เมื่อออกแบบระบบท่อแรงดัน วิศวกรผู้กำหนดจะระบุบ่อยครั้งว่าท่อระบบจะต้องเป็นไปตาม ASME B31 Pressure Piping Code อย่างน้อยหนึ่งส่วน วิศวกรปฏิบัติตามข้อกำหนดของรหัสอย่างถูกต้องได้อย่างไรเมื่อออกแบบระบบท่อ?
ประการแรก วิศวกรจะต้องกำหนดว่าควรเลือกข้อกำหนดการออกแบบใด สำหรับระบบท่อแรงดัน ไม่จำเป็นต้องจำกัดอยู่แค่ ASME B31 เท่านั้น รหัสอื่นๆ ที่ออกโดย ASME, ANSI, NFPA หรือองค์กรกำกับดูแลอื่นๆ อาจได้รับการควบคุมโดยสถานที่โครงการ การใช้งาน เป็นต้น ใน ASME B31 ปัจจุบันมี 7 ส่วนที่แยกจากกันที่มีผลบังคับใช้
ASME B31.1 ระบบท่อไฟฟ้า: หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงท่อในโรงไฟฟ้า โรงงานอุตสาหกรรมและสถาบัน ระบบทำความร้อนความร้อนใต้พิภพ ระบบทำความร้อนและทำความเย็นส่วนกลางและส่วนกลาง ซึ่งรวมถึงท่อภายนอกหม้อไอน้ำและภายนอกที่ไม่ใช่หม้อไอน้ำที่ใช้ในการติดตั้งหม้อไอน้ำ ASME หัวข้อ I หัวข้อนี้ไม่ใช้กับอุปกรณ์ที่ครอบคลุมโดย ASME Boiler and Pressure Vessel Code ท่อจ่ายความร้อนและทำความเย็นแรงดันต่ำบางประเภท และระบบอื่นๆ ที่อธิบายไว้ในย่อหน้า 100.1.3 ของ ASME B31.1 ต้นกำเนิดของ ASME B31.1 สามารถสืบย้อนไปถึงช่วงปี ค.ศ. 1920 โดยฉบับพิมพ์ครั้งแรกอย่างเป็นทางการเผยแพร่ในปี ค.ศ. 1935 โปรดทราบว่าฉบับพิมพ์ครั้งแรกรวมทั้งภาคผนวกมีความยาวน้อยกว่า 30 หน้า และฉบับพิมพ์ปัจจุบันมีความยาวมากกว่า 300 หน้า
ASME B31.3 ระบบท่อกระบวนการ: หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงระบบท่อในโรงกลั่น โรงงานเคมี โรงงานยา โรงงานสิ่งทอ โรงงานกระดาษ โรงงานเซมิคอนดักเตอร์และโรงงานแช่แข็ง และโรงงานแปรรูปและสถานีปลายทางที่เกี่ยวข้อง หัวข้อนี้มีความคล้ายคลึงกับ ASME B31.1 มาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคำนวณความหนาของผนังขั้นต่ำสำหรับท่อตรง หัวข้อนี้เดิมเป็นส่วนหนึ่งของ B31.1 และได้รับการเผยแพร่แยกกันครั้งแรกในปีพ.ศ. 2502
ASME B31.4 ระบบขนส่งทางท่อสำหรับของเหลวและสารละลาย: หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงระบบท่อที่ขนส่งผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลวเป็นหลักระหว่างโรงงานและสถานีปลายทาง และภายในสถานีปลายทาง สถานีสูบน้ำ สถานีปรับสภาพ และสถานีตรวจวัด หัวข้อนี้เดิมเป็นส่วนหนึ่งของ B31.1 และเผยแพร่แยกกันครั้งแรกในปีพ.ศ. 2502
ASME B31.5 ท่อทำความเย็นและส่วนประกอบการถ่ายเทความร้อน: หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงท่อสำหรับสารทำความเย็นและสารหล่อเย็นรอง หัวข้อนี้เดิมเป็นส่วนหนึ่งของ B31.1 และได้รับการเผยแพร่แยกกันครั้งแรกในปีพ.ศ. 2505
ASME B31.8 ระบบท่อส่งและจำหน่ายก๊าซ: ซึ่งรวมถึงท่อที่ใช้ขนส่งผลิตภัณฑ์ก๊าซเป็นหลักระหว่างแหล่งและสถานี รวมถึงคอมเพรสเซอร์ สถานีปรับอากาศและวัด และท่อรวบรวมก๊าซ ส่วนนี้เดิมเป็นส่วนหนึ่งของ B31.1 และได้รับการเผยแพร่แยกกันครั้งแรกในปีพ.ศ. 2498
ASME B31.9 ระบบท่อสำหรับบริการอาคาร: หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงระบบท่อที่พบได้ทั่วไปในอาคารอุตสาหกรรม สถาบัน พาณิชยกรรม และสาธารณะ และที่อยู่อาศัยหลายยูนิตที่ไม่ต้องการขนาด แรงดัน และช่วงอุณหภูมิที่ครอบคลุมใน ASME B31.1 หัวข้อนี้คล้ายคลึงกับ ASME B31.1 และ B31.3 แต่มีความระมัดระวังน้อยกว่า (โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคำนวณความหนาของผนังขั้นต่ำ) และมีรายละเอียดน้อยกว่า โดยจำกัดเฉพาะการใช้งานแรงดันต่ำ อุณหภูมิต่ำ ตามที่ระบุไว้ใน ASME B31.9 ย่อหน้า 900.1.2 หัวข้อนี้เผยแพร่ครั้งแรกในปี 1982
