Beim Entwurf eines Druckrohrleitungssystems legt der beauftragende Ingenieur häufig fest, dass die Systemrohrleitung einem oder mehreren Teilen des ASME B31-Druckrohrleitungscodes entsprechen sollte. Wie befolgen Ingenieure die Codeanforderungen beim Entwurf von Rohrleitungssystemen ordnungsgemäß?
Zunächst muss der Ingenieur festlegen, welche Konstruktionsspezifikation ausgewählt werden soll. Für Druckrohrleitungssysteme ist dies nicht unbedingt auf ASME B31 beschränkt. Andere von ASME, ANSI, NFPA oder anderen zuständigen Organisationen herausgegebene Codes können durch den Projektstandort, die Anwendung usw. geregelt werden. In ASME B31 gelten derzeit sieben separate Abschnitte.
ASME B31.1 Elektrische Rohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen in Kraftwerken, Industrie- und institutionellen Anlagen, geothermischen Heizsystemen sowie Zentral- und Fernwärme- und -kühlungssystemen. Dazu gehören Kesselaußen- und Nicht-Kesselaußenrohre, die zur Installation von ASME Abschnitt I-Kesseln verwendet werden. Dieser Abschnitt gilt nicht für Geräte, die unter den ASME Boiler and Pressure Vessel Code fallen, bestimmte Niederdruck-Heiz- und Kühlverteilungsrohre und verschiedene andere Systeme, die in Absatz 100.1.3 von ASME B31.1 beschrieben sind. Die Ursprünge von ASME B31.1 lässt sich bis in die 1920er Jahre zurückverfolgen, wobei die erste offizielle Ausgabe 1935 veröffentlicht wurde. Beachten Sie, dass die erste Ausgabe einschließlich der Anhänge weniger als 30 Seiten umfasste und die aktuelle Ausgabe über 300 Seiten umfasst.
ASME B31.3 Prozessrohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen in Raffinerien;Chemie-, Pharma-, Textil-, Papier-, Halbleiter- und Kryoanlagen;und zugehörige Verarbeitungsanlagen und Terminals. Dieser Abschnitt ist ASME B31.1 sehr ähnlich, insbesondere bei der Berechnung der Mindestwandstärke für gerade Rohre. Dieser Abschnitt war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde erstmals 1959 separat veröffentlicht.
ASME B31.4 Pipeline-Transportsysteme für Flüssigkeiten und Schlamm: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen, die hauptsächlich flüssige Produkte zwischen Anlagen und Terminals sowie innerhalb von Terminals, Pump-, Konditionierungs- und Messstationen transportieren. Dieser Abschnitt war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde erstmals 1959 separat veröffentlicht.
ASME B31.5 Kältetechnik-Rohrleitungen und Wärmeübertragungskomponenten: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen für Kältemittel und Sekundärkühlmittel. Dieser Teil war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde erstmals 1962 separat veröffentlicht.
ASME B31.8 Gasübertragungs- und -verteilungsrohrsysteme: Dazu gehören Rohrleitungen zum Transport hauptsächlich gasförmiger Produkte zwischen Quellen und Terminals, einschließlich Kompressoren, Konditionierungs- und Messstationen;und Gassammelleitungen. Dieser Abschnitt war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde erstmals 1955 separat veröffentlicht.
ASME B31.9 Gebäudetechnik-Rohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen, die häufig in industriellen, institutionellen, gewerblichen und öffentlichen Gebäuden vorkommen.und Mehrfamilienhäuser, die nicht die in ASME B31.1 abgedeckten Größen-, Druck- und Temperaturbereiche erfordern. Dieser Abschnitt ähnelt ASME B31.1 und B31.3, ist jedoch weniger konservativ (insbesondere bei der Berechnung der Mindestwandstärke) und enthält weniger Details. Er ist auf Niederdruck- und Niedertemperaturanwendungen beschränkt, wie in ASME B31.9 Absatz 900.1.2 angegeben. Dieser Abschnitt wurde erstmals 1982 veröffentlicht.
ASME B31.12 Wasserstoffleitungen und Rohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen für gasförmigen und flüssigen Wasserstoff sowie Rohrleitungen für gasförmigen Wasserstoff. Dieser Abschnitt wurde erstmals 2008 veröffentlicht.
