استفاده گسترده از خط لوله در جهت جابجایی محصولات و سیالات مختلف مایع، گاز، جامد و یا مخلوط آنها در قسمت‌های مختلف اقتصاد و صنایع ملی استفاده می‌شود. در سال‌های اخیر از خطوط لوله به صورت عمده در جهت انتقال آب، نفت و همچنین فرآورده‌های نفتی استفاده می‌شود. در عصر حاضر زمینه‌های کاربرد تخصصی خطوط لوله به صورت بسیار قابل توجهی گسترش یافته است: آبیاری (آب پاش) و زهکشی (لوله‌های زهکشی)، مهندسی برق حرارتی، دارو (رگ‌های خونی مصنوعی)، صنایع مواد غذایی و غیره. حمل و نقل مایعات به واسطه خطوط لوله بسیار کارآمد و مقرون به صرفه است.
تعریف خطوط لوله
خط لوله در واقع سیستم لوله‌ای است که در جهت حمل مایعات مختلف همانند نفت، گاز طبیعی و یا سایر فرآورده‌های نفتی و مایعات دیگر در مسافت‌های طولانی و اغلب در سطوح زیرزمینی طراحی شده است. خطوط لوله قسمت بسیار مهمی از تمدن مدرن می‌باشند که از هزاران سال پیش از آنها در جهت جابجایی آب استفاده شده است. خطوط لوله به صورت معمول بیشتر از جاده‌ها یا کانال‌های باز هزینه دارند، به این صورت که سال‌ها طول می‌کشد و مطالعات و نظرسنجی‌ها بسیاری صورت می‌گیرد و برنامه‌های مختلف در جهت تدوین و اجرای یک برنامه جامع و کامل که ملاحظات مختلف محیط زیست، اجتماعی، توسعه و ایمنی لازم در جهت ساخت و بهره‌برداری خط لوله را برطرف کند، لازم است تا در نهایت خط لوله‌ای تاسیس شود. با این حال امکان دارد با استفاده از مسیر‌های کوتاه‌تر و مستقیم هزینه احداث خط لوله را تا مقدار بسیار زیادی کاهش داد.
خطوط لوله با توجه به زمینه‌های استفاده آنها به دسته‌های متعددی تقسیم‌بندی می‌شوند که در ادامه به شرح مختصر هریک می‌پردازیم:
خط لوله آب
این دسته را می‌توان به عنوان پر استفاده‌ترین انواع خطوط لوله شناخت و به صورت کلی در جهت انتقال آب از تصفیه خانه‌ها به ساختمان و شهرها و مناطق مسکونی استفاده می‌شود. به صورت کلی، چنین خطوط لوله‌هایی در جهت محافظت در برابر یخ زدگی و سرما در سطوح زیرزمین و زیر خیابان‌ها و معابر شهری نصب می‌شوند. اکثرا این لوله‌ها از جنس استیل، چدنی و بتون ساخته می‌شوند.
خط لوله فاضلاب
از این نوع خط لوله در جهت انتقال فاضلاب‌های صنعتی و انسانی استفاده می‌شود که اساسا از درصد بالایی از آب و درصد کمتری از پسماندهای جامد متشکل است. این لوله‌ها را می‌توان از جنس موادی همانند بتن، PVC، چدن و یا حتی خاک رس و بر اساس مقدار فشار در لوله و سایر فاکتورها تولید کرد. اندازه لوله‌ها با توجه به فاکتورهایی نظیر نوع مواد و فشار موجود در لوله کنترل می‌شود.
خط لوله نفتی
این خطوط لوله به صورت اصلی از جنس فولاد ساخته شده است که برای آن به صورت اصلی از پوشش خارجی و حفاظت کاتدی در جهت کاهش خوردگی خارجی یاری گرفته می‌شود. خطوط لوله نفت با استفاده از تکنیک‌های جوشکاری به یکدیگر وصل می‌شوند.
آموزش مدیریت پروژه در نوین پارسیان همراه با مدرک معتبر بین‌اللمللی
به صورت کلی دو نوع خط لوله نفت وجود دارد:
خط لوله نفت خام – که وظیفه انتقال نفت خام به پالایشگاه‌ها را دارد.
