Quan es dissenya un sistema de canonades a pressió, l'enginyer que designa sovint especificarà que la canonada del sistema s'ha d'ajustar a una o més parts del codi de canonades de pressió ASME B31. Com segueixen correctament els requisits del codi quan dissenyen sistemes de canonades?
En primer lloc, l'enginyer ha de determinar quina especificació de disseny s'ha de seleccionar. Per als sistemes de canonades a pressió, això no es limita necessàriament a ASME B31. Altres codis emesos per ASME, ANSI, NFPA o altres organitzacions de govern es poden regir per la ubicació del projecte, l'aplicació, etc. A ASME B31, actualment hi ha set seccions diferents en vigor.
Canonades elèctriques ASME B31.1: aquesta secció cobreix les canonades de centrals elèctriques, plantes industrials i institucionals, sistemes de calefacció geotèrmica i sistemes de calefacció i refrigeració centrals i urbanes. Inclou les canonades exteriors de caldera i exteriors sense caldera utilitzades per instal·lar calderes ASME Secció I. Aquesta secció no s'aplica als equips coberts pel Codi de calderes ASME i altres sistemes de distribució de calderes i de baixa pressió i altres canonades de distribució de calderes i de baixa pressió descrites al paràgraf 1 de l'ASME 0.1.3 d'ASME B31.1. Els orígens d'ASME B31.1 es remunten als anys 20, amb la primera edició oficial publicada l'any 1935. Tingueu en compte que la primera edició, inclosos els apèndixs, tenia menys de 30 pàgines i l'edició actual té més de 300 pàgines.
ASME B31.3 Tuberia de procés: aquesta secció tracta les canonades a les refineries;plantes químiques, farmacèutiques, tèxtils, papereres, semiconductors i criogèniques;i plantes de processament i terminals associades. Aquesta secció és molt semblant a ASME B31.1, especialment quan es calcula el gruix de paret mínim per a canonades rectes. Aquesta secció formava part originalment de B31.1 i es va llançar per primera vegada per separat el 1959.
ASME B31.4 Sistemes de transport de canonades per a líquids i purins: aquesta secció cobreix les canonades que transporten principalment productes líquids entre plantes i terminals, i dins de terminals, estacions de bombeig, condicionament i mesura. Aquesta secció formava part originalment de B31.1 i es va publicar per primera vegada per separat el 1959.
Components de canonades de refrigeració i transferència de calor ASME B31.5: aquesta secció cobreix les canonades per a refrigerants i refrigerants secundaris. Aquesta part era originalment part de B31.1 i es va llançar per primera vegada per separat el 1962.
ASME B31.8 Sistemes de canonades de transmissió i distribució de gas: inclou les canonades per transportar principalment productes gasosos entre fonts i terminals, inclosos compressors, estacions de condicionament i mesura;i canonades de recollida de gas. Aquesta secció formava part originalment de B31.1 i es va llançar per primera vegada per separat el 1955.
ASME B31.9 Conduccions de serveis d'edificació: aquesta secció tracta les canonades que es troben habitualment en edificis industrials, institucionals, comercials i públics;i habitatges multi-unitat que no requereixen la mida, la pressió i els intervals de temperatura recoberts en ASME B31.1. Aquesta secció és similar a ASME B31.1 i B31.3, però és menys conservador (sobre calcular un gruix mínim de paret) i conté menys detalls.
ASME B31.12 Conduccions i canonades d'hidrogen: aquesta secció cobreix les canonades en el servei d'hidrogen gasós i líquid i les canonades en el servei d'hidrogen gasós. Aquesta secció es va publicar per primera vegada el 2008.
Quin codi de disseny s'ha d'utilitzar, en última instància, depèn del propietari. La introducció a ASME B31 afirma: "És responsabilitat del propietari seleccionar la secció de codi que s'aproximi més a la instal·lació de canonades proposada".En alguns casos, "poden aplicar-se diverses seccions de codi a diferents seccions de la instal·lació".
