ในการออกแบบระบบท่อแรงดัน วิศวกรผู้ออกแบบมักจะระบุว่าท่อของระบบควรเป็นไปตามข้อกำหนดอย่างน้อยหนึ่งส่วนของมาตรฐาน ASME B31 Pressure Piping Code วิศวกรจะปฏิบัติตามข้อกำหนดของมาตรฐานนี้อย่างถูกต้องได้อย่างไรเมื่อออกแบบระบบท่อ?
ขั้นแรก วิศวกรต้องพิจารณาว่าควรเลือกข้อกำหนดการออกแบบใด สำหรับระบบท่อแรงดันนั้น ไม่จำเป็นต้องจำกัดอยู่แค่ ASME B31 เท่านั้น อาจใช้มาตรฐานอื่นที่ออกโดย ASME, ANSI, NFPA หรือองค์กรกำกับดูแลอื่นๆ ขึ้นอยู่กับสถานที่ตั้งโครงการ การใช้งาน ฯลฯ ปัจจุบัน ASME B31 มีส่วนต่างๆ ที่บังคับใช้อยู่เจ็ดส่วน
มาตรฐาน ASME B31.1 การวางท่อไฟฟ้า: ส่วนนี้ครอบคลุมการวางท่อในโรงไฟฟ้า โรงงานอุตสาหกรรมและสถาบัน ระบบทำความร้อนใต้พิภพ และระบบทำความร้อนและความเย็นส่วนกลางและระดับเขต ซึ่งรวมถึงท่อภายนอกหม้อไอน้ำและท่อที่ไม่ใช่ภายนอกหม้อไอน้ำที่ใช้ในการติดตั้งหม้อไอน้ำตามมาตรฐาน ASME Section I ส่วนนี้ไม่ครอบคลุมถึงอุปกรณ์ที่อยู่ภายใต้มาตรฐาน ASME Boiler and Pressure Vessel Code ท่อส่งความร้อนและความเย็นแรงดันต่ำบางประเภท และระบบอื่นๆ ที่อธิบายไว้ในย่อหน้า 100.1.3 ของ ASME B31.1 ที่มาของ ASME B31.1 สามารถสืบย้อนไปได้ถึงช่วงทศวรรษ 1920 โดยมีการตีพิมพ์ฉบับทางการครั้งแรกในปี 1935 โปรดทราบว่าฉบับแรก รวมทั้งภาคผนวก มีจำนวนหน้าน้อยกว่า 30 หน้า ในขณะที่ฉบับปัจจุบันมีจำนวนหน้ามากกว่า 300 หน้า
มาตรฐาน ASME B31.3 ท่อสำหรับกระบวนการผลิต: ส่วนนี้ครอบคลุมท่อในโรงกลั่นน้ำมัน โรงงานเคมีภัณฑ์ ยา สิ่งทอ กระดาษ เซมิคอนดักเตอร์ และโรงงานแช่แข็ง ตลอดจนโรงงานแปรรูปและสถานีขนส่งที่เกี่ยวข้อง ส่วนนี้คล้ายคลึงกับ ASME B31.1 มาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการคำนวณความหนาผนังขั้นต่ำสำหรับท่อตรง ส่วนนี้เดิมเป็นส่วนหนึ่งของ B31.1 และได้รับการเผยแพร่แยกต่างหากครั้งแรกในปี 1959
มาตรฐาน ASME B31.4 ระบบขนส่งทางท่อสำหรับของเหลวและสารละลายข้น: ส่วนนี้ครอบคลุมท่อที่ใช้ขนส่งผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลวเป็นหลักระหว่างโรงงานและสถานีปลายทาง และภายในสถานีปลายทาง รวมถึงสถานีสูบน้ำ สถานีปรับสภาพ และสถานีวัดปริมาณ ส่วนนี้เดิมเป็นส่วนหนึ่งของ B31.1 และได้รับการเผยแพร่แยกต่างหากเป็นครั้งแรกในปี 1959
มาตรฐาน ASME B31.5 ท่อส่งสารทำความเย็นและส่วนประกอบถ่ายเทความร้อน: ส่วนนี้ครอบคลุมถึงท่อสำหรับสารทำความเย็นและสารหล่อเย็นรอง ส่วนนี้เดิมเป็นส่วนหนึ่งของ B31.1 และได้รับการเผยแพร่แยกต่างหากเป็นครั้งแรกในปี 1962
มาตรฐาน ASME B31.8 ระบบท่อส่งและกระจายก๊าซ: ครอบคลุมถึงท่อสำหรับขนส่งผลิตภัณฑ์ก๊าซเป็นหลักระหว่างแหล่งกำเนิดและปลายทาง รวมถึงเครื่องอัดอากาศ สถานีปรับสภาพและวัดปริมาณก๊าซ และท่อรวบรวมก๊าซ ส่วนนี้เดิมเป็นส่วนหนึ่งของ B31.1 และได้รับการเผยแพร่แยกต่างหากครั้งแรกในปี 1955
มาตรฐาน ASME B31.9 สำหรับท่อในงานบริการอาคาร: ส่วนนี้ครอบคลุมท่อที่พบได้ทั่วไปในอาคารอุตสาหกรรม สถาบัน อาคารพาณิชย์ และอาคารสาธารณะ รวมถึงอาคารที่พักอาศัยหลายยูนิตที่ไม่ต้องการขนาด ความดัน และช่วงอุณหภูมิที่ครอบคลุมใน ASME B31.1 ส่วนนี้คล้ายกับ ASME B31.1 และ B31.3 แต่มีความเข้มงวดน้อยกว่า (โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคำนวณความหนาของผนังขั้นต่ำ) และมีรายละเอียดน้อยกว่า จำกัดเฉพาะการใช้งานที่ความดันต่ำและอุณหภูมิต่ำตามที่ระบุไว้ใน ASME B31.9 ย่อหน้า 900.1.2 มาตรฐานนี้ได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1982