ASME B31.12 ท่อน้ำไฮโดรเจนและระบบท่อส่ง: หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงท่อส่งไฮโดรเจนในรูปแบบก๊าซและของเหลว และท่อส่งไฮโดรเจนในรูปแบบก๊าซ หัวข้อนี้ได้รับการเผยแพร่ครั้งแรกในปี 2551
ท้ายที่สุดแล้ว ควรใช้รหัสการออกแบบใดนั้นขึ้นอยู่กับเจ้าของ บทนำของ ASME B31 ระบุว่า “เป็นความรับผิดชอบของเจ้าของในการเลือกส่วนรหัสที่ใกล้เคียงกับการติดตั้งท่อที่เสนอมากที่สุด” ในบางกรณี “ส่วนรหัสหลายส่วนอาจนำไปใช้กับส่วนต่างๆ ของการติดตั้ง”
ASME B31.1 ฉบับปี 2012 จะเป็นข้อมูลอ้างอิงหลักสำหรับการอภิปรายในภายหลัง บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อแนะนำวิศวกรผู้กำหนดเกี่ยวกับขั้นตอนหลักบางขั้นตอนในการออกแบบระบบท่อแรงดันที่เป็นไปตามมาตรฐาน ASME B31 การปฏิบัติตามแนวปฏิบัติของ ASME B31.1 ช่วยให้เห็นภาพการออกแบบระบบโดยทั่วไปได้ดี จะใช้วิธีการออกแบบที่คล้ายคลึงกันหากปฏิบัติตาม ASME B31.3 หรือ B31.9 ส่วนที่เหลือของ ASME B31 ใช้ในแอปพลิเคชันที่แคบกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบหรือแอปพลิเคชันเฉพาะ และจะไม่กล่าวถึงเพิ่มเติม แม้ว่าจะเน้นที่ขั้นตอนสำคัญในกระบวนการออกแบบที่นี่ แต่การอภิปรายนี้ไม่ครอบคลุมทั้งหมด และควรอ้างอิงโค้ดทั้งหมดเสมอในระหว่างการออกแบบระบบ การอ้างอิงข้อความทั้งหมดอ้างถึง ASME B31.1 เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น
หลังจากเลือกโค้ดที่ถูกต้องแล้ว ผู้ออกแบบระบบจะต้องตรวจสอบข้อกำหนดการออกแบบเฉพาะระบบใดๆ ด้วย ย่อหน้า 122 (ตอนที่ 6) ให้ข้อกำหนดการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับระบบที่พบโดยทั่วไปในการใช้งานระบบท่อไฟฟ้า เช่น ระบบไอน้ำ น้ำป้อน ระบบระบายและปรับแรงดัน ระบบท่อเครื่องมือวัด และระบบระบายความดัน ASME B31.3 มีย่อหน้าที่คล้ายกับ ASME B31.1 แต่มีรายละเอียดน้อยกว่า ข้อควรพิจารณาในย่อหน้า 122 ได้แก่ ข้อกำหนดด้านแรงดันและอุณหภูมิเฉพาะระบบ ตลอดจนข้อจำกัดด้านเขตอำนาจศาลต่างๆ ที่กำหนดไว้ระหว่างตัวหม้อไอน้ำ ท่อภายนอกหม้อไอน้ำ และท่อภายนอกที่ไม่ใช่หม้อไอน้ำที่เชื่อมต่อกับท่อหม้อไอน้ำ ASME ส่วนที่ I คำจำกัดความ รูปที่ 2 แสดงถึงข้อจำกัดเหล่านี้ของหม้อไอน้ำแบบดรัม
ผู้ออกแบบระบบจะต้องกำหนดแรงดันและอุณหภูมิที่ระบบจะทำงาน และเงื่อนไขต่างๆ ที่ควรออกแบบระบบให้เป็นไปตามนั้น
ตามวรรคที่ 101.2 ความดันการออกแบบภายในจะต้องไม่น้อยกว่าความดันทำงานต่อเนื่องสูงสุด (MSOP) ภายในระบบท่อ รวมถึงผลของแรงดันคงที่ ท่อที่ต้องรับความดันภายนอกจะต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้ได้ความดันต่างสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขการทำงาน การปิดระบบ หรือการทดสอบ นอกจากนี้ จะต้องพิจารณาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย ตามวรรคที่ 101.4 ถ้าการระบายความร้อนของของไหลมีแนวโน้มที่จะลดความดันในท่อให้ต่ำกว่าความดันบรรยากาศ ท่อจะต้องได้รับการออกแบบให้ทนต่อแรงดันภายนอก หรือจะต้องมีการดำเนินการเพื่อทำลายสุญญากาศ ในสถานการณ์ที่การขยายตัวของของไหลอาจเพิ่มแรงดัน ควรออกแบบระบบท่อให้ทนต่อแรงดันที่เพิ่มขึ้น หรือจะต้องมีการดำเนินการเพื่อบรรเทาแรงดันที่เกิน
