مقدمه
هدف از تحلیل تنش در سیستمهای پایپینگ کسب اطمینان از عملکرد مطمئن سیستم از نظر تحمل فشارها و بارهای سازه ای وارد بر سیستم در طول عمر سیستم های پایپینگ می باشد؛ به همین خاطر لازم است مقادیر تنش وارده بر دیواره ی لوله، حرکت لوله در اثر انبساط حرارتی، بارهای مربوط به نازل تجهیزات و فرکانس های طبیعی سیستم محاسبه و با مقادیر حدی و مجاز مقایسه شود. علاوه بر این تحلیلگر تنش باید بارهای وارد بر سیستمهای تکیه گاه را به منظور طراحی این سیستم از نظر نیرویی محاسبه نماید.
الزامات مربوط به تحلیل تنش سیستمهای پایپینگ در کدهای سایزینگ پایپینگ آمده است این الزامات در واقع قوانین و استانداردهایی هستند که حداقل ملزومات را برای طراحی، ساخت و عملکردی ایمن یک سیستم مهندسی بیان می کنند. در صنعت پایپینگ کد مورد استفاده در واقع مجموعه ای از کدهای تحت نظر ANSI و ASME می باشد معمولاً طراحی پایپینگ به دو بخش کلی طراحی پایه ای سیستم و طراحی تفضیلی اجزای آن تقسیم می شود که در آموزش PDMS بررسی میشود. سیستم به عنوان روش توضیح سیال درخط تعریف می شود طراحی پایه سیستم شامل تمامی تجهیزات داخل خط پارکینگ از قبیل مغازه پمپ ها و شیرها میشود در حالیکه اجزا یعنی کامپوننت شامل طراحی انواع تجهیزاتی از قبیل تکیه‌گاه‌های سیستم های پایپینگ می گردد.
سیستمهای پایپینگ به دو دسته یا گروه و سپس به چند زیرگروه تقسیم می شوند اساسا خط لوله به دو گروه گرم و سرد تقسیم می شوند خطوط داغ آنهایی هستند که دمای طراحی بیش از ۶۶ درجه سیلیسیوس 1۵۰ درجه فارنهایت دارند دلیل این تقسیم‌بندی این است که خطوط داغ جهت تعیین جابجایی تنش‌ها و نیروهای حرارتی باید تحلیل انعطاف پذیری قرار گیرند سیستم های سرد و گرم نیز به نوبه خود به سیستمهای قطر کوچک و قطر بزرگ از نظر اندازه لوله تقسیم می شوند آنها که قطر اسمی ۵۰ میلیمتر یا دو اینچ و کمتر دارند قطر کوچک small bore و آنهایی که قطر ۶۵ میلیمتر یا دو و نیم اینچ یا بزرگتر دارند به عنوان سیستم قطر بزرگ large bore شناخته می شوند.
انواع بار موجود در بارگذاری های سیستم پایین به صورت زیر قابل بیان است:
- بار های مستمر: وزن و فشار سیستم
- بار های موقتی: باد، بار ناشی از زلزله، ارتعاش، ترکیدگی لوله و نیروی وارده ناشی از تخلیه شیرهای رها ساز فشار
- بار های انبساطی، انبساط حرارتی سیستم پایپینگ، نشت سیستم پایپینگ، جابجایی تکیه گاه ها ناشی از جابجایی حرارتی تجهیزات یا زلزله
طراحی پایپینگ در PDMS
بارهای مستمر( Sustained loads )
همانطور که قبلا گفته شد بارهای مستمر در یک سیستم Piping، بارهایی هستند که به وسیله نیروهای مکانیکی در تمام مدت کارکرد معمول سیستم به سیستم اعمال می گردند. این بارها شامل بارهای ناشی از فشار و وزن سیستم می باشند.