มาตรฐาน ASME B31.12 การวางท่อไฮโดรเจนและท่อทั่วไป: ส่วนนี้ครอบคลุมการวางท่อในงานที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนทั้งในรูปก๊าซและของเหลว รวมถึงการวางท่อในงานที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนในรูปก๊าซ ส่วนนี้ได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 2551
การเลือกใช้รหัสการออกแบบใดนั้นขึ้นอยู่กับเจ้าของโครงการเป็นหลัก บทนำของ ASME B31 ระบุว่า “เป็นความรับผิดชอบของเจ้าของโครงการที่จะต้องเลือกมาตราของรหัสที่ใกล้เคียงกับการติดตั้งท่อที่เสนอมากที่สุด” ในบางกรณี “มาตราของรหัสหลายมาตราอาจใช้ได้กับส่วนต่างๆ ของการติดตั้ง”
มาตรฐาน ASME B31.1 ฉบับปี 2012 จะใช้เป็นเอกสารอ้างอิงหลักสำหรับการอภิปรายต่อไปนี้ วัตถุประสงค์ของบทความนี้คือเพื่อแนะนำวิศวกรผู้กำหนดคุณสมบัติเกี่ยวกับขั้นตอนหลักบางประการในการออกแบบระบบท่อแรงดันที่สอดคล้องกับมาตรฐาน ASME B31 การปฏิบัติตามแนวทางของ ASME B31.1 จะให้ภาพรวมที่ดีของการออกแบบระบบโดยทั่วไป วิธีการออกแบบที่คล้ายกันจะถูกนำมาใช้หากปฏิบัติตาม ASME B31.3 หรือ B31.9 ส่วนที่เหลือของ ASME B31 ใช้ในการใช้งานที่แคบกว่า โดยส่วนใหญ่สำหรับระบบหรือการใช้งานเฉพาะ และจะไม่กล่าวถึงเพิ่มเติม ในขณะที่ขั้นตอนสำคัญในกระบวนการออกแบบจะถูกเน้นไว้ในที่นี้ การอภิปรายนี้ไม่ได้ครอบคลุมทั้งหมด และควรอ้างอิงถึงมาตรฐานฉบับเต็มเสมอในระหว่างการออกแบบระบบ การอ้างอิงข้อความทั้งหมดหมายถึง ASME B31.1 เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น
หลังจากเลือกโค้ดที่ถูกต้องแล้ว ผู้ออกแบบระบบต้องตรวจสอบข้อกำหนดการออกแบบเฉพาะระบบด้วยเช่นกัน ย่อหน้า 122 (ส่วนที่ 6) ให้ข้อกำหนดการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับระบบที่พบได้ทั่วไปในการใช้งานท่อไฟฟ้า เช่น ไอน้ำ น้ำป้อน การระบายน้ำทิ้ง ท่อเครื่องมือวัด และระบบระบายแรงดัน ASME B31.3 มีย่อหน้าที่คล้ายกับ ASME B31.1 แต่มีรายละเอียดน้อยกว่า ข้อพิจารณาในย่อหน้า 122 รวมถึงข้อกำหนดแรงดันและอุณหภูมิเฉพาะระบบ ตลอดจนข้อจำกัดทางกฎหมายต่างๆ ที่กำหนดไว้ระหว่างตัวหม้อไอน้ำ ท่อภายนอกหม้อไอน้ำ และท่อภายนอกที่ไม่ใช่หม้อไอน้ำที่เชื่อมต่อกับท่อหม้อไอน้ำ ASME Section I รูปที่ 2 แสดงข้อจำกัดเหล่านี้ของหม้อไอน้ำแบบดรัม
ผู้ออกแบบระบบต้องกำหนดความดันและอุณหภูมิที่ระบบจะทำงาน และเงื่อนไขที่ระบบควรได้รับการออกแบบให้ตรงตามข้อกำหนดเหล่านั้น
ตามวรรค 101.2 แรงดันออกแบบภายในต้องไม่น้อยกว่าแรงดันใช้งานต่อเนื่องสูงสุด (MSOP) ภายในระบบท่อ รวมถึงผลกระทบของแรงดันสถิต ท่อที่รับแรงดันภายนอกต้องได้รับการออกแบบให้รองรับแรงดันแตกต่างสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะการทำงาน การหยุดทำงาน หรือการทดสอบ นอกจากนี้ยังต้องพิจารณาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย ตามวรรค 101.4 หากการระบายความร้อนของของเหลวมีแนวโน้มที่จะลดแรงดันในท่อลงต่ำกว่าความดันบรรยากาศ ท่อจะต้องได้รับการออกแบบให้ทนต่อแรงดันภายนอก หรือต้องมีมาตรการในการทำลายสุญญากาศ ในสถานการณ์ที่การขยายตัวของของเหลวอาจทำให้แรงดันเพิ่มขึ้น ระบบท่อควรได้รับการออกแบบให้ทนต่อแรงดันที่เพิ่มขึ้น หรือควรมีมาตรการในการระบายแรงดันส่วนเกิน
