Приликом пројектовања система цевовода под притиском, инжењер који пројектује систем ће често навести да цевовод система треба да буде у складу са једним или више делова ASME B31 Кодекса за цевоводе под притиском. Како инжењери правилно прате захтеве кода приликом пројектовања система цевовода?
Прво, инжењер мора да утврди коју спецификацију пројектовања треба одабрати. За системе цевовода под притиском, ово није нужно ограничено на ASME B31. Остали прописи које издају ASME, ANSI, NFPA или друге управљачке организације могу бити регулисани локацијом пројекта, применом итд. У ASME B31 тренутно је на снази седам одвојених одељака.
ASME B31.1 Електричне цеви: Овај одељак покрива цеви у електранама, индустријским и институционалним постројењима, геотермалним системима грејања и централним и даљинским системима грејања и хлађења. Ово укључује спољашње цеви котла и спољашње цеви које нису котлови и које се користе за инсталирање котлова ASME Одељак I. Овај одељак се не примењује на опрему обухваћену ASME Кодексом за котлове и посуде под притиском, одређене цеви за дистрибуцију грејања и хлађења ниског притиска и разне друге системе описане у параграфу 100.1.3 ASME B31.1. Порекло ASME B31.1 може се пратити до 1920-их, са првим званичним издањем објављеним 1935. године. Треба напоменути да је прво издање, укључујући додатке, било мање од 30 страница, а тренутно издање има преко 300 страница.
ASME B31.3 Процесне цеви: Овај одељак покрива цевоводе у рафинеријама; хемијским, фармацеутским, текстилним, папирним, полупроводничким и криогеним постројењима; и повезаним постројењима за прераду и терминалима. Овај одељак је веома сличан ASME B31.1, посебно када се израчунава минимална дебљина зида за равне цеви. Овај одељак је првобитно био део B31.1 и први пут је објављен одвојено 1959. године.
ASME B31.4 Системи цевоводног транспорта за течности и муљ: Овај одељак обухвата цевоводе који транспортују првенствено течне производе између постројења и терминала, као и унутар терминала, пумпних, кондиционих и мерних станица. Овај одељак је првобитно био део B31.1 и први пут је објављен одвојено 1959. године.
ASME B31.5 Цевоводи за хлађење и компоненте за пренос топлоте: Овај одељак покрива цеви за расхладна средства и секундарна расхладна средства. Овај део је првобитно био део B31.1 и први пут је објављен одвојено 1962. године.
ASME B31.8 Системи цевовода за пренос и дистрибуцију гаса: Ово укључује цевоводе за транспорт првенствено гасовитих производа између извора и терминала, укључујући компресоре, станице за кондиционирање и мерење; и цевоводе за сакупљање гаса. Овај одељак је првобитно био део B31.1 и први пут је објављен одвојено 1955. године.
ASME B31.9 Цевоводи за зграде: Овај одељак покрива цеви које се обично налазе у индустријским, институционалним, комерцијалним и јавним зградама; и стамбене зграде са више јединица које не захтевају опсеге величине, притиска и температуре обухваћене у ASME B31.1. Овај одељак је сличан ASME B31.1 и B31.3, али је мање конзервативан (посебно при израчунавању минималне дебљине зида) и садржи мање детаља. Ограничен је на примене ниског притиска и ниских температура, као што је назначено у ASME B31.9 параграфу 900.1.2. Ово је први пут објављено 1982. године.
ASME B31.12 Цевоводи за водоник и цевоводи: Овај одељак покрива цевоводе у гасовитом и течном водонику и цевоводе у гасовитом водонику. Овај одељак је први пут објављен 2008. године.
Који пропис за пројектовање треба користити је на крају на власнику. Увод у ASME B31 наводи: „Одговорност власника је да изабере одељак прописа који најближе одговара предложеној инсталацији цеви.“ У неким случајевима, „више одељака прописа може се применити на различите делове инсталације.“
Издање ASME B31.1 из 2012. године служиће као примарна референца за наредне дискусије. Сврха овог чланка је да води инжењера за пројектовање кроз неке од главних корака у пројектовању система цевовода под притиском који је у складу са ASME B31. Праћење смерница ASME B31.1 пружа добру репрезентацију општег дизајна система. Сличне методе пројектовања се користе ако се прати ASME B31.3 или B31.9. Остатак ASME B31 се користи у ужим применама, првенствено за специфичне системе или примене, и неће се даље разматрати. Иако ће кључни кораци у процесу пројектовања бити истакнути овде, ова дискусија није исцрпна и комплетан код треба увек бити наведен током пројектовања система. Све референце на текст односе се на ASME B31.1 осим ако није другачије назначено.