Welcher Konstruktionscode verwendet werden soll, bleibt letztendlich dem Eigentümer überlassen. In der Einführung zu ASME B31 heißt es: „Es liegt in der Verantwortung des Eigentümers, den Codeabschnitt auszuwählen, der der vorgeschlagenen Rohrleitungsinstallation am nächsten kommt.“In einigen Fällen „können mehrere Codeabschnitte für verschiedene Abschnitte der Installation gelten.“
Die Ausgabe 2012 von ASME B31.1 dient als Hauptreferenz für nachfolgende Diskussionen. Der Zweck dieses Artikels besteht darin, den designierenden Ingenieur durch einige der Hauptschritte beim Entwurf eines ASME B31-konformen Druckrohrsystems zu führen. Die Befolgung der Richtlinien von ASME B31.1 bietet eine gute Darstellung des allgemeinen Systemdesigns. Ähnliche Entwurfsmethoden werden verwendet, wenn ASME B31.3 oder B31.9 befolgt wird. Der Rest von ASME B31 wird in engeren Anwendungen verwendet , in erster Linie für bestimmte Systeme oder Anwendungen, und wird nicht weiter besprochen. Obwohl wichtige Schritte im Designprozess hier hervorgehoben werden, ist diese Diskussion nicht erschöpfend und es sollte beim Systemdesign immer auf den vollständigen Code verwiesen werden. Alle Verweise auf Text beziehen sich auf ASME B31.1, sofern nicht anders angegeben.
Nach der Auswahl des richtigen Codes muss der Systemdesigner auch alle systemspezifischen Designanforderungen überprüfen. Paragraph 122 (Teil 6) enthält Designanforderungen für Systeme, die häufig in elektrischen Rohrleitungsanwendungen verwendet werden, wie z. B. Dampf, Speisewasser, Abschlämmung und Abschlämmung, Instrumentierungsrohre und Druckentlastungssysteme. ASME B31.3 enthält ähnliche Absätze wie ASME B31.1, jedoch mit weniger Details. Zu den Überlegungen in Paragraph 122 gehören systemspezifische Druck- und Temperaturanforderungen sowie verschiedene rechtliche Einschränkungen Verbindung zwischen dem Kesselkörper, den externen Kesselrohren und den externen Rohren außerhalb des Kessels, die an die Kesselrohrleitungen nach ASME Abschnitt I angeschlossen sind.Definition. Abbildung 2 zeigt diese Einschränkungen des Trommelkessels.
Der Systementwickler muss den Druck und die Temperatur bestimmen, bei denen das System betrieben wird, sowie die Bedingungen, für die das System ausgelegt sein sollte.
Gemäß Absatz 101.2 darf der interne Auslegungsdruck nicht geringer sein als der maximale Dauerbetriebsdruck (MSOP) innerhalb des Rohrleitungssystems, einschließlich der Auswirkungen statischer Druckhöhen. Rohrleitungen, die einem Außendruck ausgesetzt sind, müssen für den maximalen Differenzdruck ausgelegt sein, der unter Betriebs-, Abschalt- oder Testbedingungen zu erwarten ist werden, um das Vakuum zu brechen. In Situationen, in denen die Flüssigkeitsausdehnung den Druck erhöhen kann, sollten Rohrleitungssysteme so ausgelegt sein, dass sie dem erhöhten Druck standhalten, oder es sollten Maßnahmen zur Entlastung des Überdrucks ergriffen werden.
Ab Abschnitt 101.3.2 muss die Metalltemperatur für die Rohrleitungskonstruktion repräsentativ für die erwarteten maximalen Dauerbedingungen sein. Der Einfachheit halber wird im Allgemeinen angenommen, dass die Metalltemperatur gleich der Flüssigkeitstemperatur ist. Falls gewünscht, kann die durchschnittliche Metalltemperatur verwendet werden, solange die Außenwandtemperatur bekannt ist. Besonderes Augenmerk sollte auch auf Flüssigkeiten gelegt werden, die durch Wärmetauscher oder aus Verbrennungsanlagen gezogen werden, um sicherzustellen, dass die schlechtesten Temperaturbedingungen berücksichtigt werden.
