اصول پایپینگ: برای مهندسان تازه کار

1. اصول پایپینگ: برای مهندسان تازه کار سیستم پایپینگ: معنی آن بسط مفهوم آن اقلام پایپینگ و الزامات دسترسی به آنها الزامات طول مستقیم جهت (سمت) قرارگیری سوراخها، اقلام و ... درینها و ونتها در پایپینگ عایقبندی جنس و اندازۀ لولهها ملاحظات سیستمهای پایپینگ بحرانی تحلیل تنش در لوله تکیهگاههای لوله

2. اصول پایپینگ: برای مهندسان تازه کار نخست میخواهیم در این باره صحبت کنیم که لوله چیست؟ قطعهای است استوانهایشکل و توخالی که از فلز، پلاستیک، شیشه و ... ساخته شده و برای انتقال مایع، گاز یا هر مادۀ قابل جریان دیگری به کار میرود. جزئی است بسیار مهم از هر واحد فرایندی و طراحی آن نقش اصلی را در طراحی هر واحد صنعتی بازی میکند. در صفحات بعد خواهیم کوشید تا شما را با لوله و اجزای تشکیل دهندۀ آن آشنا کنیم.

3. در واحدهای فرایندی سیالها از یک سر لوله به سر دیگر آن جریان دارند حال میخواهیم با کارخانهای شروع کنیم که مطابق شکل سه مخزن در آن قرار دارند. مخزن 1، مخزن 2 و مخزن 3 میخواهیم سیال درون مخزن شمارۀ 1 را به دو مخزن دیگر بفرستیم. برای انتقال سیال از مخزن 1 به مخازن 2 و 3 میباید آنها را با لوله به هم متصل کنیم. لولهها را میکِشیم.

4. لولهها را کشیدهایم، اما حالا باید مسایل دیگری را حل کنیم. لولهها همگی قطعاتی مستقیماند. حتی برخی از لولهها اندازۀ متفاوتی دارند. و به اتصالات انشعابی به اتصالات خمشی نیاز داریم برای حل این مسایل به قطعاتی از لوله نیاز داریم با نام اتصالات لولهای (pipe fittings)

5. اینها اتصالات لولهایاند. انواع متفاوتی از فیتینگها (اتصالات) وجود دارد که برای اهداف گوناگون کاربرد دارند، از جمله: زانوییها/خمها، سهراهیها/انشعابها، کاهندهها/افزایندههای سطح، کوپلینگها، اولتها و غیرهیا Elbows/Bends, Tees/Branches, Reducers/Expanders, Couplings, Olets, etc. با اینکه لولهها و اتصالات سر جای خود هستند، اما سرها باید به دهانۀ مخازن متصل شوند. حال باید اتصالات انتهایی را تکمیل کنیم. در اصطلاحات پایپینگ به این اتصالات میگویند اتصالات پایانی یا TERMINAL CONNECTIONS.

6. اینها اتصالات فلنجی هستند و این یک اتصال جوشی است. ترکیب خوبی است اما تسلطی روی جریان خروجی از مخزن 1 به مخازن دیگر وجود ندارد به آرایشی نیاز داریم تا در صورت نیاز جریان را متوقف کند. برای مهار جریان در یک خط لوله به وسیلهای نیاز داریم تا با آن همخوان شود. به این وسیلهشیر (valve)گفته میشود.

7. انواع گوناگونی از شیرها وجود دارد که بر اساس ساختمان و کارکردشان دستهبندی میشوند. که عبارتند از دروازهای(Gate)، دیسکی (Globe)، یکطرفه(Check)، پروانهای (Butterfly)و غیره به جز شیر قطعۀ مهم دیگری در خطوط لوله وجود دارد: این قطعه فیلتری است که ذرات جامد را از سیال در حال جریان جدا میکند و صافی(STRAINER)نام دارد.

8. اگر با گرم شدن مخزن این دهانه گرم شود. در اینجا یک سیستم پایپینگ کمابیش عملی را با یک صافی نصب شده در آن میبینید. حالا میخواهیم جنبههایی از انعطافپذیری لوله را نشان دهیم. در چنین حالتی میباید یک قطعۀ لولهای انعطاف پذیر با نام EXPANSION JOINTدر این مکان قرار گیرد.

9. هنگام جریان یک سیال در یک لوله، ممکن است علاقهمند باشیم که از ویژگیهای جریان از قبیل فشار، دما، شدت جریان و... اطلاعاتی به دست آوریم. برای به دست آوردن این اطلاعات باید ابزار دقیق (instrument)را در مسیر لوله نصب کنیم.

