Ao deseñar un sistema de tubaxes a presión, o enxeñeiro designado adoita especificar que a tubaxe do sistema debe axustarse a unha ou máis partes do Código de tubaxes de presión ASME B31. Como seguen os enxeñeiros correctamente os requisitos do código ao deseñar sistemas de tubaxes?
En primeiro lugar, o enxeñeiro debe determinar que especificación de deseño debe seleccionarse. Para sistemas de tubaxes a presión, isto non está necesariamente limitado a ASME B31.Outros códigos emitidos por ASME, ANSI, NFPA ou outras organizacións gobernantes poden estar rexidos pola localización do proxecto, a aplicación, etc.En ASME B31, actualmente hai sete seccións separadas en vigor.
Tuberías eléctricas ASME B31.1: esta sección abrangue as tubaxes en centrais eléctricas, plantas industriais e institucionais, sistemas de calefacción xeotérmica e sistemas de calefacción e refrixeración central e urbana. Isto inclúe as tubaxes exteriores da caldeira e as exteriores sen caldeira utilizadas para instalar caldeiras ASME da Sección I. Esta sección non se aplica aos equipos cubertos polo Código ASME de calefacción e depósitos de baixa presión e outros sistemas de distribución de caldeiras e de refrixeración e determinados sistemas de distribución de caldeiras e de baixa presión descritos no párrafo 10 10. 0.1.3 de ASME B31.1.As orixes de ASME B31.1 remóntanse á década de 1920, coa primeira edición oficial publicada en 1935. Teña en conta que a primeira edición, incluídos os apéndices, tiña menos de 30 páxinas, e a edición actual ten máis de 300 páxinas.
ASME B31.3 Tuberías de proceso: esta sección abarca as tubaxes nas refinerías;plantas químicas, farmacéuticas, téxtiles, de papel, de semicondutores e crioxénicas;e plantas de procesamento e terminais asociados. Esta sección é moi similar á ASME B31.1, especialmente cando se calcula o espesor mínimo de parede para tubos rectos. Esta sección formaba parte orixinalmente da B31.1 e lanzouse por primeira vez por separado en 1959.
ASME B31.4 Sistemas de transporte por tuberías para líquidos e puríns: esta sección abarca as tubaxes que transportan principalmente produtos líquidos entre plantas e terminais, e dentro de terminais, estacións de bombeo, acondicionamento e medición. Esta sección formaba parte orixinalmente de B31.1 e lanzouse por primeira vez por separado en 1959.
Tuberías de refrixeración ASME B31.5 e compoñentes de transferencia de calor: esta sección abarca as tubaxes de refrixerantes e refrixerantes secundarios. Esta parte era orixinalmente parte de B31.1 e lanzouse por primeira vez por separado en 1962.
ASME B31.8 Sistemas de tubaxes de transmisión e distribución de gas: Inclúe tubaxes para transportar principalmente produtos gasosos entre fontes e terminais, incluíndo compresores, estacións de acondicionamento e medición;e tubos de recollida de gas. Esta sección formaba orixinalmente parte do B31.1 e lanzouse por primeira vez por separado en 1955.
ASME B31.9 Tubería de servizos de construción: esta sección abarca as tubaxes que se atopan habitualmente en edificios industriais, institucionais, comerciais e públicos;and multi-unit dwellings that do not require the size, pressure, and temperature ranges covered in ASME B31.1.This section is similar to ASME B31.1 and B31.3, but is less conservative (especially when calculating minimum wall thickness) and contains less detail.It is limited to low pressure, low temperature applications as indicated in ASME B31.9 paragraph 900.1.2.This was first published in 1982.
ASME B31.12 Tuberías e tubaxes de hidróxeno: esta sección abarca as tubaxes no servizo de hidróxeno gasoso e líquido e as tubaxes no servizo de hidróxeno gasoso. Esta sección publicouse por primeira vez en 2008.
Cal é o código de deseño que se debe utilizar en última instancia, o propietario. A introdución a ASME B31 indica: "É responsabilidade do propietario seleccionar a sección de código que se aproxime máis á instalación de tubaxes proposta".Nalgúns casos, "pódense aplicar varias seccións de código a diferentes seccións da instalación".
A edición de 2012 de ASME B31.1 servirá como referencia principal para discusións posteriores. O propósito deste artigo é guiar ao enxeñeiro designador a través dalgúns dos pasos principais no deseño dun sistema de tubaxes de presión conforme a ASME B31. Seguindo as directrices de ASME B31.1, ofrece unha boa representación do deseño xeral do sistema. ASME B31 utilízase en aplicacións máis restrinxidas, principalmente para sistemas ou aplicacións específicas, e non se tratará máis adiante. Aínda que aquí se destacarán os pasos clave do proceso de deseño, esta discusión non é exhaustiva e o código completo debe sempre ser referenciado durante o deseño do sistema. Todas as referencias ao texto remiten a ASME B31.1 a non ser que se indique o contrario.