Oft fügen Konstrukteure dem maximalen Arbeitsdruck und/oder der maximalen Arbeitstemperatur einen Sicherheitsspielraum hinzu. Die Größe des Spielraums hängt von der Anwendung ab. Bei der Bestimmung der Auslegungstemperatur müssen auch Materialbeschränkungen berücksichtigt werden. Die Angabe hoher Auslegungstemperaturen (mehr als 750 F) erfordert möglicherweise die Verwendung von Legierungsmaterialien anstelle des standardmäßigeren Kohlenstoffstahls. Die Spannungswerte im obligatorischen Anhang A gelten nur für die zulässigen Temperaturen für jedes Material. Beispielsweise kann Kohlenstoffstahl nur Spannungswerte bis zu 800 F liefern. Längere Einwirkung von Temperaturen auf Kohlenstoffstahl Bei Temperaturen über 800 °F kann es zur Verkohlung des Rohrs kommen, wodurch es spröder und anfälliger für Ausfälle wird. Beim Betrieb über 800 °F sollten auch die mit Kohlenstoffstahl verbundenen beschleunigten Kriechschäden berücksichtigt werden. Eine ausführliche Erläuterung der Materialtemperaturgrenzen finden Sie in Abschnitt 124.
Manchmal können Ingenieure auch Prüfdrücke für jedes System festlegen. Paragraph 137 enthält Hinweise zu Belastungstests. Typischerweise werden hydrostatische Tests mit dem 1,5-fachen des Auslegungsdrucks spezifiziert;Allerdings dürfen die Umfangs- und Längsspannungen in den Rohrleitungen während der Druckprüfung 90 % der Streckgrenze des Materials in Absatz 102.3.3 (B) nicht überschreiten. Bei einigen externen Rohrleitungssystemen ohne Kessel kann die Dichtheitsprüfung während des Betriebs eine praktischere Methode zur Prüfung auf Lecks sein, weil es Schwierigkeiten bei der Isolierung von Systemteilen gibt oder weil die Systemkonfiguration einfach eine einfache Dichtheitsprüfung während der Erstinbetriebnahme ermöglicht.Einverstanden, das ist akzeptabel.
Sobald die Konstruktionsbedingungen festgelegt sind, können die Rohrleitungen spezifiziert werden. Als erstes muss entschieden werden, welches Material verwendet werden soll. Wie bereits erwähnt, haben verschiedene Materialien unterschiedliche Temperaturgrenzen. Paragraph 105 sieht zusätzliche Einschränkungen für verschiedene Rohrleitungsmaterialien vor. Die Materialauswahl hängt auch von der Systemflüssigkeit ab, wie z. B. Nickellegierungen in korrosiven chemischen Rohrleitungsanwendungen, Edelstahl zur Bereitstellung sauberer Instrumentenluft oder Kohlenstoffstahl mit einem hohen Chromgehalt (mehr als 0,1 %), um strömungsbeschleunigte Korrosion zu verhindern. Strömungsbeschleunigte Korrosion (FAC) ist ein Erosions-/Korrosionsphänomen, das nachweislich zu starker Wandverdünnung und Rohrversagen in einigen der kritischsten Rohrleitungssysteme führt. Das Versäumnis, die Verdünnung von Rohrleitungskomponenten richtig zu berücksichtigen, kann und hat schwerwiegende Folgen gehabt, wie beispielsweise im Jahr 2007, als ein Enthitzungsrohr im IATAN-Kraftwerk von KCP&L platzte, wobei zwei Arbeiter starben und ein dritter schwer verletzt wurde.