L'edició de 2012 d'ASME B31.1 servirà com a referència principal per a debats posteriors. L'objectiu d'aquest article és guiar l'enginyer designador a través d'alguns dels passos principals en el disseny d'un sistema de canonades de pressió compatible amb ASME B31. Seguint les directrius de ASME B31.1 proporciona una bona representació del disseny general del sistema. ASME B31 s'utilitza en aplicacions més limitades, principalment per a sistemes o aplicacions específiques, i no es tractarà més. Tot i que aquí es destacaran els passos clau del procés de disseny, aquesta discussió no és exhaustiva i el codi complet s'ha de fer sempre referència durant el disseny del sistema. Totes les referències al text fan referència a ASME B31.1 tret que s'indiqui el contrari.
Després de seleccionar el codi correcte, el dissenyador del sistema també ha de revisar els requisits de disseny específics del sistema. El paràgraf 122 (part 6) proporciona requisits de disseny relacionats amb els sistemes que es troben habitualment en aplicacions de canonades elèctriques, com ara vapor, aigua d'alimentació, purga i purga, canonades d'instrumentació i sistemes d'alleujament de pressió. així com diverses limitacions jurisdiccionals delimitades entre el cos de la caldera, la canonada externa de la caldera i la canonada externa no de la caldera connectada a la canonada de la caldera de la secció I d'ASME.definició. La figura 2 mostra aquestes limitacions de la caldera de tambor.
El dissenyador del sistema ha de determinar la pressió i la temperatura a les quals funcionarà el sistema i les condicions per a les quals s'ha de dissenyar.
Segons el paràgraf 101.2, la pressió interna de disseny no ha de ser inferior a la pressió de treball contínua màxima (MSOP) dins del sistema de canonades, inclòs l'efecte de la capçalera estàtica. Les canonades sotmeses a pressió externa s'han de dissenyar per a la pressió diferencial màxima esperada en condicions de funcionament, parada o prova. A més, s'han de tenir en compte els impactes ambientals. per suportar la pressió externa o s'han de prendre mesures per trencar el buit. En situacions en què l'expansió del fluid pot augmentar la pressió, els sistemes de canonades s'han de dissenyar per suportar l'augment de pressió o s'han de prendre mesures per alleujar l'excés de pressió.
A partir de la secció 101.3.2, la temperatura del metall per al disseny de canonades ha de ser representativa de les condicions màximes sostingudes esperades. Per simplificar, generalment se suposa que la temperatura del metall és igual a la temperatura del fluid. Si es desitja, es pot utilitzar la temperatura mitjana del metall sempre que es conegui la temperatura de la paret exterior.
Sovint, els dissenyadors afegeixen un marge de seguretat a la pressió i/o temperatura màxima de treball. La mida del marge depèn de l'aplicació. També és important tenir en compte les limitacions del material a l'hora de determinar la temperatura de disseny. L'especificació de temperatures de disseny elevades (superiors a 750 F) pot requerir l'ús de materials d'aliatge en lloc de l'acer al carboni més estàndard. fins a 800 F. L'exposició prolongada de l'acer al carboni a temperatures superiors a 800 F pot fer que la canonada es carbonitzi, fent-la més trencadissa i propensa a fallar. Si funciona per sobre de 800 F, també s'ha de tenir en compte el dany de fluència accelerat associat a l'acer al carboni. Vegeu el paràgraf 124 per a una discussió completa dels límits de temperatura del material.
De vegades, els enginyers també poden especificar pressions de prova per a cada sistema. El paràgraf 137 proporciona una guia sobre les proves d'esforç. Normalment, les proves hidrostàtiques s'especificaran a 1,5 vegades la pressió de disseny;tanmateix, les tensions longitudinals i del cèrcol a la canonada no han de superar el 90% de la resistència elàstica del material del paràgraf 102.3.3 (B) durant la prova de pressió.D'acord, això és acceptable.