Despois de seleccionar o código correcto, o deseñador do sistema tamén debe revisar os requisitos de deseño específicos do sistema. O parágrafo 122 (Parte 6) proporciona requisitos de deseño relacionados cos sistemas que se atopan habitualmente en aplicacións de tubaxes eléctricas, como vapor, auga de alimentación, purga e purga, tubaxes de instrumentación e sistemas de alivio de presión. así como varias limitacións xurisdiccionais delimitadas entre a propia caldeira, a tubaxe externa da caldeira e a tubaxe externa non a caldeira conectada á tubaxe da caldeira da Parte I da ASME.definición.A figura 2 mostra estas limitacións da caldeira de tambor.
O deseñador do sistema debe determinar a presión e a temperatura á que funcionará o sistema e as condicións que debe cumprir o sistema.
Segundo o parágrafo 101.2, a presión interna de deseño non debe ser inferior á presión de traballo continua máxima (MSOP) dentro do sistema de tubaxes, incluído o efecto da cabeza estática. As tubaxes sometidas a presión externa deseñaranse para a presión diferencial máxima esperada en condicións de funcionamento, parada ou proba. Ademais, hai que ter en conta os impactos ambientais. para soportar a presión externa ou tomaranse medidas para romper o baleiro.Nas situacións nas que a expansión do fluído pode aumentar a presión, os sistemas de tubaxes deben deseñarse para soportar o aumento da presión ou deben tomarse medidas para aliviar o exceso de presión.
A partir da Sección 101.3.2, a temperatura do metal para o deseño das tubaxes debe ser representativa das condicións máximas sostidas esperadas. Para simplificar, asúmese xeralmente que a temperatura do metal é igual á temperatura do fluído. Se o desexa, pódese usar a temperatura media do metal sempre que se coñeza a temperatura da parede exterior.
Moitas veces, os deseñadores engaden unha marxe de seguridade á presión e/ou temperatura máximas de traballo. O tamaño da marxe depende da aplicación. Tamén é importante ter en conta as limitacións do material á hora de determinar a temperatura de deseño. A especificación de altas temperaturas de deseño (superiores a 750 F) pode requirir o uso de materiais de aliaxe en lugar do aceiro ao carbono máis estándar. ata 800 F.A exposición prolongada do aceiro ao carbono a temperaturas superiores a 800 F pode facer que o tubo se carbonice, facéndoo máis fráxil e propenso a fallar. Se se opera por encima de 800 F, tamén se debe considerar o dano por fluencia acelerado asociado ao aceiro carbono. Consulte o parágrafo 124 para unha discusión completa dos límites de temperatura do material.
Ás veces, os enxeñeiros tamén poden especificar presións de proba para cada sistema. O parágrafo 137 ofrece orientación sobre as probas de tensión. Normalmente, as probas hidrostáticas especificaranse a 1,5 veces a presión de deseño;non obstante, os esforzos de aro e lonxitudinais na tubaxe non deben exceder o 90 % do límite de fluencia do material indicado no parágrafo 102.3.3 (B) durante a proba de presión. Para algúns sistemas de tubaxes externas que non sexan da caldeira, a proba de fugas en servizo pode ser un método máis práctico para comprobar as fugas debido ás dificultades para illar partes do sistema, ou simplemente porque a proba de fugas do sistema inicial permite a simple configuración do sistema de servizo.De acordo, isto é aceptable.
Unha vez que se establecen as condicións de deseño, pódese especificar a tubaxe. O primeiro que hai que decidir é que material usar. Como se mencionou anteriormente, os diferentes materiais teñen límites de temperatura diferentes. O parágrafo 105 prevé restricións adicionais sobre varios materiais de tubaxe. A selección de materiais tamén depende do fluído do sistema, como o uso de aliaxes de níquel en aplicacións de tubaxes químicas corrosivas, o uso de aceiro inoxidable para proporcionar un contido de aceiro limpo ou de cromo para evitar un fluxo de aire limpo ou de cromo. -corrosión acelerada. A corrosión acelerada por fluxo (FAC) é un fenómeno de erosión/corrosión que se demostrou que causa un adelgazamento grave de paredes e fallas de tuberías nalgúns dos sistemas de tubaxes máis críticos. A falla de considerar adecuadamente o adelgazamento dos compoñentes de fontanería pode e tivo consecuencias graves, como en 2007 cando se incendiaron gravemente dous traballadores nunha central eléctrica de KIA&L xurado un terceiro.
