الزامات و استانداردهای تنش لوله ها

مقدمه

آموزش تاسیسات ساختمان از جمله طراحی، اجرا، راه اندازی، سرویس و نگهداری تاسیسات بهداشتی، گرمایشی و برودتی از جمله مهمترین وظایف تکنسینها و مهندسین این شاخه مهندسی محسوب می گردد اما به منظور نگهداری مناسب از یک سیستم Piping ، لازم است مهندس طراح درک درستی از مقتضيات قيد شده در کدها، استانداردها و قوانین موردنیاز در مورد Piping داشته باشد. این مقتضیات به طور کلی پایه فنی تحلیل و طراحی سیستم Piping را تشكيل داده و به عنوان معیار طراحی سیستم Piping، عمل می کنند. به این منظور در آموزش pipenet به محاسبات هیدرولیک برای خطوط، داکت، پمپ و کنترل ولوها، توسط پرداخته میشود. در این مطلب راجع به ملزومات موجود در برخی از کدهای خاص در زمینه تنش های موجود در سیستم های Piping، بحث می کنیم.

هدف اصلی تدوین کدها، تعيين ملزومات مورد نیاز شرایط ویژه سیستم های مختلف به عنوان اصول طراحی می باشد. دو استاندارد متداول در زمینه طراحی سیستمهای Piping، سری های کد Piping تحت فشار ANSI و کد مربوط به مخازن تحت فشار و بویلر ASME می باشد. در این کدها، اطلاعات لازم برای مهندس طراح از قبیل مقادير تنش مجاز، جنس مصالح سیستم و معادلات طراحی مربوط به تنش های ناشی از وزن، اثرات دما و دیگر شرایط بارگذاری و محیطی فراهم شده است.

 تئوریهای تخریب (Failure Theories)

در بررسی استحکام سیستم های Piping اغلب کدهای طراحی معمولا یکی از دو تئوری تخریب را مبنای کار خود قرار می دهند. کدهای ANSI B31 و همین طور ASME section III، زیر بخش های NC و ND (کلاس های ۲ و ۳) تئوری تنش اصلی ماکزیمم را مبنای طراحی سیستم Piping درنظر میگیرند. این تئوری بیان می کند که هرگاه مقدار یکی از سه تنش اصلی عمود برهم از تنش تسلیم ماده، تجاوز کند، تسلیم رخ می دهد. این روش ساده بوده و در صورت استفاده از یک ضریب اطمینان مناسب نتایج مطمئنی را به همراه خواهد داشت.

روش دقیق تر در ارزیابی حالت تنش در یک ماده استفاده از تئوری تخریب قویتری است که اجازه استفاده از تنش های مجاز بالاتر را بدون کاهش ضریب اطمینان می دهد، این تئوری در زیر بح NB (كلاس ۱) از کد ASME Section III استفاده شده است و تئوری ماکزیمم تنش برشی نام دار براساس این تئوری تخریب هنگامی اتفاق می افتد که ماکزیمم تنش برشی ماده از مقدار تنش بر مجاز ماده ( برابر S_y/2) تجاوز کند.

دسته بندی تنش ها

در یک سیستم Piping ممکن است شکل های مختلف تخریب (Failure mode) از قبیل کمانش (Bucking)، خوردگی تنش (Stress Corrosion) و شکست ترد (Britle Fracture) رخ دهد. این موارد در کدهای مربوط به Piping ارائه نشده ولی اثرات آنها باید توسط مهندس طراح Piping در هنگام انتخاب جنس مصالح با طراحی چیدمان و تكيه گاه های سیستم Piping مورد توجه قرار گیرد.

شكلهای تخریب که در کدهای Piping ذکر شده اند می تواند به صورت تغییر شکل زیاد پلاستیک یا  از هم پاشیدن، عدم تعادل پلاستیک، متلاشی شدن تدریجی ناشی از تکرار بارگذاری در محدوده پلاستیک و خستگی همراه با تناوب کم و کرنش – بالا باشد. هر کدام از این شکل های تخریب می تواند ناشی از نوع خاصی از تنش و بارگذاری باشد، لذا لازم است تنش های موجود در سیستم به گروههای مختلف سه گانه تقسیم شده و حدود مجاز هر کدام معین گردد.