Gleichung 7 und Gleichung 9 in Absatz 104.1.1 definieren die minimal erforderliche Wandstärke bzw. den maximalen Innendruck für gerade Rohre, die einem Innendruck ausgesetzt sind. Zu den Variablen in diesen Gleichungen gehören die maximal zulässige Spannung (aus dem obligatorischen Anhang A), der Außendurchmesser des Rohrs, der Materialfaktor (wie in Tabelle 104.1.2 (A) gezeigt) und alle zusätzlichen Dickenzuschläge (wie unten beschrieben). Da so viele Variablen beteiligt sind, kann die Angabe des geeigneten Rohrleitungsmaterials, des Nenndurchmessers und der Wandstärke hilfreich sein Es handelt sich um einen iterativen Prozess, der auch Flüssigkeitsgeschwindigkeit, Druckabfall sowie Rohrleitungs- und Pumpkosten berücksichtigen kann. Unabhängig von der Anwendung muss die erforderliche Mindestwandstärke überprüft werden.
Zum Ausgleich aus verschiedenen Gründen, einschließlich FAC, kann ein zusätzlicher Dickenzuschlag hinzugefügt werden. Zuschläge können aufgrund der Entfernung von Gewinden, Schlitzen usw. erforderlich sein, die für die Herstellung mechanischer Verbindungen erforderlich sind. Gemäß Absatz 102.4.2 muss der Mindestzuschlag der Gewindetiefe zuzüglich der Bearbeitungstoleranz entsprechen. Zuschläge können auch erforderlich sein, um zusätzliche Festigkeit bereitzustellen, um Rohrschäden, Kollaps, übermäßiges Durchhängen oder Knicken aufgrund überlagerter Lasten oder anderer in Absatz 102.4.4 beschriebener Ursachen zu verhindern s können auch hinzugefügt werden, um Schweißverbindungen (Absatz 102.4.3) und Bögen (Absatz 102.4.5) zu berücksichtigen. Schließlich können Toleranzen hinzugefügt werden, um Korrosion und/oder Erosion auszugleichen. Die Dicke dieses Zuschlags liegt im Ermessen des Konstrukteurs und muss mit der erwarteten Lebensdauer der Rohrleitung gemäß Absatz 102.4.1 im Einklang stehen.
Der optionale Anhang IV enthält Hinweise zum Korrosionsschutz. Schutzbeschichtungen, kathodischer Schutz und elektrische Isolierung (z. B. Isolierflansche) sind Methoden zur Verhinderung äußerer Korrosion von erdverlegten oder untergetauchten Rohrleitungen. Zur Verhinderung innerer Korrosion können Korrosionsinhibitoren oder Auskleidungen verwendet werden. Außerdem sollte darauf geachtet werden, hydrostatisches Testwasser mit geeigneter Reinheit zu verwenden und die Rohrleitungen nach der hydrostatischen Prüfung gegebenenfalls vollständig zu entleeren.
Die für vorherige Berechnungen erforderliche Mindestwandstärke oder der Mindestplan ist möglicherweise nicht über den gesamten Rohrdurchmesser hinweg konstant und erfordert möglicherweise Spezifikationen für unterschiedliche Zeitpläne für unterschiedliche Durchmesser. Geeignete Zeitpläne und Wandstärkenwerte sind in ASME B36.10 „Geschweißte und nahtlos geschmiedete Stahlrohre“ definiert.
Bei der Spezifikation des Rohrmaterials und der Durchführung der zuvor besprochenen Berechnungen muss sichergestellt werden, dass die in den Berechnungen verwendeten maximal zulässigen Spannungswerte mit dem angegebenen Material übereinstimmen. Wenn beispielsweise ein Rohr aus Edelstahl A312 304L fälschlicherweise als Rohr aus Edelstahl A312 304 bezeichnet wird, reicht die bereitgestellte Wandstärke möglicherweise aufgrund des erheblichen Unterschieds in den maximal zulässigen Spannungswerten zwischen den beiden Materialien nicht aus. Ebenso muss die Herstellungsmethode des Rohrs entsprechend spezifiziert werden. Wenn beispielsweise die maximal zulässige Für die Berechnung wird der Spannungswert für nahtlose Rohre verwendet, nahtlose Rohre sollten angegeben werden. Andernfalls bietet der Hersteller/Installateur möglicherweise nahtgeschweißte Rohre an, was aufgrund niedrigerer maximal zulässiger Spannungswerte zu einer unzureichenden Wandstärke führen kann.