خط لوله محصول – که محصولات پالایش شده مانند بنزین را به بازار منتقل می‌کند.
خط لوله گاز
خطوط لوله تنها وسیله عملی و اجرایی حمل و نقل گاز طبیعی روی زمین است زیرا سایر روشهای معمول مانند حمل و نقل باکامیون و قطار بسیار گران قیمت هستند. خطوط جمع آوری و انتقال گاز از جنس فولاد ساخته شده اند در حالی که اکثر خطوط توزیع از لوله‌هایی با جنس پلاستیکی انعطاف پذیر استفاده می‌کنند، که به راحتی قابلیت جایگزاری دارند و دچار خوردگی نمی‌شوند.
خط لوله دوغاب
اصولا دوغاب ترکیبی از ذرات جامد و یک مایع (معمولا آب) می‌باشد. صنعت معدن و لایروبی از خط لوله دوغاب برای مصارف مختلف استفاده می‌کنند. این نوع خط لوله نفت و گاز طبیعی را از چاه نفت و گاز دریایی به خطوط لوله زمینی منتقل می‌کند. این دسته از خطوط لوله در آبهای کم عمق و در کشتی‌های موجود در دریا در جهت نصب خطوط لوله زیر دریایی استفاده می‌شوند.
محاسبات هیدورلیکی خطوط لوله چیست؟
به صورت معمول طراحی هیدرولیکی خطوط لوله انتقال جریان‌های دوفازی در حالات پایدار به وسیله یکی از روشهای ذیل انجام می‌گیرد:
استفاده کردن از معادلات مرتبط با جریان تک فازی به همراه ضریب ایمنی
استفاده کردن از معادلات و روابط تجربی پایدار جریان‌های دوفازی
در روش نخست از روابط تجربی و یا معادلات تحلیلی متناسب موجود در مباحث طراحی خطوط لوله انتقال جریان تک فازی به همراه ضریب ایمنی به علت کاهش فشار زیاد موجود در جریان‌های دوفازی در جهت طراحی خطوط لوله دوفازی استفاده می‌شود. در اغلب اوقات میزان مایع چگالیده داخل خط لوله به میزان کافی با اهمیت بوده به صورتی که استفاده از این روش منجر به ایجاد خطاهای بسیار زیادی در انجام محاسبات خواهد گردید.
در حالیکه در روش دوم از روابط تجربی برای صورت بخشیدن محاسبات طراحی خطوط لوله جریان‌های دوفازی استفاده می‌شود. به شکلی که همه‌ی این روابط تجربی بر پایه‌ی اطلاعات محدود و مختص به خطوط لوله با قطر کم و در شرایط فشار پایین و در جهت سیستم‌های با پیچیدگی کمتر نظیر مخلوط آب و هوا به دست آمده اند.
شرایط اعمال شده در میزان دقت و قابلیت انعطاف روش فوق یک محدودیت را در بکارگیری این روش بعنوان یک ابزار طراحی خطوط لوله جریان‌های دوفازی بوجود می‌آورد. بطوریکه برون یابی این اطلاعات و استفاده از این روابط تجربی در طراحی خطوط لوله عملیاتی و واقعی انتقال جریان‌های دوفازی منجر به پیدایش خطاهای زیادی در طراحی خواهد گردید.