کدهای Piping انواع تنش ها و شکل های خستگی ناشی از هر کدام را به دسته های زیر تقسیم کرده اند:

• تنش اولیه (Primary Stress)، تغییر شکل پلاستیک و از هم پاشیدن
• تنش ثانویه (Secondary Stress). عدم تعادل پلاستیک منجر به متلاشی شدن تدریجی (incremental collapse)
• تنش نقطه اوج (Peak Stress) . تخریب در اثر خستگی ناشی از بارگذاری تناوبی

حدود مجاز تنش

حدود مجاز برای هر نوع تنش وارده به یک سیستم با توجه به تئوری تخریب یا تسلیم (با فرض رفتار كاملا الاستیک و پلاستیک ماده) با به کارگیری ضرایب اطمینان مناسب، تعیین می شود.

همانطوری که قبلا هم اشاره شد، لوله هنگامی دچار تخریب می شود که بار وارده باعث ایجاد یک تنش پوسته ای اولیه عمومی برابر با استحکام تسليم ماده شود. در تخریب ناشی از خمش لازم است تمام مقطع عرضی لوله به استحکام تسليم رسیده باشد. در نتیجه گشتاور خمشی وارده باید از حاصلضرب گشتاور تسلیم لوله در ضریب شکل تجاوز کند. ترکیب این دو نوع بارگذاری یعنی بارگذاری خمشی و بارگذاری پوسته ای اولیه حدود مجاز برای تنش پوسته ای و خمشی را کاهش می دهد.

پدیده Shake-down که یک رخداد ویژه در سیستمهای Piping است، خود ارتجاعی (springing-Self) نیز نامیده میشود و می توان بروز آن را با فرآیندی به نام (مرتجع سازی سرد) Cold-Springing که در ان لوله عمدا در ابعاد کوتاه بریده و نصب می شود تا از ایجاد پیش تنشهای ناشی از تغيير شكل پلاستیک، جلوگیری شود، تسریع بخشید. این پیش تنش به وجود آمده در سیستم، تنشهای حرارتی محاسبه شده در حالت عادی (همین طور نیروهای ناشی از وجود قیدهای حرارتی) را کاهش می دهد. از طرفی لوله چه تحت خود ارتجاعی ( Self-springing) و چه تحت مرتجع سازی سرد (Cold-Springing)  قرار گرفته باشد، محدوده تنش در سیستم یکسان باقی می ماند. محدوده تنش ثانویه محاسبه شده در یک سیستم با استفاده از به کارگیری هر نوع از فرآیندهای پیش تنش کاهش نمی یابد. ۲۴-۲-۴

خستگی Fatigue

سومین نوع تنش یعنی تنش نقطه اوج که به دلیل وجود ناپیوستگیهای موضعی ایجاد می گردد از نوع تنش ثانویه بوده و به صورت ظاهری باعث ایجاد هیچ تغییر شکلی نمی شود. به همین دلیل، تنش نقطه اوج نمی تواند تخریب ناشی از تسلیم و یا متلاشی شدن سیستم را ایجاد کند. با این حال، تكرار تناوبی نقاط متمرکز حاوی تنش های بالا در سیستم ممکن است در نهایت باعث ایجاد ترک شود که با رشد و گسترش آن در لوله نشتی ایجاد می گردد. این مکانیزم تخریب، خستگی نام دارد.

بارهای موقتی و سطوح سرویس

کدهای Piping براساس پریود زمانی اعمال تنشها و بارهای اولیه را به دو نوع تقسیم می کنند. نوع اول بارهای مستمر یا Sustained loads نام دارند که تقریبا در تمام زمان کارکرد سیستم وجود دارند. مثال هایی از بارهای مستمر وزن و فشار سیستم Piping تحت شرایط عملیاتی معمول می باشند. نوع دوم، بارهای موقتی یا Occasional loads میباشند که فقط در پریودهای زمانی خاص و کوتاه از کارکرد سیستم Piping مشاهده می شوند. به طور مثال می توان بادهای تند، ضربه قوچ (Fluid hammer)، تخليه شیرهای اطمینان فشار، زلزله و شكست لوله ناشی از انرژی زیاد را در زمره این نوع از بارگذاری معرفی نمود.