Након избора исправног кода, пројектант система такође мора прегледати све захтеве за пројектовање специфичне за систем. Параграф 122 (Део 6) даје захтеве за пројектовање који се односе на системе који се обично налазе у електричним цевоводима, као што су пара, напојна вода, одвод и одвод, цеви за инструментацију и системи за растерећење притиска. ASME B31.3 садржи сличне параграфе као ASME B31.1, али са мање детаља. Разматрања у параграфу 122 укључују захтеве за притисак и температуру специфичне за систем, као и различита јурисдикцијска ограничења разграничена између самог котла, спољних цеви котла и спољних цеви које нису котлови повезане са ASME цевоводима котла из дела I. дефиниција. Слика 2 приказује ова ограничења котла са бубњем.
Пројектант система мора да одреди притисак и температуру на којима ће систем радити и услове које систем треба да испуни.
Према ставу 101.2, унутрашњи пројектовани притисак не сме бити мањи од максималног континуираног радног притиска (MSOP) унутар цевоводног система, укључујући ефекат статичког притиска. Цевоводи изложене спољашњем притиску морају бити пројектоване за максимални диференцијални притисак који се очекује у условима рада, заустављања или испитивања. Поред тога, потребно је узети у обзир утицаје на животну средину. Према ставу 101.4, ако је вероватно да ће хлађење флуида смањити притисак у цеви испод атмосферског притиска, цев мора бити пројектована да издржи спољашњи притисак или треба предузети мере за прекид вакуума. У ситуацијама када ширење флуида може повећати притисак, цевоводни системи треба да буду пројектовани да издрже повећани притисак или треба предузети мере за ублажавање вишка притиска.
Почевши од одељка 101.3.2, температура метала за пројектовање цеви мора бити репрезентативна за очекиване максималне трајне услове. Ради једноставности, генерално се претпоставља да је температура метала једнака температури флуида. По жељи, може се користити просечна температура метала све док је позната температура спољашњег зида. Посебну пажњу треба обратити и на флуиде који се увлаче кроз измењиваче топлоте или из опреме за сагоревање како би се осигурало да се узму у обзир најгори температурни услови.
Често, пројектанти додају сигурносну маргину максималном радном притиску и/или температури. Величина маргине зависи од примене. Такође је важно узети у обзир ограничења материјала приликом одређивања пројектне температуре. Одређивање високих пројектних температура (већих од 750°F) може захтевати употребу легираних материјала уместо стандарднијег угљеничног челика. Вредности напона у Обавезном додатку А дате су само за дозвољене температуре за сваки материјал. На пример, угљенични челик може да обезбеди вредности напона само до 800°F. Дуготрајно излагање угљеничног челика температурама изнад 800°F може проузроковати карбонизацију цеви, чинећи је кртијом и склонијом квару. Ако се ради изнад 800°F, треба узети у обзир и убрзано оштећење од пузања повезано са угљеничним челиком. Видите пасус 124 за потпуну дискусију о ограничењима температуре материјала.
Понекад инжењери могу такође да одреде испитне притиске за сваки систем. Параграф 137 даје смернице о испитивању напрезања. Типично, хидростатичко испитивање ће бити специфицирано на 1,5 пута већи од пројектованог притиска; међутим, обручни и уздужни напони у цевоводу не смеју прећи 90% границе течења материјала у параграфу 102.3.3 (Б) током испитивања притиска. За неке спољне цевоводне системе који нису котлови, испитивање цурења у раду може бити практичнија метода провере цурења због потешкоћа у изолацији делова система или једноставно зато што конфигурација система омогућава једноставно испитивање цурења током почетног рада. Слажем се, ово је прихватљиво.
