راهنمای رتبه بندی فشار لوله - فرمول و نمودار بارلو

رتبه بندی فشار لوله که به طور رسمی به عنوان حداکثر فشار کاری مجاز مجاز (MAWP) شناخته می شود، حداکثر فشار داخلی است که یک لوله می تواند به طور ایمن در دمای مشخصی داشته باشد. این با فشار ترکیدگی که فشاری است که در آن لوله پاره می شود، تفاوت اساسی دارد. MAWP یک ضریب ایمنی قابل توجه (معمولاً 3.5 برابر در استحکام کششی نهایی در هر ASME B31.3) را در بر می گیرد، که اطمینان می دهد لوله در طول عمر طراحی خود در محدوده ساختاری خود به خوبی عمل می کند. انتخاب لوله با درجه فشار نامناسب یکی از رایج ترین علل ریشه ای شکست لوله های صنعتی است که منجر به نشتی، پارگی فاجعه آمیز و حوادث ایمنی می شود.

عواقب انتخاب نادرست درجه فشار می تواند شدید باشد. لوله ای که بالاتر از MAWP خود کار می کند ممکن است تسلیم (تغییر شکل دائمی)، خزش در دماهای بالا یا شکستگی شکننده ناگهانی را تجربه کند. در تاسیسات پتروشیمی، خرابی لوله ها باعث آتش سوزی، انفجار و انتشار سموم شده است. سری کد ASME B31 حداقل الزامات را برای طراحی فشار لوله در کاربردهای مختلف ایجاد می کند: B31.1 برای لوله کشی برق، B31.3 برای لوله کشی فرآیند، B31.4 برای حمل و نقل خط لوله و B31.8 برای انتقال گاز. درک این الزامات کد برای طراحی سیستم لوله کشی ایمن و سازگار ضروری است.

فرمول بارلو معادله اساسی برای محاسبه فشار ترکیدگی نظری لوله است:P=2St/D، که در آن P فشار داخلی (MPa)، S تنش مجاز (MPa)، t ضخامت اسمی دیوار (mm) و D قطر خارجی (mm) است. برای محاسبه MAWP، تنش مجاز S از ASME Section II Part D در دمای طراحی گرفته شده است و ضخامت دیوار t ضخامت اسمی منهای تحمل تولید منهای مجاز خوردگی است. این فرمول شرایط دیواره نازک- (D/t > 10) را فرض می‌کند، که برای اکثریت قریب به اتفاق برنامه‌های لوله استاندارد اعمال می‌شود.

مثال محاسبه (فرمول بارلو - MAWP نظری):برای لوله 4 اینچی SCH 40 A106 Gr.B در دمای محیط:
OD=114.3 میلی‌متر، دیوار=6.02 میلی‌متر، S=137.9 مگاپاسکال (A106 Gr.B در 38 درجه)
P=2 x 137.9 x 6.02 / 114.3=14.5 مگاپاسکال (~2100 psi)

توجه داشته باشید که فرمول کد ASME B31.3 (t=PD / 2(SE + PY)) به دلیل درج ضریب بازده اتصال E و ضریب دمایی Y، MAWP کمتری تقریباً 10.9 مگاپاسکال برای همان لوله به دست می‌دهد. جدول زیر از فرمول ASME B31.3 استفاده می‌کند و نشان‌دهنده کد عملکردی{7} است. برای مقایسه، فشار ترکیدگی (با استفاده از حداقل استحکام کششی S=415 مگاپاسکال برای A106 Gr.B) تقریباً 43.7 مگاپاسکال خواهد بود که ضریب ایمنی تقریباً 3.0 در برابر ترکیدگی را ارائه می دهد. این ماهیت محافظه کارانه محاسبات MAWP را نشان می دهد. فشار کاری واقعی همیشه باید کمتر از MAWP باشد و اکثر کدهای طراحی نیاز به حاشیه بیشتر از فشار کاری معمولی دارند.

مقادیر تنش مجاز پایه و اساس محاسبات رتبه بندی فشار هستند. این مقادیر در بخش D ASME بخش II برای هزاران ترکیب درجه حرارت مواد-درج- جدول بندی شده است. تنش مجاز از حداقل: یک-یک سوم حداقل استحکام کششی در دمای اتاق، دو-سوم حداقل استحکام تسلیم در دمای اتاق، یا میانگین مقاومت گسیختگی خزشی برای 100000 ساعت تقسیم بر 1.5 در دماهای بالا بدست می‌آید.

