راهنمای جامع تحلیل تنش لوله

درک انواع تنش لوله و بهترین روش‌های تحلیل مؤثر آن

چکیده

در این مقاله به تعریف و ارزیابی فرایند تحلیل تنش لوله می‌پردازیم تا این فرایند را درک کنید و نحوه مدل‌سازی سیستم لوله‌کشی و اصول طراحی فشار را بیاموزید. تحلیل تنش لوله همچنین برای محافظت از تجهیزات نیز مهم است، زیرا لوله یک بازوی اهرمی بزرگ است که به یک قطعه ظریف از تجهیزات متصل شده است. اگر به‌درستی طراحی و نگهداری نشود، می‌تواند اثرات مخربی روی تجهیزات ظریف‌تر بگذارد.

            پنج تنش اصلی در لوله‌کشی وجود دارد که باعث خرابی سیستم لوله‌کشی می‌شود و عبارت‌اند از: تنش حلقه‌ای، تنش محوری،‌ تنش خمشی، تنش پیچشی و تنش خستگی. بیشتر مهندسان در تحلیلی تنش لوله اغلب نگران فشار و افت فشار هستند. بنابراین ممکن است تأثیر اندازه لوله و ضخامت دیواره را نادیده بگیرند. دیواره ضخیم‌تر یا اندازه لوله بزرگ‌تر با اینکه هزینه را افزایش می‌دهد، نسبت به هزینه برطرف کردن مشکلات آن و هزینه‌های اضافی مربوط به پشتیبانی لوله و نیروی کار و مواد اولیه، در مجموع مقرون به‌صرفه‌تر خواهد بود.(آموزش اصول طراحی سیستم ها لوله کشی)

درک تنش لوله

تحلیل تنش لوله روشی تحلیل برای تعیین نحوه رفتار سیستم لوله‌کشی براساس مواد، فشار، دما، سیالیت و تکیه‌گاه‌های آن است. تحلیل تنش لوله توصیف دقیقی از رفتار لوله‌ها نیست، اما تقریباً می‌توان به آن تکیه کرد.

روش تحلیل می‌تواند بررسی، محاسبه ساده یا پیچیده دستی یا مدل‌سازی رایانه‌ای باشد. مدل‌های رایانه‌ای از مدل‌های پرتوهای تک‌بعدی تا مدل‌های پیچیده با اجزای محدود را در بر می‌گیرد. برای نمونه اگر سیستم شما آبی باشد و هیچ نیروی خارجی بر سیستم لوله‌کشی اعمال نمی‌شود،‌ معمولاً بررسی یا محاسبه دستی کافی است. اگر یک سیستم فشار بالا با دمای بالا و سیالات خطرناک باشد که نیروی خارجی فراوانی بر سیستم اعمال می‌شود، برای تحلیل آن به یک مدل رایانه‌ای نیاز است.

درک نرم‌افزار تحلیل تنش لوله پایه و اساس کافی برای تحلیل نیست. درک انواع مختلف تنش لوله، فرایند این تحلیل و سایر مسائل مرتبط با این تحلیل نیز بسیار مهم هستند تا بتوانید بهترین شیوه را برای تحلیل تنش لوله انتخاب کنید.

دستورالعمل‌ها و استانداردهای لوله‌کشی فراوانی وجود دارند که بسته به کاربرد (یعنی قدرت، مواد شیمیایی استفاده‌شده در فرایند، توزیع گاز) و موقعیت مکانی (کشور یا حوزه استحفاظی) در انواع تحلیل تنش لوله مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما قواعد فیزیکی تحلیل تنش لوله با تغییر قوانین تغییر نمی‌کند.

تحلیلی تنش لوله در درجه اول باید برای حفظ امنیت افراد انجام شود، چه در سیستم گرمایشی ساختمان مسکونی، چه در خط گاز پرفشار پالایشگاه، امنیت افراد در درجه اول اهمیت قرار دارد.

اگر خوش‌شانس باشید، خرابی لوله تنها شامل شکستن یک تکیه‌گاه است که لازم نیست به خاطر آن صاحب‌خانه به طراح یا مهندس ساختمان زنگ بزند. اما ممکن است لازم باشد از طراح یا مهندس بخواهید خسارت وارده را جبران کند و به‌صورت رایگان مشکل را برطرف کند. اگر خیلی بدشانس باشد، خرابی لوله ممکن است حتی به مرگ کسی منجر شود.

