Putken paineluokitusopas: laskelmat, kaaviot ja valinta

Mikä on putkipaineluokitus ja miksi sillä on merkitystä?

Putken paineluokitus, joka tunnetaan muodollisesti nimellä Suurin sallittu käyttöpaine (MAWP), on suurin sisäinen paine, jonka putki voi turvallisesti sisältää tietyssä lämpötilassa. Tämä eroaa olennaisesti murtumispaineesta, joka on paine, jossa putki repeytyisi. MAWP sisältää merkittävän turvallisuuskertoimen (tyypillisesti 3,5-kertainen murtolujuus ASME B31.3:a kohti), mikä varmistaa, että putki toimii hyvin rakenteellisissa rajoissaan koko suunnittelun ajan. Riittämättömän paineluokituksen omaavan putken valinta on yksi yleisimmistä teollisuuden putkistovikojen perimmäisistä syistä, mikä johtaa vuotoihin, katastrofaalisiin repeämiin ja turvallisuushäiriöihin.

Väärän paineen valinnan seuraukset voivat olla vakavia. Suurin sallittu käyttöarvonsa (MAWP) yläpuolella toimiva putki voi kärsiä perääntymisestä (pysyvä muodonmuutos), viruminen korkeissa lämpötiloissa tai äkillinen hauras murtuma. Petrokemian laitoksissa putkivauriot ovat aiheuttaneet tulipaloja, räjähdyksiä ja myrkkypäästöjä. ASME B31 -koodisarja asettaa vähimmäisvaatimukset putkien paineen suunnittelulle eri sovelluksissa: B31.1 voimaputkistoon, B31.3 prosessiputkistoon, B31.4 putkikuljetukseen ja B31.8 kaasunsiirtoon. Näiden koodivaatimusten ymmärtäminen on välttämätöntä turvallisen ja vaatimustenmukaisen putkijärjestelmän suunnittelun kannalta.

Barlow-kaava - Teoreettisen murtumispaineen laskeminen

Barlow'n kaava on perusyhtälö putken teoreettisen murtumispaineen laskemiseksi:P=2St/D, jossa P on sisäpaine (MPa), S on sallittu jännitys (MPa), t on nimellisseinämän paksuus (mm) ja D on ulkohalkaisija (mm). MAWP-laskennassa sallittu jännitys S on otettu ASME Section II osasta D suunnittelulämpötilassa, ja seinämän paksuus t on nimellispaksuus miinus valmistustoleranssi miinus korroosionvara. Kaava olettaa ohut-seinäolosuhteet (D/t > 10), mikä koskee suurinta osaa vakioputkiaikatauluista.

Laskuesimerkki (Barlown kaava - teoreettinen MAWP):4 tuuman SCH 40 A106 Gr.B -putki ympäristön lämpötilassa:
Ulkohalkaisija=114.3 mm, seinä=6.02 mm, S=137.9 MPa (A106 Gr.B 38 asteessa)
P=2 x 137,9 x 6,02 / 114.3=14.5 MPa (~2100 psi)

Huomaa, että ASME B31.3 -koodikaava (t=PD / 2(SE + PY)) antaa samalle putkelle alhaisemman MAWP:n, noin 10,9 MPa, johtuen liitoksen tehokkuuskertoimesta E ja lämpötilakertoimesta Y. Alla olevassa taulukossa käytetään ASME B31.3 -kaavaa ja se edustaa koodin -yhteensopivaa käyttöpainetta. Vertailun vuoksi, murtumispaine (käytettäessä minimivetolujuutta S=415 MPa A106 Gr.B:lle) olisi noin 43,7 MPa, mikä antaisi turvakertoimeksi noin 3,0 murtumista vastaan. Tämä kuvaa MAWP-laskelmien konservatiivisuutta. Todellisen käyttöpaineen on aina oltava MAWP:n alapuolella, ja useimmat suunnittelukoodit edellyttävät lisämarginaalia normaalin käyttöpaineen yläpuolella.

