انعطاف پذیری در پایپینگ- قسمت اول

مقدمه  

   یکی از اساسی ترین الزامات در طراحی پایپینگ تمهید انعطاف پذیری بسنده برای جذب انبساط گرمایی لوله است. با این حال، به خاطر ضعف در شیوه سریع بررسی، لوله کشی ها اغلب یا خیلی سفت و سخت طراحی میشوند یا بیش از حد منعطف. در هر یک از این حالات، زمان و مواد ارزشمندی هدر می رود.این نوشتار به شیوه سریع بررسی انعطاف پذیری لوله کشی می پردازد.

این شیوه ها شامل شیوه های چشمی، محاسبات دستی و ریز رایانه ای است. آنها همگی سریع و برای طراحان سهل است تا در طرح جانمایی لوله کشی شان به کار برند. هنگامی که طراحان به مداقه مساله انعطاف پذیری می پردازند، رویه های سعی و خطا بین مهندسان تحلیل تنش و مهندسان طراح ساده تر خواهد شد. زمان بندی پروژه نیز بهبود می یابد. انعطاف پذیری لوله کشی زمانی که دمای لوله از شرایط نصب به شرایط بهره برداری تغییر میکند، یا منبسط می شود یا منقبض.

در بیان کلی، هم انبساط و هم انقباض، به نام انبساط گرمایی خوانده میشوند. هنگامی که یک لوله منبسط شود، بالقوه توان ایجاد نیروهای بزرگ و تنش ها را در سیستم خواهد داشت. با این حال اگر لوله کشی به حد کفایت منعطف باشد، انبساط میتواند بدون ایجاد نیرو یاتنشی ناخواسته جذب شود.

تمهید انعطاف پذیری مناسب یکی از وظایف اصلی طراحی سامانه لوله کشی است.لوله کشی برای حمل مقدار معینی از سیال از یک نقطه به نقطه دیگر به کار برده میشود. این آشکار است که هر چه لوله کوتاهتری استفاده شود، مخارج هزینه ای کمتری لازم خواهد بود. لوله طولانی هم چنین افت فشار بیش از حدی را ایجاد میکند که آن را برای بهره برداری صحیح، نامناسب می سازد. با این همه، کوتاهترین جانمایی لوله کشی معمولا برای جذب انبساط گرمایی پذیرفتنی نیست.

شکل 1 نشان میدهد که چه رخ میدهد زمانی که لوله راست، مستقیما از یک نقطه به نقطه دیگری متصل میشود. نخست، توجه کنید که تنها یک انتها صلب است و انتهای دیگر رهاست. انتهای رها به مقداری معادل رابطه روبه رو منبسط میشود: Δ= e L

با این حال، از آنجا که یک انتهای دیگر شُل نیست، این انبساط توسط لوله کشی جذب میشود. این معادل با لهیدگی لوله برای جابه جایی به انتهای عقبی در یک فاصله است. این مقدار از لهیدگی تنشی ایجاد میکند با مقداری برابر با

S=E(Δ/L)=Ee

شکل 1- تغییرات انبساط گرمایی درجایی که

•Δ انبساط گرمایی برحسب اینچ

•Le نرخ انبساط گرمایی بر حسب اینچ بر اینچ

•L طول لوله برحسب اینچ

•FEضریب کشسانی برحسب psi

•A سطح مقطع لوله برحسب اینچ مربع

•F نیروی محوری برحسب پوندنیروی لازم برای لهیدگی این مقدار F=AS= AEe  است.

یک لوله فولاد کربنی شش اینچ با ضخامت دیواره استاندارد را در نظر بگیرید، افزایش دمایی از هفتاد درجه فارنهایت به سیصد درجه فارنهایت، یک تنش محوری با 42300 psi و نیروی محوری برابر با 236000 lbs در لوله ایجاد میکند. این میزان زیادی است اگرچه تغییر دمایی تنها به 300 درجه فارنهایت رسیده است.واضح است که طرح نمایی خط لوله صرفا مستقیم در اغلب سامانه های لوله کشی پذیرفته نیست و بنابراین انعطاف پذیری بایستی تامین شود.

