การขยายตัวและการรองรับท่อ

ระบบไอน้ำทุกประเภทต้องได้รับการรองรับอย่างเต็มที่ สามารถขยายตัวระหว่างการทำงาน และมีความยืดหยุ่นเพียงพอที่จะอนุญาตให้เคลื่อนที่ บทเรียนนี้รวมคำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการต่างๆ และการคำนวณครบถ้วน

การชดเชยการขยายตัว

ท่อทั้งหมดจะติดตั้งที่อุณหภูมิแวดล้อม ท่อที่ขนส่งของไหลร้อน เช่น น้ำหรือไอน้ำ ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า ดังนั้นท่อจะขยายตัว โดยเฉพาะในความยาว เมื่ออุณหภูมิเพิ่มจากแวดล้อมเป็นอุณหภูมิทำงาน สิ่งนี้จะสร้างความเครียดในบางพื้นที่ภายในระบบจ่าย เช่น รอยต่อท่อ ซึ่งในกรณีรุนแรงอาจแตกหัก ปริมาณการขยายตัวคำนวณได้ง่ายโดยใช้สมการ 10.4.1 หรืออ่านจากแผนภูมิที่เหมาะสม เช่น รูป 10.4.1

ตัวอย่าง 10.4.1

ท่อเหล็กคาร์บอนยาว 30 m จะใช้ขนส่งไอน้ำที่ 4 bar g (152°C) หากท่อติดตั้งที่ 10°C กำหนดการขยายตัวโดยใช้สมการ 10.4.1

หรือ แผนภูมิในรูป 10.4.1 สามารถใช้หาการขยายตัวโดยประมาณของท่อเหล็กความยาวต่างๆ - ดูตัวอย่าง 10.4.2 สำหรับคำอธิบายการใช้งาน ตัวอย่าง 10.4.2 ใช้รูป 10.4.1 หาการขยายตัวโดยประมาณจาก 15°C ของท่อเหล็กคาร์บอน 100 เมตรที่ใช้จ่ายไอน้ำที่ 265°C ความแตกต่างของอุณหภูมิคือ 265 - 15°C = 250°C ที่จุดที่เส้นความแตกต่างอุณหภูมิ 250°C ตัดเส้นความยาวท่อแนวนอนที่ 100 m ลากเส้นแนวตั้งลง ในตัวอย่างนี้ระบุการขยายตัวโดยประมาณ 330 mm

ความยืดหยุ่นของท่อ ระบบท่อต้องมีความยืดหยุ่นเพียงพอที่จะรองรับการเคลื่อนที่ของส่วนประกอบขณะขยายตัว ในหลายกรณี ความยืดหยุ่นของระบบท่อ เนื่องจากความยาวของท่อและจำนวนข้อโค้งและ supports หมายความว่าไม่มีความเครียดที่ไม่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ในบางการติดตั้ง จะต้องรวมวิธีการบางอย่างเพื่อให้ได้ความยืดหยุ่นที่ต้องการ ตัวอย่างในระบบไอน้ำทั่วไปคือการระบายคอนเดนเสทจากจุดระบายน้ำท่อหลักไอน้ำเข้าสู่ท่อคืนคอนเดนเสทที่วิ่งตามแนวท่อไอน้ำ (รูป 10.4.2) ที่นี่ ความแตกต่างของการขยายตัวของระบบท่อทั้งสองต้องคำนึงถึง ท่อหลักไอน้ำจะทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าท่อหลักคอนเดนเสท และจุดเชื่อมต่อทั้งสองจะเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันระหว่างการอุ่นระบบ

ปริมาณการเคลื่อนที่ที่จะรับโดยท่อและอุปกรณ์ใดๆ ที่รวมอยู่ในนั้นสามารถลดลงได้โดย ‘cold draw’ ปริมาณการขยายตัวทั้งหมดจะคำนวณก่อนสำหรับแต่ละส่วนระหว่างจุดยึดคงที่ ท่อจะเหลือสั้นลงครึ่งหนึ่งของปริมาณนี้ และยืดเย็นโดยดึงสลักเกลียวที่รอยต่อหน้าแปลน เพื่อให้ที่อุณหภูมิแวดล้อม ระบบถูกเครียดในทิศทางหนึ่ง