10. انواع گوناگونی از ابزار دقیق (instrument) برای اندازهگیری ویژگیهای مختلف جریان وجود دارد. همچنین روشهای مختلفی برای نصب ابزار دقیق در خطوط لولۀ مختلف وجود دارد. سپس به چگونگی مهار کردن (supporting) وزن لوله و متعلقاتش میپردازیم.

11. در اینجا چند ترکیب از ساپورتگذاری لوله دیده میشود. انواع پرشماری میتواند وجود داشته باشد، که همگی به نظر و تصمیم مهندس طراح بستگی دارد. چند نمونۀ دیگر از تکیهگاهها را میبینیم.

14. طراحی یک خط لوله را انجام دادیم. میخواهیم بررسی کنیم که این کار در عمل چگونه انجام میپذیرد. ابتدا طرح کلی جریان کشیده میشود:1) چه چیزی2) از چه نقطهای3) تا کدام نقطه اندازۀ لولهها، جنس لولهها و ضخامت دیواره آنها انتخاب میشود. نوع شیرها طراحی میشود. همچنین نوع ابزار دقیق مورد نیاز انتخاب میگردد. همۀ موارد بالا را در نقشهای به نام نمودار پایپینگ و ابزار دقیق Piping and Instrumentation Drawingکه به طور خلاصه P&ID نامیده میشود نشان میدهند.برای تولید P&ID از نرمافزار SPP&ID بهرهگیری میشود. تا اینجا میدانیم که هنگام تهیۀ P&IDها در SPP&ID، همۀ اطلاعات سامانۀ خطوط لوله وارد نقشه میشود. پس نقشۀ SPP&ID نقشهای است هوشمند که همۀ اطلاعات دربارۀ یک لوله را همچون اندازۀ لوله، سیال در حال جریان و... در خود جای داده است. یک نقشۀ P&ID تهیه شده با SPP&ID را ببینید.

16. این نمایی از P&ID در صفحۀ رایانه است که توسط نرمافزار SPP&ID تولید شده است. با کلیک روی هر خط اطلاعات وارد شده در آن به نمایش درمیآید.

17. طراحی اشتباه طراحی درست پس از آماده شدن P&ID کار چیدمان را آغاز میکنیم. در اینجا کار چیدمان و مسیریابی لولهها را در یک محیط سهبعدی مجازی انجام میدهیم. برای مسیریابی لولهها در یک محیط سهبعدی از نرمافزارهای PDS 3D یا PDMSاستفاده میشود. به این کار مدلسازی پایپینگ یا طراحی فیزیکی میگویند. • هنگام توسعۀ چیدمان پایپینگ باید به نکات زیر توجه شود. • لولهکشی از منبع تا مقصد باید تا جای ممکن کوتاه و دارای کمترین تغییر جهت باشد. • هیچ راه عبوری نباید سد شود و فضای تعمیر و نگهداری هیچ تجهیزی نباید اشغال گردد.

18. مثالی از الزام طول مستقیم برای اریفیس جریانی • هنگام تعیین مسیر لوله به نکات زیر نیز باید توجه شود: • شیرها، صافیها و ابزار دقیق روی لوله باید به آسانی در دسترس باشند. • در صورت لزوم، باید برای دسترسی به این اقلام، سکوهای دسترسی ACCESS PLATFORMSجداگانهای در نظر گرفته شود. • موقعیت و جهت خواسته شده برای شیرها، ابزار دقیق و دیگر اقلام مورد نیاز برای یک خط باید بررسی و در صورت نیاز اصلاح شود. به عنوان مثال برخی از شیرها تنها در راستای افقی باید نصب شوند. • ملزومات ویژه برای نصب ابزار دقیق می باید مد نظر قرار گیرد، به عنوان مثال سنجۀ دما (temperature gauge) نمیتواند روی خطوطی با اندازۀ کمتر از 4” نصب شود. • ملزومات ویژۀ طول مستقیم لوله برای بعضی اقلامِ ابزار دقیق باید رعایت شود، مثلاً برای اریفیس جریانی باید طولی به اندازۀ 15 برابر قطر لوله در بالادست و 5 برابر قطر لوله در پایین دست مستقیم باشد.