เริ่มตั้งแต่หัวข้อ 101.3.2 อุณหภูมิของโลหะสำหรับการออกแบบท่อจะต้องเป็นตัวแทนของสภาวะสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง เพื่อความง่าย โดยทั่วไปจะถือว่าอุณหภูมิของโลหะเท่ากับอุณหภูมิของของเหลว หากต้องการ สามารถใช้อุณหภูมิเฉลี่ยของโลหะได้ตราบใดที่ทราบอุณหภูมิของผนังด้านนอก ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับของเหลวที่ไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหรือจากอุปกรณ์การเผาไหม้เพื่อให้แน่ใจว่าได้พิจารณาสภาวะอุณหภูมิที่เลวร้ายที่สุดแล้ว
โดยทั่วไป นักออกแบบมักจะเพิ่มระยะเผื่อความปลอดภัยให้กับแรงดันใช้งานสูงสุดและ/หรืออุณหภูมิ ขนาดของระยะเผื่อขึ้นอยู่กับการใช้งาน นอกจากนี้ยังควรพิจารณาข้อจำกัดของวัสดุเมื่อกำหนดอุณหภูมิการออกแบบ การระบุอุณหภูมิการออกแบบสูง (มากกว่า 750 องศาฟาเรนไฮต์) อาจต้องใช้วัสดุโลหะผสมแทนเหล็กกล้าคาร์บอนมาตรฐาน ค่าความเค้นในภาคผนวกบังคับ A มีให้เฉพาะสำหรับอุณหภูมิที่อนุญาตสำหรับวัสดุแต่ละชนิดเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าคาร์บอนสามารถให้ค่าความเค้นได้สูงสุดเพียง 800 องศาฟาเรนไฮต์ การสัมผัสกับอุณหภูมิสูงกว่า 800 องศาฟาเรนไฮต์เป็นเวลานานอาจทำให้ท่อเกิดการคาร์บอนไนซ์ ทำให้เปราะและแตกหักง่ายขึ้น หากใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 800 องศาฟาเรนไฮต์ ควรพิจารณาความเสียหายจากการคืบตัวที่เร่งขึ้นซึ่งเกี่ยวข้องกับเหล็กกล้าคาร์บอนด้วย ดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับข้อจำกัดของอุณหภูมิของวัสดุได้ในย่อหน้า 124
บางครั้งวิศวกรอาจกำหนดแรงดันทดสอบสำหรับแต่ละระบบได้เช่นกัน ย่อหน้า 137 ให้คำแนะนำเกี่ยวกับการทดสอบความเค้น โดยทั่วไป การทดสอบด้วยแรงดันน้ำจะถูกกำหนดไว้ที่ 1.5 เท่าของแรงดันออกแบบ อย่างไรก็ตาม ความเค้นตามแนวเส้นรอบวงและความเค้นตามแนวยาวในท่อจะต้องไม่เกิน 90% ของความแข็งแรงคราของวัสดุในย่อหน้า 102.3.3 (B) ในระหว่างการทดสอบแรงดัน สำหรับระบบท่อภายนอกที่ไม่เกี่ยวข้องกับหม้อไอน้ำบางระบบ การทดสอบการรั่วไหลระหว่างการใช้งานอาจเป็นวิธีการตรวจสอบการรั่วไหลที่ใช้งานได้จริงมากกว่า เนื่องจากความยากลำบากในการแยกส่วนต่างๆ ของระบบ หรือเพียงเพราะการกำหนดค่าระบบทำให้สามารถทดสอบการรั่วไหลได้ง่ายในระหว่างการใช้งานครั้งแรก เห็นด้วยว่านี่เป็นที่ยอมรับได้
เมื่อกำหนดเงื่อนไขการออกแบบแล้ว ก็สามารถระบุรายละเอียดของท่อได้ สิ่งแรกที่ต้องตัดสินใจคือวัสดุที่จะใช้ ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ วัสดุแต่ละชนิดมีขีดจำกัดอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ย่อหน้า 105 ให้ข้อจำกัดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุท่อต่างๆ การเลือกวัสดุยังขึ้นอยู่กับของเหลวในระบบด้วย เช่น โลหะผสมนิกเกิลในงานท่อสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เหล็กกล้าไร้สนิมสำหรับส่งอากาศสะอาดสำหรับเครื่องมือ หรือเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีปริมาณโครเมียมสูง (มากกว่า 0.1%) เพื่อป้องกันการกัดกร่อนที่เร่งขึ้นจากการไหล การกัดกร่อนที่เร่งขึ้นจากการไหล (FAC) เป็นปรากฏการณ์การกัดเซาะ/การกัดกร่อนที่แสดงให้เห็นว่าทำให้ผนังท่อบางลงอย่างรุนแรงและท่อเสียหายในระบบท่อที่สำคัญที่สุดบางระบบ การไม่พิจารณาถึงการบางลงของส่วนประกอบท่ออย่างเหมาะสมอาจส่งผลร้ายแรงได้ เช่น ในปี 2550 เมื่อท่อลดอุณหภูมิที่โรงไฟฟ้า IATAN ของ KCP&L ระเบิด ทำให้คนงานเสียชีวิต 2 คนและบาดเจ็บสาหัสอีก 1 คน
