پایان نامه مبانی طراحی ایستگاه های تقویت فشار گاز (مکانیک - سیالات)

طراحی مکانیکی خط لوله

مقدمه

دراین فصل به طراحی مکانیکی خطوط پرداخته می شود و جنس فولاد خط لوله برای انتقال گاز و محصولات نفت مایع را مشخص می‌کند.

کدها و استانداردها

طراحی وانتخاب مواد و ساختار تسهیلات خط لوله بوسیله کدها و استانداردها جمع آوری شدند تا حداقل نیاز را تامین کنند. هدف از استانداردها اینست که از ایمن کارکردن کل مجموعه، تحت شرایط بهره بردرای اطمینان حاصل شود. استانداردهای منطقه ای، کشوری برای شرایط خاص استفاده می شوند. بعضی از شرکت ها علاوه بر این که استانداردها، شرایطی دیگری را نیز اعمال می‌کنند.

طبقه بندی موقعیت

مهم ترین عاملی که در آسیب رساندن به خط لوله سهیم است. فعالیت های انسانی است.

(نمودار و جداول در فایل اصلی موجود است)

روابط طراحی خط لوله :

 بیشترین فرمولها برای مشخص کردن تنش‌های پیرامونی و محوری در لوله جدار نازک تحت فشار به راحتی توسط تعادل نیروهای عمودی و افقی در شکل (2-1) و (2-2) بدست می‌آ‎یند. در شکل (2-1) به علت فشار داخلی P یک نیروی مماس واحد F در دیواره لوله کشیده شده است فرض کنید این نیرو بر واحد طول عمل می‌کند. برایند نیروهای عمودی به دلیل این فشار PD می‌باشد. با موازنه کردن در لوله، نیرو F برابر PD/2 می‌شود. این نیرو بر مساحت دیواره لوله A که از ضرب ضخامت دیواره t ، و عمق واحد بدست می‌آید وارد می شود. تنش مماسی  در دیواره لوله  یا

(نمودار و جداول و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

(نمودار و جداول و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

این معادله تنش مماسی است که با جابجائی به معادله Barlow برای ضخامت دیواره لوله  نزدیک می‌شود. با نگاهی مشابه تعادل نیروهای افقی که در شکل (2-2) نشان داده شده می توان تنش طولی در سیلندر را نمایش داد.

نیروی طولی در د یواره لوله بدلیل فشار داخلی ایجاد می‌شود و تقریباً برابر  که از موازنه نیروها در دیواره لوله به دست آمده می‌باشد. این نیرو بر مساحتی  تقریباً برابر وارد می شود پس تنش محوری  برابر :

می‌باشد.

نمایش دقیقتر تنش محوری با استفاده از مساحت واقعی دیواره لوله که در مقابل نیروی فشاری طولی مقاومت می‌کند بدست می‌آید:

فرمول                                                

که D و d به ترتیب قطرهای بیرونی و درونی می‌باشند. و این معادله دقیق‌تر از تقریب جدار نازک[1] می‌باشد. در مدلی مشابه، مدول برشی خمشی Z برای سیلندر جدار نازک را می‌توان با تقریب در نظر گرفت که r شعاع میانه می باشد و در ترمی دقیق تر داریم:

برای مقایسه لوله NPS 10 Schedule 40 با فشار داخلی 1000Psia را فرض کنید. مقدار دقیق و تقریب جدار نازک، تنش طولی در زیر آمده است.

دقیق :                                           

جدار – نازک :                                          

مقدار 11.2% اختلاف دارند.

به طور مشابه اختلاف در مدول برش برای همان لوله در زیر آمده است.

دقیق :                               

جدار نازک :                           

مقدار 3.4% اختلاف دارند.

درصد اختلاف برای لوله NPS10 , Schedule 80 برای تنش طولی و مدول برش به ترتیب 16% و 5% می‌باشد. مقدار دقت در تقریب جدار نازک برای استانداردها مختلف بدتر می‌شود.