Sallitut stressiarvot materiaalin mukaan

Sallitut jännitysarvot ovat paineluokituslaskelmien perusta. Nämä arvot on taulukoitu ASME Section II -osassa D tuhansille materiaali-laatu-lämpötilayhdistelmille. Sallittu jännitys saadaan seuraavista: yksi -kolmasosa vähimmäisvetolujuudesta huoneenlämpötilassa, kaksi-kolmasosa vähimmäismyötölujuudesta huoneenlämpötilassa tai keskimääräinen virumismurtolujuus 100 000 tunnin ajalta jaettuna 1,5:llä korotetuissa lämpötiloissa.

Huomaa, että sallittu jännitys pienenee merkittävästi korotetuissa lämpötiloissa. Tämä lämpötilaa heikentävä vaikutus on selkein hiiliteräksessä, jonka lämpötila laskee 40 % ympäristön lämpötilan ja 400 asteen välillä. Seosteräkset, kuten P91, säilyttävät suuremman osuuden ympäristön-lujuudestaan ​​korkeissa lämpötiloissa, joten ne ovat ensisijainen valinta korkeissa lämpötiloissa. Vaikka ruostumattomilla teräksillä on alhaisemmat ympäristön lämpötilassa sallitut jännitykset, ne säilyttävät lujuutensa paremmin erittäin korkeissa yli 600 asteen lämpötiloissa.

Paineluokituskaavio aikataulun mukaan

Alla oleva taulukko näyttää likimääräiset työpaineet A106 Gr.B hiiliteräsputkelle ympäristön lämpötilassa. Nämä arvot perustuvat nimellisseinänpaksuuteen eivätkä sisällä korroosionvaraa. Todelliset käyttöpaineet vaihtelevat erityisten käyttöolosuhteiden ja sovellettavien koodivaatimusten mukaan.

Lämpötilan alentuminen

Lämpötilan alentuminen tarkoittaa sallitun jännityksen vähenemistä käyttölämpötilan noustessa. Tämä ilmiö johtuu siitä, että metallit menettävät lujuutta korkeissa lämpötiloissa. Hiiliteräkselle sallittu jännitys pysyy suhteellisen vakiona noin 200 asteeseen asti ja alkaa sitten laskea lineaarisesti. 400 asteessa A106 Gr.B:n sallittu jännitys on noin 60 % sen ympäristön lämpötila-arvosta. 500 asteessa se laskee noin 40 prosenttiin.

Ruostumattomalla teräksellä on etu erittäin korkeissa lämpötiloissa sen erinomaisen hapettumiskestävyyden ja virumislujuuden ansiosta. Vaikka ruostumattomalla teräksellä 304 on pienempi ympäristön lämpötilan sallittu jännitys kuin hiiliteräksellä (117,2 MPa vs. 137,9 MPa), sen sallittu jännitys 600 asteessa on noin 48 MPa verrattuna hiiliteräksen nollaan (joka ei ole sallittu yli 538 astetta ASME-koodin mukaan). Ultra-korkeissa-lämpötiloissa, yli 600 asteessa, käytetään nikkeli{12}}pohjaisia ​​seoksia, kuten Alloy 617 (UNS N06617), joiden sallitut jännitykset ovat 20–30 MPa 900 asteen kulmassa.

ASME B31 -painevaatimukset

Jokaisella ASME B31 -koodiosalla on erityiset vaatimukset paineluokituksen määrittämiselle. ASME B31.1 (Power Piping) ohjaa putkistoa sähkövoimaloissa ja teollisuuslaitoksissa. Se vaatii painesuunnittelua ASME:n osan I sääntöjen mukaisesti kattilan ulkoisille putkille ja tarjoaa erityiset yhtälöt suorille putkille, mutkille ja haaraliitoksille. ASME B31.3 (Process Piping) on ​​kemian- ja petrokemian tehtaiden laajimmin käytetty koodi. Se käyttää Barlown kaavaan{7}} perustuvaa lähestymistapaa, jossa paineen mitoituspaksuus määritetään kaavalla: t=(P x D) / (2(SE + PY)), missä E on pitkittäisliitoksen laatutekijä ja Y on lämpötilasta{11}}riippuva kerroin.

