آنچه باید درباره تحلیل تنش پایپینگ چگونه انجام می شود؟ بدانید

بارهای موجود در سیستم‌های لوله کشی به دو نوع اصلی استاتیک و دینامیک تقسیم می‌شوند. از بارهای استاتیک رایج می‌توان به بار حاصل از وزن، فشار، آزمایش هیدرولیکی، انبساط حرارتی و نشست اشاره کرد. زلزله، باد، تخلیه شیر اطمینان، جریان لخته‌ای، ضربه قوچ، لرزش و دیگر بارهای وابسته به زمان نیز از بارهای دینامیک محسوب می‌شوند. اعمال بارهای استاتیک بر روی سیستم به آرامی صورت می‌گیرد. از این‌رو، سیستم فرصت مقابل با آن را دارد. در طرف مقابل، بازه زمانی اعمال بارهای دینامیک به گونه‌ای است که معمولا فرصتی برای عکس‌العمل سیستم وجود ندارد.

مطابق با استاندارد ASME B31.3، حداقل تنش مجاز برای سیستم‌های لوله کشی را می‌توان به صورت زیر تعیین کرد:

مبحث حداقل تنش مجاز، به طور کامل در بند 302.3 استاندارد ASME B31.3 مورد بررسی قرار گرفته است.

به منظور کاهش تنش اعمال شده بر سیستم‌های لوله کشی می‌توان از ساپورت‌هایی با طول مناسب استفاده کرد. این کار، میزان تاثیر تنش‌های ثابت ناشی از وزن اجزا را کاهش می‌دهد. افزایش انعطاف‌پذیری سیستم با به کارگیری حلقه انبساط، آفست (دوخم)، زانویی و المان‌های مشابه نیز باعث کاهش تنش‌های اعمال شده بر سیستم می‌شود.

به منظور شروع تحلیل تنش سیستم‌های لوله‌کشی، واحدهای مختلف نظیر واحد ابزار دقیق، واحد فرآیندی، واحد مکانیک و تیم پایپینگ، اطلاعات و مدارک مورد نیاز را به کارشناسان تحلیل تنش ارائه می‌دهند. کارشناسان این واحد پس از اجرای تحلیل تنش، نتایج را به واحدهای دیگر ارائه می‌کنند تا اقدامات متناسب با شرایط موجود انجام شوند.

روش‌های تحلیل سیستم‌های لوله کشی صنعتی متناسب با میزان بحرانی بودن شرایط بارگذاری انتخاب می‌شوند. بر این اساس، روش‌های تحلیل تنش پایپینگ عبارت هستند از:

امروزه با پیشرفت توان محاسباتی کامپیوترها، نرم افزارهای زیادی برای طراحی و تحلیل تنش سیستم‌های لوله کشی صنعتی ارائه شده‌اند. نرم افزار «سزار 2» (Caesar II)، محبوب‌ترین و گسترده‌ترین نرم افزار مورد استفاده در حوزه مهندسی پایپینگ است. از قابلیت‌ها و مزایای نرم افزار سزار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

برخی دیگر از نرم افزارهای تحلیل تنش پایپینگ عبارت هستند از:

داده های ورودی تحلیل تنش پایپینگ چه هستند؟

پیش نیاز اجرای تحلیل تنش سیستم‌های لوله کشی صنعتی، آماده‌سازی کامل مدارک و اطلاعات مورد نیاز است. داده‌های جمع‌آوری شده توسط واحدهای دیگر به عنوان ورودی در این تحلیل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از ورودی‌های ضروری نرم افزارهای تحلیل تنش پایپینگ می‌توان موارد زیر را نام برد:

فرآیند تحلیل تنش پایپینگ چگونه است؟

تحلیل تنش سیستم‌های لوله کشی معمولا به صورت زیر انجام می‌شود:

خروجی های تحلیل تنش پایپینگ چه هستند؟

پس از ورود داده‌های مورد نیاز نرم افزار و اجرای تحلیل تنش، خروجی‌های زیر را می‌توان دریافت کرد و آن‌ها را با واحدهای مربوطه مورد بررسی قرار داد:

یکی از کاربردهای اصلی تحلیل تنش پایپینگ، انتخاب نوع و محل قرارگیری تکیه گاه لوله برای جلوگیری از اعمال تنش‌های مخرب بر روی سیستم است.

بارهای ثابت ناشی از اعمال فشار و وزن، باعث ایجاد تنش‌های پایدار در سیستم‌های لوله کشی می‌شوند. این بارها، همیشه در سیستم وجود دارند. افزایش میزان تنش‌های ثابت از مقادیر مجاز، شکست و خرابی سیستم را در پی دارد. مطابق با استاندارد ASME B31.3، برآیند تنش‌های طولی حاصل از بارهای ثابت در هر یک از اجزای سیستم پایپینگ، نباید از تنش مجاز در دمای عملیاتی بیشتر باشد. مسئله تنش‌های حاصل از فشار سیستم، توسط محاسبه و انتخاب لوله‌ای با ضخامت مناسب حل می‌شود. با استفاده از روابط زیر می‌توان ضخامت مورد نیاز برای لوله مستقیم را به دست آورد:

t=PD2(SEW+PY)t=P(d+2c)2[SEW−P(1−Y)]t=PD2(SEW+PY)t=P(d+2c)2[SEW−P(1−Y)]

حداقل ضخامت مورد نیاز از جمع t و c محاسبه می‌شود. حداقل ضخامت اسمی نیز برابر با tm/(1-0.125) یا tm+a است. a، تلورانس لوله‌ها بر حسب میلی‌متر و مطابق با استاندارد ASTM را نمایش می‌دهد. ضخامت به دست آمده باید به سمت بالا و ضخامت بزرگ‌تر موجود در استاندارد گرد شود.

