تمدد الأنابيب ودعاماتها

يجب أن يكون أي نظام بخار مدعومًا بالكامل، قادرًا على التمدد أثناء التشغيل ومرنًا بما يكفي للسماح بالحركة الناتجة. يشمل هذا الدرس نصائح حول طرق مختلفة وحسابات كاملة.

التحسب للتمدد

جميع الأنابيب تُثبَّت عند درجة حرارة المحيط. الأنابيب التي تحمل سوائل ساخنة مثل الماء أو البخار تعمل عند درجات حرارة أعلى. يتبع أنها تمتد، خاصة في الطول، مع الزيادة من درجة حرارة المحيط إلى درجات حرارة التشغيل. سيُنشئ هذا إجهادًا على مناطق معينة داخل نظام التوزيع، مثل وصلات الأنابيب، التي في أقصى حالاتها قد تتحطم. يمكن حساب مقدار التمدد بسهولة باستخدام المعادلة 10.4.1، أو قراءته من مخطط مناسب مثل الشكل 10.4.1.

المثال 10.4.1

أنبوب فولاذ كربوني بطول 30 م مُراد استخدامه لنقل البخار عند 4 بار ضغط معياري (152 درجة مئوية). إذا رُكِّب الأنبوب عند 10 درجات مئوية، حدد التمدد باستخدام المعادلة 10.4.1.

بديلًا، يمكن استخدام المخطط في الشكل 10.4.1 لإيجاد التمدد التقريبي لمجموعة متنوعة من أطوال أنابيب الفولاذ - انظر المثال 10.4.2 لتوضيح الاستخدام. المثال 10.4.2 باستخدام الشكل 10.4.1. أوجد التمدد التقريبي من 15 درجة مئوية، لـ 100 متر من أنابيب الفولاذ الكربوني المُستخدمة لتوزيع البخار عند 265 درجة مئوية. فرق درجة الحرارة هو 265 - 15 = 250 درجة مئوية. عندما يقطع خط فرق درجة الحرارة القطري 250 درجة مئوية خط طول الأنبوب الأفقي عند 100 م، أنزل خطًا عموديًا. في هذا المثال يُشير تمدد تقريبي 330 مم.

مرونة الأنابيب يجب أن يكون نظام الأنابيب مرنًا بما يكفي لإستيعاب حركة المكونات أثناء تمددها. في كثير من الحالات، مرونة نظام الأنابيب، بسبب طول الأنبوب وعدد الانحناءات والدعامات، تعني أن لا إجهاد غير لازم يُفرض. في تركيبات أخرى ومع ذلك، سيكون ضروريًا دمج بعض الوسائل لتحقيق المرونة المطلوبة. مثال على نظام بخار نموذجي هو تصريف المكثفات من صمام تصريف خط بخار رئيسي إلى خط إرجاع المكثفات الذي يمتد على طول خط البخار (الشكل 10.4.2). هنا، يجب أخذ الفرق بين تمددي نظامي الأنابيب بعين الاعتبار. سيعمل خط البخار الرئيسي عند درجة حرارة أعلى من خط المكثفات الرئيسي، وستتحرك نقطتا التوصيل بالنسبة لبعضهما أثناء تسخين النظام.

يمكن تقليل مقدار الحركة المُستوعبة بواسطة الأنابيب وأي جهاز مُدمج فيها بال ‘السحب البارد’. يُحسب أولاً إجمالي مقدار التمدد لكل قسم بين نقاط التثبيت الثابتة. تُ ترك الأنابيب أقصر بمقدار نصف هذا المقدار، وتُسحب باردة بسحب البراغي على وصلة فلانجية، بحيث عند درجة حرارة المحيط، يُجهَّد النظام في اتجاه واحد.

عند التسخين عبر نصف إجمالي ارتفاع درجة الحرارة، تكون الأنابيب غير مُجهَّدة. عند درجة حرارة التشغيل والتمدد الكامل، يُجهَّد الأنابيب في الاتجاه المعاكس. التأثير هو أنه بدلاً من أن يُجهَّد الأنابيب من 0 F إلى +1 F وحدة قوة، يُجهَّد الأنابيب من -½ F إلى + ½ F وحدة قوة.

عمليًا، تُجمَّع الأنابيب باردة مع قطعة مُباعدة، بطول يساوي نصف التمدد، بين فلانجين. عندما تُثبَّت الأنابيب بالكامل وتُثبَّت في كلا الطرفين، تُزال القطعة المُباعدة وتُشد الوصلة بإحكام (انظر الشكل 10.4.3).

الجزء المتبقي من التمدد، إذا لم يُقبل بمرونة الأنابيب الطبيعية سيتطلب استخدام وصلة تمدد.

عمليًا، يمكن تصنيف تمدد الأنابيب ودعاماتها إلى ثلاث مناطق كما هو موضح في الشكل 10.4.4.

النقاط الثابتة أو ‘المُرسية’ ‘أ’ توفر موضع مرجع يبدأ منه التمدد.

نقاط الدعم المنزلقة ‘ب’ تسمح بالحرية في الحركة لتمدد الأنابيب، مع إبقاء خط الأنابيب مُحاذيًا. جهاز التمدد عند النقطة ‘ج’ هو لإستيعاب تمدد وانكماش الأنبوب.