یکی دیگر از دلایل انجام تحلیل تنش لوله، افزایش عمر سیستم لوله‌کشی است. اکثر مهندسان قطعات لوله را جز تجهیزات نمی‌دانند، اما یک قطعه لوله نیز چیزی شبیه یک پمپ است. هر دو این تجهیزات دارای قطعات متحرک هستند و برای اطمینان از عمر معقول آنها باید به‌درستی طراحی شوند و در ادامه به‌خوبی از آنها محافظت کرد.

تحلیل تنش لوله برای محافظت از تجهیزات نیز مهم است، زیرا لوله یک بازوی اهرمی بزرگ است که به یک قطعه ظریف از تجهیزات متصل شده است. اگر به درستی طراحی و نگهداری نشود، می‌تواند اثرات مخربی روی تجهیزات ظریف‌تر بگذارد.

 علاوه بر موارد فوق، چندین دلیل وجود دارد که می‌توانند تحلیل تنش لوله را توجیه کنند و عبارت‌اند از:

·       دمای بالا (بیش از ۱۲۰ درجه سلسیوس)

·       فشار اجباری (۲۰ بار)

·       اتصال تجهیزات حساس

·       نسبت D/t بالا (بیش از ۵۰)

·       لوله‌کشی تحت فشار خارجی

·       خدمات حیاتی و ضروری

نکته کلیدی در تحلیل تنش لوله، تعیین اندازه‌ها و جمع‌آوری جزئیات مورد نیاز است.

نحوه مدل‌سازی سیستم لوله‌کشی

مدل‌های رایانه‌ای تحلیل تنش لوله مجموعه‌ای از پرتوهای سه‌بعدی را به کار می‌گیرند که تصویری از هندسه لوله‌کشی ارائه می‌دهند. استفاده از پرتوهای سه‌بعدی کارآمدترین روش برای مدل‌سازی سیستم لوله‌کشی است، اما لزوماً دقیق‌ترین روش نیست و بدون داشتن مدل‌های محدود و پیچیده از سیستم،‌ ممکن نیست که بتوان کل آن سیستم را درک کرد.

اما آزمایش‌های تجربی در طول زمان نشان داده‌اند که روش‌های ساخت مدل رایانه‌ای به کمک پرتوهای سه‌بعدی رفتار سیستم را با تقریب خوبی نشان می‌دهند. افزون بر این، دستورالعمل‌های لوله‌کشی نیز دارای حاشیه امنی هستند که این برآورد تقریبی را امکان‌پذیر می‌کنند. با این همه در مدل‌سازی سیستم‌های لوله‌کشی ایراداتی وجود دارد که لازم است از آنها اجتناب کنید:

مدل‌های رایانه‌ای فقط متکی به اطلاعاتی هستند که به رایانه وارد می‌کنید و دقت آنها به اندازه دقت این اطلاعات است. هنگام تحلیل تنش لوله مانند هر مدل تحلیلی با عناصر محدود، درک شرایط فیزیکی و مرزهای مدل بسیار مهم است.

همچنین عناصر مورد استفاده در مدل‌سازی سیستم لوله‌کشی دارای محدودیت هستند. پرتوهای تک‌بعدی که برای مدل‌سازی لوله‌های مستقیم مناسب هستند، برای اتصالات لوله (زانویی، سه‌راهی، کاهنده و غیره) مناسب نیستند. فاکتورهای تشدید تنش در اتصالات را باید بشناسید و در مدل خود اعمال کنید. این فاکتورها در پوسته و بخش‌های آجری امکان تقریب بهتری را فراهم می‌آورند.

لازم است هنگام تحلیلی تنش لوله این محدودیت‌ها را در نظر بگیرید. بیشتر روش‌های تحلیل‌ تنش لوله مانند یک بسته نرم‌افزاری پرقدرت عمل نمی‌کنند.

پرتوهای سه‌بعدی

رفتار پرتوهای سه‌بعدی متأثر از گشتاور خمشی لوله است. همان‌طور که پیشتر ذکر کردیم، رفتار این پرتوها برای تحلیل مؤثر و کارآمد کافی است، اما استفاده از آن معایبی نیز دارد:

·       آثار موضعی روی دیواره لوله را نشان نمی‌دهد.

·       افکت‌های درجه دوم را نشان نمی‌دهد.

·       چرخش‌های شدید را نشان نمی‌دهد.

·       بار برشی بزرگ را نشان نمی‌دهد.

·       نشان نمی‌دهد که انحراف دیواره پیش از شکست خمشی رخ داده است.

·       کنسول‌های کوتاه و حجیم و کنسول‌های باند و لاغر را تشخیص نمی‌دهد.

·       آثار روی پوسته یا دیواره را نشان نمی‌دهد.