สมการที่ 7 และสมการที่ 9 ในย่อหน้า 104.1.1 กำหนดความหนาของผนังขั้นต่ำที่ต้องการและแรงดันออกแบบภายในสูงสุดตามลำดับ สำหรับท่อตรงที่อยู่ภายใต้แรงดันภายใน ตัวแปรในสมการเหล่านี้ประกอบด้วยความเค้นที่อนุญาตสูงสุด (จากภาคผนวกบังคับ A) เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ ปัจจัยวัสดุ (ดังแสดงในตาราง 104.1.2 (A)) และค่าเผื่อความหนาเพิ่มเติมใดๆ (ดังที่อธิบายไว้ด้านล่าง) ด้วยตัวแปรจำนวนมากที่เกี่ยวข้อง การระบุวัสดุท่อ เส้นผ่านศูนย์กลางระบุ และความหนาของผนังที่เหมาะสมอาจเป็นกระบวนการวนซ้ำซึ่งอาจรวมถึงความเร็วของของเหลว การลดลงของแรงดัน และต้นทุนท่อและการสูบน้ำด้วย ไม่ว่าจะเป็นการใช้งานใดก็ตาม ความหนาของผนังขั้นต่ำที่ต้องการจะต้องได้รับการตรวจสอบ
อาจต้องเพิ่มค่าเผื่อความหนาเพิ่มเติมเพื่อชดเชยสาเหตุต่างๆ รวมถึง FAC อาจต้องมีค่าเผื่อเนื่องจากการเอาวัสดุส่วนที่เป็นเกลียว ร่อง ฯลฯ ออกเพื่อทำข้อต่อเชิงกล ตามวรรค 102.4.2 ค่าเผื่อขั้นต่ำจะต้องเท่ากับความลึกของเกลียวบวกกับค่าความคลาดเคลื่อนในการกลึง อาจต้องมีค่าเผื่อเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเพื่อป้องกันความเสียหายของท่อ การยุบตัว การหย่อนตัวมากเกินไป หรือการโก่งงอเนื่องจากน้ำหนักบรรทุกที่มากเกินไปหรือสาเหตุอื่นๆ ที่กล่าวถึงในวรรค 102.4.4 นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มค่าเผื่อเพื่อรองรับข้อต่อเชื่อม (วรรค 102.4.3) และข้อศอก (วรรค 102.4.5) สุดท้าย สามารถเพิ่มความคลาดเคลื่อนเพื่อชดเชยการกัดกร่อนและ/หรือการสึกกร่อนได้ ความหนาของค่าเผื่อนี้ขึ้นอยู่กับดุลยพินิจของผู้ออกแบบและจะต้องสอดคล้องกับอายุการใช้งานที่คาดหวังของท่อตามวรรค 102.4.1
ภาคผนวกเสริม IV ให้คำแนะนำเกี่ยวกับการควบคุมการกัดกร่อน การเคลือบป้องกัน การป้องกันด้วยกระแสไฟฟ้า และการแยกทางไฟฟ้า (เช่น หน้าแปลนฉนวน) ล้วนเป็นวิธีการป้องกันการกัดกร่อนภายนอกของท่อที่ฝังอยู่ใต้ดินหรือจมอยู่ใต้น้ำ สารยับยั้งการกัดกร่อนหรือวัสดุบุภายในสามารถใช้ป้องกันการกัดกร่อนภายในได้ ควรระมัดระวังในการใช้น้ำทดสอบแรงดันน้ำที่มีความบริสุทธิ์เหมาะสม และหากจำเป็น ให้ระบายน้ำออกจากท่อให้หมดหลังจากทำการทดสอบแรงดันน้ำแล้ว
ความหนาผนังท่อขั้นต่ำหรือตารางกำหนดความหนาที่จำเป็นสำหรับการคำนวณก่อนหน้านี้อาจไม่คงที่ตลอดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ และอาจต้องมีข้อกำหนดสำหรับตารางกำหนดความหนาที่แตกต่างกันสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางที่แตกต่างกัน ค่าตารางกำหนดความหนาและความหนาของผนังที่เหมาะสมนั้นกำหนดไว้ในมาตรฐาน ASME B36.10 สำหรับท่อเหล็กเชื่อมและเหล็กดัดไร้รอยต่อ
ในการระบุวัสดุท่อและทำการคำนวณตามที่กล่าวไว้ข้างต้น สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่าความเค้นสูงสุดที่อนุญาตที่ใช้ในการคำนวณตรงกับวัสดุที่ระบุ ตัวอย่างเช่น หากท่อสแตนเลส A312 304L ถูกกำหนดผิดเป็นท่อสแตนเลส A312 304 ความหนาของผนังท่ออาจไม่เพียงพอเนื่องจากความแตกต่างอย่างมากของค่าความเค้นสูงสุดที่อนุญาตระหว่างวัสดุทั้งสอง ในทำนองเดียวกัน วิธีการผลิตท่อจะต้องระบุให้เหมาะสม ตัวอย่างเช่น หากใช้ค่าความเค้นสูงสุดที่อนุญาตสำหรับท่อไร้รอยต่อในการคำนวณ ควรระบุท่อไร้รอยต่อ มิฉะนั้น ผู้ผลิต/ผู้ติดตั้งอาจเสนอท่อเชื่อมตะเข็บ ซึ่งอาจส่งผลให้ความหนาของผนังท่อไม่เพียงพอเนื่องจากค่าความเค้นสูงสุดที่อนุญาตต่ำกว่า