دعامات الأسطوانات (الشكل 10.4.5 و10.4.6) هي طرق مثالية لدعم الأنابيب، مع السماح لها بالحركة في اتجاهين. لأنابيب الفولاذ، يجب تصنيع الأسطوانات من مادة حديدية. لأنابيب النحاس، يجب تصنيعها من مادة غير حديدية. من الممارسات الجيدة أن يُركَّب مَعْجَن أنبوب مُثبَّت على حامل دعم على مسافات لا تتجاوز 6 أمتار للحفاظ على الأنابيب مُحاذاة أثناء أي تمدد وانكماش.

عندما يُدعَّم أنبوبان أحدهما تحت الآخر، هي ممارسة رديئة حمل الأنبوب السفلي من الأنبوب العلوي باستخدام مشبك أنبوب. سيُسبب هذا إجهادًا إضافيًا يُضاف إلى الأنبوب العلوي الذي حُسبت سماكته لتحمل فقط إجهاد ضغط التشغيل. جميع دعامات الأنابيب يجب أن تكون مُصمَّمة خصيصًا لتناسب القطر الخارجي للأنبوب المعني.

وصلات التمدد

وصلة التمدد (‘ج’ الشكل 10.4.4) هي إحدى طرق إستيعاب التمدد. تُوضع هذه الوصلات داخل خط، ومُصمَّمة لإستيعاب التمدد، دون تغيير الطول الكلي للخط. تُسمى عادة طرود تمدد، بسبب بنية الطرد لغلاف التمدد. يمكن صنع وصلات تمدد أخرى من الأنابيب نفسها. يمكن أن تكون هذه طريقة أرخص لحل المشكلة، لكن مساحة أكبر مطلوبة لإستيعاب الأنبوب.

الحلقة الكاملة هذه ببساطة دورة كاملة واحدة للأنبوب وعلى أنابيب البخار، يُفضل تركيبها أفقيًا بدلاً من عموديًا لمنع تراكم المكثفات على الجانب المنبعي. الجانب المنزلي يمر تحت الجانب المنبعي ويجب توخي عناية كبيرة لعدم تركيبها بالعكس، حيث يمكن أن تتراكم المكثفات في القاع. عند تركيب الحلقات الكاملة في مساحة محدودة، يجب توخي العناية لتحديد أن لا يُزَوَّد حلقات مقلوبة. لا تُنشئ الحلقة الكاملة قوة في مواجهة الأنابيب المتمددة كما في بعض الأنواع الأخرى، لكن مع ضغط البخار داخل الحلقة، هناك ميل طفيف للفتح، مما يُضيف إجهادًا على الفلانجات.

نادرًا ما يُستخدم هذا التصميم اليوم بسبب المساحة التي تشغلها الأنابيب، وطرود التمدد التجارية أصبحت أكثر توفرًا. ومع ذلك لا يزال مستخدمو البخار الكبار مثل محطات الطاقة أو المؤسسات ذات أنظمة التوزيع الخارجية الكبيرة يميلون إلى استخدام أجهزة تمدد من نوع الحلقة الكاملة، حيث أن المساحة متوفرة عادة والتكلفة منخفضة نسبيًا.

مسافات دعم الأنابيب

يتغير تكرار دعامات الأنابيب وفقًا لتجويف الأنبوب؛ وmaterial الأنبوب الفعلي (أي فولاذ أو نحاس)؛ وما إذا كان الأنبوب أفقيًا أو عموديًا.

بعض النقاط العملية الجديرة بالنظر هي كالتالي:

• يجب توفير دعامات الأنابيب على فترات لا تتجاوز ما هو موضح في الجدول 10.4.3، والركض على تلك الأجزاء من المباني والهياكل حيث يمكن تركيب الدعامات المناسبة.
• حيث يُدعَّم أنبوبان أو أكثر على حامل مشترك، يجب أن تكون المسافة بين الدعامات هي الخاصة بالأنبوب الأصغر.
• عندما يحدث حركة ملحوظة، أي حيث تكون الأنابيب المستقيمة أطول من 15 مترًا، يجب أن تكون الدعامات من نوع الأسطوانات كما هو موضح سابقًا.
• يجب دعم الأنابيب العمودية بشكل كافٍ في القاعدة، لتحمل الوزن الكلي للأنبوب العمودي والسائل بداخله. لا يجب استخدام الفروع من الأنابيب العمودية كوسيلة دعم للأنبوب، لأن هذا سيُفرض إجهادًا غير لازم على الوصلة الثلاثية.
• يجب أن تكون جميع دعامات الأنابيب مُصمَّمة خصيصًا لتناسب القطر الخارجي للأنبوب المعني. استخدام حاملات أنابيب أكبر من اللازم ليس ممارسة جيدة. يمكن استخدام الجدول 10.4.3 كدليل عند حساب المسافة بين دعامات الأنابيب لأنابيب الفولاذ والنحاس.

يُغطى موضوع دعامات الأنابيب بشكل شامل في المعيار الأوروبي EN 13480، الجزء 3.