دوره آموزشی ابزار دقیق در آموزشگاه فنی مهندسی نوین پارسیان
هنگامی که میزان نرخ جریان گاز زیاد بوده و رژیم جریان دوفازی مه آلود باشد می‌توان به کل از لغزش مابین فازها صرفه نظر کرد. در حالت استاندارد مراحل طراحی مقدماتی خطوط لوله جریان‌های دوفازی برای معین ساختن مقادیر افت فشار و مایعات تجمع یافته بصورت زیر می‌باشد:
مرحله اول: معین کردن ترکیب درصد نرخ حجمی و شرایط عملیاتی گاز ورودی به خطوط لوله
مرحله دوم: معین کردن مشخصات خط لوله از قبیل قطر طول و تغییرات ارتفاع خطوط لوله
مرحله سوم: معین کردن ضریب کلی انتقال حرارت و انجام موازنه حرارتی در قطعه‌ای با طول معین از خطوط لوله
مرحله چهارم: انجام دادن محاسبات تبخیر ناگهانی و نتیجتا معین کردن مقدار آنتالپی هر یک از فازهای گاز و مایع با استفاده از یک معادله حالت متناسب با شرایط در قطعه‌ای با طول معین از خطوط لوله
مرحله پنجم: معین کردن انواع الگوهای جریان مختلف موجود درون هر قسمت از خطوط لوله
مرحله ششم: محاسبه کردن میزان افت فشار و مایعات تجمع یافته داخل هر قسمت از خطوط لوله با توجه به انواع مختلف رژیم جریان موجود در آن قسمت و بعد از آن تعیین مقادیر کلی افت فشار و مایعات تجمع یافته در طول کل خط لوله.
همچنین در صورت طراحی کردن خطوط لوله جریان‌های دوفازی در حالت ناپایدار باید از معادلات تحلیلی متناسب با شرایط که در جهت تعیین انواع رژیم‌های جریان دوفازی ناپایدار و همینطور محاسبه میزان افت فشار و مایعات تجمع یافته درون خطوط لوله استفاده کرد.
اطمینان بخشی خط لوله
در جهت حفاظت از ایمنی و اطمنینان از فعالیت صحیح و به دور از خطر خطوط لوله پروسه‌های زیادی وجود دارد که در زیر به صورت خلاصه به معرفی برخی از آنها می‌پردازیم.
مسیر خطوط لوله
پیاده سازی مسیر، باند عملیات ساختمانی، تسطیح، راه‌های دسترسی، عبور خط لوله از مناطق شهری، جاده سرویس و. . . از جمله موارد مهمی هستند که در این مبحث بایستی مورد مطالعه قرار گیرند.
حفر کانال
از جمله مواردی که در حفر کانال بایستی حتما مورد توجه قرار گیرد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- پیمانکار وظیفه دارد کلیه ماشین آلات حفاری مورد نیاز را در اختیار داشته باشد.
- در تقاطع‌ها و موارد خاص، تعمیق کانال حفاری شده به مقدار مشخص شده در نقشه‌های تیپ ارائه شده برعهده پیمانکار است.
- در صورتی که مسیر خطوط لوله از زمین‌های باتلاقی بگذرد، حفر کانال در این زمین‌ها باید به صورتی انجام گیرد که بعد از آن عملیات لوله گذاری شروع گردد.
حمل و نقل و انبار کردن
پیمانکار موظف است کلیه ابزار، وسایل نقلیه، ماشین آلات و افراد متخصص مورد نیاز جهت تمامی فعالیت‌های لوله گذاری همانند دریافت، حمل، تخلیه، محافظت و استفاده از مصالح را به صورتی که مورد تایید مهندس یا نماینده تایید شده توسط او باشد تهیه نماید. همچنین پیمانکار وظیفه دارد که انبارهای مورد احتیاج و متناسب با اجناس مختلف پروژه را احداث و اجرایی نماید.
خمکاری لوله‌ها
ریسه کردن لوله‌ها بعد از انجام عملیات تسطیح باند عملیات ساختمانی و حفر کانال صورت خواهد گرفت. همچنین عملیات ریسه کاری باید بعد از پایان عملیات انفجاری صورت پذیرد. ریسه کاری لوله‌ها در مقاطعی که هنوز عملیات حفر کانال انجام نشده است، مجاز نمی باشد.
جوشکاری و بازرسی جوش
الکترودهای جوشکاری، ارزیابی جوشکاران، آماده نمودن سرلوله‌ها در جهت جوشکاری، جفت کردن سرلوله‌ها در جهت جوشکاری، پخ زدن سرلوله، جوشکاری فلنج‌ها و اتصالات، دوبله کردن لوله‌ها، تعمیر جوش‌ها و. . . از جمله مواردی هستند که در این مبحث بایستی مورد بررسی قرار گرفته شوند. همچنین بایستی آزمایشات غیرمخرب، میزان رادیوگرافی جوش‌ها، پرتونگاری، استاندارد قبولی جوش‌ها و. . . در جهت انجام فعالیت‌های مربوط به بازرسی جوش با کیفیت مطلوب انجام گیرد.