A ecuación 7 e a ecuación 9 do parágrafo 104.1.1 definen o espesor de parede mínimo necesario e a presión interna máxima de deseño, respectivamente, para tubos rectos sometidos a presión interna. As variables destas ecuacións inclúen a tensión máxima permitida (do apéndice A obrigatorio), o diámetro exterior da tubaxe, o factor de material (como se mostra na táboa 104.1.2), e calquera espesor adicional que se describe a continuación. especificar o material de tubaxe, o diámetro nominal e o grosor da parede axeitados pode ser un proceso iterativo que tamén pode incluír a velocidade do fluído, a caída de presión e os custos de tubaxe e bombeo. Independentemente da aplicación, debe verificarse o espesor mínimo de parede necesario.
Pódese engadir unha tolerancia de espesor adicional para compensar por varias razóns, incluíndo FAC. Poden esixirse tolerancias debido á eliminación de roscas, ranuras, etc. material necesario para facer unións mecánicas. Segundo o parágrafo 102.4.2, a tolerancia mínima será igual á profundidade da rosca máis a tolerancia de mecanizado. outras causas discutidas no parágrafo 102.4.4. Tamén se poden engadir tolerancias para ter en conta as unións soldadas (parágrafo 102.4.3) e os cóbados (parágrafo 102.4.5). .
O anexo IV opcional ofrece orientación sobre o control da corrosión. Os revestimentos protectores, a protección catódica e o illamento eléctrico (como as bridas illantes) son todos os métodos de prevención da corrosión externa das conducións enterradas ou mergulladas. Pódense usar inhibidores de corrosión ou revestimentos para evitar a corrosión interna.
É posible que o espesor ou o cronograma mínimo da parede do tubo requirido para os cálculos anteriores non sexa constante en todo o diámetro do tubo e pode requirir especificacións para diferentes programacións para diferentes diámetros. O calendario e os valores de espesor de parede adecuados defínense en ASME B36.10 Tubos de aceiro forxado soldados e sen costura.
Ao especificar o material da tubaxe e realizar os cálculos comentados anteriormente, é importante asegurarse de que os valores de tensión máximos permitidos utilizados nos cálculos coincidan co material especificado. Por exemplo, se o tubo de aceiro inoxidable A312 304L se especifica incorrectamente en lugar do tubo de aceiro inoxidable A312 304, o grosor da parede proporcionado pode ser insuficiente debido á diferenza significativa de dous materiais, como o método de fabricación máximo permitido. debe especificarse a tubaxe de forma adecuada.Por exemplo, se se utiliza o valor máximo de tensión permitido para o tubo sen costura para o cálculo, debe especificarse a tubaxe sen costura. En caso contrario, o fabricante/instalador pode ofrecer tubos soldados con costura, o que pode producir un grosor de parede insuficiente debido aos valores máximos de tensión permitidos máis baixos.
Por exemplo, supoñamos que a temperatura de deseño da canalización é de 300 F e a presión de deseño é de 1200 psig.
A continuación, determine os valores de tensión máximos permitidos para A53 grao B ás temperaturas de deseño anteriores a partir da táboa A-1. Teña en conta que o valor para tubos sen costura utilízase porque se especifica o tubo sen costura:
Tamén se debe engadir unha tolerancia de espesor. Para esta aplicación, asúmese unha tolerancia de corrosión. Para esta aplicación, engadirase unha tolerancia de fresado separada máis tarde.
3 polgadas. O tubo especificarase primeiro. Asumindo un tubo Schedule 40 e unha tolerancia de fresado do 12,5%, calcule a presión máxima:
A tubería Schedule 40 é satisfactoria para 3 polgadas. Tubo nas condicións de deseño especificadas anteriormente. A continuación, verifique 2 polgadas. A canalización utiliza os mesmos supostos:
2 polgadas. Baixo as condicións de deseño especificadas anteriormente, a canalización requirirá un grosor de parede máis groso que o anexo 40. Proba 2 polgadas. Tubos do programa 80:
Aínda que o grosor da parede das tubaxes adoita ser o factor limitante no deseño de presión, aínda é importante verificar que os accesorios, compoñentes e conexións utilizados sexan adecuados para as condicións de deseño especificadas.