Angenommen, die Auslegungstemperatur der Rohrleitung beträgt 300 F und der Auslegungsdruck 1.200 psig. 2″ und 3″. Es wird Kohlenstoffstahldraht (nahtlos A53 Grade B) verwendet. Bestimmen Sie den geeigneten Rohrleitungsplan, der spezifiziert werden muss, um die Anforderungen von ASME B31.1 Gleichung 9 zu erfüllen. Zunächst werden die Konstruktionsbedingungen erläutert:
Bestimmen Sie als Nächstes die maximal zulässigen Spannungswerte für A53 Klasse B bei den oben genannten Auslegungstemperaturen aus Tabelle A-1. Beachten Sie, dass der Wert für nahtlose Rohre verwendet wird, da nahtlose Rohre spezifiziert sind:
Außerdem muss eine Dickenzugabe hinzugefügt werden. Für diese Anwendung wird eine Korrosionszugabe von 1/16 Zoll angenommen. Eine separate Frästoleranz wird später hinzugefügt.
3 Zoll. Das Rohr wird zuerst spezifiziert. Berechnen Sie unter der Annahme eines Schedule 40-Rohrs und einer Frästoleranz von 12,5 % den maximalen Druck:
Schedule 40-Rohre sind für 3-Zoll-Rohre unter den oben angegebenen Konstruktionsbedingungen zufriedenstellend. Überprüfen Sie als Nächstes 2 Zoll. Die Pipeline verwendet die gleichen Annahmen:
2 Zoll. Unter den oben angegebenen Konstruktionsbedingungen erfordern die Rohrleitungen eine dickere Wandstärke als Schedule 40. Versuchen Sie es mit 2 Zoll. Schedule 80-Rohre:
Obwohl die Rohrwandstärke oft der begrenzende Faktor bei der Druckkonstruktion ist, ist es dennoch wichtig zu überprüfen, ob die verwendeten Fittings, Komponenten und Verbindungen für die angegebenen Konstruktionsbedingungen geeignet sind.
Als allgemeine Regel gelten gemäß den Absätzen 104.2, 104.7.1, 106 und 107 alle Ventile, Armaturen und anderen druckführenden Komponenten, die nach den in Tabelle 126.1 aufgeführten Standards hergestellt wurden, als für den Einsatz unter normalen Betriebsbedingungen oder unterhalb der in angegebenen Standards für Druck-Temperatur-Nennwerte geeignet. Benutzer sollten sich darüber im Klaren sein, dass bestimmte Standards oder Hersteller strengere Grenzwerte für Abweichungen vom Normalbetrieb als die in ASME B31.1 festgelegten festlegen gelten.
An Rohrkreuzungen werden T-Stücke, Querstücke, Kreuze, Abzweigschweißverbindungen usw. empfohlen, die gemäß den in Tabelle 126.1 aufgeführten Standards hergestellt werden. In einigen Fällen erfordern Rohrleitungskreuzungen möglicherweise einzigartige Abzweigverbindungen. Absatz 104.3.1 enthält zusätzliche Anforderungen für Abzweigverbindungen, um sicherzustellen, dass ausreichend Rohrleitungsmaterial vorhanden ist, um dem Druck standzuhalten.
Um die Konstruktion zu vereinfachen, kann sich der Konstrukteur dafür entscheiden, die Konstruktionsbedingungen höher festzulegen, um die Flanschbewertung einer bestimmten Druckklasse (z. B. ASME-Klasse 150, 300 usw.) zu erfüllen, wie durch die Druck-Temperatur-Klasse für bestimmte Materialien definiert, die in ASME B16.5 Rohrflansche und Flanschverbindungen oder ähnlichen in Tabelle 126.1 aufgeführten Standards angegeben sind. Dies ist akzeptabel, solange es nicht zu einer unnötigen Erhöhung der Wandstärke oder anderer Komponentendesigns führt.
Ein wichtiger Teil des Rohrleitungsdesigns besteht darin, sicherzustellen, dass die strukturelle Integrität des Rohrleitungssystems erhalten bleibt, sobald die Auswirkungen von Druck, Temperatur und äußeren Kräften einwirken. Die strukturelle Integrität des Systems wird im Designprozess häufig übersehen und kann, wenn sie nicht gut durchgeführt wird, einer der teureren Teile des Designs sein. Strukturelle Integrität wird hauptsächlich an zwei Stellen erörtert: Absatz 104.8: Analyse der Rohrleitungskomponenten und Absatz 119: Erweiterung und Flexibilität.