Once the design conditions are established, the piping can be specified.The first thing to decide is what material to use.As mentioned earlier, different materials have different temperature limits.Paragraph 105 provides additional restrictions on various piping materials.Material selection also depends on the system fluid, such as nickel alloys in corrosive chemical piping applications, stainless steel to deliver clean instrument air, or carbon steel with a high chromium content (greater than 0.1%) to prevent flow accelerated corrosion.Flow Accelerated Corrosion (FAC) is an erosion/corrosion phenomenon that has been shown to cause severe wall thinning and pipe failure in some of the most critical piping systems.Failure to properly consider thinning of plumbing components can and has had serious consequences, such as in 2007 when a desuperheating pipe at KCP&L's IATAN power station burst, killing two workers and seriously injuring a third.
L'equació 7 i l'equació 9 del paràgraf 104.1.1 defineixen el gruix de paret mínim requerit i la pressió interna màxima de disseny, respectivament, per a canonades rectes subjectes a pressió interna. Les variables d'aquestes equacions inclouen la tensió màxima admissible (de l'apèndix A obligatori), el diàmetre exterior de la canonada, el factor de material (tal com es mostra a la taula 104.1.2), i qualsevol gruix addicional que es descriu a continuació. especificar el material de canonada, el diàmetre nominal i el gruix de la paret adequats pot ser un procés iteratiu que també pot incloure la velocitat del fluid, la caiguda de pressió i els costos de canonades i bombeigs. Independentment de l'aplicació, s'ha de verificar el gruix de paret mínim requerit.
Es pot afegir una compensació de gruix addicional per compensar per diverses raons, inclosa la FAC. Es poden requerir marges a causa de l'eliminació de fils, ranures, etc. material necessari per fer juntes mecàniques. Segons el paràgraf 102.4.2, la tolerància mínima ha de ser igual a la profunditat de la rosca més la tolerància de mecanitzat. Altres causes comentades al paràgraf 102.4.4. També es poden afegir toleràncies per tenir en compte les juntes soldades (paràgraf 102.4.3) i els colzes (paràgraf 102.4.5). Finalment, es poden afegir toleràncies per compensar la corrosió i/o l'erosió. .
L'annex IV opcional proporciona orientació sobre el control de la corrosió. Els recobriments protectors, la protecció catòdica i l'aïllament elèctric (com ara brides aïllants) són mètodes per prevenir la corrosió externa de canonades enterrades o submergides. Es poden utilitzar inhibidors de corrosió o revestiments per prevenir la corrosió interna.
El gruix mínim de la paret de la canonada o l'horari necessari per als càlculs anteriors pot no ser constant en tot el diàmetre de la canonada i pot requerir especificacions per a diferents programes per a diferents diàmetres. Els valors adequats de gruix de paret i programació es defineixen a ASME B36.10 Tub d'acer forjat sense soldadura i sense soldadura.
Quan s'especifica el material de la canonada i es realitzen els càlculs comentats anteriorment, és important assegurar-se que els valors de tensió màxims permesos utilitzats en els càlculs coincideixen amb el material especificat. Per exemple, si la canonada d'acer inoxidable A312 304L està designada incorrectament com a canonada d'acer inoxidable A312 304, el gruix de la paret proporcionat pot ser insuficient a causa de la diferència significativa entre els dos materials de fabricació. s'ha d'especificar adequadament. Per exemple, si s'utilitza el valor de tensió màxim admissible per a la canonada sense soldadura per al càlcul, s'ha d'especificar la canonada sense soldadura. En cas contrari, el fabricant/instal·lador pot oferir una canonada soldada amb costura, que pot resultar en un gruix de paret insuficient a causa dels valors de tensió màxims admissibles més baixos.
Per exemple, suposem que la temperatura de disseny de la canonada és de 300 F i la pressió de disseny és de 1.200 psig.
