Nở nhiệt và Giá đỡ Ống

Mọi hệ thống hơi nước phải được đỡ hoàn toàn, có khả năng nở trong quá trình vận hành và đủ linh hoạt để cho phép di chuyển. Bài học này bao gồm lời khuyên về các phương pháp khác nhau và đầy đủ các phép tính.

Dự phòng cho nở nhiệt

Tất cả các ống sẽ được lắp đặt ở nhiệt độ môi trường. Các ống mang chất lỏng nóng như nước hoặc hơi nước hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Theo đó, chúng nở ra, đặc biệt là theo chiều dài, với sự tăng từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ làm việc. Điều này sẽ tạo ra ứng suất trên một số khu vực trong hệ thống phân phối, chẳng hạn như các mối nối ống, có thể bị nứt gãy trong trường hợp nghiêm trọng. Lượng nở được tính dễ dàng bằng Phương trình 10.4.1, hoặc đọc từ biểu đồ phù hợp như Hình 10.4.1.

Ví dụ 10.4.1

Một ống thép carbon dài 30 m được sử dụng để vận chuyển hơi nước ở 4 bar g (152°C). Nếu ống được lắp đặt ở 10°C, hãy xác định độ nở bằng Phương trình 10.4.1.

Ngoài ra, biểu đồ trong Hình 10.4.1 có thể được sử dụng để tìm độ nở xấp xỉ của các độ dài ống thép khác nhau - xem Ví dụ 10.4.2 để giải thích cách sử dụng. Ví dụ 10.4.2 Sử dụng Hình 10.4.1. Tìm độ nở xấp xỉ từ 15°C, của 100 mét đường ống thép carbon được sử dụng để phân phối hơi nước ở 265°C. Chênh lệch nhiệt độ là 265 - 15°C = 250°C. Nơi đường chéo chênh lệch nhiệt độ 250°C cắt đường chiều dài ống ngang ở 100 m, kẻ một đường thẳng đứng xuống. Trong ví dụ này, độ nở xấp xỉ 330 mm được chỉ ra.

Tính linh hoạt của hệ thống ống Hệ thống ống phải đủ linh hoạt để hấp thụ các chuyển động của các thành phần khi chúng nở ra. Trong nhiều trường hợp, tính linh hoạt của hệ thống ống, do chiều dài của ống và số lượng uốn cong và giá đỡ, có nghĩa là không có ứng suất quá mức nào được tạo ra. Tuy nhiên, trong các lắp đặt khác, sẽ cần kết hợp một số phương tiện để đạt được tính linh hoạt cần thiết này. Một ví dụ trên hệ thống hơi nước điển hình là xả nước ngưng tụ từ bẫy hơi xả chính của đường ống hơi vào đường trả ngưng tụ chạy dọc theo đường ống hơi (Hình 10.4.2). Ở đây, sự khác biệt giữa độ nở của hai hệ thống ống phải được tính đến. Đường ống hơi chính sẽ hoạt động ở nhiệt độ cao hơn đường ống ngưng tụ chính, và hai điểm kết nối sẽ di chuyển tương đối so với nhau trong quá trình làm nóng hệ thống.

Lượng chuyển động cần được hấp thụ bởi đường ống và bất kỳ thiết bị nào được tích hợp trong đó có thể được giảm bằng ‘kéo nguội’. Tổng lượng nở trước tiên được tính cho mỗi đoạn giữa các điểm neo cố định. Các ống được để ngắn một nửa lượng này, và kéo dài khi nguội bằng cách siết bu lông tại mối nối mặt bích, sao cho ở nhiệt độ môi trường, hệ thống bị ứng suất theo một hướng.

Khi được làm nóng qua một nửa tổng nhiệt độ tăng, hệ thống ống không bị ứng suất. Ở nhiệt độ làm việc và đã nở hoàn toàn, hệ thống ống bị ứng suất theo hướng ngược lại. Hiệu ứng là thay vì bị ứng suất từ 0 F đến +1 F đơn vị lực, hệ thống ống bị ứng suất từ -½ F đến + ½ F đơn vị lực.

Trong thực tế, hệ thống ống được lắp ráp khi nguội với một miếng đệm, có chiều dài bằng một nửa độ nở, giữa hai mặt bích. Khi hệ thống ống được lắp đặt hoàn chỉnh và neo ở cả hai đầu, miếng đệm được tháo ra và mối nối được siết chặt (xem Hình 10.4.3).

Phần còn lại của độ nở, nếu không được hấp thụ bởi tính linh hoạt tự nhiên của hệ thống ống, sẽ cần sử dụng phụ kiện nở.