Absatz 104.8 listet die grundlegenden Codeformeln auf, die verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Rohrleitungssystem die zulässigen Spannungen der Norm überschreitet. Diese Codegleichungen werden allgemein als Dauerlasten, gelegentliche Lasten und Verschiebungslasten bezeichnet. Dauerlast ist die Wirkung von Druck und Gewicht auf ein Rohrleitungssystem. Nebenlasten sind Dauerlasten plus mögliche Windlasten, seismische Lasten, Geländelasten und andere kurzfristige Lasten Die Last wird zum Zeitpunkt der Analyse ein separater Lastfall sein. Verschiebungslasten sind die Auswirkungen von Wärmeausdehnung, Geräteverschiebungen während des Betriebs oder anderen Verschiebungslasten.
In Absatz 119 wird erläutert, wie Rohrausdehnungen und -flexibilität in Rohrleitungssystemen gehandhabt werden und wie Reaktionslasten bestimmt werden. Bei Geräteverbindungen ist die Flexibilität von Rohrleitungssystemen oft am wichtigsten, da die meisten Geräteverbindungen nur minimalen Kräften und Momenten standhalten können, die am Verbindungspunkt wirken. In den meisten Fällen hat das thermische Wachstum des Rohrleitungssystems den größten Einfluss auf die Reaktionsbelastung, daher ist es wichtig, das thermische Wachstum im System entsprechend zu steuern.
Um der Flexibilität des Rohrleitungssystems Rechnung zu tragen und sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäß gestützt wird, empfiehlt es sich, Stahlrohre gemäß Tabelle 121.5 zu stützen. Wenn ein Konstrukteur danach strebt, den standardmäßigen Stützabstand für diese Tabelle einzuhalten, erreicht er drei Dinge: Minimierung der Durchbiegung durch das Eigengewicht, Reduzierung der Dauerlasten und Erhöhung der verfügbaren Spannung für Verschiebungslasten. Wenn der Konstrukteur die Stütze gemäß Tabelle 121.5 platziert, führt dies normalerweise zu einer Eigengewichtsverschiebung oder einem Durchhang von weniger als 1/8 Zoll zwischen den Rohren Rohrhalterungen. Durch die Minimierung der Durchbiegung des Eigengewichts wird die Wahrscheinlichkeit von Kondensation in Rohren, die Dampf oder Gas transportieren, verringert. Durch Befolgen der Abstandsempfehlungen in Tabelle 121.5 kann der Konstrukteur außerdem die Dauerspannung in der Rohrleitung auf etwa 50 % des zulässigen Dauerwerts der Norm reduzieren. Gemäß Gleichung 1B steht die zulässige Spannung für Verschiebungslasten im umgekehrten Verhältnis zu Dauerlasten. Daher kann die Toleranz der Verschiebungsspannung durch Minimierung der Dauerlast maximiert werden. Der empfohlene Abstand für Rohrhalterungen ist in Abbildung 3 dargestellt.
Um sicherzustellen, dass die Reaktionslasten des Rohrleitungssystems richtig berücksichtigt werden und die Belastungen der Vorschriften eingehalten werden, ist eine gängige Methode die Durchführung einer computergestützten Analyse der Rohrleitungsspannung des Systems. Es stehen mehrere verschiedene Softwarepakete für die Analyse der Rohrleitungsspannung zur Verfügung, z. B. Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex oder eines der anderen im Handel erhältlichen Pakete. Der Vorteil der computergestützten Analyse der Rohrleitungsspannung besteht darin, dass der Konstrukteur ein Finite-Elemente-Modell des Rohrleitungssystems erstellen kann, um die Überprüfung zu erleichtern und notwendige Änderungen vorzunehmen zur Konfiguration. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die Modellierung und Analyse eines Abschnitts einer Pipeline.