حلقه انبساطی Expansion Loop

گردش ها و چرخشهای لازم برای انتقال لوله از یک نقطه به نقطه دیگر خود، تا حدودی انعطاف پذیری لوله کشی را فراهم میکند. این انعطاف پذیری ذاتی بسته به مورد، شاید بسنده باشد یا نباشد.انعطاف پذیری اضافی را میتوان با افزودن حلقه های انبساطی Expansion Loops یا مفاصل انبساطی فراهم کرد. در خط مستقیم بحث شده در بالا، تنش را میتوان با افزودن حلقه هایی مانند آنچه ذیلا نشان داده شده، کاهش داد. ایده اصلی، فراهم سازی مقادیری لوله عمود بر جهت انبساط است. به این شیوه زمانی که لوله منبسط میشود،ساق لوله اول پیش از انتقال بار به لنگرگاهی دیگر خم میشود. هرچه ساق حلقه طولانی ترشود، نیروی کمتری ایجاد میشود.

نیروی ایجاد شده به صورت معکوسی با مکعب طول متناسب است و تنش ایجاد شده در لوله کشی سخت تقریبا به طور معکوسی با مربع طول حلقه متناسب است. گاهی اوقات حلقه ها به نحو قابل ملاحظه ای فضای و لوله کشی بیشتری از آن چه در دسترس است یا به لحاظ اقتصادی توجیه پذیر، در بر میگیرند. این به ویژه برای لوله کشی کم فشار دما بالای سایز بزرگ صحت دارد.

در این حالت، بهترین شیوه استفاده از مفاصل انبساطی است. مفاصل انبساطی نسبت به حلقه لوله پیچیده تر هستند که فقط طول اضافی از همان لوله کشی است. برای این حالت و بنا به دلایل دیگر، مهندسان حلقه های لوله را نسبت به مفاصل انبساطی ترجیح میدهند.

با این حال، مفاصل انبساطی را میتوان به نحو موثری در کاربری هایی به کار برد که به خوبی طراحی شده اند. یکی از الزامات اصلی در طراحی سامانه مفاصل انبساطی، نصب محدودیت های کافی برای حفظ پایداری است.

این نوشتار اساسا با شیوه حلقه انبساطی سر و کار دارد.طول بحرانی در طراحی تاسیسات، لوله کشی عموما توسط طراحان لوله کشی مسیر یابی یا جانمایی مشود و سپس توسط مهندسان تحلیل تنش ارزیابی مشود. تفاوت معنا داری بین جانمایی توسط طراحان مجرب و بی تجربه وجود دارد. طراحان مجرب از اهمیت انعطاف پذیری مطلع هستند. با این حال آنها تمایل داردند که ا نعطاف پذیری بیش از حدی اعمال کنند برعکس افراد کم تجربه که تمایل دارند انعطاف پذیری اندکی فراهم کنند. در هر یک از این حالات نتیجه بر بهای پروژه اثر میگذارد.

جانمایی انجام شده توسط طراحان مجرب معمولا بیش از حد سفت و سخت است زیرا این طراح نمیداند که چه گونه حلقه ها یا چرخش ها را اضافه کند. اگر سیستم لوله کشی بیش از حد سفت و سخت باشد، مهندس تحلیل تنش تقریبا قطعا آن را خواهد یافت. مهندس تحلیل تنش، طرح را با حلقه های توصیه شده به طراح برای بازبینی ارسال میکنند. در این زمان طراح مقداری جانمایی بیشتر انجام داده که بازنگری و ویرایش کار را با چالش همراه میسازد. از سوی دیگر طرح انجام شده توسط یک طراح مجرب اغلب حاوی حلقه هایی هست که بیش از حد بوده یا نیازی بدان ها نبوده است. حلقه های بیش از حد معمولا بدون بازنگری حفظ میشوند، زیرا مثل معروفی هست که چیزی کار نمیکند را تغییر و تعمیر نمیکنند. طراح مجرب احتمالا در کار-ساعت بازنگری هم صرفه جویی میکند.

هزینه حلقه های بیش از حد قابل پیش گیری است.هزینه پروژه را میتوان اساسا کاهش داد، اگر طراح مقداری صحیح از انعطاف پذیری را در مراحل اولیه جانمایی طرح لحاظ کند. این نیازمند شیوه ای سریع است که طراح بتواند با آن انعطاف پذیری لوله کشی را بررسی کند.

این موضوع نوشتار قسمت دوم خواهد بود