โดยเริ่มต้นในส่วนที่ 101.3.2 อุณหภูมิโลหะสำหรับการออกแบบท่อจะต้องแสดงถึงสภาวะสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้น เพื่อความเรียบง่าย โดยทั่วไปจะถือว่าอุณหภูมิโลหะจะเท่ากับอุณหภูมิของของไหล หากต้องการ สามารถใช้ค่าอุณหภูมิโลหะโดยเฉลี่ยได้ตราบเท่าที่ทราบอุณหภูมิผนังด้านนอก ควรให้ความใส่ใจเป็นพิเศษกับของไหลที่ถูกดึงผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหรือจากอุปกรณ์เผาไหม้เพื่อให้แน่ใจว่าได้คำนึงถึงสภาวะอุณหภูมิที่เลวร้ายที่สุด
บ่อยครั้งที่นักออกแบบจะเพิ่มระยะขอบด้านความปลอดภัยให้กับแรงดันและ/หรืออุณหภูมิการทำงานสูงสุด ขนาดของระยะขอบจะขึ้นอยู่กับการใช้งาน นอกจากนี้ ยังเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาข้อจำกัดของวัสดุเมื่อกำหนดอุณหภูมิการออกแบบ การกำหนดอุณหภูมิการออกแบบที่สูง (มากกว่า 750 องศาฟาเรนไฮต์) อาจต้องใช้โลหะผสมแทนเหล็กกล้าคาร์บอนมาตรฐาน ค่าความเค้นในภาคผนวก A บังคับนั้นให้ไว้สำหรับอุณหภูมิที่อนุญาตสำหรับวัสดุแต่ละชนิดเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าคาร์บอนสามารถให้ค่าความเค้นได้สูงสุดถึง 800 องศาฟาเรนไฮต์เท่านั้น การที่เหล็กกล้าคาร์บอนสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงกว่า 800 องศาฟาเรนไฮต์เป็นเวลานานอาจทำให้ท่อเกิดการไหม้เป็นถ่าน ทำให้เปราะบางและเสี่ยงต่อความเสียหาย หากใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 800 องศาฟาเรนไฮต์ ควรพิจารณาถึงความเสียหายจากการคืบคลานที่เร็วขึ้นซึ่งเกี่ยวข้องกับเหล็กกล้าคาร์บอนด้วย ดูย่อหน้า 124 สำหรับการอภิปรายอย่างครบถ้วนเกี่ยวกับขีดจำกัดอุณหภูมิของวัสดุ
บางครั้งวิศวกรสามารถระบุแรงดันในการทดสอบสำหรับแต่ละระบบได้เช่นกัน ย่อหน้า 137 ให้คำแนะนำเกี่ยวกับการทดสอบความเค้น โดยทั่วไป การทดสอบแรงดันน้ำจะระบุที่ 1.5 เท่าของแรงดันที่ออกแบบ อย่างไรก็ตาม แรงดึงของห่วงและแรงดึงตามยาวในท่อจะต้องไม่เกิน 90% ของความแข็งแรงของวัสดุในย่อหน้า 102.3.3 (B) ในระหว่างการทดสอบแรงดัน สำหรับระบบท่อภายนอกที่ไม่ใช่หม้อไอน้ำบางระบบ การทดสอบการรั่วไหลระหว่างการใช้งานอาจเป็นวิธีการที่ใช้งานได้จริงมากกว่าในการตรวจสอบการรั่วไหลเนื่องจากความยากลำบากในการแยกส่วนต่างๆ ของระบบ หรือเพียงเพราะการกำหนดค่าระบบช่วยให้ทดสอบการรั่วไหลได้ง่ายในระหว่างการให้บริการเริ่มต้น ซึ่งเป็นที่ยอมรับได้
เมื่อกำหนดเงื่อนไขการออกแบบแล้ว ก็สามารถระบุท่อได้ สิ่งแรกที่ต้องตัดสินใจคือวัสดุที่จะใช้ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ วัสดุต่างๆ มีขีดจำกัดอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ย่อหน้าที่ 105 ให้ข้อจำกัดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุสำหรับท่อประเภทต่างๆ การเลือกใช้วัสดุยังขึ้นอยู่กับของเหลวในระบบ เช่น โลหะผสมนิกเกิลในการใช้งานท่อสารเคมีที่กัดกร่อน สเตนเลสสตีลเพื่อส่งอากาศเครื่องมือที่สะอาด หรือเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีปริมาณโครเมียมสูง (มากกว่า 0.1%) เพื่อป้องกันการกัดกร่อนที่เร่งการไหล การกัดกร่อนที่เร่งการไหล (FAC) เป็นปรากฏการณ์การกัดเซาะ/การกัดกร่อนที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำให้ผนังบางลงอย่างรุนแรงและท่อล้มเหลวในระบบท่อที่สำคัญที่สุดบางระบบ การไม่พิจารณาการบางลงของส่วนประกอบของระบบประปาอย่างถูกต้องสามารถและเคยส่งผลร้ายแรงได้ เช่น ในปี 2550 เมื่อท่อลดความร้อนสูงเกินที่โรงไฟฟ้า IATAN ของ KCP&L แตก ทำให้คนงานเสียชีวิต 2 คน และบาดเจ็บสาหัสอีก 1 คน