Beim Entwurf eines neuen Systems legen Systementwickler in der Regel fest, dass alle Rohrleitungen und Komponenten gemäß den verwendeten Vorschriften hergestellt, geschweißt, zusammengebaut usw. werden sollen. Bei einigen Nachrüstungen oder anderen Anwendungen kann es jedoch von Vorteil sein, dass ein benannter Ingenieur Anleitung zu bestimmten Herstellungstechniken gibt, wie in Kapitel V beschrieben.
Ein häufiges Problem bei Nachrüstungsanwendungen ist das Vorwärmen der Schweißnaht (Absatz 131) und die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Absatz 132). Neben anderen Vorteilen werden diese Wärmebehandlungen verwendet, um Spannungen abzubauen, Risse zu verhindern und die Schweißnahtfestigkeit zu erhöhen. Zu den Elementen, die sich auf die Anforderungen an die Wärmebehandlung vor und nach dem Schweißen auswirken, gehören unter anderem die folgenden: P-Nummerngruppierung, Materialchemie und Materialdicke an der zu schweißenden Verbindung. Jedem im obligatorischen Anhang A aufgeführten Material ist eine P-Nummer zugewiesen .Für das Vorwärmen gibt Abschnitt 131 die Mindesttemperatur an, auf die das Grundmetall erhitzt werden muss, bevor geschweißt werden kann. Für PWHT gibt Tabelle 132 den Haltetemperaturbereich und die Zeitspanne zum Halten der Schweißzone an. Heiz- und Abkühlraten, Temperaturmessmethoden, Heiztechniken und andere Verfahren sollten sich strikt an die in der Norm festgelegten Richtlinien halten. Unerwartete nachteilige Auswirkungen auf den geschweißten Bereich können auftreten, wenn die Wärmebehandlung nicht richtig durchgeführt wird.
Ein weiterer potenzieller Problembereich bei unter Druck stehenden Rohrleitungssystemen sind Rohrbögen. Das Biegen von Rohren kann zu einer Wandverdünnung führen, was zu einer unzureichenden Wandstärke führt. Gemäß Abschnitt 102.4.5 erlaubt die Norm Biegungen, solange die Mindestwandstärke der gleichen Formel entspricht, die zur Berechnung der Mindestwandstärke für gerade Rohre verwendet wird. In der Regel wird ein Zuschlag hinzugefügt, um die Wandstärke zu berücksichtigen. Tabelle 102.4.5 enthält empfohlene Biegereduzierungszugaben für verschiedene Biegeradien. Biegungen können auch erfordern eine Wärmebehandlung vor und/oder nach dem Biegen. Absatz 129 enthält Hinweise zur Herstellung von Rohrbögen.
Bei vielen Druckleitungssystemen ist die Installation eines Sicherheitsventils oder Überdruckventils erforderlich, um einen Überdruck im System zu verhindern. Für diese Anwendungen ist der optionale Anhang II: Sicherheitsventil-Installationskonstruktionsregeln eine sehr wertvolle, aber manchmal wenig bekannte Ressource.
Gemäß Abschnitt II-1.2 zeichnen sich Sicherheitsventile durch eine vollständig öffnende Pop-up-Funktion für den Gas- oder Dampfbetrieb aus, während Sicherheitsventile relativ zum vorgeschalteten statischen Druck öffnen und hauptsächlich für den Flüssigkeitsbetrieb verwendet werden.
Sicherheitsventileinheiten zeichnen sich dadurch aus, ob es sich um offene oder geschlossene Auslasssysteme handelt. Bei einem offenen Auslass leitet der Winkel am Auslass des Sicherheitsventils normalerweise in das Abgasrohr in die Atmosphäre ab. Typischerweise führt dies zu einem geringeren Gegendruck. Wenn im Abgasrohr ausreichend Gegendruck erzeugt wird, kann ein Teil des Abgases aus dem Einlassende des Abgasrohrs ausgestoßen oder zurückgespült werden. Die Größe des Abgasrohrs sollte groß genug sein, um einen Rückstoß zu verhindern. Bei Anwendungen mit geschlossener Entlüftung baut sich am Auslass des Überdruckventils aufgrund der Luftkompression in der Entlüftung Druck auf Leitung, was möglicherweise zur Ausbreitung von Druckwellen führt. In Absatz II-2.2.2 wird empfohlen, dass der Auslegungsdruck der geschlossenen Auslassleitung mindestens doppelt so groß ist wie der stationäre Arbeitsdruck. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die Installation des Sicherheitsventils im geöffneten bzw. geschlossenen Zustand.