انواع اصلی تنش لوله

پنج تنش اصلی در لوله‌کشی وجود دارد که باعث خرابی سیستم لوله‌کشی می‌شود و عبارت‌اند از: تنش حلقه‌ای، تنش محوری،‌ تنش خمشی، تنش پیچشی و تنش خستگی.

 تنش حلقه‌ای نتیجه فشار وارده بر لوله از داخل یا خارج است. از آنجایی که این فشار به‌طور یکنواخت بر سیستم لوله‌کشی اعمال می‌شود، در طول مشخصی از لوله آن را یکسان در نظر می‌گیرند. توجه کنید که تنش حلقه‌ای با توجه به قطر و ضخامت دیواره در سرتاسر طول سیستم لوله‌کشی تغییر می‌کند.

تنش محوری ناشی از رشد محوری مهارشده لوله است. رشد محوری نیز ناشی از انبساط حرارتی، انبساط حاصل از فشار و نیروهای واردشده است. اگر لوله بتواند آزادانه در یک جهت رشد کند، دست‌کم روی کاغذ باعث تنش محوری نمی‌شود. در رشد محوری حاصل از فشار، رشد لوله فولادی در ۳۰ متر اندک است و می‌توان آن را نادیده گرفت. لوله‌های کامپوزیت مانند لوله‌های تقویت‌شده با فیبر یا لوله‌های پلاستیکی در شرایط مناسب (۲۰۰ تا ۳۰۰ psi) در بیش از ۳۰ متر رشد قابل توجهی در حدود ۲ تا ۳ اینچ دارند.

 دلیل اصلی تفاوت میزان رشد تحت فشار مربوط به مدول الاستیسیته است. مدول الاستیسیته فولاد تقریبا ۳۰ در ۱۰۶ psi است در حالی که در کامپوزیت‌ها ۲ تا ۳ برابر بیشتر یا کمتر است. تنش محوری با نیروی محوری روی سطح مقطع لوله نشان داده می‌شود.

تنش خمشی ناشی از اعمال نیروهای بدنه به سیستم لوله‌کشی است. نیروهای بدنی عبارت‌اند از لوله و وزن متوسط آن،‌ توده‌های متمرکز (دریچه‌ها، فلنج‌ها) نیروهای گاه به گاه (لرزش، باد،‌ بارهای رانشی) و جابه‌جایی اجباری ناشی از رشد لوله و اتصالات تجهیزات مجاور.

تنش پیچشی تنش ناشی از گشتاور دورانی حول محور لوله است و علت آن نیروهای بدنه هستند. با این حال، از آنجایی که سیستم لوله‌کشی به احتمال زیاد پیش از پیچش خم می‌شود، در اکثر دستورالعمل‌های لوله‌کشی اثرات این نوع پیچش نادیده گرفته می‌شود.

 تنش خستگی حاصل چرخه‌های مداوم تنش در سیستم لوله‌کشی است. برای نمونه، باز و بسته کردن مداوم شیر آب ‌باعث تنش خستگی می‌شود، زیرا فشار روی آن مرتب برداشته شده و دوباره وارد می‌شود. در کاربردهای چرخه قدرت یا قطع و وصل شدن مدام جریان نیز چرخش توربین بخار از فشار یا دمای پایین به فشار یا دمای بالا، باعث تنش خستگی می‌شود. این نوع تنش منجر به کاهش استحکام سیستم لوله‌کشی شده و معمولاً باعث بالا و پایین رفتن موارد زیر می‌شود:

·       فشار

·       درجه حرارت

·       لرزش

·       جریان ناشی از چرخش تجهیزات

·       بارهای گاه و بیگاه (نسیمی ملایم باعث شد پل تاکوما (Tacoma Narrows Bridge) در ایالت واشنگتن از خستگی فرو بریزد.)

دستورالمعل‌های مربوط به تنش لوله

این دستورالعمل‌ها حد مجاز تنش را نشان می‌دهند که حداکثر تنشی است که یک سیستم لوله‌کشی پیش از شکست می‌تواند تحمل کند. رعایت نکردن این دستورالعمل‌ها لزوماً به معنای خرابی سیستم نیست و دلیل وضع کردن آنها، ایمنی سیستم لوله‌کشی است. این دستورالعمل‌ها سه نوع تنش متمایز را در نظر می‌گیرند: تنش پایدار، تنش جابه‌جایی (حرارتی یا انبساطی) و تنش گاه به گاه.

تنش پایدار یا طولی حاصل اعمال بارهای لازم برای ایجاد تعادل بین نیروهای خارجی و داخلی است. اگر تنش پایدار از استحکام مواد لوله‌کشی فراتر برود، جلوگیری از شکست کاملاً به سختی آن مواد بستگی خواهد داشت.

