه خواهد بود. بارهای جابجایی، اثرات رشد حرارتی، جابجایی تجهیزات در حین کار یا هر بار جابجایی دیگری هستند.
بند ۱۱۹ در مورد چگونگی مدیریت انبساط و انعطاف‌پذیری لوله در سیستم‌های لوله‌کشی و نحوه تعیین بارهای واکنشی بحث می‌کند. انعطاف‌پذیری سیستم‌های لوله‌کشی اغلب در اتصالات تجهیزات از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا اکثر اتصالات تجهیزات تنها می‌توانند حداقل مقدار نیرو و گشتاور اعمال شده در نقطه اتصال را تحمل کنند. در بیشتر موارد، رشد حرارتی سیستم لوله‌کشی بیشترین تأثیر را بر بار واکنشی دارد، بنابراین کنترل رشد حرارتی در سیستم بر این اساس مهم است.
برای تطبیق با انعطاف‌پذیری سیستم لوله‌کشی و اطمینان از پشتیبانی مناسب سیستم، بهتر است لوله‌های فولادی مطابق با جدول 121.5 پشتیبانی شوند. اگر طراح تلاش کند فاصله استاندارد پشتیبانی را برای این جدول رعایت کند، سه کار انجام می‌دهد: به حداقل رساندن انحراف ناشی از وزن خود، کاهش بارهای پایدار و افزایش تنش موجود برای بارهای جابجایی. اگر طراح پشتیبانی را مطابق با جدول 121.5 قرار دهد، معمولاً منجر به جابجایی یا افتادگی کمتر از 1/8 اینچ بین تکیه‌گاه‌های لوله خواهد شد. به حداقل رساندن انحراف ناشی از وزن خود به کاهش احتمال تراکم در لوله‌های حامل بخار یا گاز کمک می‌کند. پیروی از توصیه‌های فاصله‌گذاری در جدول 121.5 همچنین به طراح اجازه می‌دهد تا تنش پایدار در لوله‌کشی را تقریباً به 50٪ از مقدار مجاز پیوسته کد کاهش دهد. طبق معادله 1B، تنش مجاز برای بارهای جابجایی با بارهای پایدار رابطه معکوس دارد. بنابراین، با به حداقل رساندن بار پایدار، می‌توان تحمل تنش جابجایی را به حداکثر رساند. فاصله توصیه شده برای تکیه‌گاه‌های لوله در شکل 3 نشان داده شده است.
برای اطمینان از اینکه بارهای واکنش سیستم لوله‌کشی به درستی در نظر گرفته شده و تنش‌های آیین‌نامه رعایت می‌شوند، یک روش رایج، انجام تحلیل تنش لوله‌کشی به کمک کامپیوتر از سیستم است. چندین بسته نرم‌افزاری مختلف برای تحلیل تنش خط لوله در دسترس است، مانند Bentley AutoPIPE، Intergraph Caesar II، Piping Solutions Tri-Flex یا یکی دیگر از بسته‌های تجاری موجود. مزیت استفاده از تحلیل تنش لوله‌کشی به کمک کامپیوتر این است که به طراح اجازه می‌دهد یک مدل المان محدود از سیستم لوله‌کشی ایجاد کند تا تأیید آن آسان باشد و بتواند تغییرات لازم را در پیکربندی ایجاد کند. شکل 4 نمونه‌ای از مدل‌سازی و تحلیل بخشی از خط لوله را نشان می‌دهد.
هنگام طراحی یک سیستم جدید، طراحان سیستم معمولاً مشخص می‌کنند که تمام لوله‌کشی‌ها و اجزا باید طبق الزامات هر آیین‌نامه‌ای که استفاده می‌شود، ساخته، جوشکاری، مونتاژ و غیره شوند. با این حال، در برخی از مقاوم‌سازی‌ها یا سایر کاربردها، ممکن است برای یک مهندس تعیین‌شده مفید باشد که در مورد تکنیک‌های تولید خاص، همانطور که در فصل پنجم توضیح داده شده است، راهنمایی ارائه دهد.