ASME B31.4 (Pipeline Transportation) koskee nestemäisiä hiilivety- ja muita nesteputkijärjestelmiä. Siinä käytetään suunnittelutekijän lähestymistapaa, jossa vanteen jännitys suunnittelupaineessa ei saa ylittää tiettyä prosenttiosuutta materiaalin määritellystä vähimmäismyötörajasta (SMYS). Esimerkiksi tyypillinen suunnittelukerroin 0,72 tarkoittaa, että kehäjännitys on rajoitettu 72 prosenttiin SMYS:stä. ASME B31.8 (Gas Transmission) käyttää samanlaista suunnittelutekijän lähestymistapaa, mutta sijaintikohtaiset tekijät perustuvat putkilinjan lähellä olevaan väestötiheyteen, joka vaihtelee välillä 0,72 (maaseutu) - 0,40 (tiheät kaupunkialueet).

Painetestin vahvistus

Hydrostaattinen testaus on vakiomenetelmä valmistettujen putkijärjestelmien paineen eheyden tarkistamiseksi. Testipaine on tyypillisesti 1,5 kertaa suunnittelupaine suunnittelulämpötilassa, mutta vähintään 1,5 kertaa MAWP testilämpötilassa. Testipainetta on ylläpidettävä vähimmäiskeston ajan (tyypillisesti 10 minuuttia pienissä järjestelmissä, pidempään suurissa järjestelmissä), kun kaikki liitokset ja liitokset tarkastetaan vuotojen varalta. Pneumaattista testausta käytetään, kun hydrostaattinen testaus on epäkäytännöllistä (esim. järjestelmät, jotka eivät siedä vettä, kuten happi tai kryogeeninen huolto). Pneumaattiseen testaukseen liittyy kuitenkin suurempia turvallisuusriskejä painekaasuun varastoidun energian vuoksi ja se vaatii lisävarotoimia. Katso meidänHydrostaattisten ja pneumaattisten testien opas(54) yksityiskohtaisia ​​menettelyjä varten.

Teollisuuden painevaatimukset

Kemianteollisuus toimii tyypillisesti paineluokissa 150# - 600#, yleisimmät prosessiputket ovat 150# tai 300#. Korkeapaineprosessit, kuten vetykrakkaus ja ammoniakkisynteesi, toimivat 900 # - 2500 # lämpötilassa. Energiateollisuudessa käytetään korkeimpia paineluokituksia, ja ultra-ylikriittiset höyryjaksot toimivat 2500#–4000# ja lämpötilat jopa 620 astetta. Nämä äärimmäiset olosuhteet vaativat korkea{13}}seosmateriaalit, kuten P92 ja nikkeli{15}}pohjaiset superseokset. Öljy- ja kaasuputkien paineet ovat tyypillisesti luokkaa ANSI 300–900, vaikka pääsiirtolinjat voivat toimia yli 2000 psi:n paineissa.

Kuinka tilata paineluokituksen mukaan

Kun tilaat putkea tiettyyn painesovellukseen, anna seuraavat parametrit oikean valinnan varmistamiseksi: suunnittelupaine ja lämpötila, nestemäinen väliaine (mukaan lukien korroosio), sovellettava koodi (ASME B31.3, B31.1 jne.), vaadittu korroosiovara ja mahdolliset erityisvaatimukset (hapan palvelu, NACE-vaatimustenmukaisuus jne.). ManufacturerPipen suunnittelutiimi voi auttaa valitsemaan optimaalisen materiaalin, aikataulun ja valmistusprosessin erityisiin painevaatimuksiisi. Tarjoamme myös ei--standardin mukaista seinän paksuuden mukauttamista sovelluksiin, joissa vakioaikataulut ovat joko riittämättömiä tai yli{7}}määritelty.

Tarvitsetko putkipaineluokitusapua?

Ota yhteyttä suunnittelutiimiimme saadaksesi asiantuntija-apua ja kilpailukykyisen hinnoittelun putkille erityisille painevaatimuksillesi.

Tuoteluokat

• Ruostumaton teräsputki
• Hiiliteräsputki
• Seosteräsputki
• Galvanoitu putki