بارهای مستمر- وزن
تمام سیستم های Piping بایستی طوری طراحی شوند که وزن سیستم کنترل و مهار شود. اغلب سیستم های Piping را میتوان به صورت سازه های فضایی غیرمنظم درنظر گرفت که به خودی خود تكيه گاهی ندارند، بنابراین، باید سیستم تكيه گاهی طراحی نمود تا از واژگونی سیستم جلوگیری شود. ا تکیه گاهها باید توانایی تحمل كل وزن سیستم یعنی وزن لوله، عایقها، سیال، اجزا و خود تکیه گاه ها را داشته باشند.
بارهای مستمر- فشار
بسیاری از سیستم های piping تحت فشار داخلی سیالی می باشند که توسط سیستم منتقل می شود. این فشار معمولا تنش هایی را به سیستم Piping اعمال می کند ولی بار ناشی از آن بر روی سیستم تكيه گاهی چندان قابل توجه نیست. این مسأله بدین دلیل است که نیروهای ناشی از فشار در سطح مقطع به وسیله تنش کششی دیواره لوله خنثی شده و برآیندشان در کل سیستم برابر صفر می شود.
بارهای موقتی
بارهایی که به یک سیستم فقط در پریودهای زمانی کوتاه (عموما ۱۰ درصد) از عمر عملیات واحد به یک سیستم اعمال می شوند، به عنوان بارهای موقتی نامیده می شوند. به عنوان مثال بارهایی را که به صورت پریودیک اعمال می شوند مانند پدیده های طبیعی نظیر تندباد، طوفان، گرانش، زمین لرزه، اتفاقات ناگهانی در کارخانه نظیر بریدگی لوله، اتلاف سیال سردکننده در واحدهای هسته ای و در نهایت عملکرد غیرمعمول کاری نظیر تخلیه دستگاه های تسکین فشار را در زمره این بارها می توان بیان نمود.
معمولا بارهای موقتی در هر دو راستای افقی و عمودی به سیستم piping اعمال می شوند، در حالی که بارهای مستمر که عمده ترین و عمومی ترین حالت آن بار وزنی است به صورت عمودی اعمال می گردند. لذا به وضوح انتظار می رود که نوع تكيه گاه برای بارهای موقتی نسبت به حالت بار مستمر متفاوت باشد و توان از همان تکیه گاه ها حالت بار مستمر استفاده نمود. البته توصیه می شود هرجا که ممکن باشد، در طراحی سیستم piping نوعی محافظه کاری صورت گیرد تا بتوان از مکان های یکسانی برای نصب سیستم های تکیه گاهی برای بارهای مستمر و موقتی استفاده نمود. این کار با کوچکتر در نظر گرفتن فواصل بين بارهای موقتی طوری که با تعدادی از فواصل بارهای مستمر همسان شوند امکان پذیر است. البته این کار یعنی طراحی محافظه کارانه تر هزینه هایی در پی خواهد داشت که البته با درنظر گرفتن یک سازه برای چند هدف تکیه گاهی این هزینه جبران شده و برای سیستم صرفه جویی نیز خواهد داشت.
بهترین گزینه برای مقاومت در برابر بارگذاری دینامیکی استفاده از تكيه گاههای صلب است.از طرفی، انعطاف پذیری سیستم باید در حدی باشد که اجازه انبساط حرارتی را به سیستم بدهد. چنانچه جابه جایی حرارتی به حدی زیاد باشد که نتوان از قیود صلب استفاده کرد، کمک فنر (snubber) استفاده می گردد. هنگامی که سیستم تحت بارهای ناگهانی (دینامیکی) قرار گیرد، کمک فنر مانند قيد صلب عمل می کند ولی بایستی ذکر گردد که کمک فنرها بارهای استاتیکی مانند وزن و نیز بارهای حرارتی را تحمل نمی کنند. تا جایی که امکان دارد، باید از کمک فنرها کمتر استفاده گردد، چراکه هم هزینه سخت افزار و هم نیاز به بازرسی زیادی دارند. روش های زیر برای تعیین موقعیت تکیه گاهها جهت بارگذاری موقتی پیشنهاد می شود:
- مکان های اولیه تکیه گاه را براساس موقعیت های حاصل از بار وزن مرده سیستم تعيين كنيد،
- با استفاده از روش های ارائه شده در این بخش فاصله بهينه بين تكيه گاهها را براساس بارهای موقتی تعیین کنید. این فواصل را آنقدر کم کنید تا با تعداد بیشتری از فواصل وزن مرده تعيين شده در مرحله ۱ یکی شوند
- در سیستم های piping سرد (دربرگیرنده دماهای پایین) در همه جاها از تکیه گاه صلب استفاده کنید
- در سیستمهای piping گرم (دربرگیرنده دماهای بالا) موقعیت هایی را که می توان از تکیه گاه صلب استفاده کرد. این موقعیت ها معمولا روی مکانهایی قرار میگیرند که جابه جایی های حرارتی آزاد (free thermal) در آنها حداقل است. در بقیه موقعیت ها، می توان از کمک فنر استفاده کرد. برای این مرحله میتوان از تعدادی برنامه های کامپیوتری بهینه ساز نظیر Caesar II و Autopipe استفاده نمود.