تنش جابه‌جایی حاصل محدودیت‌های ساختار لوله‌کشی است و اغلب در اثر دما ایجاد می‌شود، اما جابه‌جایی‌های خارجی مانند نشست ساختمان نیز باعث این تنش می‌شوند.

تنش گاه به گاه باشی از فشار داخلی یا بارهای مرده و زنده است و بسته به فرکانس و مدت بار ممکن است از تنش مجاز فراتر برود. مثلاً فشار حاصل از باد ممکن است از تنش مجاز فراتر برود اما بار حاصل از زلزله بسیار بیشتر است.

اصول طراحی فشار

در تحلیل تنش لوله، درک چگونگی تعیین ضخامت دیواره بسیار مهم است. اگر دیواره لوله خیلی نازک باشد، دیگر تکیه‌گاه مهم نیست و دچار شکست خواهد شد. مهندسان طراحی سیستم معمولاً ضخامت دیواره را نیز تعیین می‌کنند. اما ضخامت دیواره باید در حین تحلیل تنش نیز تعیین شود. بیشتر مهندسان اغلب نگران فشار و افت فشار هستند. بنابراین ممکن است تأثیر اندازه لوله و ضخامت دیواره را نادیده بگیرند. دیواره ضخیم‌تر یا اندازه لوله بزرگ‌تر با اینکه هزینه را افزایش می‌دهد، نسبت به هزینه برطرف کردن مشکلات آن و هزینه‌های اضافی مربوط به پشتیبانی لوله و نیروی کار و مواد اولیه، در مجموع مقرون به‌صرفه‌تر خواهد بود.

تنش‌های پایدار

افرادی که در حوزه تحلیل تنش لوله تازه‌کار هستند، باید بدانند که تنش پایدار در لوله نباید بیشتر از ۵۵ درصد تنش مجاز باشد. این امر چند دلیل دارد. نخست اینکه دهانه پشتیبانی لوله تحت کنترل انحراف است، نه تنش مجاز که باعث ایجاد جریان و تخلیه مناسب می‌شود. دلیل دوم نتیجه امر بالاست و می‌گوید ضخامت دیواره برگرفته از ضریب ایمنی هر دو است که اغلب از معادله تنش پایدار حذف می‌شود.

 انجمن استاندارد سازندگان (Manufacturers Standardization Society) می‌گوید آویزها و تکیه‌گاه‌های لوله – مواد، طراحی، ساخت، انتخاب، کاربرد و نصب‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ آنها – برای دهانه پشتیبانی استاندارد حدود ۰.۱۲۵ اینچ یا کمتر بین تکیه‌گاه‌ها را توصیه می‌کند. معیار انحراف یک تیر ساده است. اما سیستم لوله‌کشی پشتیبانی‌شده یک تیر با پشتیبانی پیوسته است که واکنش و گشتاور را در تکیه‌گاه‌ها کاهش می‌دهد و انحراف بین آنها را کم می‌کند. این امر باعث رفع لنگر خمشی بین تکیه‌گاه‌ها می‌شود و مدت آن در تنش پایدار را کاهش می‌دهد.

دستورالعمل‌های مربوط به دهانه استاندارد

عموماً برای دهانه استاندارد لوله ملاحظات زیر باید در نظر گرفته شود:

·       سیال با بزرگ‌تر شدن اندازه لوله تأثیر بیشتری می‌تواند بگذارد. وزن آب بیشتر از وزن لوله‌ ۱۲اینچی خواهد بود. اندازه اسمی لوله برای ضخامت استاندارد دیواره یا بیشتر باید رعایت شود.

·       برای بارهای متمرکز مانند فلنج‌ها، شیرها و لوله‌های خاص که بین تکیه‌گاه‌ها قرار دارند، دهانه توصیه‌شده باید متناسب با آنها کاهش یابد.

·       تکیه‌گاه لوله باید در یک سوم دهانه اتصال تجهیزات دیواره قرار گیرد تا بار عمودی و گشتاور اتصال به حداقل برسد. در بیشتر موارد، این تکیه‌گاه باید یک فنر متغیر برای کمک به تنظیم و کاهش لرزش باشد.

·       وقتی لوله‌ها در افق تغییر جهت دهند، فاصله توصیه‌شده بین تکیه‌گاه‌های لوله باید ۲۵ درصد کاهش یابد.