สมการ 7 และสมการ 9 ในย่อหน้า 104.1.1 กำหนดความหนาของผนังขั้นต่ำที่จำเป็นและแรงดันออกแบบภายในสูงสุดตามลำดับ สำหรับท่อตรงที่มีแรงดันภายในตัวแปรในสมการเหล่านี้ได้แก่ ความเค้นที่อนุญาตสูงสุด (จากภาคผนวกบังคับ A) เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ ปัจจัยวัสดุ (ดังที่แสดงในตาราง 104.1.2 (A)) และค่าเผื่อความหนาเพิ่มเติมใดๆ (ตามที่อธิบายไว้ด้านล่าง) ด้วยตัวแปรที่เกี่ยวข้องจำนวนมาก การระบุวัสดุท่อ เส้นผ่านศูนย์กลางที่กำหนด และความหนาของผนังที่เหมาะสมอาจเป็นกระบวนการแบบวนซ้ำที่อาจรวมถึงความเร็วของของไหล การลดลงของแรงดัน และต้นทุนของท่อและการสูบน้ำ ไม่ว่าจะใช้งานแบบใดก็ตาม จะต้องตรวจยืนยันความหนาของผนังขั้นต่ำที่จำเป็น
อาจต้องเพิ่มค่าเผื่อความหนาเพิ่มเติมเพื่อชดเชยเหตุผลต่างๆ รวมทั้ง FAC อาจต้องเพิ่มค่าเผื่อเนื่องจากการถอดเกลียว ช่อง ฯลฯ วัสดุที่จำเป็นในการทำข้อต่อเชิงกล ตามวรรค 102.4.2 ค่าเผื่อขั้นต่ำจะต้องเท่ากับความลึกของเกลียวบวกกับค่าความคลาดเคลื่อนของการตัดเฉือน อาจต้องเพิ่มค่าเผื่อเพื่อให้มีความแข็งแรงเพิ่มเติมเพื่อป้องกันท่อเสียหาย พังทลาย หย่อนมากเกินไป หรือการโก่งตัวอันเนื่องมาจากน้ำหนักที่ทับซ้อนกันหรือสาเหตุอื่นๆ ตามที่กล่าวถึงในวรรค 102.4.4 อาจเพิ่มค่าเผื่อเพื่อให้คำนึงถึงข้อต่อเชื่อม (วรรค 102.4.3) และข้อศอก (วรรค 102.4.5) ในที่สุด อาจเพิ่มค่าความคลาดเคลื่อนเพื่อชดเชยการกัดกร่อนและ/หรือการสึกกร่อน ความหนาของค่าเผื่อนี้ขึ้นอยู่กับดุลยพินิจของผู้ออกแบบ และจะต้องสอดคล้องกับอายุการใช้งานที่คาดไว้ของท่อตามวรรค 102.4.1
ภาคผนวก IV ที่เลือกไว้มีคำแนะนำเกี่ยวกับการควบคุมการกัดกร่อน การเคลือบป้องกัน การป้องกันแคโทดิก และการแยกไฟฟ้า (เช่น ปีกฉนวน) ล้วนเป็นวิธีการป้องกันการกัดกร่อนภายนอกของท่อที่ฝังหรือจมอยู่ใต้น้ำ สามารถใช้สารยับยั้งการกัดกร่อนหรือแผ่นซับเพื่อป้องกันการกัดกร่อนภายในได้ ควรระมัดระวังในการใช้น้ำทดสอบไฮโดรสแตติกที่มีความบริสุทธิ์ที่เหมาะสม และหากจำเป็น ให้ระบายท่อออกให้หมดหลังจากการทดสอบไฮโดรสแตติก
ความหนาของผนังท่อขั้นต่ำหรือตารางเมตรที่ต้องการสำหรับการคำนวณก่อนหน้านี้อาจไม่คงที่ตลอดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ และอาจต้องมีข้อกำหนดสำหรับตารางเมตรที่แตกต่างกันสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางที่ต่างกัน ค่าตารางเมตรและความหนาของผนังที่เหมาะสมถูกกำหนดไว้ใน ASME B36.10 ท่อเหล็กหลอมเชื่อมและไร้รอยต่อ
ในการระบุวัสดุของท่อและดำเนินการคำนวณตามที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าค่าความเค้นที่อนุญาตสูงสุดที่ใช้ในการคำนวณตรงกับวัสดุที่ระบุ ตัวอย่างเช่น หากท่อเหล็กกล้าไร้สนิม A312 304L ถูกกำหนดอย่างไม่ถูกต้องเป็นท่อเหล็กกล้าไร้สนิม A312 304 ความหนาของผนังที่ให้มาอาจไม่เพียงพอเนื่องจากความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในค่าความเค้นที่อนุญาตสูงสุดระหว่างวัสดุทั้งสอง ในทำนองเดียวกัน จะต้องระบุวิธีการผลิตท่ออย่างเหมาะสม ตัวอย่างเช่น หากใช้ค่าความเค้นที่อนุญาตสูงสุดสำหรับท่อไร้รอยต่อสำหรับการคำนวณ จะต้องระบุท่อไร้รอยต่อ มิฉะนั้น ผู้ผลิต/ผู้ติดตั้งอาจเสนอท่อเชื่อมตะเข็บ ซึ่งอาจส่งผลให้ความหนาของผนังไม่เพียงพอเนื่องจากค่าความเค้นสูงสุดที่อนุญาตต่ำกว่า