19. برای خطوط منتتقل کنندۀ مایع باید مطمئن شویم که هنگام پر کردن خط با مایع، همۀ هوای موجود در خط میتواند از آن خارج شود. • برای رسیدن به این هدف در بیشتر نقاط قلهای خط، یک اتصال خروج هوا (vent) با شیر در نظر گرفته میشود. در شکل اتصالهای هواکش و درین (زیرآب) دیده میشود • چنین ترکیبهایی را در خطوط لوله بیرون از کارخانه (pipe lines) هم استفاده میکنند تا بتوان مایع درون آنها را خارج کرد. • برای این منظور یک اتصال درین (drain) با شیر در پایینترین نقطه خط نصب میشود. • لولهها هم به سمت نقاط پستتر شیب داده میشوند.

20. در اینجا یک خط آب تغذیه به همراه پمپها و دیگر تجهیزات اضافی را مشاهده میکنید نگاهی میاندازیم به یکی از مدلهایی که توسط نرمافزار PDS 3Dتولید شده است.

21. عایقکاری:هنگامی که سیال داغ در یک خط جریان مییابد، معمولاً خط عایق میشود. • دو دلیل اولیه برای عایقکاری لولههای حامل سیالهای داغ وجود دارد. • جلوگیری از هدر رفتن گرمای سیال درون لوله. عایق کاری باعث حفظ گرما میشود. این کار را عایقکاری گرم (hot insulation) مینامند. • ایمنی کارکنان، به طوری که از سوختگی افراد در اثر تماس با لوله جلوگیری شود. این کار را عایق کاری برای حفاظت کارکنان (personal protection insulation) می نامند. عایق کاری خطوط سرد نیز عایقکاری میشوند • لولههای حامل سیالهای سرد یا خنک کننده برای جلوگیری از گرم شدن سیال سرد از بیرون عایقکاری میشوند. به این کار عایقکاری سرد (cold insulation) میگویند. • در بعضی موارد خطوط سرد عایق میشوند تا از چگالش بخار آب موجود در هوا جلوگیری کند. این عایق را عایق ضدعرق (anti-sweet insulation) مینامند. انواع دیگر عایق • هنگامی که گازها با سرعتهای بالا در لولهها جریان مییابند، صدای زیادی تولید میکنند. در این حالت لولهها برای کاهش سروصدا عایق میشوند. این نوع از عایق را عایق صوتی (acoustic insulation) مینامند. • در برخی موارد لولهها برای گرم کردن محتویاتشان از بیرون توسط المنتهای هیتتریسینگ (heat tracing elements) گرم میشوند. در این موارد برای جلوگیری از هدر رفتن گرمای گرم کننده، لوله و تریسینگ همراه با هم عایق میشوند.

22. مواد عایقکاریمواد عایق کاری باید رساناهای ضعیفی برای گرما باشند. 1) مواد رشتهای که فضای خالی زیاد میان رشتههای آن با هوا پر شده است. چوبپنبه، پشم شیشه، پشم سنگ و الیاف طبیعی مثالهایی از این مواد هستند. به یاد داشته باشید که هوای محبوس میان الیاف، رسانای ضعیفی است. 2) مواد متخلخل که سوراخهای بسته درون آن با هوا پر شده است. کلسیم سیلیکات، شیشۀ حبابدار (کف شیشهای)، کف پلیاورتان poly urethane foam (PUF)، پلی استایرن (ترموکول) و ... نمونههایی از این دستاند. در برخی موارد مواد غالبگیری شده مثل گچ سیمان یا گچ پاریس هم به کار میروند. پوشش عایق مواد عایق عموماً نرم یا شکننده هستند. بنابراین سطح بیرونی عایقها با پوشش صفحۀ آلومینیوم یا آهن گالوانیزه محافظت میشود. به چگونگی عایقکاری لولهها و اقلام عمومی مواد عایق توجه کنید.

23. انتخاب مواد مصرفی: راهکار انتخاب مواد مصرفی بر پایۀ سیال در حال جریان پیدا کردن نوع سیال در حال جریان پیدا کردن دما و فشار سیال بررسی عمر مورد انتظار برای لوله انتخاب مواد مناسب بر اساس روش مرسوم (نکتۀ 1) مطابقت با مواد معرفی شده در نظام نامۀ طراحی جنس لوله مورد تایید است بله نه نکتۀ 1: مواد بر اساس تجارب قبلی و پیشینۀ ذهنی از قیمتها و از میان مواد معرفی شده در نظامنامۀ طراحی انتخاب میشوند. اگر جنس انتخاب شده در نظامنامه وجود نداشته باشد، ماده دیگری انتخاب میشود. نکتۀ 1 را ببینید محاسبۀ اندازۀ لوله: برای انتخاب اندازۀ لولۀ مورد نیاز بر اساس سرعت و افت فشار یافتن جریان حجمی بر ثانیه بررسی پذیرفتنی بودن سرعت محاسبۀ سطح مورد نیاز برای جریان اندازۀ لوله محاسبۀ افت فشار برای اندازۀ لوله انتخاب شده بررسی همخوانی افت فشار با پیشبینی اندازۀ لوله مورد تایید است بله انتخاب ضخامت لوله: برای انتخاب ضخامت مناسب لوله بر اساس ویژگی های سیال در حال جریان نه انتخاب جنس و قطر مطابق بالا یافتن دما فشار سیال تعیین مقدار مجاز برای خوردگی محاسبۀ ضخامت لوله بر اساس نظام نامه اندازۀ لوله را افزایش دهید محاسبات پایپینگ