تنش جابه‌جایی

در بیشتر موارد، اگر در مورد تنش جابه‌جایی نگرانی‌هایی وجود دارد (مانند احتمال دمای بالا) تحلیلی رایانه‌ای تنش لوله مورد نیاز است. وقتی تحلیلی رایانه‌ای انجام شود، تنش جابه‌جایی طبق دستورالعمل باید بین ۸۰ تا ۹۰ درصد حفظ شود.

اغلب توصیه می‌شود بارها در محل اتصال تجهیزات را در تنش مجاز نگه دارید و این کار را از طریق افزایش انعطاف‌پذیری سیستم لوله‌کشی انجام دهید. سیستم‌های لوله‌کشی منعطف معمولاً تنش جابه‌جایی پایینی دارند زیرا لوله‌ها می‌توانند آزادانه رشد کنند.

تنش‌های گاه به گاه

تنش‌های گاه به گاه در سیستم لوله‌کشی ناشی از اتفاقات کوتاه‌مدت مانند زلزله، باد و بارهای رانشی هستند. این سه نوع بار بیشترین تنش‌های گاه‌ به گاه را به وجود می‌آورند. این تنش کوتاه‌مدت است و به همین دلیل اکثر دستورالعمل‌های مربوط به لوله‌کشی، این تنش را در لوله‌ها مجاز می‌دانند.

اگر تنش گاه‌ به گاه نگرانی‌ای پیچیده برای سیستم شما محسوب می‌شود، تحلیل رایانه‌ای تنش لوله ضروری است. با این حال در بیشتر موارد افزودن مهارکننده‌های جانبی برای هر سه یا چهار دهانه پشتیبانی لوله می‌تواند بیشتر بارهای حاصل از لرزش یا باد را کنترل کند، مگر اینکه در منطقه‌ای زلزله‌خیز یا در معرض بادهای ساحلی و طوفان فراوان باشید.

حفظ سوابق تحلیل تنش لوله

اکثر مردم بر این باورند که چاپ سابقه رایانه‌ای برای ثبت تحلیل تنش کافی است. این اشتباهی بزرگ است که با اندکی تلاش می‌توان مانع از بروز آن شد. ثبت نتیجه تحلیل تنها شامل نگه داشتن کپی کاغذی یا فایل پی.دی.اف از تحلیل رایانه‌ای تنش لوله نیست.

ثبت تحلیل به معنای این است که تمام اطلاعات ورودی را مستندسازی کنید و به نقشه‌های مورد استفاده برای تهیه هندسه سیستم لوله‌کشی اکتفا نکنید. نمودارهای مربوط به لوله‌کشی و ابزارهای آن، پارامترهای مربوط به سیستم، بارهای ساختمان و همه نیروهای خارجی اعمال‌شده بر سیستم لوله‌کشی، محل پشتیبانی لوله‌ها و نوع پشتیبانی مورد استفاده را نیز باید ثبت کنید.

 اکثر مهندسان مشاور رویه‌های استاندارد برای تضمین کیفیت و کنترل کیفیت دارند و فهرستی استاندارد از اطلاعات ورودی‌ رایج و منبع آن اطلاعات را در اختیار دارند. فرم‌های استاندارد آنها امکان می‌دهد اطلاعات ورودی و منابع آنها را کتباً تأیید کنند. خلاصه، مستندات شما در مورد تحلیل تنش لوله باید از هر نظر جامع و کامل باشد.  

جمع‌بندی

مجتمع فنی تهران :درک نرم‌افزار تحلیل تنش لوله پایه و اساس کافی برای تحلیل نیست. درک انواع مختلف تنش لوله، فرایند این تحلیل و سایر مسائل مرتبط با این تحلیل نیز بسیار مهم است تا بتوانید بهترین شیوه را برای تحلیل تنش لوله انتخاب کنید. تحلیلی تنش لوله در درجه اول باید برای حفظ امنیت افراد انجام شود، چه در سیستم گرمایشی ساختمان مسکونی چه در خط گاز پرفشار پالایشگاه، امنیت افراد در درجه اول اهمیت قرار دارد.

نکته کلیدی در تحلیل تنش لوله، تعیین اندازه‌ها و جمع‌آوری جزئیات مورد نیاز است. رفتار پرتوهای سه‌بعدی برای تحلیل تنش لوله و مدل‌سازی مؤثر و کارآمد کافی است، اما استفاده از آنها معایبی نیز دارد که باید موقع مدل‌سازی به آنها توجه کرد. به‌طور کلی مدل‌های رایانه‌ای فقط می‌توانند به‌صورت تقریبی سیستم لوله‌کشی را نشان دهند.

نویسنده: گروه مهندسان MONTE ENGELKEMIER

مترجم: بهناز دهکردی

منبع: csemag