ตัวอย่างเช่น สมมติว่าอุณหภูมิออกแบบของท่อส่งคือ 300 องศาฟาเรนไฮต์ และความดันออกแบบคือ 1,200 psig จะใช้ลวดเหล็กกล้าคาร์บอน (A53 เกรด B แบบไร้รอยต่อ) ขนาด 2 นิ้ว และ 3 นิ้ว จงกำหนดแผนผังท่อที่เหมาะสมเพื่อระบุให้ตรงตามข้อกำหนดของ ASME B31.1 สมการที่ 9 ขั้นแรก จะอธิบายเงื่อนไขการออกแบบ:
ถัดไป ให้กำหนดค่าความเค้นสูงสุดที่อนุญาตสำหรับ A53 เกรด B ที่อุณหภูมิการออกแบบข้างต้นจากตาราง A-1 โปรดทราบว่าใช้ค่าสำหรับท่อไร้รอยต่อ เนื่องจากมีการระบุท่อไร้รอยต่อไว้แล้ว:
ต้องเพิ่มค่าเผื่อความหนาด้วย สำหรับการใช้งานนี้ กำหนดให้เป็น 1/16 นิ้ว ถือว่าได้รวมค่าเผื่อการกัดกร่อนไว้แล้ว ค่าความคลาดเคลื่อนในการกัดขึ้นรูปจะถูกเพิ่มเข้ามาในภายหลัง
3 นิ้ว จะระบุขนาดท่อก่อน สมมติว่าเป็นท่อ Schedule 40 และค่าความคลาดเคลื่อนในการกัด 12.5% ​​คำนวณแรงดันสูงสุด:
ท่อ Schedule 40 เหมาะสำหรับท่อขนาด 3 นิ้ว ภายใต้เงื่อนไขการออกแบบที่ระบุไว้ข้างต้น ต่อไป ตรวจสอบท่อขนาด 2 นิ้ว โดยใช้สมมติฐานเดียวกัน:
2 นิ้ว ภายใต้เงื่อนไขการออกแบบที่ระบุไว้ข้างต้น ท่อจะต้องมีความหนาของผนังมากกว่าท่อ Schedule 40 ลองใช้ท่อขนาด 2 นิ้ว ท่อ Schedule 80:
แม้ว่าความหนาของผนังท่อจะเป็นปัจจัยจำกัดในการออกแบบรับแรงดัน แต่ก็ยังเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องตรวจสอบว่าข้อต่อ ส่วนประกอบ และการเชื่อมต่อที่ใช้มีความเหมาะสมกับสภาวะการออกแบบที่ระบุไว้หรือไม่
โดยทั่วไป ตามวรรค 104.2, 104.7.1, 106 และ 107 วาล์ว ข้อต่อ และส่วนประกอบอื่นๆ ที่รับแรงดันทั้งหมดที่ผลิตตามมาตรฐานที่ระบุไว้ในตาราง 126.1 จะถือว่าเหมาะสมสำหรับการใช้งานภายใต้สภาวะการทำงานปกติหรือต่ำกว่าระดับแรงดันและอุณหภูมิมาตรฐานที่ระบุไว้ ผู้ใช้ควรตระหนักว่า หากมาตรฐานหรือผู้ผลิตบางรายกำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดกว่าสำหรับการเบี่ยงเบนจากการทำงานปกติมากกว่าที่ระบุไว้ใน ASME B31.1 ข้อจำกัดที่เข้มงวดกว่านั้นจะมีผลบังคับใช้
ที่จุดตัดของท่อ แนะนำให้ใช้ข้อต่อรูปตัวที ข้อต่อขวาง ข้อต่อไขว้ ข้อต่อสาขา ฯลฯ ที่ผลิตตามมาตรฐานที่ระบุไว้ในตาราง 126.1 ในบางกรณี จุดตัดของท่ออาจต้องการข้อต่อสาขาแบบพิเศษ ย่อหน้า 104.3.1 ให้ข้อกำหนดเพิ่มเติมสำหรับข้อต่อสาขาเพื่อให้แน่ใจว่ามีวัสดุท่อเพียงพอที่จะทนต่อแรงดันได้
เพื่อลดความซับซ้อนของการออกแบบ ผู้ออกแบบอาจเลือกกำหนดเงื่อนไขการออกแบบให้สูงขึ้นเพื่อให้ตรงกับพิกัดหน้าแปลนของชั้นความดันที่กำหนด (เช่น ASME ชั้น 150, 300 เป็นต้น) ตามที่กำหนดโดยชั้นความดัน-อุณหภูมิสำหรับวัสดุเฉพาะที่ระบุไว้ใน ASME B16.5 หน้าแปลนท่อและข้อต่อหน้าแปลน หรือมาตรฐานที่คล้ายกันที่ระบุไว้ในตาราง 126.1 ซึ่งเป็นที่ยอมรับได้ตราบใดที่ไม่ได้ส่งผลให้ความหนาของผนังหรือการออกแบบส่วนประกอบอื่นๆ เพิ่มขึ้นโดยไม่จำเป็น
ส่วนสำคัญของการออกแบบท่อคือการทำให้มั่นใจว่าโครงสร้างของระบบท่อจะยังคงอยู่เมื่อได้รับผลกระทบจากแรงดัน อุณหภูมิ และแรงภายนอก ความสมบูรณ์ของโครงสร้างระบบมักถูกมองข้ามในกระบวนการออกแบบ และหากทำไม่ดี อาจเป็นส่วนที่แพงที่สุดของการออกแบบ ความสมบูรณ์ของโครงสร้างจะกล่าวถึงเป็นหลักในสองส่วน คือ ย่อหน้า 104.8: การวิเคราะห์ส่วนประกอบท่อ และย่อหน้า 119: การขยายตัวและความยืดหยุ่น