پروژه های کمیته B31

کمیته B31 یکی از کمیته های ASME می باشد و در آن کد مربوط به طراحی سیستمهای Piping تحن افشار دارای چند کمیته تخصصی جداگانه (شامل piping نیروگاهی و Piping سوخت گاز و غیره) است. ASME این کدها را با هم مطابقت داده و به صورت کدهای ANSI/ASME منتشر کرده است. این کدها شامل اطلاعات مرجع اساسی و فرمول های مورد نیاز طراحی می باشد که عبارتند از:

1. مشخصات جنس مصالح و استانداردهای اجزای مختلف که مطابق کد برای استفاده مناسب هستند.

۲. استاندارهای ابعادی مورد قبول برای اجزای تشکیل دهنده سیستمهای Piping

٣. الزامات مربوط به طراحی فشار اجزا و واحدهای مونتاژی سیستم.

۴. الزامات مربوط به ارزیابی و محدوده های تنشها، عكس العمل ها و حرکت های ناشی از فشار، دما و نیروهای خارجی در سیستم ۵. الزامات مربوط به ساخت، مونتاژ و نصب سیستم های Piping

۶. الزامات مربوط به آزمایش، بازرسی و تست کردن سیستم های Piping

این الزامات انتخابی نبوده و باید به طور کامل اجرا شوند. بخش های بعدی این مطلب خلاصه ای از الزامات مربوط به تنش را در کدهای پیچیده تر توضیح میدهند.

  کد طراحی سیستمهای Piping نیروگاهی B31.1 power piping code) B31.1)

این کد حداقل ملزومات را برای طراحی، مصالح، ساخت، مونتاژ، نصب و راه اندازی، تست و بازرسی سیستمهای Piping نیروگاهی و سرویس های متفرقه در ایستگاههای تولید برق، واحدهای صنعتی واحدهای حرارت مرکزی یا موضعی فراهم آورده است. سرویس های Piping نیروگاهی می تواند شامل سرویس های هوا، گاز، روغن، آب و بخار و غیره باشد. الزامات طراحی ذکر شده در این کد شامل لوله، فلنج، واشرها، شير، ابزار ایمنی فشار، اتصالات و اجزای تحت فشار و یا سایر اجزای سیستم piping  میباشد. همچنین قیود و سایر اجزای لازم جهت جلوگیری از تنش های غیرمجاز در بر میگیرد.

بارگذاری هایی که در B31.1 لازم است درنظر گرفته شوند شامل فشار، وزن (بارهای زنده، مرده تحت آزمایش)، بار ضربه ای (برای مثال ضربه قوچ)، باد، زمین لرزه (در صورت وجود)، ارتعاشات و بارهای حاصله از انبساط و انقباض حرارتی می باشند. معمولا در این کد فرض می شود که بار ناشی از باد و زمین لرزه به طور همزمان به سیستم وارد نشوند.

کد طراحی سیستم های Piping واحدهای شیمیایی، پتروشیمی و نیز پالایشگاه ها

کد طراحیB31.3 شامل محدوده های مجاز برای موارد مختلف در فرایندهای شیمیایی، نفتی و یا محصولات مرتبط و ساخته شده از نفت می باشد که در آموزش HYSYS به عنوان قدرتمندترین نرم افزار های شبیه سازی فرآیند بطور کامل به آن پرداخته میشود.. چند مثال از این نوع واحدها شامل واحدهای صنعتی مواد شیمیایی، پالایشگاه های نفتی، پایانه های بارگیری و واحدهای فرآیندی گاز طبیعی می باشد. مواردی که کدB31.3 آنها را شامل نمی شود عبارتند از: سیستم Piping حامل سیال بی خطر با فشار نسبی داخلی کمتر از psi 15 (kpa 103) و دمای کمتر از F 366 (C186)، سیستم Piping حامل بخار و آب تغذیه براساس کد B31.1,B31.4)ANSI یا B31.8)  و تأسیسات ساختمانی، لوله کشی فاضلاب و سیستمهای اطفاء حریق.