24. در نیروگاهها خطوط لولهای وجود دارد که بخار را در فشار و دمای بالا جابجا میکند. بعضی از خطوط هم آب را در فشار بالا منتقل میکنند. این لولهها بخار و آب چرخشی اصلی را جابجا میکنند. • این خطوط لوله، خطوط بحرانی (critical piping)نامیده میشوند. • برای طراحی این خطوط توجه فراوانی باید صورت گیرد. • نخست اینکه در گزینش جنس این لولهها باید دقت شود، چرا که میباید در برابر فشارهای بالا و احتمالاً دماهای بالا مقاومت کنند. • از آنجا که این خطوط سیال اصلی نیروگاه را جابجا میکنند، مسیر درستی باید برایشان انتخاب شود و انتخاب مسیر آنها در آغاز چیدمان اجزای نیروگاه صورت میگیرد. خطوط بحرانی • خطوط بخار در دمای بسیار بالایی کار میکنند و لولههای داغ منبسط میشوند، پس ناگزیریم که خطوط لوله را طوری بسازیم که در دماهای بالا انعطافپذیری خود را حفظ کند و نیروی انبساط را درون خود مستهلک نماید. • همچنین برای جلوگیری از انتقال نیروهای انبساط به نازلهای پمپها و کمپرسورها، انعطافپذیری کافی باید در این خطوط وجود داشته باشد. • نظامنامههای بینالمللی تایید شدۀ بسیاری وجود دارد که راهنماییها و الزامات قانونی مربوط این خطوط را بیان • میکند. • مهمترین نظامنامۀ مورد استفاده برای مهندسان پایپینگ نیروگاهها عبارتست از • ASME ANSI B31.1- Power Piping Code

25. تحلیل تنش لوله • پیشتر دیدیم که برخی از لولهها تحت فشار و دمای بالایی قرار دارند. لولهها بار سیال در حال جریان را نیز تحمل میکنند. • لازم است بررسی و تایید کنیم که این لولهها تحت بارهای یاد شده از هم گسیخته نمیشوند. • فرایندی را که تنش گسترش یافته در لوله را در اثر بارهای مختلف بررسی میکند، تحلیل تنش لوله • (pipe stress analysis) یا تحلیل انعطافپذیری(flexibility analysis) مینامند. • طی تحلیل تنش بارهای ثابت شدۀ گوناگونی به لوله وارد میشود و تنش لوله مورد ارزیابی قرار میگیرد. • سپس این تنشها را با نظامنامههای حاکم مقایسه میکنیم که آیا پذیرفتنی هستند یا نه. تحلیل تنش در لوله • بارگذاری تکیهگاهها و جابجایی آنها تحت شرایط بارگذاری گوناگون مورد بررسی قرار میگیرد. • همچنین بارگذاری نقاط پایانی نیز که توسط سیستم پایپینگ به تجهیز متصل به آن وارد میشود مورد ارزیابی قرار میگیرد. این نیروها باید در محدودههای مورد پذیرش که از سوی فروشندگان این تجهیزات پیشنهاد شده قرار داشته باشد. • همچنین تغییر طول لوله به دنبال تغییرات دمایی به دست میآید و لازم است که این جابجاییهای لوله در محدودۀ قابل پذیرش قرار گیرد. • تحلیل تنش لوله یک فرایند برهمکنشی و تکراری است. هر گام باید بررسی شود. • اگر یک بررسی به نتیجۀ نادرستی منجر شد، باید به عقب برگردیم، طرح را بهبود دهیم و تحلیل را از سر بگیریم.