วรรค 104.8 ระบุสูตรพื้นฐานที่ใช้ในการพิจารณาว่าระบบท่อเกินค่าความเค้นที่อนุญาตตามข้อกำหนดหรือไม่ สมการเหล่านี้มักเรียกกันว่า ภาระต่อเนื่อง ภาระชั่วคราว และภาระจากการเคลื่อนที่ ภาระต่อเนื่องคือผลกระทบของแรงดันและน้ำหนักต่อระบบท่อ ภาระชั่วคราวคือภาระต่อเนื่องบวกกับภาระลม ภาระแผ่นดินไหว ภาระภูมิประเทศ และภาระระยะสั้นอื่นๆ ถือว่าภาระชั่วคราวแต่ละอย่างจะไม่ส่งผลต่อภาระชั่วคราวอื่นๆ ในเวลาเดียวกัน ดังนั้นภาระชั่วคราวแต่ละอย่างจะเป็นกรณีภาระแยกต่างหากในขณะวิเคราะห์ ภาระจากการเคลื่อนที่คือผลกระทบจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อน การเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ระหว่างการใช้งาน หรือภาระจากการเคลื่อนที่อื่นๆ
ย่อหน้าที่ 119 กล่าวถึงวิธีการจัดการกับการขยายตัวและความยืดหยุ่นของท่อในระบบท่อ และวิธีการกำหนดแรงปฏิกิริยา ความยืดหยุ่นของระบบท่อมีความสำคัญมากที่สุดในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ เนื่องจากจุดเชื่อมต่ออุปกรณ์ส่วนใหญ่สามารถรับแรงและโมเมนต์ได้น้อยที่สุดเท่านั้น ณ จุดเชื่อมต่อ ในกรณีส่วนใหญ่ การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของระบบท่อมีผลกระทบมากที่สุดต่อแรงปฏิกิริยา ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องควบคุมการขยายตัวเนื่องจากความร้อนในระบบให้เหมาะสม
เพื่อให้ระบบท่อมีความยืดหยุ่นและรองรับได้อย่างเหมาะสม ควรติดตั้งตัวรองรับท่อเหล็กตามตารางที่ 121.5 หากผู้ออกแบบพยายามปฏิบัติตามระยะห่างมาตรฐานของตัวรองรับในตารางนี้ จะได้ประโยชน์สามประการคือ ลดการโก่งตัวจากน้ำหนักตัวเอง ลดภาระคงที่ และเพิ่มความเค้นที่ใช้ได้สำหรับภาระการเคลื่อนที่ หากผู้ออกแบบติดตั้งตัวรองรับตามตารางที่ 121.5 โดยทั่วไปแล้วจะส่งผลให้การโก่งตัวหรือการหย่อนตัวจากน้ำหนักตัวเองระหว่างตัวรองรับท่อน้อยกว่า 1/8 นิ้ว การลดการโก่งตัวจากน้ำหนักตัวเองช่วยลดโอกาสการเกิดการควบแน่นในท่อที่บรรจุไอน้ำหรือก๊าซ การปฏิบัติตามคำแนะนำเรื่องระยะห่างในตารางที่ 121.5 ยังช่วยให้ผู้ออกแบบลดความเค้นคงที่ในท่อลงเหลือประมาณ 50% ของค่าที่อนุญาตอย่างต่อเนื่องตามข้อกำหนด ตามสมการ 1B ความเค้นที่อนุญาตสำหรับภาระการเคลื่อนที่นั้นแปรผกผันกับภาระคงที่ ดังนั้น การลด... ภายใต้ภาระคงที่ ความทนทานต่อความเค้นจากการเคลื่อนตัวสามารถเพิ่มขึ้นได้สูงสุด ระยะห่างที่แนะนำสำหรับตัวรองรับท่อแสดงในรูปที่ 3
เพื่อช่วยให้มั่นใจได้ว่าแรงปฏิกิริยาของระบบท่อได้รับการพิจารณาอย่างเหมาะสมและเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความเค้น วิธีการทั่วไปคือการวิเคราะห์ความเค้นของระบบท่อด้วยคอมพิวเตอร์ มีซอฟต์แวร์วิเคราะห์ความเค้นของท่อหลายแพ็กเกจให้เลือกใช้ เช่น Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex หรือแพ็กเกจอื่นๆ ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ ข้อดีของการใช้การวิเคราะห์ความเค้นของระบบท่อด้วยคอมพิวเตอร์คือ ช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถสร้างแบบจำลององค์ประกอบจำกัดของระบบท่อเพื่อการตรวจสอบที่ง่ายและสามารถทำการเปลี่ยนแปลงที่จำเป็นต่อการกำหนดค่าได้ รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างการสร้างแบบจำลองและการวิเคราะห์ส่วนหนึ่งของท่อ