A continuació, determineu els valors de tensió màxims permesos per a A53 Grau B a les temperatures de disseny anteriors de la taula A-1. Tingueu en compte que s'utilitza el valor de la canonada sense soldadura perquè s'especifica la canonada sense soldadura:
També s'ha d'afegir una tolerància de gruix. Per a aquesta aplicació, s'assumeix una tolerància de corrosió d'1/16 de polzada. Més tard s'afegirà una tolerància de fresat independent.
3 polzades. La canonada s'especificarà primer. Suposant una canonada Schedule 40 i una tolerància de fresat del 12,5%, calculeu la pressió màxima:
La canonada Schedule 40 és satisfactòria per a tub de 3 polzades en les condicions de disseny especificades anteriorment. A continuació, comproveu 2 polzades. La canonada utilitza els mateixos supòsits:
2 polzades. Sota les condicions de disseny especificades anteriorment, la canonada requerirà un gruix de paret més gruixut que l'Annex 40. Proveu 2 polzades. Pipa 80:
Tot i que el gruix de la paret de la canonada és sovint el factor limitant en el disseny de pressió, encara és important verificar que els accessoris, components i connexions utilitzats són adequats per a les condicions de disseny especificades.
Com a regla general, d'acord amb els paràgrafs 104.2, 104.7.1, 106 i 107, totes les vàlvules, accessoris i altres components que contenen pressió fabricats segons les normes enumerades a la taula 126.1 s'han de considerar aptes per al seu ús en condicions de funcionament normals o per sota d'aquestes normes. que els especificats a ASME B31.1, s'aplicaran els límits més estrictes.
A les interseccions de canonades, es recomanen tees, transversals, creus, juntes soldades de branques, etc., fabricades segons els estàndards enumerats a la Taula 126.1. En alguns casos, les interseccions de canonades poden requerir connexions de branca úniques. El paràgraf 104.3.1 proporciona requisits addicionals per a connexions de branques per assegurar que hi ha prou material de canonada per suportar la pressió.
Per simplificar el disseny, el dissenyador pot optar per establir les condicions de disseny més altes per complir amb la classificació de la brida d'una classe de pressió determinada (per exemple, classe ASME 150, 300, etc.) tal com es defineix per la classe de pressió-temperatura per a materials específics especificats a ASME B16. dissenys de components.
Una part important del disseny de canonades és garantir que la integritat estructural del sistema de canonades es mantingui una vegada que s'apliquen els efectes de la pressió, la temperatura i les forces externes. La integritat estructural del sistema sovint es passa per alt en el procés de disseny i, si no es fa bé, pot ser una de les parts més cares del disseny. La integritat estructural es parla principalment en dos llocs. i Flexibilitat.
El paràgraf 104.8 enumera les fórmules de codi bàsiques utilitzades per determinar si un sistema de canonades supera les tensions permeses pel codi. Aquestes equacions de codi s'anomenen habitualment com a càrregues contínues, càrregues ocasionals i càrregues de desplaçament. La càrrega sostinguda és l'efecte de la pressió i el pes en un sistema de canonades. no actuarà sobre altres càrregues incidentals al mateix temps, de manera que cada càrrega incidental serà un cas de càrrega independent en el moment de l'anàlisi. Les càrregues de desplaçament són els efectes del creixement tèrmic, el desplaçament de l'equip durant el funcionament o qualsevol altra càrrega de desplaçament.
El paràgraf 119 tracta de com gestionar l'expansió i la flexibilitat de canonades en sistemes de canonades i com determinar les càrregues de reacció. La flexibilitat dels sistemes de canonades és sovint més important en les connexions d'equips, ja que la majoria de connexions d'equips només poden suportar la quantitat mínima de força i moment aplicats en el punt de connexió.