مواد	درجه	تنش مجاز در 38 درجه (MPa)	تنش مجاز در 400 درجه (MPa)	حداکثر دما (درجه)
A106	Gr.B	137.9	82.7	538
A335 P11	1.25Cr-0.5Mo	137.9	96.5	593
A335 P22	2.25Cr-1Mo	137.9	96.5	593
A335 P91	9Cr-1Mo-V	172.4	103.4	649
TP304 SS	304	117.2	79.3	816
TP316 SS	316	117.2	82.7	816

توجه داشته باشید که تنش مجاز در دماهای بالا به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. این اثر کاهش دما برای فولاد کربنی که 40 درصد کاهش بین دمای محیط و 400 درجه را تجربه می کند، بارزتر است. فولادهای آلیاژی مانند P91 نسبت بالاتری از استحکام دمایی محیط خود را در دماهای بالا حفظ می‌کنند، و آنها را به انتخاب ارجح برای خدمات در دمای بالا تبدیل می‌کند. فولادهای زنگ نزن، در حالی که تنش‌های{8}مجاز دمای محیط کمتری دارند، در دماهای بسیار بالا و بالای 600 درجه بهتر استحکام خود را حفظ می‌کنند.

جدول زیر فشار کاری تقریبی برای لوله فولادی کربن A106 Gr.B را در دمای محیط نشان می دهد. این مقادیر بر اساس ضخامت اسمی دیوار است و شامل کمک هزینه خوردگی نمی شود. فشارهای کاری واقعی بر اساس شرایط عملیاتی خاص و الزامات کد قابل اجرا متفاوت خواهد بود.

NB (اینچ)	SCH 40 (MPa)	SCH 80 (MPa)	SCH 160 (MPa)
1/2"	24.8	34.1	44.8
1"	20.9	28.5	40.5
2"	13.5	19.4	31.6
4"	10.9	15.6	25.2
6"	8.8	13.8	18.1
8"	7.8	12.3	14.7

کاهش دما کاهش تنش مجاز با افزایش دمای عملیاتی است. این پدیده به این دلیل رخ می دهد که فلزات در دماهای بالا استحکام خود را از دست می دهند. برای فولاد کربنی، تنش مجاز تا حدود 200 درجه نسبتا ثابت می ماند، سپس شروع به کاهش خطی می کند. در دمای 400 درجه، تنش مجاز A106 Gr.B تقریباً 60 درصد از مقدار دمای محیط آن است. در 500 درجه، تقریباً 40٪ کاهش می یابد.

فولاد ضد زنگ در دماهای بسیار بالا به دلیل مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خزش برتری دارد. در حالی که فولاد ضد زنگ 304 تنش مجاز دمای محیطی کمتری نسبت به فولاد کربنی دارد (117.2 مگاپاسکال در مقابل 137.9 مگاپاسکال)، تنش مجاز آن در دمای 600 درجه تقریباً 48 مگاپاسکال است در مقایسه با فولاد کربنی صفر (که بالاتر از 538 درجه در هر کد ASME مجاز نیست). برای کاربردهای{9}}در دمای بسیار بالا{10}}بالای 600 درجه، از آلیاژهای مبتنی بر نیکل{12}} مانند آلیاژ 617 (UNS N06617) با تنش‌های مجاز 20-30 مگاپاسکال در 900 درجه استفاده می‌شود.

هر بخش کد ASME B31 دارای الزامات خاصی برای تعیین درجه فشار است. ASME B31.1 (Power Piping) بر لوله کشی در ایستگاه های تولید برق و کارخانه های صنعتی نظارت می کند. این نیاز به طراحی فشار مطابق با قوانین بخش I ASME برای لوله کشی خارجی دیگ دارد و معادلات خاصی را برای اتصالات لوله مستقیم، خم ها و شاخه ها ارائه می دهد. ASME B31.3 (Process Piping) پرکاربردترین کد برای کارخانه های شیمیایی و پتروشیمی است. از روش مبتنی بر فرمول بارلو استفاده می‌کند-با ضخامت طراحی فشار که توسط: t=(P x D) / (2(SE + PY)) تعیین می‌شود، که در آن E ضریب کیفیت اتصال طولی و Y یک ضریب وابسته به دما{11}} است.