بارگذاری موقتی شامل بار ناشی از باد، تخلیه شیر اطمینان فشار و زلزله و بارهای ارتعاشی می شود. برخی کدهای piping اجازه می دهند که تنش های مجاز مواد سازهای مورد استفاده در سیستم های piping و سیستم های تکیه گاهی را بیشتر در نظر بگیریم. این مسأله به خاطر این است که این بارها موقتی بوده و در پریود زمانی کوتاهی وارد می شوند و باعث واماندگی خزشی (واماندگی تدریجی تحت بار ثابت در دمای بالا در سیستم piping یا تكيه گاهها نمی شوند.
بارهای موقتی – باد
بار ناشی از باد نیرویی پریودیک است که به دلیل تناوب جریان ایرودینامیکی باد یا اثرات فشار دینامیک بر سیستم piping وارد می شود. سیستمی که در فضای باز بیرون قرار دارد و بنابراین تحت وزش باد است، باید طوری طراحی شود که بتواند در برابر حداکثر سرعت باد که ممکن است طی عمرکاری طرح با آن مواجه شود، مقاومت کند. مقدار سرعت باد بستگی به شرایط محلی دارد. این سرعت باد، که معمولا با ارتفاع از سطح زمین تغییر می کند، به طور آماری از مشاهدات قبلی تخمین زده شده است.
بارهای موقتی- تخلیه شیرهای اطمینان فشار
هرگاه در یک سیستم Piping ، فشار از حد مطلوب برای کارکرد ایمن زیادتر شود از شیرهای اطمینان فشار برای فراهم شدن امکان خروج سیال به کار می رود. وقتی که فشار موجود در سیستم فشار تنظیم شده برای این عمل برسد، شیر باز شده و اجازه می دهد مقدار کافی از سیال سیستم Piping خارج شده و فشار کاهش یابد. به این ترتیب تخلیه سیال به صورت کنترل شده انجام گرفته و از انفجار مخزن تحت فشار جلوگیری به عمل می آید.
در هنگام خالی شدن شیر اطمینان فشار، سیال یک نیروی جت ایجاد می کند که به سیستم پایپینگ منتقل می شود. اگر لوله از طریق سیستم داخلی توانایی تحمل و مقاومت در برابر نیرو را نداشته باشد، این نیرو بایستی توسط سیستم تكيه گاهی کنترل شود. اگر سیال تخلیه شده از طریق یک سیستم بسته به یک مخزن جریان داشته باشد، ممکن است شرایط جریان گذرا بر سیستم حاکم شود طوری که محاسبه نیروی شیر را سخت کند.
بارهای موقتی- زلزله
سیستم های piping ایمن در نیروگاه های هسته ای و همینطور غیرهسته ای در مناطقی که در آن زمین لرزه رایج است، باید طوری طراحی شوند که در برابر نیروی زلزله کنترل شوند.