26. تحلیل تنش لوله ابزارهای کاربردی • CAESAR،ComPIPSYS که یک نرمافزار یکپارچه برای تحلیل تنش لولههای PLADES 2000است. • mercial Piping analysis software • نرمافزارهای تجاری دیگری نیز در بازار موجود است. ورودیها • طرح هندسی لوله • پیکربندی تکیهگاههای لوله • قطر و ضخامت لوله • فشار درون لوله • دماهای سرد و گرم لوله • وزن لوله و عایق • وزن سیال جابجا شده • ویژگی جنس لوله (مدول یانگ، ضریب انبساط گرمایی) • بار وارد شده به لوله از سوی باد • بار وارد شده به لوله توسط زمین لرزه • بار وزنی برف بر لوله • همۀ بارهای گذرا همچون ضربۀ قوچ بخار • هر باری که به لوله وارد شود خروجیها • تنش لوله در شرایط بارگذاریهای مختلف • بارگذاری در قیدوبندها و تکیهگاههای گوناگون • جابجایی لوله در محل تکیهگاهها • بارگذاری لوله در نقاط پایانی نظامنامهها و استانداردها • در پایپینگ نیروگاههای معمولی باید شروط ASME ANSI B31.1برآورده شود.

27. فنر بار ثابت (Constant Load Spring) فنر متغیر (Variable Spring) تکیهگاه صلب (Rigid Support) آویز صلب (Rigid Hanger) تکیه گاه دینامیکی، ضربهگیر(Dynamic Support, Snubber) تکیه گاه صلب (Rigid Support) انواع تکیهگاههای لوله در آغاز این بحث دربارۀ گونههای مختلف تکیهگاههای لوله صحبت کردیم. اکنون به جزییات بیشتری میپردازیم. • سه دستۀ معمولی از تکیهگاهها وجود دارد • بدون انعطافپذیری در جهت مهار • نوع فنری (به لوله اجازۀ حرکت در جهت بارگذاری را میدهد) • تکیهگاه دینامیکی (درجۀ مهار به شتاب بارگذاری بستگی دارد) • دو نوع از تکیهگاههای فنری وجود دارد. • نوع بار متغیر: در این نوع، بار تکیهگاه با جابجایی لوله تغییر میکند. • نوع بار ثابت: در این نوع از تکیهگاه، در محدودهای از جابجایی لوله، بار تکیهگاه تغییری نمیکند.

28. برخی ملاحظات خاص در مورد پایپینگ هنگام طراحی لولههای زیرسطحی (مدفون) نکات زیر باید مورد توجه قرار گیرد. • کوچکترین اندازۀ لولههای زیرسطحی نباید کمتر از 1 اینچ باشد. • از به کار بردن اتصالات فلنجی در لولههای زیرسطحی باید خودداری شود. • به یاد داشته باشید که اگر لولههای زیرسطحی نشتی داشته باشند تشخیص آن دشوار است، پس میباید برای سیالهای سمی از لولهکشی زیرسطحی خودداری شود. • در جاهایی که دمای هوا به پایینتر از دمای یخبندان میرسد، لوله باید از عمقی بیشتر از عمق یخبندان عبور داده شود. • لولههای مدفون زیرسطحی باید به طور مناسب در برابر خوردگی محافظت شوند. • برای جلوگیری از خوردگی، لوله باید به طور کامل نوارپیچ یا با یک لایه پلاستیک پوشیده شود. • یا آنکه با استفاده از محافظت کاتدی در برابر خوردگی محافظت شود. محافظت لولههای در معرض هوای آزاد در برابر یخ زدگی • در مناطقی که دما به کمتر از دمای یخبندان افت میکند، این امکان وجود دارد که در هنگام خاموشی کارخانه محتویات لولهها یخ بزند. • در حالتی مشابه برای نگاه داشتن دمای محتویات لوله بالاتر از دمای انجماد (حدود 4 درجه) حتی هنگامی که دما کمتر از دمای انجماد است، لوله توسط المنتهای هیتتریسنگ (heat tracing) پوشیده میشود. • هیتتریسینگ برقی با پیچاندن کلاف الکتریکی به دور لوله اجرا میشود و با پایین رفتن دما روشن میشود. لوله برای پوشاندن کلافهای هیتتریسینگ عایق میشود. • هیتتریسینگ را میتوان با پیچاندن لولههای باریک بخار به دور لوله اصلی اجرا نمود.

29. امیدواریم که در بالا بردن دانش شما دربارۀ پایپینگ موثر بوده باشیم برگردان به فارسی: علی ظفری از شرکت نفت و گاز پارس piping.blogsky.com