Када се утврде услови пројектовања, могу се специфицирати цеви. Прва ствар коју треба одлучити је који материјал користити. Као што је раније поменуто, различити материјали имају различита температурна ограничења. Параграф 105 даје додатна ограничења за различите материјале цеви. Избор материјала такође зависи од системске течности, као што је употреба легура никла у применама цеви за корозивне хемикалије, употреба нерђајућег челика за испоруку чистог инструменталног ваздуха или употреба угљеничног челика са високим садржајем хрома (већим од 0,1%) како би се спречила корозија убрзана протоком. Корозија убрзана протоком (FAC) је феномен ерозије/корозије за који је показано да изазива озбиљно стањивање зидова и квар цеви у неким од најкритичнијих система цеви. Неправилно разматрање стањивања водоводних компоненти може и имало је озбиљне последице, као што је био случај 2007. године када је пукла цев за хлађење прегревања у електрани IATAN компаније KCP&L, усмртивши два радника и тешко повредивши трећег.
Једначина 7 и једначина 9 у пасусу 104.1.1 дефинишу минималну потребну дебљину зида и максимални унутрашњи пројектни притисак, респективно, за равну цев изложену унутрашњем притиску. Променљиве у овим једначинама укључују максимално дозвољено напрезање (из Обавезног додатка А), спољашњи пречник цеви, фактор материјала (као што је приказано у Табели 104.1.2 (А)) и све додатне дозвољене вредности дебљине (као што је описано у наставку). Са толико укључених променљивих, одређивање одговарајућег материјала цеви, номиналног пречника и дебљине зида може бити итеративни процес који може укључивати и брзину флуида, пад притиска и трошкове цеви и пумпи. Без обзира на примену, минимална потребна дебљина зида мора се проверити.
Додатни додатак за дебљину може се додати како би се компензовали различити разлози, укључујући FAC. Додаци могу бити потребни због уклањања навоја, прореза итд. материјала потребног за израду механичких спојева. Према параграфу 102.4.2, минимални додатак мора бити једнак дубини навоја плус толеранција обраде. Додатак може бити потребан и за обезбеђивање додатне чврстоће како би се спречило оштећење цеви, урушавање, прекомерно савијање или извијање услед надложеног оптерећења или других узрока о којима се говори у параграфу 102.4.4. Додаци се такође могу додати како би се узели у обзир заварени спојеви (параграф 102.4.3) и колена (параграф 102.4.5). Коначно, толеранције се могу додати како би се компензовала корозија и/или ерозија. Дебљина овог додатка је по нахођењу пројектанта и мора бити у складу са очекиваним веком трајања цеви у складу са параграфом 102.4.1.
Опциони Анекс IV даје смернице о контроли корозије. Заштитни премази, катодна заштита и електрична изолација (као што су изолационе прирубнице) су све методе спречавања спољашње корозије закопаних или потопљених цевовода. Инхибитори корозије или облоге могу се користити за спречавање унутрашње корозије. Такође треба водити рачуна да се користи вода за хидростатичко испитивање одговарајуће чистоће и, ако је потребно, да се цевовод потпуно испразни након хидростатичког испитивања.
Минимална дебљина зида цеви или распоред потребан за претходне прорачуне можда неће бити константан дуж пречника цеви и може захтевати спецификације за различите распореде за различите пречнике. Одговарајуће вредности распореда и дебљине зида дефинисане су у ASME B36.10 Заварене и бешавне коване челичне цеви.
Приликом одређивања материјала цеви и извођења раније поменутих прорачуна, важно је осигурати да се максималне дозвољене вредности напона коришћене у прорачунима подударају са наведеним материјалом. На пример, ако је цев од нерђајућег челика A312 304L погрешно наведена уместо цеви од нерђајућег челика A312 304, наведена дебљина зида може бити недовољна због значајне разлике у максимално дозвољеним вредностима напона између два материјала. Слично томе, метод производње цеви мора бити одговарајуће наведен. На пример, ако се за прорачун користи максимална дозвољена вредност напона за бешавне цеви, треба навести бешавне цеви. У супротном, произвођач/инсталатер може понудити шавно заварене цеви, што може довести до недовољне дебљине зида због нижих максимално дозвољених вредности напона.