เมื่ออุ่นผ่านครึ่งหนึ่งของการเพิ่มอุณหภูมิทั้งหมด ท่อจะไม่ถูกเครียด ที่อุณหภูมิทำงานและขยายตัวเต็มที่แล้ว ท่อจะถูกเครียดในทิศทางตรงกันข้าม ผลคือแทนที่จะถูกเครียดจาก 0 F ถึง +1 F หน่วยแรง ท่อจะถูกเครียดจาก -½ F ถึง + ½ F หน่วยแรง

ในทางปฏิบัติ ท่อจะประกอบเย็นด้วยชิ้น spacer ที่มีความยาวเท่ากับครึ่งหนึ่งของการขยายตัว ระหว่างหน้าแปลนสองตัว เมื่อท่อติดตั้งเต็มที่และยึดที่ปลายทั้งสองแล้ว spacer จะถูกถอดออกและรอยต่อดึงให้แน่น (ดูรูป 10.4.3)

ส่วนที่เหลือของการขยายตัว หากไม่ได้รับโดยความยืดหยุ่นตามธรรมชาติของท่อ จะต้องใช้อุปกรณ์ขยายตัว

ในทางปฏิบัติ การขยายตัวและ support ของท่อสามารถจำแนกเป็นสามพื้นที่ตามที่แสดงในรูป 10.4.4

จุดยึดคงที่หรือ ‘anchor’ ‘A’ ให้ตำแหน่งอ้างอิงที่การขยายตัวเกิดขึ้น

จุดรองรับเลื่อน ‘B’ อนุญาตให้เคลื่อนที่อิสระสำหรับการขยายตัวของท่อ ในขณะที่รักษาแนวท่อ อุปกรณ์ขยายตัวที่จุด ‘C’ เพื่อรองรับการขยายตัวและหดตัวของท่อ

supports ลูกกลิ้ง (รูป 10.4.5 และ 10.4.6) เป็นวิธีที่ดีสำหรับ support ท่อ ในขณะที่อนุญาตให้เคลื่อนที่ในสองทิศทาง สำหรับท่อเหล็ก ลูกกลิ้งควรผลิตจากวัสดุเฟอร์รัส สำหรับท่อทองแดง ควรผลิตจากวัสดุนอน-เฟอร์รัส แนวปฏิบัติที่ดีสำหรับท่อที่ support ด้วยลูกกลิ้งคือติดตั้งอานท่อที่ bolted กับ bracket support ที่ระยะห่างไม่เกิน 6 เมตรเพื่อรักษาแนวท่อระหว่างการขยายตัวและหดตัว

เมื่อท่อสองท่อต้อง support ท่อด้านล่างจากท่อด้านบนโดยใช้คลิปท่อ เป็นแนวปฏิบัติที่ไม่ดี เนื่องจากจะเพิ่มความเครียดให้ท่อด้านบนที่ความหนาถูกกำหนดมารับเฉพาะความเครียดของแรงดันทำงาน supports ท่อทั้งหมดควรออกแบบมาเฉพาะเพื่อให้เหมาะกับเส้นผ่านศูนย์กลางนอกของท่อที่เกี่ยวข้อง

อุปกรณ์ขยายตัว

อุปกรณ์ขยายตัว (‘C’ รูป 10.4.4) เป็นวิธีหนึ่งในการรองรับการขยายตัว อุปกรณ์เหล่านี้วางในแนวท่อ และออกแบบมารองรับการขยายตัว โดยไม่เปลี่ยนความยาวรวมของแนวท่อ มักเรียกว่าเบลโลว์ขยายตัว เนื่องจากโครงสร้างเบลโลว์ของ sleeve ขยายตัว อุปกรณ์ขยายตัวอื่นๆ สามารถทำจากท่อเอง อาจเป็นวิธีที่ถูกกว่าในการแก้ปัญหา แต่ต้องการพื้นที่มากกว่าเพื่อรองรับท่อ