Per adaptar-se a la flexibilitat del sistema de canonades i assegurar-se que el sistema es recolza correctament, és una bona pràctica donar suport a les canonades d'acer d'acord amb la taula 121.5. Si un dissenyador s'esforça per complir l'espai de suport estàndard per a aquesta taula, aconsegueix tres coses: minimitza la deflexió del propi pes, redueix les càrregues sostingudes i augmenta la tensió disponible per al desplaçament d'acord amb el dissenyador. La minimització de la deflexió del propi pes ajuda a reduir la possibilitat de condensació a les canonades que transporten vapor o gas. Seguint les recomanacions d'espaiat de la Taula 121.5 també permet al dissenyador reduir la tensió sostinguda a la canonada fins a aproximadament un 50% de la tensió. Les càrregues de desplaçament estan inversament relacionades amb les càrregues sostingudes. Per tant, minimitzant la càrrega sostinguda, es pot maximitzar la tolerància a l'esforç de desplaçament. L'espai recomanat per als suports de canonada es mostra a la figura 3.
Per garantir que les càrregues de reacció del sistema de canonades es considerin correctament i que es compleixin les tensions del codi, un mètode comú és realitzar una anàlisi de tensió de canonades assistida per ordinador del sistema. Hi ha diversos paquets de programari d'anàlisi de tensions de canonades disponibles, com Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex o un dels altres paquets disponibles comercialment. sistema per a una fàcil verificació i la possibilitat de fer els canvis necessaris a la configuració. La figura 4 mostra un exemple de modelització i anàlisi d'una secció de canonada.
Quan es dissenyen un sistema nou, els dissenyadors de sistemes solen especificar que totes les canonades i components s'han de fabricar, soldar, muntar, etc. segons el codi que s'utilitzi. No obstant això, en algunes modificacions o altres aplicacions, pot ser beneficiós que un enginyer designat proporcioni orientació sobre determinades tècniques de fabricació, tal com es descriu al capítol V.
Un problema comú que es troba a les aplicacions d'adaptació és el preescalfament de soldadura (paràgraf 131) i el tractament tèrmic posterior a la soldadura (paràgraf 132). Entre altres beneficis, aquests tractaments tèrmics s'utilitzen per alleujar l'estrès, prevenir esquerdes i augmentar la resistència de la soldadura. que s'indica a l'apèndix A obligatori té un número P assignat. Per al preescalfament, el paràgraf 131 proporciona la temperatura mínima a la qual s'ha d'escalfar el metall base abans que es pugui soldar. Per a PWHT, la taula 132 proporciona l'interval de temperatura de retenció i el temps per mantenir la zona de soldadura. Les taxes d'escalfament i refrigeració, els mètodes de mesura de la temperatura, les tècniques d'escalfament i altres procediments s'han de seguir estrictament amb les directrius adverses. L'àrea de ded es pot produir a causa d'una fallada en el tractament tèrmic adequat.
Una altra àrea potencial de preocupació en els sistemes de canonades a pressió són els corbes de canonades. La flexió de les canonades pot provocar un aprimament de la paret, donant lloc a un gruix de paret insuficient. Segons el paràgraf 102.4.5, el codi permet corbes sempre que el gruix mínim de la paret compleixi la mateixa fórmula que s'utilitza per calcular el gruix mínim de paret per a canonades rectes. marges de ducció per a diferents radis de curvatura. Les corbes també poden requerir un tractament tèrmic abans del plegat i/o posterior al plegat. El paràgraf 129 ofereix orientacions sobre la fabricació de colzes.
Per a molts sistemes de canonades de pressió, és necessari instal·lar una vàlvula de seguretat o una vàlvula d'alleujament per evitar la sobrepressió al sistema. Per a aquestes aplicacions, l'apèndix II opcional: Regles de disseny d'instal·lació de vàlvules de seguretat és un recurs molt valuós però de vegades poc conegut.
D'acord amb el paràgraf II-1.2, les vàlvules de seguretat es caracteritzen per una acció emergent totalment oberta per al servei de gas o vapor, mentre que les vàlvules de seguretat s'obren en relació a la pressió estàtica aigües amunt i s'utilitzen principalment per al servei de líquids.