Sicherheitsventilinstallationen können verschiedenen Kräften ausgesetzt sein, wie in Absatz II-2 zusammengefasst. Zu diesen Kräften gehören Wärmeausdehnungseffekte, die Wechselwirkung mehrerer gleichzeitig entlüftender Überdruckventile, seismische und/oder Vibrationseffekte sowie Druckeffekte bei Druckentlastungsereignissen. Obwohl der Auslegungsdruck bis zum Auslass des Sicherheitsventils mit dem Auslegungsdruck des Fallrohrs übereinstimmen sollte, hängt der Auslegungsdruck im Auslasssystem von der Konfiguration des Auslasssystems und den Eigenschaften des Sicherheitsventils ab. Gleichungen zur Bestimmung von Druck und Geschwindigkeit am Auslasskrümmer sind in Abschnitt II-2.2 enthalten. Abgasrohreinlass und Abgasrohrauslass für offene und geschlossene Abgassysteme. Anhand dieser Informationen können die Reaktionskräfte an verschiedenen Punkten im Abgassystem berechnet und berücksichtigt werden.
Ein Beispielproblem für eine offene Entladungsanwendung ist in Abschnitt II-7 aufgeführt. Es gibt andere Methoden zur Berechnung der Strömungseigenschaften in Entlastungsventilsystemen, und der Leser wird darauf hingewiesen, zu überprüfen, ob die verwendete Methode ausreichend konservativ ist. Eine solche Methode wird von GS Liao in „Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis“ beschrieben, veröffentlicht von ASME im Journal of Electrical Engineering, Oktober 1975.
Das Entlastungsventil sollte in einem Mindestabstand des geraden Rohrs von Biegungen entfernt angebracht werden. Dieser Mindestabstand hängt vom Betrieb und der Geometrie des Systems ab, wie in Abschnitt II-5.2.1 definiert. Bei Installationen mit mehreren Entlastungsventilen hängt der empfohlene Abstand für Ventilzweigverbindungen von den Radien der Zweig- und Versorgungsleitungen ab, wie in Anmerkung (10)(c) von Tabelle D-1 dargestellt. Gemäß Abschnitt II-5.7.1 kann es erforderlich sein, Rohrleitungshalterungen, die sich an den Entlastungsventilauslässen befinden, an die Betriebsleitungen anzuschließen angrenzende Strukturen, um die Auswirkungen von Wärmeausdehnung und seismischen Wechselwirkungen zu minimieren. Eine Zusammenfassung dieser und anderer Konstruktionsüberlegungen bei der Konstruktion von Sicherheitsventilbaugruppen finden Sie in Abschnitt II-5.
Offensichtlich ist es nicht möglich, im Rahmen dieses Artikels alle Konstruktionsanforderungen von ASME B31 abzudecken. Aber jeder designierte Ingenieur, der an der Konstruktion eines Druckrohrsystems beteiligt ist, sollte zumindest mit diesem Konstruktionscode vertraut sein. Wir hoffen, dass ASME B31 für die Leser mit den oben genannten Informationen eine wertvollere und zugänglichere Ressource darstellt.
Monte K. Engelkemier ist Projektleiter bei Stanley Consultants. Engelkemier ist Mitglied der Iowa Engineering Society, der NSPE und der ASME und Mitglied des B31.1 Electrical Piping Code Committee und Subcommittee. Er verfügt über mehr als 12 Jahre praktische Erfahrung in der Auslegung, Konstruktion, Bewertung von Verstrebungen und Spannungsanalysen von Rohrleitungssystemen. Matt Wilkey ist Maschinenbauingenieur bei Stanley Consultants. Er verfügt über mehr als 6 Jahre Berufserfahrung im Entwurf von Rohrleitungssystemen für eine Vielzahl von Versorgungs-, Kommunal-, institutionellen und industriellen Kunden und ist Mitglied der ASME und der Iowa Engineering Society.
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