ตัวอย่างเช่น สมมติว่าอุณหภูมิการออกแบบของท่อคือ 300 F และแรงดันการออกแบบคือ 1,200 psig 2 นิ้วและ 3 นิ้ว จะใช้ลวดเหล็กกล้าคาร์บอน (เกรด A53 B ไร้รอยต่อ) กำหนดแผนผังท่อที่เหมาะสมเพื่อระบุให้ตรงตามข้อกำหนดของ ASME B31.1 สมการ 9 ก่อนอื่น จะอธิบายเงื่อนไขการออกแบบ:
จากนั้น กำหนดค่าความเค้นที่อนุญาตสูงสุดสำหรับเกรด A53 B ที่อุณหภูมิการออกแบบข้างต้นจากตาราง A-1 โปรดทราบว่าค่าสำหรับท่อไร้รอยต่อจะถูกใช้เนื่องจากระบุท่อไร้รอยต่อไว้:
นอกจากนี้ จะต้องเพิ่มค่าเผื่อความหนาด้วย สำหรับการใช้งานนี้ จะถือว่ามีค่าเผื่อการกัดกร่อน 1/16 นิ้ว ต่อมาจะมีการเพิ่มค่าเผื่อการกัดแยกต่างหาก
3 นิ้ว โดยจะระบุท่อก่อน โดยถือว่าเป็นท่อ Schedule 40 และมีค่าความคลาดเคลื่อนในการกัด 12.5% ​​ให้คำนวณแรงดันสูงสุด:
ท่อตาราง 40 เหมาะสำหรับท่อขนาด 3 นิ้วภายใต้เงื่อนไขการออกแบบที่ระบุไว้ข้างต้น จากนั้นตรวจสอบ 2 นิ้ว ท่อใช้สมมติฐานเดียวกัน:
2 นิ้ว ภายใต้เงื่อนไขการออกแบบที่ระบุไว้ข้างต้น ท่อจะต้องมีความหนาของผนังที่หนากว่าตาราง 40 ลองใช้ 2 นิ้ว ท่อตาราง 80:
แม้ว่าความหนาของผนังท่อมักจะเป็นปัจจัยจำกัดในการออกแบบแรงดัน แต่การตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ ส่วนประกอบ และการเชื่อมต่อที่ใช้เหมาะสมกับเงื่อนไขการออกแบบที่ระบุก็ยังคงมีความสำคัญ
โดยทั่วไป ตามวรรค 104.2, 104.7.1, 106 และ 107 วาล์ว อุปกรณ์ต่อ และส่วนประกอบอื่น ๆ ที่มีแรงดันซึ่งผลิตตามมาตรฐานที่แสดงในตาราง 126.1 ถือว่าเหมาะสมสำหรับการใช้งานในสภาวะการทำงานปกติหรือต่ำกว่ามาตรฐานแรงดัน-อุณหภูมิที่ระบุใน ผู้ใช้ควรตระหนักว่าหากมาตรฐานหรือผู้ผลิตบางรายอาจกำหนดขีดจำกัดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นสำหรับการเบี่ยงเบนจากการทำงานปกติมากกว่าที่ระบุไว้ใน ASME B31.1 ขีดจำกัดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นจะต้องใช้บังคับ
แนะนำให้ใช้ข้อต่อสามทาง ท่อขวาง ท่อไขว้ ข้อต่อเชื่อมแบบแยกสาขา ฯลฯ ที่ผลิตตามมาตรฐานที่ระบุในตาราง 126.1 ในบางกรณี ข้อต่อท่ออาจต้องมีการเชื่อมต่อแบบแยกสาขาที่มีลักษณะเฉพาะ ย่อหน้า 104.3.1 กำหนดข้อกำหนดเพิ่มเติมสำหรับการเชื่อมต่อแบบแยกสาขา เพื่อให้แน่ใจว่ามีวัสดุท่อเพียงพอที่จะทนต่อแรงดันได้
เพื่อลดความซับซ้อนในการออกแบบ นักออกแบบอาจเลือกกำหนดเงื่อนไขการออกแบบให้สูงขึ้นเพื่อให้เป็นไปตามค่าพิกัดหน้าแปลนในระดับความดันบางระดับ (เช่น ASME ระดับ 150, 300 เป็นต้น) ตามที่กำหนดโดยระดับความดัน-อุณหภูมิสำหรับวัสดุเฉพาะที่ระบุไว้ใน ASME B16.5 หน้าแปลนท่อและข้อต่อหน้าแปลน หรือมาตรฐานที่คล้ายคลึงกันที่ระบุไว้ในตาราง 126.1 สิ่งนี้ถือว่ายอมรับได้ ตราบใดที่ไม่ส่งผลให้ความหนาของผนังหรือการออกแบบส่วนประกอบอื่นๆ เพิ่มขึ้นโดยไม่จำเป็น
ส่วนสำคัญของการออกแบบท่อคือการรับรองว่าความสมบูรณ์ของโครงสร้างของระบบท่อจะคงอยู่แม้จะต้องเผชิญกับแรงดัน อุณหภูมิ และแรงภายนอกที่กระทำต่อระบบ ความสมบูรณ์ของโครงสร้างระบบมักถูกมองข้ามในกระบวนการออกแบบ และหากไม่ได้ดำเนินการอย่างดี อาจเป็นส่วนที่ต้องเสียค่าใช้จ่ายมากที่สุดในการออกแบบก็ได้ ความสมบูรณ์ของโครงสร้างจะถูกกล่าวถึงเป็นหลักใน 2 แห่ง ได้แก่ ย่อหน้า 104.8: การวิเคราะห์ส่วนประกอบของท่อ และย่อหน้า 119: การขยายตัวและความยืดหยุ่น