لوله گذاری و خاکریزی
ازجمله مواردی که بایستی مورد توجه قرار گیرد شامل:
- خط لوله به هیچ وجه نباید در هیچ نقطه‌ای تحت تنش قرار گیرد.
- پیش از لوله گذاری باید کف و دیواره کانال پرداخت شود.
- هنگام انجام عملیات لوله گذاری در محل تقاطع جاده‌ها بایستی روی لوله در لایه‌های 15 سانتیمتری عملیات خاک ریزی انجام شود.
- لوله گذاری بعد از آزمایش اولیه تست پوشش و به وسیله دستگاه نشت یاب و در حضور نماینده کارفرما صورت خواهد پذیرفت.
آزمایش خطوط لوله انتقال
موارد مورد بحث در این زمینه شامل: آزمایش خطوط با فشار عملی بیشتر از 1000 pa، برنامه آزمایشات هیدرواستاتیک، تمیز کردن خط، نصب دستگاه‌های انداره گیری، آزمایش عدم وجود هوا، پرکردن خط، آزمایش مقاومت، تست هیدرواستاتیک خطوط در روی زمین، آزمایش نشتی و. . . می‌باشد.
اتصالات نهایی و راه اندازی
موارد مورد بحث در این زمینه شامل: HOT-TAP، هواگیری خطوط حاوی سیالات نفتی، راه اندازی و تخلیه هوا و. . . می‌باشد.
زنگ زدایی
در بحث زنگ زدایی موارد زیر بایستی مورد توجه قرار گیرد:
- پیش از عملیات شن زنی، مواد چربی دار و روغنی حاضر بر روی لوله بایستی به واسطه حلالی نظیر تولوئن پاک شود.
- لوله‌ها، سرجوش‌ها و قسمت‌های دیگر که نیاز به زنگ زدایی دارند، باید با یکی از روشهای زنگ زدایی کاملا پاک شوند.
- محل کارگاه زنگ زدایی باید طوری انتخاب شود که با توجه به جهت طبیعی وزش باد، گرد و غبار ناشی از زنگ زدایی مزاحمتی در جهت انجام کارهای دیگر و یا اماکن مسکونی اطراف بوجود نیاورد.
حفاظت کاتدی
در این مقوله به مباحثی همانند نصب تاسیسات و تجهیزات در سیستم حفاظت کاتدی به وسیله‌ی جریان تزریقی، تهیه و نصب سایبان در جهت مبدل یکسو کننده، نصب تجهیزات و تاسیسات در حفاظت کاتدی با استفاده از آندهای فداشونده، راه اندازی تجهیزات و تاسیسات و غیره بایشتی مورد توجه قرار گیرد.
تهیه مدارک فنی
در زمینه تهیه کردن مدارک فنی می‌شود به موارد مهم زیر اشاره کرد:
- نواقص و مشکلات در مسیر و تاسیسات پروژه پیش از تحویل موقت پروژه باید رفع گردد.
- پیمانکار باید مدارک فنی شامل نتایج آزمون هیدروتست، مقاومت الکتریکی زمین، فیلم‌های رادیوگرافی، مجوزها و مکاتبات و غیره را پیش از تحویل موقت پروژه در اختیار کارفرما قرار دهد.
پوشش‌های اضافی
به کلیه اقدامات و عملیاتی که جهت تعبیه و آماده سازی لوله‌های فولادی شامل کنترل شرایط دما و فشار، زبری سطح خارجی لوله، مقدار شن و ماسه منطقه، مقدار آلودگی‌های محیطی و در انتهای کار عایق کاری سطح بیرونی لوله‌ها، فرایند پوشش دهی سطح خارجی لوله‌ها گفته می‌شود.