Trong thực tế, nở nhiệt và giá đỡ hệ thống ống có thể được phân loại thành ba khu vực như hiển thị trong Hình 10.4.4.

Các điểm cố định hoặc ‘neo’ ‘A’ cung cấp vị trí tham chiếu từ đó quá trình nở diễn ra.

Các điểm đỡ trượt ‘B’ cho phép di chuyển tự do cho quá trình nở của hệ thống ống, đồng thời giữ cho đường ống thẳng hàng. Thiết bị nở tại điểm ‘C’ là để hấp thụ quá trình nở và co lại của ống.

Giá đỡ con lăn (Hình 10.4.5 và 10.4.6) là phương pháp lý tưởng để đỡ ống, đồng thời cho phép chúng di chuyển theo hai hướng. Đối với ống thép, các con lăn được chế tạo từ vật liệu ferrous. Đối với ống đồng, chúng được chế tạo từ vật liệu không ferrous. Thực hành tốt cho ống đỡ trên con lăn là được trang bị yên ống được bu lông vào giá đỡ khoảng cách không quá 6 mét để giữ hệ thống ống thẳng hàng trong quá trình nở và co lại.

Nơi hai ống được đỡ chồng lên nhau, thực hành kém là treo ống dưới từ ống trên bằng kẹp ống. Điều này sẽ gây thêm ứng suất cho ống trên mà chiều dày đã được tính toán chỉ để chịu ứng suất của áp suất làm việc. Tất cả các giá đỡ ống phải được thiết kế đặc biệt phù hợp với đường kính ngoài của ống liên quan.

Phụ kiện nở

Phụ kiện nở (‘C’ Hình 10.4.4) là một phương pháp để hấp thụ nở nhiệt. Các phụ kiện này được đặt trong đường ống, và được thiết kế để hấp thụ nở, mà không làm thay đổi tổng chiều dài của đường ống. Chúng thường được gọi là bellow nở, do cấu tạo dạng bellow của ống tay nở. Các phụ kiện nở khác có thể được làm từ chính hệ thống ống. Đây có thể là cách rẻ hơn để giải quyết vấn đề, nhưng cần nhiều không gian hơn để chứa ống.

Vòng lặp đầy đủ Đây đơn giản là một vòng quay hoàn chỉnh của ống và trên hệ thống ống hơi, nên được lắp theo chiều ngang thay vì chiều dọc để ngăn nước ngưng tụ tích tụ ở phía thượng lưu. Phía hạ lưu đi qua bên dưới phía thượng lưu và phải hết sức cẩn thận để không lắp sai chiều, vì nước ngưng tụ có thể tích tụ ở đáy. Khi các vòng lặp đầy đủ được lắp trong không gian hạn chế, phải cẩn thận để chỉ định đúng loại vòng lặp không bị cung cấp sai. Vòng lặp đầy đủ không tạo ra lực đối nghịch với hệ thống ống đang nở như một số loại khác, nhưng với áp suất hơi bên trong vòng lặp, có xu hướng nhẹ là bung ra, tạo ứng suất bổ sung lên các mặt bích.

Thiết kế này ngày nay ít được sử dụng do không gian chiếm dụng của hệ thống ống, và các bellow nở thương mại hiện có sẵn dễ dàng hơn. Tuy nhiên, các nhà sử dụng hơi lớn như nhà máy điện hoặc cơ sở với hệ thống phân phối ngoài trời lớn vẫn có xu hướng sử dụng các thiết bị nở loại vòng lặp đầy đủ, vì không gian thường có sẵn và chi phí tương đối thấp.

Vòng hình móng ngựa hoặc hình đàn lia Khi có không gian, loại này đôi khi được sử dụng. Tốt nhất nên lắp ngang sao cho vòng lặp và ống chính trên cùng một mặt phẳng. Áp suất không có xu hướng thổi hai đầu vòng lặp ra, nhưng có hiệu ứng thẳng ra rất nhẹ. Điều này là do thiết kế nhưng không gây mất thẳng hàng của mặt bích. Nếu bất kỳ cách bố trí nào được lắp với vòng lặp theo chiều dọc phía trên ống thì phải có điểm xả ở phía thượng lưu như minh họa trong Hình 10.4.8.

Vòng lặp nở

Vòng lặp nở có thể được chế tạo từ các đoạn ống thẳng và cút hàn tại các mối nối (Hình 10.4.9). Chỉ báo về độ nở của ống có thể được hấp thụ bởi các cụm này được hiển thị trong Hình 10.4.10.