ในการออกแบบระบบใหม่ นักออกแบบระบบมักจะระบุว่าท่อและส่วนประกอบทั้งหมดควรได้รับการผลิต เชื่อม ประกอบ ฯลฯ ตามข้อกำหนดของมาตรฐานที่ใช้ อย่างไรก็ตาม ในการปรับปรุงระบบเดิมหรือการใช้งานอื่นๆ อาจเป็นประโยชน์สำหรับวิศวกรที่ได้รับมอบหมายในการให้คำแนะนำเกี่ยวกับเทคนิคการผลิตบางอย่าง ดังที่อธิบายไว้ในบทที่ 5
ปัญหาทั่วไปที่พบในงานปรับปรุงโครงสร้างคือ การอุ่นก่อนเชื่อม (วรรค 131) และการอบชุบความร้อนหลังเชื่อม (วรรค 132) การอบชุบความร้อนเหล่านี้มีประโยชน์หลายประการ เช่น ลดความเครียด ป้องกันการแตกร้าว และเพิ่มความแข็งแรงของรอยเชื่อม ปัจจัยที่มีผลต่อข้อกำหนดการอบชุบความร้อนก่อนและหลังเชื่อม ได้แก่ การจัดกลุ่มหมายเลข P องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ และความหนาของวัสดุบริเวณรอยต่อที่จะเชื่อม วัสดุแต่ละชนิดที่ระบุไว้ในภาคผนวกบังคับ A จะมีหมายเลข P กำหนดไว้ สำหรับการอุ่นก่อนเชื่อม วรรค 131 กำหนดอุณหภูมิต่ำสุดที่ต้องให้ความร้อนแก่โลหะฐานก่อนทำการเชื่อม สำหรับ PWHT ตาราง 132 กำหนดช่วงอุณหภูมิและระยะเวลาในการคงอุณหภูมิบริเวณรอยเชื่อม อัตราการให้ความร้อนและการระบายความร้อน วิธีการวัดอุณหภูมิ เทคนิคการให้ความร้อน และขั้นตอนอื่นๆ ควรปฏิบัติตามแนวทางที่กำหนดไว้ในข้อกำหนดอย่างเคร่งครัด ผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ที่ไม่คาดคิดอาจเกิดขึ้นกับบริเวณที่เชื่อมได้เนื่องจากความล้มเหลวในการอบชุบความร้อนอย่างเหมาะสม
อีกหนึ่งประเด็นที่อาจก่อให้เกิดความกังวลในระบบท่อแรงดันคือ การดัดท่อ การดัดท่ออาจทำให้ผนังท่อบางลง ส่งผลให้ความหนาของผนังท่อไม่เพียงพอ ตามวรรค 102.4.5 ระบุว่า อนุญาตให้ดัดท่อได้ตราบใดที่ความหนาของผนังท่อขั้นต่ำเป็นไปตามสูตรเดียวกับที่ใช้คำนวณความหนาของผนังท่อขั้นต่ำสำหรับท่อตรง โดยทั่วไปแล้ว จะมีการเพิ่มค่าเผื่อเพื่อชดเชยความหนาของผนังท่อ ตาราง 102.4.5 แสดงค่าเผื่อการลดขนาดการดัดที่แนะนำสำหรับรัศมีการดัดที่แตกต่างกัน การดัดอาจต้องมีการอบชุบความร้อนก่อนและ/หรือหลังการดัดด้วย วรรค 129 ให้คำแนะนำเกี่ยวกับการผลิตข้อศอก
สำหรับระบบท่อแรงดันหลายๆ ระบบ จำเป็นต้องติดตั้งวาล์วนิรภัยหรือวาล์วระบายแรงดันเพื่อป้องกันแรงดันเกินในระบบ สำหรับการใช้งานเหล่านี้ ภาคผนวกที่ 2: กฎการออกแบบการติดตั้งวาล์วนิรภัย (ซึ่งเป็นทางเลือกเสริม) เป็นแหล่งข้อมูลที่มีค่ามาก แต่บางครั้งอาจไม่เป็นที่รู้จักมากนัก
ตามวรรค II-1.2 วาล์วนิรภัยมีลักษณะเฉพาะคือการเปิดแบบป๊อปอัพเต็มที่สำหรับการใช้งานกับก๊าซหรือไอน้ำ ในขณะที่วาล์วนิรภัยแบบเปิดสัมพันธ์กับแรงดันสถิตต้นทางและใช้เป็นหลักสำหรับการใช้งานกับของเหลว
วาล์วนิรภัยมีลักษณะเฉพาะคือเป็นระบบระบายแบบเปิดหรือแบบปิด ในระบบระบายแบบเปิด ข้อต่อที่ทางออกของวาล์วนิรภัยมักจะระบายออกสู่ท่อไอเสียสู่บรรยากาศ โดยทั่วไปแล้ว จะทำให้เกิดแรงดันย้อนกลับน้อยลง หากเกิดแรงดันย้อนกลับมากพอในท่อไอเสีย ก๊าซไอเสียบางส่วนอาจถูกขับออกหรือไหลย้อนกลับจากปลายด้านเข้าของท่อไอเสีย ขนาดของท่อไอเสียควรมีขนาดใหญ่พอที่จะป้องกันการไหลย้อนกลับ ในระบบระบายแบบปิด แรงดันจะสะสมที่ทางออกของวาล์วระบายเนื่องจากการอัดอากาศในท่อระบายอากาศ ซึ่งอาจทำให้เกิดคลื่นแรงดันแพร่กระจาย ในย่อหน้า II-2.2.2 แนะนำว่าแรงดันออกแบบของท่อระบายแบบปิดควรมีอย่างน้อยสองเท่าของแรงดันใช้งานในสภาวะคงที่ รูปที่ 5 และ 6 แสดงการติดตั้งวาล์วนิรภัยแบบเปิดและแบบปิดตามลำดับ