ย่อหน้า 104.8 ระบุสูตรโค้ดพื้นฐานที่ใช้ในการพิจารณาว่าระบบท่อมีค่าความเค้นเกินค่าที่รหัสอนุญาตหรือไม่ สมการโค้ดเหล่านี้มักเรียกกันว่า โหลดต่อเนื่อง โหลดเป็นครั้งคราว และโหลดการกระจัด โหลดคงที่ คือ ผลของแรงดันและน้ำหนักที่มีต่อระบบท่อ โหลดบังเอิญ คือ โหลดต่อเนื่องบวกกับโหลดลมที่เป็นไปได้ โหลดแผ่นดินไหว โหลดภูมิประเทศ และโหลดระยะสั้นอื่นๆ ถือว่าโหลดบังเอิญแต่ละครั้งที่ใช้จะไม่ส่งผลต่อโหลดบังเอิญอื่นๆ ในเวลาเดียวกัน ดังนั้น โหลดบังเอิญแต่ละครั้งจะเป็นกรณีโหลดที่แยกจากกันในเวลาที่วิเคราะห์ โหลดการกระจัดคือผลกระทบของการเติบโตเนื่องจากความร้อน การกระจัดของอุปกรณ์ระหว่างการทำงาน หรือโหลดการกระจัดอื่นๆ
ย่อหน้า 119 กล่าวถึงวิธีการจัดการกับการขยายตัวของท่อและความยืดหยุ่นในระบบท่อและวิธีการกำหนดภาระปฏิกิริยา ความยืดหยุ่นของระบบท่อมักมีความสำคัญที่สุดในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ เนื่องจากการเชื่อมต่ออุปกรณ์ส่วนใหญ่สามารถทนต่อแรงและโมเมนต์ขั้นต่ำที่ใช้ในจุดเชื่อมต่อเท่านั้น ในกรณีส่วนใหญ่ การเติบโตเนื่องจากความร้อนของระบบท่อจะมีผลต่อภาระปฏิกิริยามากที่สุด ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องควบคุมการเติบโตเนื่องจากความร้อนในระบบให้เหมาะสม
เพื่อรองรับความยืดหยุ่นของระบบท่อและเพื่อให้แน่ใจว่าระบบได้รับการรองรับอย่างเหมาะสม แนวทางปฏิบัติที่ดีคือการรองรับท่อเหล็กตามตาราง 121.5 หากนักออกแบบพยายามที่จะบรรลุระยะห่างการรองรับมาตรฐานสำหรับตารางนี้ นักออกแบบจะบรรลุผลสามประการ ได้แก่ ลดการเบี่ยงเบนของน้ำหนักตัวเอง ลดภาระต่อเนื่อง และเพิ่มความเครียดที่มีอยู่สำหรับภาระการกระจัด หากนักออกแบบวางการรองรับตามตาราง 121.5 โดยทั่วไปจะส่งผลให้มีการเคลื่อนตัวหรือหย่อนของน้ำหนักตัวเองน้อยกว่า 1/8 นิ้วระหว่างการรองรับท่อ การลดการเบี่ยงเบนของน้ำหนักตัวเองให้น้อยที่สุดจะช่วยลดโอกาสของการควบแน่นในท่อที่ส่งไอน้ำหรือก๊าซ การปฏิบัติตามคำแนะนำระยะห่างในตาราง 121.5 ยังช่วยให้นักออกแบบสามารถลดความเครียดต่อเนื่องในท่อให้เหลือประมาณ 50% ของค่าที่อนุญาตต่อเนื่องของรหัส ตามสมการ 1B ความเครียดที่อนุญาตสำหรับภาระการกระจัดจะสัมพันธ์แบบผกผันกับภาระต่อเนื่อง ดังนั้น โดย ด้วยการลดภาระคงที่ให้เหลือน้อยที่สุด ความทนทานต่อแรงเคลื่อนตัวก็จะเพิ่มขึ้นได้สูงสุด ระยะห่างที่แนะนำสำหรับการรองรับท่อแสดงอยู่ในรูปที่ 3
เพื่อช่วยให้แน่ใจว่าภาระปฏิกิริยาของระบบท่อได้รับการพิจารณาอย่างเหมาะสมและความเครียดตามรหัสเป็นไปตามวิธีทั่วไป วิธีการทั่วไปคือการดำเนินการวิเคราะห์ความเครียดของระบบท่อโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย มีชุดซอฟต์แวร์วิเคราะห์ความเครียดของท่อที่แตกต่างกันหลายชุด เช่น Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex หรือชุดซอฟต์แวร์อื่นๆ ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ ข้อดีของการใช้การวิเคราะห์ความเครียดของท่อโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยก็คือ ช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถสร้างแบบจำลององค์ประกอบจำกัดของระบบท่อได้ เพื่อให้ตรวจสอบได้ง่าย และสามารถทำการเปลี่ยนแปลงที่จำเป็นกับการกำหนดค่าได้ รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างการสร้างแบบจำลองและวิเคราะห์ส่วนหนึ่งของท่อ