На пример, претпоставимо да је пројектована температура цевовода 300°F, а пројектовани притисак 1.200 psig. 2″ и 3″. Користиће се жица од угљеничног челика (бешавна жица A53 класе B). Одредите одговарајући план цевовода како бисте испунили захтеве ASME B31.1 једначине 9. Прво, објашњени су пројектни услови:
Затим, одредите максималне дозвољене вредности напона за А53 класу Б на горе наведеним пројектним температурама из Табеле А-1. Имајте на уму да се вредност за бешавне цеви користи јер је бешавна цев специфицирана:
Такође се мора додати додатак за дебљину. За ову примену, претпоставља се додатак за корозију од 1/16 инча. Посебна толеранција за глодање биће додата касније.
3 инча. Цев ће прво бити специфицирана. Под претпоставком да је у питању цев из Schedule 40 и толеранција глодања од 12,5%, израчунајте максимални притисак:
Цев класе 40 је задовољавајућа за цев од 3 инча у горе наведеним пројектним условима. Затим, проверите 2 инча. Цевовод користи исте претпоставке:
2 инча. Под горе наведеним пројектним условима, цеви ће захтевати дебљи зид од оног из Прилога 40. Покушајте са 2 инча. Цеви из Прилога 80:
Иако је дебљина зида цеви често ограничавајући фактор у пројектовању под притиском, ипак је важно проверити да ли су коришћени фитинги, компоненте и спојеви погодни за наведене услове пројектовања.
Као опште правило, у складу са параграфима 104.2, 104.7.1, 106 и 107, сви вентили, фитинги и друге компоненте под притиском произведене према стандардима наведеним у Табели 126.1 сматраће се погодним за употребу под нормалним радним условима или испод оних стандардних вредности притиска и температуре наведених у . Корисници треба да буду свесни да ако одређени стандарди или произвођачи могу да пропишу строжа ограничења одступања од нормалног рада од оних наведених у ASME B31.1, примењиваће се строжа ограничења.
На раскрсницама цеви препоручују се Т-комади, попречни делови, крстасти делови, заварени спојеви грана итд., произведени према стандардима наведеним у Табели 126.1. У неким случајевима, раскрснице цевовода могу захтевати јединствене гранасте спојеве. Параграф 104.3.1 даје додатне захтеве за гранасте спојеве како би се осигурало да постоји довољно материјала за цевоводе да издржи притисак.
Ради поједностављења пројектовања, пројектант може да изабере да подеси више услове пројектовања како би испунио захтеве прирубнице одређене класе притиска (нпр. ASME класа 150, 300, итд.) како је дефинисано класом притиска и температуре за специфичне материјале наведене у ASME B16 .5 Прирубнице цеви и прирубнички спојеви или сличним стандардима наведеним у Табели 126.1. Ово је прихватљиво све док не доводи до непотребног повећања дебљине зида или других дизајна компоненти.
Важан део пројектовања цевовода је осигуравање да се структурни интегритет цевоводног система одржи након што се примене ефекти притиска, температуре и спољашњих сила. Структурни интегритет система се често занемарује у процесу пројектовања и, ако се не уради добро, може бити један од скупљих делова пројектовања. Структурни интегритет се првенствено разматра на два места, у параграфу 104.8: Анализа компоненти цевовода и параграфу 119: Проширење и флексибилност.
Параграф 104.8 наводи основне формуле прописа које се користе за одређивање да ли систем цевовода прелази дозвољена напрезања према прописима. Ове једначине прописа се обично називају континуалним оптерећењима, повременим оптерећењима и оптерећењима померања. Трајно оптерећење је ефекат притиска и тежине на систем цевовода. Случајна оптерећења су континуална оптерећења плус могућа оптерећења ветра, сеизмичка оптерећења, оптерећења терена и друга краткотрајна оптерећења. Претпоставља се да свако примењено случајно оптерећење неће деловати на друга случајна оптерећења истовремено, тако да ће свако случајно оптерећење бити посебан случај оптерећења у време анализе. Оптерећења померања су ефекти термичког раста, померања опреме током рада или било ког другог оптерећења померања.
Пасус 119 разматра како се носити са ширењем и флексибилношћу цеви у цевним системима и како одредити реакциона оптерећења. Флексибилност цевних система је често најважнија код прикључака опреме, јер већина прикључака опреме може да издржи само минималну количину силе и момента примењеног на тачки прикључка. У већини случајева, термички раст цевног система има највећи утицај на реакционо оптерећење, па је важно контролисати термички раст у систему у складу са тим.