การติดตั้งวาล์วนิรภัยอาจอยู่ภายใต้แรงต่างๆ ดังสรุปไว้ในย่อหน้า II-2 แรงเหล่านี้รวมถึงผลกระทบจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อน การทำงานร่วมกันของวาล์วระบายหลายตัวที่ระบายพร้อมกัน ผลกระทบจากแผ่นดินไหวและ/หรือการสั่นสะเทือน และผลกระทบจากแรงดันในระหว่างเหตุการณ์ระบายแรงดัน แม้ว่าแรงดันออกแบบจนถึงทางออกของวาล์วนิรภัยควรตรงกับแรงดันออกแบบของท่อลง แต่แรงดันออกแบบในระบบระบายขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าของระบบระบายและลักษณะของวาล์วนิรภัย สมการต่างๆ ได้รับการระบุไว้ในย่อหน้า II-2.2 สำหรับการกำหนดแรงดันและความเร็วที่ข้อศอกระบาย ทางเข้าท่อระบาย และทางออกท่อระบายสำหรับระบบระบายแบบเปิดและแบบปิด โดยใช้ข้อมูลนี้ สามารถคำนวณและพิจารณาแรงปฏิกิริยาที่จุดต่างๆ ในระบบไอเสียได้
ตัวอย่างปัญหาสำหรับการใช้งานการระบายแบบเปิดแสดงไว้ในย่อหน้าที่ II-7 นอกจากนี้ยังมีวิธีการอื่น ๆ ในการคำนวณลักษณะการไหลในระบบระบายของวาล์วระบายแรงดัน และผู้อ่านควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าวิธีการที่ใช้มีความรอบคอบเพียงพอ หนึ่งในวิธีการดังกล่าวได้รับการอธิบายโดย GS Liao ในบทความ “ความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าและการวิเคราะห์กลุ่มไอเสียของวาล์วระบายแรงดัน” ซึ่งตีพิมพ์โดย ASME ในวารสาร Journal of Electrical Engineering เดือนตุลาคม พ.ศ. 2518
วาล์วระบายแรงดันควรติดตั้งในระยะห่างขั้นต่ำของท่อตรงจากส่วนโค้งใดๆ ระยะห่างขั้นต่ำนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งานและรูปทรงเรขาคณิตของระบบตามที่กำหนดไว้ในย่อหน้า II-5.2.1 สำหรับการติดตั้งที่มีวาล์วระบายแรงดันหลายตัว ระยะห่างที่แนะนำสำหรับการเชื่อมต่อสาขาวาล์วจะขึ้นอยู่กับรัศมีของสาขาและท่อบริการ ดังแสดงในหมายเหตุ (10)(c) ของตาราง D-1 ตามย่อหน้า II-5.7.1 อาจจำเป็นต้องเชื่อมต่อตัวรองรับท่อที่อยู่ตรงจุดระบายของวาล์วระบายแรงดันเข้ากับท่อใช้งานแทนที่จะเชื่อมต่อกับโครงสร้างที่อยู่ติดกัน เพื่อลดผลกระทบจากการขยายตัวทางความร้อนและปฏิสัมพันธ์ทางแผ่นดินไหว สรุปข้อควรพิจารณาในการออกแบบเหล่านี้และอื่นๆ ในการออกแบบชุดวาล์วนิรภัยสามารถพบได้ในย่อหน้า II-5
แน่นอนว่า เป็นไปไม่ได้ที่จะครอบคลุมข้อกำหนดการออกแบบทั้งหมดของ ASME B31 ภายในขอบเขตของบทความนี้ แต่ถึงกระนั้น วิศวกรที่ได้รับมอบหมายให้ออกแบบระบบท่อแรงดันควรคุ้นเคยกับมาตรฐานการออกแบบนี้อย่างน้อยที่สุด หวังว่าด้วยข้อมูลข้างต้น ผู้อ่านจะพบว่า ASME B31 เป็นแหล่งข้อมูลที่มีคุณค่าและเข้าถึงได้ง่ายยิ่งขึ้น
Monte K. Engelkemier เป็นหัวหน้าโครงการที่ Stanley Consultants Engelkemier เป็นสมาชิกของสมาคมวิศวกรรมแห่งรัฐไอโอวา, NSPE และ ASME และดำรงตำแหน่งในคณะกรรมการและคณะอนุกรรมการมาตรฐานท่อไฟฟ้า B31.1 เขามีประสบการณ์ภาคปฏิบัติมากกว่า 12 ปีในด้านการวางผังระบบท่อ การออกแบบ การประเมินความแข็งแรง และการวิเคราะห์ความเค้น Matt Wilkey เป็นวิศวกรเครื่องกลที่ Stanley Consultants เขามีประสบการณ์ระดับมืออาชีพมากกว่า 6 ปีในการออกแบบระบบท่อสำหรับลูกค้าหลากหลายประเภท ทั้งสาธารณูปโภค เทศบาล สถาบัน และอุตสาหกรรม และเป็นสมาชิกของ ASME และสมาคมวิศวกรรมแห่งรัฐไอโอวา
คุณมีประสบการณ์และความเชี่ยวชาญในหัวข้อที่กล่าวถึงในเนื้อหานี้หรือไม่? คุณควรพิจารณาเข้าร่วมทีมบรรณาธิการของ CFE Media และรับการยอมรับที่คุณและบริษัทของคุณสมควรได้รับ คลิกที่นี่เพื่อเริ่มต้นกระบวนการ