เมื่อออกแบบระบบใหม่ นักออกแบบระบบมักจะระบุว่าท่อและส่วนประกอบทั้งหมดจะต้องได้รับการประดิษฐ์ เชื่อม ประกอบ ฯลฯ ตามที่โค้ดที่ใช้กำหนด อย่างไรก็ตาม ในการปรับปรุงบางอย่างหรือการใช้งานอื่น ๆ อาจเป็นประโยชน์หากวิศวกรที่ได้รับมอบหมายให้คำแนะนำเกี่ยวกับเทคนิคการผลิตบางอย่าง ดังที่อธิบายไว้ในบทที่ 5
ปัญหาทั่วไปที่พบในการใช้งานแบบดัดแปลงคือการอุ่นเครื่องก่อนเชื่อม (ย่อหน้า 131) และการอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อม (ย่อหน้า 132) นอกจากประโยชน์อื่นๆ แล้ว การอบชุบด้วยความร้อนยังใช้เพื่อบรรเทาความเครียด ป้องกันการแตกร้าว และเพิ่มความแข็งแรงของรอยเชื่อม รายการที่ส่งผลต่อข้อกำหนดการอบชุบด้วยความร้อนก่อนและหลังการเชื่อม ได้แก่ แต่ไม่จำกัดเพียง: การจัดกลุ่มค่า P, เคมีของวัสดุ และความหนาของวัสดุที่รอยเชื่อมที่จะเชื่อม วัสดุแต่ละชนิดที่ระบุไว้ในภาคผนวก A ที่เป็นข้อบังคับจะมีค่า P ที่กำหนดไว้ สำหรับการอุ่นเครื่องก่อน ย่อหน้า 131 จะระบุอุณหภูมิขั้นต่ำที่ต้องให้ความร้อนกับโลหะฐานก่อนที่จะทำการเชื่อมได้ สำหรับ PWHT ตาราง 132 จะระบุช่วงอุณหภูมิคงที่และระยะเวลาในการคงโซนเชื่อมไว้ อัตราการให้ความร้อนและความเย็น วิธีการวัดอุณหภูมิ เทคนิคการให้ความร้อน และขั้นตอนอื่นๆ ควรปฏิบัติตามแนวทางที่กำหนดไว้ในรหัสอย่างเคร่งครัด อาจเกิดผลกระทบเชิงลบที่ไม่คาดคิดต่อพื้นที่เชื่อมได้เนื่องจากไม่สามารถอบชุบด้วยความร้อนได้อย่างถูกต้อง
พื้นที่ที่อาจเกิดความกังวลอีกประการหนึ่งในระบบท่อที่มีแรงดันคือท่อโค้ง ท่อที่โค้งอาจทำให้ผนังบางลง ซึ่งส่งผลให้ผนังมีความหนาไม่เพียงพอ ตามวรรค 102.4.5 รหัสอนุญาตให้โค้งได้ตราบเท่าที่ความหนาของผนังขั้นต่ำเป็นไปตามสูตรเดียวกับที่ใช้ในการคำนวณความหนาของผนังขั้นต่ำสำหรับท่อตรง โดยทั่วไป จะมีการเพิ่มค่าเผื่อเพื่อคำนึงถึงความหนาของผนัง ตาราง 102.4.5 ให้ค่าเผื่อลดการโค้งที่แนะนำสำหรับรัศมีการโค้งที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ การโค้งอาจต้องได้รับการอบชุบด้วยความร้อนก่อนและ/หรือหลังการดัดด้วย วรรค 129 ให้คำแนะนำเกี่ยวกับการผลิตข้อต่อโค้ง
สำหรับระบบท่อแรงดันจำนวนมาก จำเป็นต้องติดตั้งวาล์วความปลอดภัยหรือวาล์วระบายความดันเพื่อป้องกันแรงดันเกินในระบบ สำหรับการใช้งานเหล่านี้ ภาคผนวก II: กฎการออกแบบการติดตั้งวาล์วความปลอดภัย เป็นแหล่งข้อมูลที่มีค่ามากแต่บางครั้งอาจไม่ค่อยมีใครรู้จัก
ตามวรรค II-1.2 วาล์วความปลอดภัยมีลักษณะเฉพาะคือมีการเปิดแบบป๊อปอัปเต็มที่สำหรับการบริการก๊าซหรือไอน้ำ ในขณะที่วาล์วความปลอดภัยจะเปิดตามแรงดันคงที่ต้นน้ำ และใช้หลักๆ สำหรับการการบริการของเหลว
ลักษณะเฉพาะของชุดวาล์วความปลอดภัยนั้นขึ้นอยู่กับว่าเป็นระบบระบายน้ำแบบเปิดหรือแบบปิด ในระบบไอเสียแบบเปิด ข้อศอกที่ทางออกของวาล์วความปลอดภัยมักจะระบายออกสู่ท่อไอเสียสู่ชั้นบรรยากาศ โดยทั่วไปแล้วจะส่งผลให้มีแรงดันย้อนกลับน้อยลง หากเกิดแรงดันย้อนกลับเพียงพอในท่อไอเสีย ก๊าซไอเสียบางส่วนอาจถูกขับออกหรือไหลย้อนจากปลายทางเข้าของท่อไอเสีย ขนาดของท่อไอเสียควรมีขนาดใหญ่เพียงพอที่จะป้องกันการไหลย้อนกลับ ในการใช้งานช่องระบายอากาศแบบปิด แรงดันจะเพิ่มขึ้นที่ทางออกของวาล์วระบายเนื่องจากการบีบอัดอากาศในท่อระบายอากาศ ซึ่งอาจทำให้เกิดคลื่นความดันแพร่กระจายได้ ในวรรค II-2.2.2 ขอแนะนำว่าแรงดันออกแบบของท่อระบายน้ำแบบปิดควรมีอย่างน้อยสองเท่าของแรงดันใช้งานในสถานะคงที่ รูปที่ 5 และ 6 แสดงการติดตั้งวาล์วความปลอดภัยแบบเปิดและแบบปิดตามลำดับ