بارهایی که در کد B31.3 درنظرگرفته می شوند شامل فشار، وزن (بارهای زنده و مرده)، ضربه شامل موجهای ضربه ای هیدرولیکی)، باد، نیروهای افقی ناشی از زمین لرزه، عکس العمل های ارتعاشی ناشی از تخلیه سیال، بارهای حرارتی ناشی از انبساط و انقباض، گرادیانهای دمایی و بارهای ناشی از سیستم های تکیه گاهی می باشند. الزامات ذکر شده در کد ANSI B31.3 به صورت زیر می باشد:

• تنش های ناشی از بارهای مستمر

مجموع تنش های طولی( S_L) ناشی از فشار، وزن و سایر بارهای مستمر نباید از S_h تجاوز کند. برای محاسبه S_L ، ضخامت لوله مورد استفاده نباید خوردگی، فرسایش، رزوه و یا عمق شیار را در بر گیرد. تنش S_h نیز برابر تنش مجاز پایه در حداکثر دمای فلز می باشد.

• تنش های ناشی از بارهای موقتی

مجموع تنش های طولی ناشی از فشار، وزن و دیگر بارهای مستمر و همینطور تنش های ایجاد شده وسیله بارهای موقتی از قبیل باد یا زلزله نباید از  S_h 1.33 تجاوز کند. بایستی خاطرنشان گردد که لازم لیست نیروهای باد و زلزله به طور همزمان در نظر گرفته شوند.

• دامنه تنش ناشی از بارهای انبساطی

کد طراحی سیستم های Piping نیروگاه های هسته ای B31.7

کد ANSI B31.7 ، کد اصلی برای طراحی سیستمهای Piping نیروگاههای هسته ای بود که بعدها بخش III از کد مخازن تحت فشار و بویلر ASME جایگزین آن شد. ولی با این حال هنوز این کد در واحدهای هسته ای که از ابتدا با این کد کار می کرده اند، مورد استفاده قرار میگیرد.

کلیات این کد آن دسته از سیستمهای Piping را که جهت کنترل فشار سیستم های تحت فشار در نیروگاه های هسته ای طراحی شده اند، را دربر می گیرد. مواردی که کد B31.7 آنها را شامل نمی شود عبارتند از:

آن دسته از سیستمهای Piping که مشمول قسمت های دیگر کد Piping تحت فشار می شوند مانند سیستمهای متداول Piping بخار در واحدهای هسته ای که میتوانند با توجه به B31.1 طراحی شوند.

کد سیستم Piping توزیع و انتقال گاز B31.8

این کد شامل خطوط لوله سیستم های توزیع گاز تا کنتور مصرف کننده می گردد. مواردی که این کد شامل نمی شود عبارتند از: سیستم Piping با دمای فلز کمتر از 29- درجه سیلیسیوس یا 20- درجه فارنهایت و یا بالاتر از 232 درجه سیلیوس یا 450 درجه فارنهایت، سیستم Piping بعد از کنتور مصرف کننده، سیستم Piping در پالایشگاه های نفتی، سیستم های Piping موجود در واحدهای استخراج و تصفیه گاز طبیعی و موارد دیگری که مشمول بخش های دیگر کد ANSI B31 می شوند، سیستم Piping تخلیه گازهای زائد در فشارهای اتمسفریک و سیستمهای Piping مربوط به نفت مایع.

این کد شامل طراحی تنش های زیر میشود:

• تنش های ناشی از بارهای اولیه
• دامنه تنش ناشی از بارگذاری های انبساطی
• تنش های ناشی از بارهای اولیه به علاوه بارهای انبساطی

کد مخازن تحت فشار و بویلر ASME، بخش III زیر بخش NB

قسمت NB از بخش III از کد مذکور، الزامات مربوط به قسمتهایی از سیستم Piping هسته ای را که طبق کلاس ۱ طراحی شده اند دربر می گیرد. این کد Piping در واقع از بخش 1 Class کد B31.7 به دست آمده است.

بارهایی که در طراحی Piping قسمت NB باید در نظر گرفته شوند شامل فشار، وزن (بارهای زنده و مرده) ، ضربه، زمین لرزه، ارتعاشات و بارگذاریهای ناشی از انبساط و انقباض می باشند. الزاماتی که طبق کلاس ۱ کد مزبور در رابطه با تنش باید رعایت شوند عبارتند از:

• بررسی شدت تنش اولیه
• دامنه شدت تنش اولیه بعلاوه ثانویه
• تحلیل ساده شده ناپیوستگی الاستیک-پلاستیک
• تحلیل خستگی و دامنه تنش نقطه اوج