انواع پوشش خارجی:
- پوشش تک لایه
- پوشش دو لایه
- پوشش دولایه پلی الفین
- پوشش سه لایه پلی آلفین
- پوشش ذغال
در جهت انتخاب پوشش مناسب باید در وهله نخست شرایط محیطی و هم چنین نوع سایشی و تخریبی که امکان دارد رخ بدهد را در نظر می‌گیرند و پس از آن با توجه به این موضوع پوشش مناسب را انتخاب می‌کنند. پس حساس‌ترین و مهم‌ترین مرحله در فرایند نصب پوشش، انتخاب کردن نوع پوشش مناسب در جهت استفاده برای حفاظت لوله فولادی می‌باشد. چرا که کوچکترین مشکل و مسئله‌ای در پوشش لوله موجب می‌شود که مقدار عمق خوردگی به سطح لوله برسد و ضربات جبران ناپذیری به سیستم خط لوله وارد سازد، پس بایستی نهایت دقت را در انتخاب نوع پوشش داشته باشند.
در دوره آموزش پایپیلاین چه می‌گذرد
ویزگی‌های مهم یک پوشش سطح خارجی مناسب
- مقاومت کافی در برابر ضربات خارجی
- مقاومت کافی در برابر نفوذ املاح و مواد شیمیایی
- مقاومت کافی در برابر جدایش کاتدی
- دارای استحکام و مقاومت بالا و مقدار کافی
- مقاومت کافی نسبت به تنش‌های‌های موجود در خاک
- مقاومت کافی نسبت به جذب آب و رطوبت
- دارا بودن از ایمنی و استاندارد مناسب
- مقاومت کافی نسبت به درجه حرارت بالای محیط و سیال موجود در لوله
- قابلیت انعطاف پذیری مناسب سطح پوشش دهنده
- استحکام در برابر آسیب‌های احتمالی در هنگام جابجایی
اصولی که در محاسبات هیدرولیکی باید رعایت شود
ماهیت اساسی جریان محیط در سیستم خط لوله و هنگام جریان در اطراف موانع می‌تواند از هر نوع مایع تا مایع دیگر بسیار متفاوت باشد. از شاخص‌های بسیار مهم ویسکوزیته محیط می‌باشد که با پارامتری به نام ضریب ویسکوزیته نشان داده می‌شود. آزبورن رینولدز، مهندس فیزیکدان ایرلندی، در سال 1880 میلادی مجموعه‌ای از آزمایش‌های تخصصی را انجام داد که بر پایه نتایج این آزمایشات توانست مقداری بی بعد که ماهیت جریان سیالی با خاصیت چسبناکی را مشخص می‌کند، به دست آورد. این معیار در علم مهندسی معیار رینولدز نامیده می‌شود و با Re آن را به نمایش میگذارند.
محاسبه هیدرولیکی قطر لوله
در صورتی خط لوله از نظر حرارتی عایق نباشد، یعنی تبادل حرارت بین انتقال و محیط امکان پذیر باشد، ماهیت جریان در آن می‌تواند حتی با سرعت ثابت (سرعت جریان) تغییر کند. این در صورتی امکان پذیر است که در ورودی، محیط پمپ شده دارای دمای کافی بالا باشد و در حالت آشفته جریان داشته باشد. در طول لوله، دمای محیط انتقال یافته به دلیل تلفات حرارتی به محیط کاهش می‌یابد، که امکان دارد منجر به تغییر رژیم جریان به آرام یا انتقالی شود. دمایی که در آن تغییر رژیم رخ می‌دهد، دمای بحرانی نامیده می‌شود. مقدار ویسکوزیته مایع به صورت مستقیم به دما بستگی دارد، بنادر جهتن، در جهت چنین مواردی، از پارامتری مانند ویسکوزیته بحرانی استفاده می‌شود که مربوط به نقطه تغییر رژیم جریان در مقدار بحرانی معیار رینولدز است:
محاسبات هیدرولیکی فشار
فشار عملیاتی خط لوله بالاترین فشار اضافی است که حالت عملکرد مشخص شده خط لوله را تضمین می‌کند. تصمیم گیری در مورد اندازه خط لوله و تعداد ایستگاه‌های پمپاژ به صورت معمول بر اساس فشار عملیاتی لوله‌ها، ظرفیت پمپ و هزینه‌ها گرفته می‌شود. حداکثر و حداقل فشار خط لوله و همچنین ویژگی‌های محیط کار، فاصله بین ایستگاه‌های پمپاژ و توان مورد نیاز را تعیین می‌کند.