การติดตั้งวาล์วความปลอดภัยอาจต้องรับแรงต่างๆ ดังสรุปไว้ในวรรค II-2 แรงเหล่านี้ได้แก่ ผลกระทบของการขยายตัวเนื่องจากความร้อน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวาล์วระบายความดันหลายตัวที่ระบายอากาศพร้อมกัน ผลกระทบของแผ่นดินไหวและ/หรือการสั่นสะเทือน และผลกระทบของแรงดันระหว่างเหตุการณ์การระบายแรงดัน ถึงแม้ว่าแรงดันออกแบบจนถึงทางออกของวาล์วความปลอดภัยควรตรงกับแรงดันออกแบบของท่อด้านล่าง แต่แรงดันออกแบบในระบบระบายน้ำจะขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าของระบบระบายน้ำและลักษณะเฉพาะของวาล์วความปลอดภัย สมการมีอยู่ในวรรค II-2.2 สำหรับการกำหนดแรงดันและความเร็วที่ข้อศอกระบายน้ำ ทางเข้าท่อระบายน้ำ และทางออกของท่อระบายน้ำสำหรับระบบระบายน้ำแบบเปิดและแบบปิด โดยใช้ข้อมูลนี้ สามารถคำนวณและบัญชีแรงปฏิกิริยาที่จุดต่างๆ ในระบบไอเสียได้
ตัวอย่างปัญหาสำหรับการใช้งานการระบายแบบเปิดมีอยู่ในวรรคที่ II-7 มีวิธีการอื่นสำหรับการคำนวณลักษณะการไหลในระบบการระบายวาล์วระบายความดัน และขอแนะนำให้ผู้อ่านตรวจสอบให้แน่ใจว่าวิธีการที่ใช้มีความอนุรักษ์นิยมเพียงพอ หนึ่งในวิธีการดังกล่าวได้รับการอธิบายโดย GS Liao ใน "การวิเคราะห์กลุ่มไอเสียวาล์วระบายความดันและความปลอดภัยของโรงไฟฟ้า" ที่ตีพิมพ์โดย ASME ในวารสารวิศวกรรมไฟฟ้า ตุลาคม พ.ศ. 2518
วาล์วระบายความดันควรอยู่ที่ระยะห่างขั้นต่ำจากท่อตรงจากส่วนโค้งต่างๆ ระยะห่างขั้นต่ำนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งานและรูปทรงเรขาคณิตของระบบตามที่กำหนดไว้ในวรรค II-5.2.1 สำหรับการติดตั้งที่มีวาล์วระบายความดันหลายตัว ระยะห่างที่แนะนำสำหรับการเชื่อมต่อสาขาวาล์วจะขึ้นอยู่กับรัศมีของสาขาและท่อบริการ ตามที่แสดงในหมายเหตุ (10)(c) ของตาราง D-1 ตามวรรค II-5.7.1 อาจจำเป็นต้องเชื่อมต่อตัวรองรับท่อที่ตั้งอยู่ที่จุดระบายน้ำวาล์วระบายความดันกับท่อที่กำลังทำงานแทนโครงสร้างที่อยู่ติดกัน เพื่อลดผลกระทบของการขยายตัวเนื่องจากความร้อนและปฏิสัมพันธ์ของแผ่นดินไหวให้เหลือน้อยที่สุด สามารถดูสรุปข้อควรพิจารณาในการออกแบบเหล่านี้และข้ออื่นๆ ในการออกแบบชุดวาล์วความปลอดภัยได้ในวรรค II-5
เห็นได้ชัดว่าไม่สามารถครอบคลุมข้อกำหนดการออกแบบทั้งหมดของ ASME B31 ภายในขอบเขตของบทความนี้ได้ แต่วิศวกรที่ได้รับมอบหมายใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบระบบท่อแรงดันควรมีความคุ้นเคยกับรหัสการออกแบบนี้อย่างน้อยที่สุด หวังว่าด้วยข้อมูลข้างต้น ผู้อ่านจะพบว่า ASME B31 เป็นแหล่งข้อมูลที่มีคุณค่าและเข้าถึงได้มากขึ้น
Monte K. Engelkemier เป็นหัวหน้าโครงการที่ Stanley Consultants Engelkemier เป็นสมาชิกของ Iowa Engineering Society, NSPE และ ASME และทำหน้าที่ในคณะกรรมการและคณะอนุกรรมการ Electrical Piping Code B31.1 เขามีประสบการณ์ปฏิบัติจริงมากกว่า 12 ปีในด้านการจัดวางระบบท่อ การออกแบบ การประเมินการยึด และการวิเคราะห์ความเค้น Matt Wilkey เป็นวิศวกรเครื่องกลที่ Stanley Consultants เขามีประสบการณ์วิชาชีพมากกว่า 6 ปีในการออกแบบระบบท่อให้กับลูกค้าที่หลากหลายทั้งในด้านสาธารณูปโภค เทศบาล สถาบัน และอุตสาหกรรม และเป็นสมาชิกของ ASME และ Iowa Engineering Society
คุณมีประสบการณ์และความเชี่ยวชาญในหัวข้อต่างๆ ที่ครอบคลุมอยู่ในเนื้อหานี้หรือไม่ คุณควรพิจารณามีส่วนสนับสนุนทีมบรรณาธิการ CFE Media ของเรา และได้รับการยอมรับที่คุณและบริษัทของคุณสมควรได้รับ คลิกที่นี่เพื่อเริ่มกระบวนการ