یک مشکل رایج که در کاربردهای مقاوم‌سازی با آن مواجه می‌شویم، پیش‌گرمایش جوش (بند ۱۳۱) و عملیات حرارتی پس از جوش (بند ۱۳۲) است. از جمله مزایای دیگر، این عملیات حرارتی برای کاهش تنش، جلوگیری از ترک خوردگی و افزایش استحکام جوش استفاده می‌شوند. مواردی که بر الزامات عملیات حرارتی پیش از جوش و پس از جوش تأثیر می‌گذارند شامل موارد زیر است، اما محدود به آنها نیست: گروه‌بندی عدد P، ترکیب شیمیایی مواد و ضخامت مواد در محل اتصالی که باید جوش داده شود. هر ماده ذکر شده در پیوست اجباری A دارای یک عدد P اختصاص داده شده است. برای پیش‌گرمایش، بند ۱۳۱ حداقل دمایی را که فلز پایه باید قبل از انجام جوشکاری گرم شود، ارائه می‌دهد. برای PWHT، جدول ۱۳۲ محدوده دمای نگهداری و مدت زمان نگهداری ناحیه جوش را ارائه می‌دهد. نرخ‌های گرمایش و سرمایش، روش‌های اندازه‌گیری دما، تکنیک‌های گرمایش و سایر روش‌ها باید کاملاً از دستورالعمل‌های مندرج در کد پیروی کنند. اثرات نامطلوب غیرمنتظره بر ناحیه جوش داده شده می‌تواند به دلیل عدم انجام صحیح عملیات حرارتی رخ دهد.
یکی دیگر از نگرانی‌های بالقوه در سیستم‌های لوله‌کشی تحت فشار، خمیدگی‌های لوله است. خمیدگی لوله‌ها می‌تواند باعث نازک شدن دیواره و در نتیجه ضخامت ناکافی دیواره شود. طبق بند 102.4.5، آیین‌نامه تا زمانی که حداقل ضخامت دیواره، همان فرمولی را که برای محاسبه حداقل ضخامت دیواره برای لوله مستقیم استفاده می‌شود، برآورده کند، خمیدگی را مجاز می‌داند. معمولاً، برای محاسبه ضخامت دیواره، یک مقدار اضافی اضافه می‌شود. جدول 102.4.5 مقادیر مجاز کاهش خمیدگی توصیه شده برای شعاع‌های مختلف خمیدگی را ارائه می‌دهد. خمیدگی‌ها همچنین ممکن است نیاز به عملیات حرارتی قبل از خمیدگی و/یا پس از خمیدگی داشته باشند. بند 129 راهنمایی‌هایی در مورد ساخت زانویی‌ها ارائه می‌دهد.
برای بسیاری از سیستم‌های لوله‌کشی تحت فشار، نصب یک شیر اطمینان یا شیر اطمینان برای جلوگیری از فشار بیش از حد در سیستم ضروری است. برای این کاربردها، ضمیمه اختیاری II: قوانین طراحی نصب شیر اطمینان، منبعی بسیار ارزشمند اما گاهی اوقات کمتر شناخته شده است.
مطابق با بند II-1.2، شیرهای اطمینان برای سرویس گاز یا بخار با یک عمل باز شدن کامل مشخص می‌شوند، در حالی که شیرهای اطمینان نسبت به فشار استاتیک بالادست باز می‌شوند و در درجه اول برای سرویس مایع استفاده می‌شوند.
واحدهای شیر اطمینان با توجه به اینکه آیا سیستم‌های تخلیه باز یا بسته هستند، مشخص می‌شوند. در یک اگزوز باز، زانویی در خروجی شیر اطمینان معمولاً به لوله اگزوز به اتمسفر تخلیه می‌شود. معمولاً این امر منجر به فشار برگشتی کمتری می‌شود. اگر فشار برگشتی کافی در لوله اگزوز ایجاد شود، بخشی از گاز خروجی ممکن است از انتهای ورودی لوله اگزوز خارج یا شسته شود. اندازه لوله اگزوز باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا از برگشت گاز جلوگیری شود. در کاربردهای دریچه بسته، فشار در خروجی شیر اطمینان به دلیل فشرده‌سازی هوا در خط دریچه افزایش می‌یابد و به طور بالقوه باعث انتشار امواج فشار می‌شود. در بند II-2.2.2، توصیه می‌شود که فشار طراحی خط تخلیه بسته حداقل دو برابر بیشتر از فشار کاری حالت پایدار باشد. شکل‌های 5 و 6 به ترتیب نصب شیر اطمینان را در حالت باز و بسته نشان می‌دهند.