فشار اسمی PN – مقدار اسمی مربوط به حداکثر فشار محیط کار در 20 درجه سانتیگراد، که در آن عملیات مداوم خط لوله با ابعاد داده شده امکان پذیر است.
با افزایش دما، ظرفیت بار لوله کاهش می‌یابد و در نتیجه فشار بیش از حد مجاز نیز کاهش می‌یابد. مقدار pe, zul نشان دهنده حداکثر فشار (g) در سیستم لوله کشی با افزایش دمای عملیاتی است.
جریان مایع در لوله بر اثر گرانش
محاسبه اندازه خط لوله در مورد جریان گرانشی بسیار پیچیده است. ماهیت حرکت با این شکل جریان در لوله می‌تواند تک فاز (لوله کامل) و دو فاز (پر کردن جزئی) باشد. جریان دو فاز زمانی اتفاق می‌افتد که هم مایع و هم گاز در لوله وجود داشته باشد.
بسته به نسبت مایع و گاز و همچنین سرعت آنها، رژیم جریان دو فازی می‌تواند از حبابی به پراکنده متفاوت باشد.
در آموزش پایپینگ نوین پارسیان چه می‌گذرد
مایع داغ
کارخانه‌های فرآیندی به صورت معمول هنگام کار با محیط‌های داغ یا در حال جوش با مشکلات مختلفی روبرو می‌شوند. دلیل اصلی تبخیر قسمتی از جریان مایع داغ است، یعنی تبدیل فاز مایع به بخار در داخل خط لوله یا تجهیزات. یک مثال معمولی پدیده کاویتاسیون یک پمپ گریز از مرکز است که با جوشش نقطه‌ای مایع و به دنبال آن تشکیل حباب‌های بخار (کاویتاسیون بخار) یا آزاد شدن گازهای محلول در حباب‌ها (کاویتاسیون گاز) همراه است.
لوله کشی بزرگتر به علت کاهش مقدار نرخ جریان نسبت به لوله‌های کوچکتر با دبی ثابت به دلیل NPSH بالاتر در سیستم مکش پمپ ترجیح داده می‌شود. کاویتاسیون ناشی از کاهش میزان فشار جریان نیز می‌تواند به دلیل تغییرات ناگهانی در جهت جریان یا کاهش اندازه خط لوله باشد. مخلوط بخار و گاز حاصل مانعی در جهت عبور جریان ایجاد می‌کند و می‌تواند باعث آسیب به خط لوله شود که پدیده کاویتاسیون را در حین عملیات خط لوله بسیار نامطلوب می‌کند.
جریان لجن
در مورد صنعت معدن، سنگ معدن به صورت معمول در مناطقی استخراج می‌شود که دسترسی به آنها دشوار است. در چنین مکان‌هایی، قاعدتاً ارتباط ریلی یا جاده‌ای وجود ندارد. در جهت چنین شرایطی، حمل و نقل هیدرولیکی محیط با ذرات جامد به عنوان قابل قبول ترین مورد در نظر گرفته می‌شود، از جمله در مورد محل کارخانه‌های فرآوری معدن در فاصله کافی. از خطوط لوله دوغاب در زمینه‌های مختلف صنعتی در جهت انتقال مواد جامد خرد شده همراه با مایعات استفاده می‌شود. ثابت شده است که چنین خطوط لوله‌ای در مقایسه با سایر روشهای انتقال مواد جامد در حجم زیاد مقرون به صرفه ترین هستند. علاوه بر این، از مزایای آنها می‌توان به ایمنی کافی به دلیل عدم وجود چندین نوع حمل و نقل و سازگاری با محیط زیست اشاره کرد.