ASME B31.4 (حمل و نقل خط لوله) برای هیدروکربن مایع و سایر سیستم های خط لوله مایع اعمال می شود. از یک رویکرد فاکتور طراحی استفاده می کند که در آن تنش حلقه در فشار طراحی نباید از درصد مشخصی از حداقل قدرت تسلیم مشخص شده ماده (SMYS) تجاوز کند. به عنوان مثال، ضریب طراحی معمولی 0.72 به این معنی است که تنش حلقه به 72٪ از SMYS محدود می شود. ASME B31.8 (انتقال گاز) از رویکرد فاکتور طراحی مشابهی استفاده می‌کند، اما با عوامل مکانی{7}}بر اساس تراکم جمعیت در نزدیکی خط لوله، از 0.72 (روستا) تا 0.40 (مناطق شهری با تراکم بالا).

تست هیدرواستاتیک روش استاندارد برای بررسی یکپارچگی فشار سیستم های لوله کشی ساخته شده است. فشار آزمایش معمولاً 1.5 برابر فشار طراحی در دمای طراحی است، اما کمتر از 1.5 برابر MAWP در دمای آزمایش نیست. فشار تست باید برای حداقل مدت زمان حفظ شود (معمولاً 10 دقیقه برای سیستم های کوچک، بیشتر برای سیستم های بزرگ) در حالی که تمام اتصالات و اتصالات از نظر نشتی بازرسی می شوند. تست پنوماتیک زمانی استفاده می شود که تست هیدرواستاتیک غیرعملی باشد (به عنوان مثال، سیستم هایی که آب را تحمل نمی کنند، مانند اکسیژن یا خدمات برودتی). با این حال، آزمایش پنوماتیک به دلیل انرژی ذخیره شده در گاز فشرده، خطرات ایمنی بیشتری را به همراه دارد و نیاز به اقدامات احتیاطی بیشتری دارد. ما را ببینیدراهنمای تست هیدرواستاتیک و پنوماتیک(54) برای تشریفات دقیق.

صنایع شیمیایی معمولاً در کلاس‌های فشار از 150# تا 600# کار می‌کنند، با اکثر لوله‌کشی‌های فرآیندی در 150# یا 300#. فرآیندهای فشار بالاتر مانند هیدروکراکینگ و سنتز آمونیاک در 900# تا 2500# کار می کنند. صنعت برق از بالاترین درجه‌بندی فشار استفاده می‌کند، با سیکل‌های بخار فوق‌بحرانی-که در ۲۵۰۰# تا ۴۰۰۰# و دماهای تا ۶۲۰ درجه کار می‌کنند. این شرایط شدید نیازمند مواد آلیاژی بالا مانند P92 و سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل{13}}است. فشار خط لوله نفت و گاز معمولاً در محدوده کلاس ANSI 300 تا 900 است، اگرچه خطوط انتقال اصلی می توانند در فشارهای بیش از 2000 psi کار کنند.

هنگام سفارش لوله برای یک کاربرد فشار خاص، پارامترهای زیر را برای اطمینان از انتخاب صحیح ارائه دهید: فشار و دما طراحی، محیط سیال (از جمله خورندگی)، کد قابل اجرا (ASME B31.3، B31.1، و غیره)، میزان خوردگی مورد نیاز، و هرگونه الزامات خاص (سرویس ترش، انطباق NACE و غیره). تیم مهندسی ManufacturerPipe می تواند به انتخاب مواد، زمان بندی و فرآیند تولید بهینه برای فشار مورد نیاز شما کمک کند. ما همچنین برای برنامه‌هایی که برنامه‌های زمانی استاندارد کافی نیست یا بیش از آن مشخص شده است-سفارشی‌سازی ضخامت دیوار غیراستاندارد ارائه می‌کنیم.

برای راهنمایی تخصصی و قیمت رقابتی لوله برای فشار مورد نیاز خود با تیم مهندسی ما تماس بگیرید.

یک نقل قول دریافت کنید