Да би се прилагодила флексибилност цевоводног система и осигурало да је систем правилно подржан, добра је пракса да се челичне цеви подупру у складу са Табелом 121.5. Ако пројектант тежи да испуни стандардни размак између ослонаца за ову табелу, постиже три ствари: минимизира отклон сопствене тежине, смањује стална оптерећења и повећава расположиви напон за оптерећења померања. Ако пројектант постави ослонац у складу са Табелом 121.5, то ће обично резултирати померањем или прогибом сопствене тежине мањим од 1/8 инча између ослонаца цеви. Минимизирање отклона сопствене тежине помаже у смањењу шансе за кондензацију у цевима које преносе пару или гас. Праћење препорука за размак у Табели 121.5 такође омогућава пројектанту да смањи стални напон у цевоводу на приближно 50% континуално дозвољене вредности прописа. Према једначини 1Б, дозвољени напон за оптерећења померања је обрнуто пропорционалан сталним оптерећењима. Стога, минимизирањем сталног оптерећења, толеранција на напон померања може се максимизирати. Препоручени размак за ослонце цеви је приказан на Слици 3.
Да би се осигурало да се реактивна оптерећења цевоводног система правилно узимају у обзир и да се испуњавају прописи о напонима, уобичајена метода је извођење рачунарски потпомогнуте анализе напона цевовода система. Доступно је неколико различитих софтверских пакета за анализу напона цевовода, као што су Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex или један од других комерцијално доступних пакета. Предност коришћења рачунарски потпомогнуте анализе напона цевовода је у томе што омогућава пројектанту да креира модел коначних елемената цевоводног система ради лаке верификације и могућности извршавања потребних промена у конфигурацији. Слика 4 приказује пример моделирања и анализе дела цевовода.
Приликом пројектовања новог система, пројектанти система обично наводе да све цеви и компоненте треба да буду произведене, заварене, склопљене итд. како је прописано било којим прописом који се користи. Међутим, код неких реконструкција или других примена, може бити корисно да именовани инжењер пружи смернице о одређеним техникама производње, као што је описано у Поглављу V.
Уобичајени проблем који се јавља код реконструкције је предгревање заваривања (параграф 131) и термичка обрада након заваривања (параграф 132). Између осталих предности, ове термичке обраде се користе за ублажавање напрезања, спречавање пуцања и повећање чврстоће заваривања. Ствари које утичу на захтеве за термичку обраду пре и после заваривања укључују, али нису ограничене на, следеће: груписање П бројем, хемијски састав материјала и дебљину материјала на споју који се заварује. Сваки материјал наведен у Обавезном додатку А има додељени П број. За предгревање, параграф 131 даје минималну температуру на коју се основни метал мора загрејати пре него што може доћи до заваривања. За PWHT, Табела 132 даје опсег температуре држања и време држања зоне заваривања. Брзине загревања и хлађења, методе мерења температуре, технике загревања и други поступци треба строго да се придржавају смерница наведених у прописима. Неочекивани негативни ефекти на заварено подручје могу се јавити због неправилне термичке обраде.
Још једно потенцијално подручје забринутости у системима цеви под притиском су кривине цеви. Савијање цеви може проузроковати стањивање зида, што резултира недовољном дебљином зида. Према параграфу 102.4.5, пропис дозвољава кривине све док минимална дебљина зида задовољава исту формулу која се користи за израчунавање минималне дебљине зида за равне цеви. Типично, додаје се додатак да би се узела у обзир дебљина зида. Табела 102.4.5 даје препоручене додатке за смањење савијања за различите радијусе савијања. Кривине такође могу захтевати термичку обраду пре савијања и/или након савијања. Параграф 129 даје смернице о производњи колена.
За многе системе цевовода под притиском, неопходно је инсталирати сигурносни вентил или преливни вентил како би се спречио прекомерни притисак у систему. За ове примене, опциони Додатак II: Правила пројектовања уградње сигурносних вентила је веома вредан, али понекад мало познат ресурс.
У складу са ставом II-1.2, сигурносни вентили се карактеришу потпуно отвореним искакањем за рад са гасом или паром, док се сигурносни вентили отварају у односу на узводни статички притисак и првенствено се користе за рад са течностима.