ลูปเต็ม เป็นการหมุนท่อหนึ่งรอบเต็ม และในท่อไอน้ำ ควรติดตั้งในแนวนอนมากกว่าแนวตั้งเพื่อป้องกันคอนเดนเสทสะสมที่ด้าน upstream ด้าน downstream ผ่านด้านล่างด้าน upstream และต้องระมัดระวังอย่างมากไม่ให้ติดตั้งกลับด้าน เนื่องจากคอนเดนเสทอาจสะสมที่ก้น เมื่อติดตั้ง full loops ในพื้นที่จำกัด ต้องระวังระบุว่าไม่ส่ง loops ผิดมือ full loop ไม่สร้างแรงต้านการขยายตัวของท่อเหมือนบางประเภทอื่น แต่ด้วยแรงดันไอน้ำภายใน loop มีแนวโน้มเล็กน้อยที่จะคลี่ออก ซึ่งเพิ่มความเครียดให้หน้าแปลน

การออกแบบนี้ใช้น้อยในปัจจุบันเนื่องจากพื้นที่ที่ท่อใช้ และเบลโลว์ขยายตัวสำเร็จรูปมีจำหน่ายง่ายกว่า อย่างไรก็ตาม ผู้ใช้ไอน้ำรายใหญ่ เช่น โรงไฟฟ้าหรือสถานประกอบการที่มีระบบจ่ายภายนอกขนาดใหญ่ยังมักใช้อุปกรณ์ขยายตัวแบบ full loop เนื่องจากมักมีพื้นที่และต้นทุนค่อนข้างต่ำ

ลูปเกือกม้าหรือลูปพิณ เมื่อมีพื้นที่ บางครั้งใช้ประเภทนี้ ดีที่สุดติดตั้งในแนวนอนเพื่อให้ loop และท่อหลักอยู่ในระนาบเดียวกัน แรงดันไม่มีแนวโน้มเป่าปลาย loop ออกจากกัน แต่มีผลทำให้ตรงออกเล็กน้อย นี่เกิดจากการออกแบบแต่ไม่ทำให้หน้าแปลนไม่ตรงแนว หากการจัดเรียงใดๆ เหล่านี้ติดตั้งกับ loop แนวตั้งเหนือท่อ จะต้องมีจุดระบายน้ำที่ด้าน upstream ตามที่แสดงในรูป 10.4.8

ลูปขยายตัว

loop ขยายตัวสามารถผลิตจากท่อตรงและข้อโค้งที่เชื่อมที่รอยต่อ (รูป 10.4.9) ข้อมูลคร่าวๆ ของการขยายตัวของท่อที่รองรับได้โดยชุดเหล่านี้แสดงในรูป 10.4.10

จากรูป 10.4.9 จะเห็นว่าความลึกของ loop ควรเป็นสองเท่าของความกว้าง และความกว้างกำหนดจากรูป 10.4.10 โดยรู้ปริมาณการขยายตัวทั้งหมดที่คาดหวังจากท่อทั้งสองด้านของ loop

ข้อต่อเลื่อน บางครั้งใช้เนื่องจากใช้พื้นที่น้อย แต่สิ่งสำคัญคือท่อต้องยึดแน่นและนำทางอย่างเคร่งครัดตามคำแนะนำของผู้ผลิต มิฉะนั้นแรงดันไอน้ำที่กระทำต่อพื้นที่หน้าตัดของส่วน sleeve ของรอยต่อจะ tend เป่ารอยต่อออกจากกัน ต้านแรงที่ผลิตโดยท่อที่ขยายตัว (ดูรูป 10.4.11) การไม่ตรงแนวจะทำให้ sleeve เลื่อนงอ และอาจต้องบำรุงรักษา gland packing เป็นประจำ

เบลโลว์ขยายตัว เบลโลว์ขยายตัว รูป 10.4.12 มีข้อดีคือไม่ต้องการ packing (เหมือน sliding joint type) แต่มีข้อเสียเดียวกับ sliding joint คือแรงดันภายใน tend extend อุปกรณ์ ดังนั้น anchors และ guides ต้องรับแรงนี้ได้