نصب شیر اطمینان ممکن است تحت تأثیر نیروهای مختلفی باشد که در پاراگراف II-2 خلاصه شده است. این نیروها شامل اثرات انبساط حرارتی، برهمکنش تخلیه همزمان چندین شیر اطمینان، اثرات لرزه‌ای و/یا ارتعاشی و اثرات فشار در هنگام کاهش فشار هستند. اگرچه فشار طراحی تا خروجی شیر اطمینان باید با فشار طراحی لوله پایین‌رونده مطابقت داشته باشد، فشار طراحی در سیستم تخلیه به پیکربندی سیستم تخلیه و ویژگی‌های شیر اطمینان بستگی دارد. معادلاتی در پاراگراف II-2.2 برای تعیین فشار و سرعت در زانویی تخلیه، ورودی لوله تخلیه و خروجی لوله تخلیه برای سیستم‌های تخلیه باز و بسته ارائه شده است. با استفاده از این اطلاعات، نیروهای واکنش در نقاط مختلف سیستم اگزوز را می‌توان محاسبه و محاسبه کرد.
یک مثال برای مسئله‌ی تخلیه‌ی باز در پاراگراف II-7 ارائه شده است. روش‌های دیگری برای محاسبه‌ی مشخصات جریان در سیستم‌های تخلیه‌ی شیر اطمینان وجود دارد و به خواننده هشدار داده می‌شود که روش مورد استفاده به اندازه‌ی کافی محافظه‌کارانه باشد. یکی از این روش‌ها توسط جی‌اس لیائو در «ایمنی نیروگاه و تحلیل گروه تخلیه‌ی شیر اطمینان فشار» که توسط ASME در مجله‌ی مهندسی برق، اکتبر ۱۹۷۵ منتشر شده است، شرح داده شده است.
شیر اطمینان باید در حداقل فاصله لوله مستقیم و دور از هرگونه خمیدگی قرار گیرد. این حداقل فاصله به سرویس و هندسه سیستم، همانطور که در بند II-5.2.1 تعریف شده است، بستگی دارد. برای نصب‌هایی با چندین شیر اطمینان، فاصله توصیه شده برای اتصالات شاخه شیر به شعاع شاخه و لوله‌کشی سرویس بستگی دارد، همانطور که در یادداشت (10)(c) جدول D-1 نشان داده شده است. مطابق با بند II-5.7.1، ممکن است لازم باشد تکیه‌گاه‌های لوله‌کشی واقع در محل تخلیه شیر اطمینان به جای سازه‌های مجاور، به لوله‌کشی عملیاتی متصل شوند تا اثرات انبساط حرارتی و برهمکنش‌های لرزه‌ای به حداقل برسد. خلاصه‌ای از این موارد و سایر ملاحظات طراحی در طراحی مجموعه‌های شیر اطمینان را می‌توان در بند II-5 یافت.
بدیهی است که پوشش تمام الزامات طراحی ASME B31 در محدوده این مقاله امکان‌پذیر نیست. اما هر مهندس تعیین‌شده‌ای که در طراحی سیستم لوله‌کشی تحت فشار مشارکت دارد، باید حداقل با این کد طراحی آشنا باشد. امیدواریم با اطلاعات فوق، خوانندگان ASME B31 را منبعی ارزشمندتر و در دسترس‌تر بیابند.
مونت کی. انگلکمایر رهبر پروژه در مشاوران استنلی است. انگلکمایر عضو انجمن مهندسی آیووا، NSPE و ASME است و در کمیته و کمیته فرعی کد لوله‌کشی برق B31.1 فعالیت می‌کند. او بیش از 12 سال تجربه عملی در طرح‌بندی، طراحی، ارزیابی مهاربندی و تحلیل تنش سیستم‌های لوله‌کشی دارد. مت ویلکی مهندس مکانیک در مشاوران استنلی است. او بیش از 6 سال تجربه حرفه‌ای در طراحی سیستم‌های لوله‌کشی برای انواع مشتریان خدماتی، شهری، سازمانی و صنعتی دارد و عضو ASME و انجمن مهندسی آیووا است.
آیا در مورد موضوعات مطرح شده در این محتوا تجربه و تخصص دارید؟ شما باید مشارکت در تیم تحریریه CFE Media ما را در نظر بگیرید و از تقدیر و تشکری که شایسته شماست و شرکتتان دریافت کنید. برای شروع این فرآیند اینجا کلیک کنید.