Có thể thấy từ Hình 10.4.9 rằng độ sâu của vòng lặp phải gấp đôi chiều rộng, và chiều rộng được xác định từ Hình 10.4.10, biết tổng lượng nở dự kiến từ các ống ở hai bên vòng lặp.

Mối nối trượt Chúng đôi khi được sử dụng vì chiếm ít không gian, nhưng điều cần thiết là đường ống phải được neo và dẫn hướng cứng nhắc theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất; nếu không áp suất hơi tác dụng lên tiết diện ngang của phần tay áo của mối nối có xu hướng thổi mối nối ra đối lập với lực do hệ thống ống đang nở tạo ra (xem Hình 10.4.11). Mất thẳng hàng sẽ khiến tay áo trượt bị cong, trong khi bảo trì định kỳ cho bộ phận làm kín trục cũng có thể cần thiết.

Bellow nở Một bellow nở, Hình 10.4.12, có ưu điểm là không cần bộ phận làm kín (như loại mối nối trượt). Nhưng nó có cùng nhược điểm với mối nối trượt ở chỗ áp suất bên trong có xu hướng kéo dài phụ kiện, do đó, các neo và dẫn hướng phải có khả năng chịu được lực này.

Bellow có thể bao gồm thanh giới hạn, giới hạn quá nén và quá kéo dài của phần tử. Chúng có thể không có chức năng gì trong điều kiện hoạt động bình thường, vì hầu hết các cụm bellow đơn giản có khả năng chịu được các chuyển động ngang và góc nhỏ. Tuy nhiên, trong trường hợp neo bị hỏng, chúng hoạt động như thanh ràng buộc và chứa lực đẩy áp suất, ngăn hư hỏng cho thiết bị đồng thời giảm khả năng hư hỏng thêm cho đường ống, thiết bị và nhân viên (Hình 10.4.13 (b)).

Nơi dự kiến có lực lớn hơn, một số dạng gia cố cơ học bổ sung nên được tích hợp vào thiết bị, chẳng hạn như thanh bản lề giữ (Hình 10.4.13 (c)). Luôn có nhiều hơn một cách để hấp thụ chuyển động tương đối giữa hai ống bị dịch chuyển ngang tùy thuộc vào vị trí tương đối của các neo và dẫn hướng bellow. Về ưu tiên, dịch chuyển trục tốt hơn góc, và góc tốt hơn ngang. Chuyển động góc và ngang nên được tránh bất cứ khi nào có thể. Hình 10.4.13 (a), (b), và (c) cho chỉ dẫn sơ bộ về ảnh hưởng của các chuyển động này, nhưng trong mọi trường hợp, khuyến cáo mạnh mẽ là tìm kiếm lời khuyên chuyên môn từ nhà sản xuất bellow regarding bất kỳ lắp đặt nào của bellow nở.

Khoảng cách giá đỡ Ống

Tần suất giá đỡ ống sẽ thay đổi tùy theo đường kính trong của ống; vật liệu ống thực tế (tức là thép hoặc đồng); và ống nằm ngang hay đứng.

Một số điểm thực tế đáng xem xét như sau:

• Giá đỡ ống nên được cung cấp ở khoảng cách không lớn hơn hiển thị trong Bảng 10.4.3, và chạy dọc theo các phần của tòa nhà và cấu trúc nơi có thể gắn giá đỡ phù hợp.
• Nơi hai hoặc nhiều ống được đỡ trên giá đỡ chung, khoảng cách giữa các giá đỡ nên theo ống nhỏ nhất.
• Khi có chuyển động đáng kể xảy ra, tức là ống thẳng dài hơn 15 mét, các giá đỡ nên là loại con lăn như đã nêu trước đó.
• Các ống đứng phải được đỡ đầy đủ ở chân, để chịu toàn bộ trọng lượng của ống đứng và chất lỏng bên trong. Các nhánh từ ống đứng không được sử dụng làm phương tiện đỡ ống, vì điều này sẽ tạo căng thẳng không cần thiết lên mối nối chữ T.
• Tất cả các giá đỡ ống phải được thiết kế đặc biệt phù hợp với đường kính ngoài của ống liên quan. Sử dụng giá đỡ ống quá khổ không phải là thực hành tốt. Bảng 10.4.3 có thể được sử dụng làm hướng dẫn khi tính khoảng cách giữa các giá đỡ ống cho hệ thống ống thép và đồng.

Chủ đề về giá đỡ ống được đề cập toàn diện trong tiêu chuẩn châu Âu EN 13480, Phần 3.