เบลโลว์อาจรวมขีดจำกัด ซึ่งจำกัดการอัดเกินและการยืดเกินขององค์ประกอบ สิ่งเหล่านี้อาจมีฟังก์ชันน้อยภายใต้สภาวะทำงานปกติ เนื่องจากชุดเบลโลว์เรียบง่ายส่วนใหญ่สามารถรับการเคลื่อนที่ด้านข้างและมุมเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ในกรณีที่ anchor ล้มเหลว พวกเขาทำงานเป็น tie rods และกักแรงดัน thrust ป้องกันความเสียหายต่อหน่วยในขณะที่ลดโอกาสความเสียหายเพิ่มเติมต่อท่อ อุปกรณ์และบุคลากร (รูป 10.4.13 (b))

เมื่อคาดหวังแรงที่ใหญ่กว่า ควรมีรูปแบบของ reinforcement ทางกลเพิ่มเติมในอุปกรณ์ เช่น stay bars บานพับ (รูป 10.4.13 (c)) มีวิธีมากกว่าหนึ่งวิธีเสมอในการรองรับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างท่อที่เลื่อนด้านข้าง ขึ้นอยู่กับตำแหน่งสัมพัทธ์ของ anchors และ guides ของเบลโลว์ ในแง่ของลำดับความสำคัญ การเลื่อนแนวแกนดีกว่ามุม ซึ่งดีกว่าด้านข้าง ควรหลีกเลี่ยงการเคลื่อนที่มุมและด้านข้างทุกที่ที่ทำได้ รูป 10.4.13 (a), (b) และ (c) ให้ข้อมูลคร่าวๆ เกี่ยวกับผลกระทบของการเคลื่อนที่เหล่านี้ แต่ในทุกกรณี แนะนำอย่างยิ่งให้ขอคำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญจากผู้ผลิตเบลโลว์เกี่ยวกับการติดตั้งเบลโลว์ขยายตัวใดๆ

ระยะห่าง Support ท่อ

ความถี่ของ supports ท่อจะแตกต่างกันตามขนาดของท่อ วัสดุท่อจริง (เช่น เหล็กหรือทองแดง) และท่อเป็นแนวนอนหรือแนวตั้ง

จุดที่ควรพิจารณาบางประการมีดังนี้:

• ควรจัดให้มี supports ท่อที่ระยะห่างไม่เกินที่แสดงในตาราง 10.4.3 และวิ่งตามส่วนของอาคารและโครงสร้างที่สามารถติดตั้ง supports ที่เหมาะสม
• เมื่อท่อสองท่อหรือมากกว่า support บน bracket เดียวกัน ระยะห่างระหว่าง supports ควรเป็นของท่อที่เล็กที่สุด
• เมื่อมีการเคลื่อนที่ที่มีนัยสำคัญ คือ เมื่อท่อตรงยาวเกิน 15 เมตร supports ควรเป็นแบบลูกกลิ้งตามที่กล่าวก่อนหน้า
• ท่อแนวตั้งควรได้รับการ support เพียงพอที่ฐาน เพื่อรับน้ำหนักทั้งหมดของท่อแนวตั้งและของไหลภายใน สาขาจากท่อแนวตั้งต้องไม่ใช้เป็นวิธี support ท่อ เนื่องจากจะเพิ่มความเครียดให้รอยต่อ tee
• supports ท่อทั้งหมดควรออกแบบมาเฉพาะเพื่อเหมาะกับเส้นผ่านศูนย์กลางนอกของท่อที่เกี่ยวข้อง การใช้ bracket ท่อขนาดเกินไม่ใช่แนวปฏิบัติที่ดี ตาราง 10.4.3 สามารถใช้เป็นแนวทางในการคำนวณระยะห่างระหว่าง supports ท่อสำหรับท่อเหล็กและทองแดง

หัวข้อ supports ท่อครอบคลุมอย่างครบถ้วนในมาตรฐานยุโรป EN 13480 ส่วน 3