توجه : قبلاً گفته شد که تنها زمانی تقریب جدار نازک کاربرد دارد که تنش در کل ضخامت دیواره یکنواخت فرض شود. با توجه به قانون thumb فرض کمتر از 16 برای نسبت D/t قابل قبول نیست. در لوله های با جدار نازکتر، معمولاً در تجهیزات دریایی کاربرد دارند نقش شعاعی از مقدار ماکزیمم در سطح درونی تا مقدار مینیمم در سطح بیرونی تغییر می‌کند و یک فرمول جایگزین برای معادله (2-1) لازم است.

شکل (2-3) یک المان از لوله جدار نازک را به عنوان نمونه با فشار داخلی  ، فشار خارجی  نشان می‌دهد. با استفاده از تئوری الاستیسیته کلاسیک می‌توان تنش شعاعی و تنش مماسی را برای هر المان با هر شعاعی به شکل زیر نشان داد.

(نمودار و جداول و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

(2-4 a)                                                          

(2-4b)                                                           

صورت کسر معادله (2-4a) همیشه بیشتر از صورت کسر معادله (2-4b) می‌باشد به همین دلیل تنش مماسی همیشه از تنش شعاعی بزرگتر است فرض کنید لوله تنها تحت فشار داخلی است معادله (2-4a) برای  به شکل زیر در می‌آید.

(نمودار و جداول و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

با جایگذاری برای  با ترم های  و بازنویسی، معادله زیر بدست می‌آید:

(2-6a)‌                                                        

ضخامت جداره از رابطه زیر بدست می‌آید:

(2-6b)                                                                         

از معادلات (2-5) یا (2-6b) با باز نویسی می‌توان فشار نهایی قابل تحمل توسط لوله زمانی که تنش مماسی با تنش کشش نهایی برابر می شود را مشخص کرد.

(نمودار و جداول و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

فرمول زیر برای طراحی خط لوله جدار نازک استفاده می‌شود.

P = فشار طراحی

S= مینیمم استحکام تسلیم SMYS

t= ضخامت جداره

D= قطر خارجی لوله

F= ضریب طراحی = 0.8 (به جدول 2-2 رجوع شود)

L= ضریب موقعیت ( به جدول 2-2 رجوع شود)

J = ضریب اتصالات طولی (  به جدول 2-3 رجوع شود)

T= ضریب derating دما ( به جدول 2-4 رجوع شود)

از (ASME B31.8 1992) داریم:

(2-8)                                                                                    

که

 در بالا توضیح داده شدند.

F= ضریب طراحی ( جدول 2-2)

E= ضریب اتصالات طولی ( جدول 2-3)

T= ضریب derating دما ( جدول 2-4)

و از (ASME B 31.4 1992) داریم:

که                                                                                      

F= ضریب طراحی = 0.72 (جدول 2-2)

E = ضریب اتصالات طولی ( جدول 2-3)

ضریب derating دما را می توان 1 گرفت اگر  بیشترین فشار عمل کننده (MOP) برای فشار طراحی ، P، استفاده می شود. کمترین استحکام تسلیم از لوله های موجود در انبار یا دستگاه فرز لوله انتخاب می شود. استحکام های تسلیم رایج عبارتند از Mpa 483,448,414,317,289,241 ، که با درجات X70,X65,X60,X50,X40,X35 مطابق هستند. استحکام های بالاتر با استفاده از خط لوله های با شعاع بیشتر تامین می شود. قطر خط لولهD در مرحله طرح سیستم مشخص می شود.

(نمودار و جداول و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

ضریب موقعیت L در CSAZ662 و ضریب طراحی F در  ASME B31.8 به طبقه بندی خط لوله از نظر موقعیت بستگی دارد. هیچ ضریب معادلی در ASME B31.4 زمانی که تنش در دسترس باشد و 0.72 SMYS باشد تعریف نشده است. جدول 2-2 تفاوت های بین ضریب های بنا شده در موقعیت برای استاندارد شمال امریکا می باشد نشان می دهد. استانداردها باید دوباره برای طبقه بندی های جدید و مختلف معین گردند.

ضریب اتصالات طولی J در E,CSA Z662 در استانداردهای ASME برای انواع لوله های معمولا 1 در نظر می گیرند اگر چه استثناهایی است.

جدول 2-3 مقادیر مختلف ضریب اتصال را برای استانداردهای امریکای شمالی ارائه می‌کند.