برای دستیابی به معیاری برای طراحی زلزله ابتدا باید پتانسیل منطقه ای که سایت قرار است در آن طراحی و ساخته شود، از نظر زلزله خیز بودن، شناسایی و تخمین زده شود. پتانسیل زلزله معمولا براساس تاریخچه زلزله های قبلی به همراه شدت آنها تعیین می شود. بدین منظور معمولا لازم است در این زمینه یک تحقیق شامل مرور گزارش ها در سوابق قدیمی مثل روزنامه ها، مجلات و غیره انجام شود تا شدت زمین لرزه های گذشته در محل تعیین گردد.
از آنجایی که در بیشتر زمان های تاریخ تجهيزات زلزله نگاری و دیگر وسایلی که قابلیت اندازه گیری شدت زمین لرزه را دارند موجود نبودند، تخمین شدت زلزله باید براساس انطباق میان مشاهدات گزارش شده مردم و شدت زلزله های ثبت شده صورت گیرد.
ارتعاشات (Vibration)
تجهیزات دوار از قبیل کمپرسورها، پمپها، محرک های توربین، موتورها و غیره باعث ایجاد ارتعاشات مکانیکی می شوند. چرخش در این دستگاهها، باعث ایجاد یک حالت عدم توازن سینوسی هارمونیک شده که نیروی ناشی از این چرخش سیستم Piping را به طور دینامیک تحریک می کند.
در حالت کلی نیروهای بزرگی ممکن است به خاطر این پدیده به سیستم piping منتقل شود، مگر اینکه دستگاه دوار به دقت بالانس شده و یا برای جلوگیری از ارتعاشات، روی پایه الاستیک ساپورت شده باشد. چنانچه فرکانس چرخش در نزدیکی فرکانس های طبیعی سیستم piping باشد، تشدید رزونانس رخ داده و موجب خرابی سیستم می گردد.
یک کمپرسور از نوع رفت و برگشتی تعدادی فرکانس تحریک را از فشار پریودیک ایجاد می کند که این فرکانس ها با ضرب کردن سرعت دوران (rpm) در تعداد سیلندرها برای کمپرسور ساده و دو برابر تعداد سیلندرها برای کمپرسورهای دو مرحله ای به دست می آید. فرکانس های طبیعی سیستم piping مقید باید از رسیدن به آنها پرهیز شود، نصفrpm ، rpm و تمام مضرب ها تا ۵ برابر rpm دستگاه می باشد. چنانچه این فرکانس ها به فرکانس های طبیعی سیستمهای piping متصل به دستگاه دوار نزدیک شود، یک حالت تشدید به صورت منابع فشار زیاد اتفاق می افتد. بارهای ناشی از موج فشار می تواند روی لوله ها، تكيه گاهها، ماشین آلات و سازه های ساختمانی مجاور تأثیر بگذارد.
بهترین راه برای کنترل ارتعاشات و اثرات نامطلوب آن حذف یا جداسازی منبع ارتعاش است. علی رغم اینکه حذف یا جداسازی منبع ارتعاشات مطلوب است ولی در بسیاری کاربردها، عملا ممكن نیست و باید اثرات ارتعاشات را در طراحی سیستم پایپینگ لحاظ کرد.
بارهای انبساطی Expansion loads
همانطور که گفته شد هرچه قبدهای بیشتری در یک سیستم به کار گرفته شود سیستم در برابر بارهای مستمر و بارهای موقتی به طور موثرتری مقید میشود. از طرف دیگر اکثر لوله ها در هنگام کار افزایش دما پیدا کرده و منبسط می شوند. سیستمی که خیلی زیاد مقید شده باشد، امکان انبساط نداشته و باعث بروز نیروهای بزرگی در نقاط قفل شدگی می شود و این مسأله تنش های زیادی را در لوله ایجاد خواهد نمود.
در واقع شرایط ایده آل قیدگذاری برای درنظر گرفتن انبساط حرارتی عدم وجود قید است. از آنجایی که این مسأله منطقی نیست، علاوه بر بارهای وارده ، نیروهای ناشی از انبساط حرارتی نیز حتی به بهینه ترین سیستم ها از نظر تكيه گاه، اعمال می شوند.