تغییر طول ناشی از تغییرات دمایی در سیستم‌های لوله کشی مطابق با رابطه زیر محاسبه می‌شود:

ΔL=LαΔTΔL=LαΔT

مقادیر ضرایب انبساط حرارتی لوله در استاندارد ASME B31.3، پیوست B (جداول C-1 و C-2) آورده شده‌اند. یکی از این مقادیر، ضریب انبساط حرارتی میانگین (A) و دیگری، ضریب انبساط حرارتی خطی (B) را نمایش می‌‌دهد. تنش‌های انبساطی زمانی به وجود می‌آیند که افزایش طول ناشی از تغییر دما محدود شده باشد. استفاده از اتصال انبساطی، این محدودیت را از بین می‌برد.

«ضریب تشدید تنش» (Stress Intensification Factor) یا SIF، نسبت حداکثر تنش به تنش اسمی است. این ضریب، میزان تنش بخش‌های مختلف را بر اساس نوع قطعات و اتصالات مورد استفاده تعدیل می‌کند. ضرایب تشدید تنش اجزای مختلف سیستم‌های لوله کشی در پیوست D استاندارد ASME B31.3 آورده شده‌اند. جدول زیر، رابطه محاسبه ضرایب تشدید تنش زانویی و سه راهی جوشی را بر اساس این استاندارد نمایش می‌دهد.

h در روابط بالا، انعطاف‌پذیری فیتینگ است که برای زانویی جوشی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

tnRr2tnRr2

مقدار انعطاف‌پذیری سه راهی جوشی نیز از رابطه زیر به دست می‌آید:

3.1tnr3.1tnr

هر یک از پارامترهای روابط بالا در تصاویر جدول مشخص شده‌اند. ضرایب تشدید تنش برای فیتینگ‌های دیگر نیز توسط پیوست D در استاندارد ASME B31.3 قابل تعیین هستند.

تنش‌های ناشی از انبساط حرارتی و جابجایی مواد مطابق استاندارد ASME B31.3 و رابطه زیر تعیین می‌شوند:

SE=√(|Sa|+Sb)2+(2St)2SE=(|Sa|+Sb)2+(2St)2

برای بازه تنش محوری داریم:

iaFa/ApiaFa/Ap

رابطه بازه تنش خمشی برابر است با:

Sb=√(iiMi)2+(ioMo)2ZSb=(iiMi)2+(ioMo)2Z

برای انشعاب‌های لوله، بازه تنش خمشی مطابق با رابطه زیر به دست می‌آید:

Sb=√(iiMi)2+(ioMo)2ZeSb=(iiMi)2+(ioMo)2Ze

Ze، مدول مقطع موثر انشعاب مورد بررسی است:

πr22TSπr22TS

برای ضخامت موثر دیواره انشعاب داریم:

(ii)(¯Tb)(ii)(T¯b)

¯TbT¯b، ضخامت ناحیه اتصال انشعاب به لوله اصلی است. بازه تنش پیچشی توسط رابطه زیر تعیین می‌شود:

iiMt/2ZiiMt/2Z

بازه مجاز تنش نیز از رابطه زیر به دست می‌آید:

SA=f(1.25Sc+0.25Sh)SA=f(1.25Sc+0.25Sh)

اگر مقدار Sh از تنش ناشی از بارهای ثابت (SL) بزرگتر باشد، بازه مجاز تنش مطابق با رابطه زیر محاسبه خواهد شد:

SA=f[1.25(Sc+Sh)−SL]SA=f[1.25(Sc+Sh)−SL]

مقدار ضریب کاهش محدوده تنش با در نظر گرفتن تعداد چرخه‌های جابجایی مورد انتظار در طول عمر مفید سیستم پایپینگ (N) و نمودار زیر تعیین می‌شود.

نمودار ضریب محدوده تنش نسبت به چرخه جابجایی

تنش‌های موقتی، تنش‌های ناشی از اعمال بارهای موقتی نظیر باد، زلزله، تخلیه شیر اطمینان و غیره هستند. این تنش‌ها در یک بازه زمانی کوتاه (معمولا کمتر از 10 درصد بازه کاری کل) بر روی سیستم پایپینگ اعمال می‌شوند. مطابق با استاندارد ASME B31.3، بند 302.3.6، جمع تنش‌های ثابت (SL) و موقتی باید کمتر از 1.33 برابر تنش مجاز (Sh) باشد. در این استاندارد، نحوه محاسبه و در نظر گرفتن بارهای ناشی از لرزش به طور دقیق توضیح داده نشده است. این بارها باید مطابق با تجربه و قضاوت مهندسی در نظر گرفته شوند.

انعطاف‌پذیری سیستم‌های مختلف لوله کشی، بر اساس پیچیدگی آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، مطابق با بند 319.4.1 استاندارد ASME B31.3، معیار ارزیابی انعطاف‌پذیری برای سیستم‌های ساده به صورت زیر است:

Dy(L−U)2≤K1Dy(L−U)2≤K1

K1 در رابطه بالا، مطابق با فرمول زیر محاسبه می‌شود:

cSA/EacSA/Ea