Les unitats de vàlvula de seguretat es caracteritzen per si són sistemes de descàrrega oberts o tancats. En un sistema d'escapament obert, el colze a la sortida de la vàlvula de seguretat normalment s'escapa al tub d'escapament a l'atmosfera. Normalment, això provocarà una contrapressió menor. , la pressió s'acumula a la sortida de la vàlvula d'alleujament a causa de la compressió d'aire a la línia de ventilació, cosa que pot provocar la propagació d'ones de pressió. Al paràgraf II-2.2.2, es recomana que la pressió de disseny de la línia de descàrrega tancada sigui almenys dues vegades més gran que la pressió de treball en estat estacionari. Les figures 5 i 6 mostren la instal·lació de la vàlvula de seguretat oberta i tancada, respectivament.
Les instal·lacions de vàlvules de seguretat poden estar subjectes a diverses forces, tal com es resumeix al paràgraf II-2. Aquestes forces inclouen efectes d'expansió tèrmica, la interacció de múltiples vàlvules d'alleujament amb ventilació simultània, efectes sísmics i/o vibracions i efectes de pressió durant els esdeveniments d'alleujament de pressió. vàlvula. Al paràgraf II-2.2 es proporcionen equacions per determinar la pressió i la velocitat al colze de descàrrega, a l'entrada del tub de descàrrega i a la sortida del tub de descàrrega per a sistemes de descàrrega oberts i tancats. Amb aquesta informació, es poden calcular i tenir en compte les forces de reacció en diversos punts del sistema d'escapament.
Un exemple de problema per a una aplicació de descàrrega oberta es proporciona al paràgraf II-7. Existeixen altres mètodes per calcular les característiques de flux en sistemes de descàrrega de vàlvules d'alleujament, i s'adverteix al lector que verifiqui que el mètode utilitzat és prou conservador.
La vàlvula d'alleujament s'ha de situar a una distància mínima de la canonada recta i lluny de qualsevol corba. Aquesta distància mínima depèn del servei i la geometria del sistema tal com es defineix al paràgraf II-5.2.1. Per a instal·lacions amb vàlvules d'alleujament múltiples, l'espai recomanat per a les connexions de la derivació de la vàlvula depèn dels radis de la derivació i de la canonada de servei, tal com es mostra a la Nota (10)(1c) de la taula D-1c). suports de ping situats a les descàrregues de les vàlvules d'alleujament a les canonades en funcionament en lloc d'estructures adjacents per minimitzar els efectes de l'expansió tèrmica i les interaccions sísmiques. Es pot trobar un resum d'aquestes i altres consideracions de disseny en el disseny de conjunts de vàlvules de seguretat al paràgraf II-5.
Òbviament, no és possible cobrir tots els requisits de disseny d'ASME B31 dins de l'àmbit d'aquest article. Però qualsevol enginyer designat implicat en el disseny d'un sistema de canonades a pressió hauria d'estar familiaritzat com a mínim amb aquest codi de disseny. Tant de bo, amb la informació anterior, els lectors trobaran ASME B31 un recurs més valuós i accessible.
Monte K. Engelkemier és el líder del projecte a Stanley Consultants. Engelkemier és membre de la Iowa Engineering Society, NSPE i ASME, i forma part del comitè i del subcomitè del codi de canonades elèctrics B31.1. Té més de 12 anys d'experiència pràctica en disseny de sistemes de canonades, disseny, avaluació de reforços i anàlisi d'estrès. sistemes per a diversos clients de serveis públics, municipals, institucionals i industrials i és membre d'ASME i de la Iowa Engineering Society.
Tens experiència i coneixements sobre els temes tractats en aquest contingut? Hauries de considerar la possibilitat de contribuir al nostre equip editorial de CFE Media i obtenir el reconeixement que tu i la teva empresa mereixes. Fes clic aquí per iniciar el procés.