ضریب derating دما ، T ، تنها در CSA Z662-96 و ASME B31.8 مشخص می‌شوند. ASME B31.4-92 محدوده ای برای دماها معین می‌کند  که در معادله (2-9) کاربرد دارد. محدوده ای از دماها که توسط B 31.4 مشخص می گردد در خارج از استانداردهای امریکای شمالی کاربرد ندارد. جدول (2-4) مقادیر مختلف ضریب derating دما را برای استانداردهای امریکای شمالی ارائه می‌کند  هر دو استاندارد ASME , CSA حداقل قطر جداره لوله را مشخص می کنند.

انبساط و انعطاف پذیری

خط لوله باید طوری طراحی شود که انعطاف پذیری کافی را برای جلوگیری از انبساط حرارتی یا انقباض که منجر به ایجاد تنش های بیش از حد در لوله ها یا نیروها و گشتاورهای بیش از حد در تجهیزات می‌شود را دارا باشد. در بیشتر موارد نیروها وگشتاورهای قابل قبول وارد بر تجهیزات کمتر از نیروها و گشتاورهای وارد بر لوله های پیوسته می‌باشد.

لوله های گیردار

محاسبات انبساط برای لوله های مدفون در خاک ضروری است اگر تغییرات اساسی در دما اتفاق بیافتد انبساط حرارتی لوله های مدفون در خاک ممکن است موجب ایجاد حرکت در نقاطی مانند انتهای لوله ها، تغییر جهت لوله ها و یا اندازه آنها شوند.

تنش شعاعی ناشی از فشار مانند معادله 2-1 معین می شود.

برای لوله‌ی تحت فشار بدلیل اثر حرارت رشد شعاع لوله یک اثر طولی معکوس القا می‌کند که تنش فشاری را کاهش می‌دهد مانند زیر :                                                    

که

 = تنش فشاری طولی لوله‌ی محدود شده [از معادله 2-2]

= نسبت پواسون

= مدول سرد الاستیسته فولاد

= ضریب انبساط حرارتی طولی

= بیشترین دمای عمل کننده

= دمای محیط در هنگام محدود کردن

t= ضخامت جداره

و

(2-11)                                                                         

که

S= مینیمم استحکام تسلیم

T= ضریب derating دما

توجه : این فرمولها زمانی که  مثبت باشد کاربرد ندارند. برای قسمتی از خط لوله های فوق که به صورت freely spaning یا Supported above ground می‌باشند، تنش مرکب با معادله زیر در ASME B31.8 مشخص شده است.

(2-12)                                                                   

که = مقدار دقیق تنش خمشی تیر که به وسیله بارهای فعال و غیر فعال وارده بر خارج وداخل لوله می باشد و از معادله زیر بدست می آید:

(2-13)                                         

توجه کنید که  به ترتیب روی سطح و داخل سطح و گشتاور و پیچشی که بر لوله وارد می شوند و Z مدول برش می‌باشد.

ترم های  ضریب تشدید تنش‌های داخل و خارج سطح که برای اجزاء بحرانی لوله به طور تجربی بدست می‌آید می باشند. آنها را می توان برای اجزاء مختلف مانند زانویی‌ها، گوشه‌های 90 درجه وغیره در ضمیمه ASME B 31.8 E پیدا کرد.

معادله (2-10) تا (2-13) برای هر دو استاندارد ASME B31.4 و CSA Z662 کاربرد دارد با یک تفاوت ، ASME B31.4 ضریب deratiy دما را شامل نمی‌شود. اما محدوده دما را تا زیر 120 درجه سانتی گراد محدود کرده است.

لوله ها unrestrained:

محاسبات انبساط برای لوله های روی سطح زمین باید انجام شوند زیرا برای تغییرات حراتی مانند خمش تیرها  و توانایی پایداری الاستیک در لوله ها ونگهدارنده ها در استانداردهای CSA Z662 و B 31.8 تنش‌های ناشی از انبساط حرارتی برای سیستم لوله ها بدون محدودیت محوری ترکیب و محدود شده به شکل زیر می‌باشد

(نمودار و جداول و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

[1] - نمونه‌ای از محاسبات t در پیوست آمده است.