Јединице сигурносних вентила карактеришу се по томе да ли су отворени или затворени системи за испуштање. Код отвореног издува, колено на излазу сигурносног вентила ће обично испуштати у издувну цев у атмосферу. Типично, ово ће резултирати мањим повратним притиском. Ако се у издувној цеви створи довољан повратни притисак, део издувних гасова може бити избачен или испуштен назад са улазног краја издувне цеви. Величина издувне цеви треба да буде довољно велика да спречи повратни дување. Код затворених примена вентила, притисак се накупља на излазу сигурносног вентила због компресије ваздуха у вентилационој линији, што потенцијално може изазвати ширење таласа притиска. У пасусу II-2.2.2, препоручује се да пројектовани притисак затворене издувне линије буде најмање два пута већи од радног притиска у стабилном стању. Слике 5 и 6 приказују инсталацију сигурносног вентила у отвореном и затвореном стању, респективно.
Инсталације сигурносних вентила могу бити изложене различитим силама, као што је сумирано у пасусу II-2. Ове силе укључују ефекте термичког ширења, интеракцију вишеструких сигурносних вентила који истовремено испуштају ваздух, сеизмичке и/или вибрационе ефекте и ефекте притиска током догађаја растерећења притиска. Иако пројектовани притисак до излаза сигурносног вентила треба да одговара пројектованом притиску силазне цеви, пројектовани притисак у систему за испуштање зависи од конфигурације система за испуштање и карактеристика сигурносног вентила. Једначине за одређивање притиска и брзине на издувном колену, улазу у издувну цев и излазу издувне цеви за отворене и затворене системе за испуштање дате су у пасусу II-2.2. Користећи ове информације, могу се израчунати и узети у обзир силе реакције на различитим тачкама у издувном систему.
Пример проблема за примену отвореног пражњења дат је у пасусу II-7. Постоје и друге методе за израчунавање карактеристика протока у системима за пражњење помоћу рељефних вентила, а читалац се упозорава да провери да ли је коришћена метода довољно конзервативна. Једну такву методу описао је Г. С. Лиао у делу „Безбедност електране и анализа групе издувних гасова рељефних вентила“, објављеном од стране ASME у часопису Journal of Electrical Engineering, октобар 1975. године.
Положај сигурносног вентила треба да одржава минималну удаљеност равне цеви од било које кривине. Ова минимална удаљеност зависи од употребе и геометрије система како је дефинисано у пасусу II-5.2.1. За инсталације са вишеструким преливним вентилима, препоручени размак за спојеве грана вентила зависи од радијуса гране и прикључних цеви, као што је приказано у напомени (10)(ц) Табеле Д-1. У складу са пасусом II-5.7.1, може бити потребно повезати носаче цеви који се налазе на испусту преливног вентила са радним цевима, а не са суседном структуром, како би се минимизирали ефекти термичког ширења и сеизмичких интеракција. Резиме ових и других разматрања пројектовања при пројектовању склопова сигурносних вентила може се наћи у пасусу II-5.
Очигледно је да није могуће обухватити све захтеве пројектовања ASME B31 у оквиру овог чланка. Међутим, сваки именовани инжењер укључен у пројектовање система цевовода под притиском требало би да буде барем упознат са овим прописима о пројектовању. Надамо се да ће читаоци, уз горе наведене информације, сматрати ASME B31 вреднијим и приступачнијим ресурсом.
Монте К. Енгелкемир је вођа пројекта у компанији Stanley Consultants. Енгелкемир је члан Ајова инжењерског друштва, NSPE и ASME, и члан је Комитета и подкомитета за електричне цевоводе B31.1. Има преко 12 година практичног искуства у распореду, пројектовању цевоводних система, процени учвршћивања и анализи напона. Мет Вилки је машински инжењер у Stanley Consultants. Има преко 6 година професионалног искуства у пројектовању цевоводних система за разне комуналне, општинске, институционалне и индустријске клијенте и члан је ASME и Ајова инжењерског друштва.
Да ли имате искуства и стручности у областима које се обрађују у овом садржају? Требало би да размислите о доприносу нашем уредничком тиму CFE Media и добијете признање које ви и ваша компанија заслужујете. Кликните овде да бисте започели процес.