Como regra xeral, de conformidade cos parágrafos 104.2, 104.7.1, 106 e 107, todas as válvulas, accesorios e outros compoñentes que conteñan presión fabricados segundo as normas indicadas na Táboa 126.1 consideraranse aptas para o seu uso en condicións normais de funcionamento ou por debaixo destas normas. que os especificados na ASME B31.1, aplicaranse os límites máis estritos.
Nas interseccións de tubos recoméndase, tes, transversais, cruces, unións soldadas por ramal, etc., fabricados segundo os estándares indicados na Táboa 126.1. Nalgúns casos, as interseccións de canalizacións poden requirir conexións de derivación únicas. O parágrafo 104.3.1 proporciona requisitos adicionais para as conexións de derivación para garantir que haxa material de tubaxe suficiente para soportar a presión.
Para simplificar o deseño, o deseñador pode optar por establecer as condicións de deseño máis altas para cumprir coa clasificación das bridas dunha determinada clase de presión (por exemplo, as clases ASME 150, 300, etc.) tal e como se definen na clase de presión-temperatura para materiais específicos especificados na ASME B16. deseños de compoñentes.
Unha parte importante do deseño das tubaxes é garantir que se manteña a integridade estrutural do sistema de tubaxes unha vez que se aplican os efectos da presión, a temperatura e as forzas externas. A integridade estrutural do sistema adoita pasarse por alto no proceso de deseño e, se non se fai ben, pode ser unha das partes máis caras do deseño. A integridade estrutural tratase principalmente en dous lugares. e Flexibilidade.
O parágrafo 104.8 enumera as fórmulas básicas de código utilizadas para determinar se un sistema de tubaxes supera os esforzos permitidos polo código. Estas ecuacións de código denomínanse comúnmente como cargas continuas, cargas ocasionais e cargas de desprazamento. A carga sostida é o efecto da presión e o peso nun sistema de tubaxes. non actuará sobre outras cargas incidentais ao mesmo tempo, polo que cada carga incidental será un caso de carga separado no momento da análise. As cargas de desprazamento son os efectos do crecemento térmico, o desprazamento do equipo durante a operación ou calquera outra carga de desprazamento.
O parágrafo 119 analiza como manexar a expansión e flexibilidade das tubaxes nos sistemas de tubaxes e como determinar as cargas de reacción. A flexibilidade dos sistemas de tubaxes adoita ser máis importante nas conexións dos equipos, xa que a maioría das conexións dos equipos só poden soportar a mínima cantidade de forza e momento aplicados no punto de conexión. Na maioría dos casos, o crecemento térmico do sistema de tubaxes ten o maior efecto sobre a carga de reacción no sistema, polo que é importante para controlar o crecemento do sistema.
Para acomodar a flexibilidade do sistema de tubaxes e garantir que o sistema estea ben apoiado, é unha boa práctica apoiar tubos de aceiro de acordo coa Táboa 121.5. Se un deseñador se esforza por cumprir o espazamento de apoio estándar para esta táboa, realiza tres cousas: minimiza a deflexión do propio peso, reduce as cargas sostidas e aumenta a tensión dispoñible para o desprazamento de acordo co deseñador. resulta en menos de 1/8 de polgada de desprazamento de peso propio ou afundimento entre os soportes do tubo. Minimizar a deflexión do propio peso axuda a reducir a posibilidade de condensación nos tubos que transportan vapor ou gas. Seguindo as recomendacións de espazamento da Táboa 121.5, tamén permite ao deseñador reducir a tensión sostida na tubaxe ata un 50 % aproximadamente. As cargas de desprazamento están inversamente relacionadas coas cargas sostidas. Polo tanto, minimizando a carga sostida, pódese maximizar a tolerancia á tensión de desprazamento. A separación recomendada para soportes de tubos móstrase na Figura 3.
Para garantir que as cargas de reacción do sistema de tuberías se consideran adecuadamente e que se cumpren as tensións do código, un método común é realizar unha análise de tensión de canalización do sistema asistida por ordenador. Hai varios paquetes de software de análise de tensión de canalización dispoñibles, como Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex ou un dos outros paquetes dispoñibles comercialmente. sistema para facilitar a verificación e a posibilidade de realizar os cambios necesarios na configuración. A figura 4 mostra un exemplo de modelado e análise dunha sección de canalización.
Ao deseñar un novo sistema, os deseñadores do sistema normalmente especifican que todas as tubaxes e compoñentes deben fabricarse, soldarse, montarse, etc. segundo o requira o código que se utilice. Non obstante, nalgunhas modificacións ou outras aplicacións, pode ser beneficioso que un enxeñeiro designado proporcione orientación sobre determinadas técnicas de fabricación, como se describe no capítulo V.
Un problema común que se atopa nas aplicacións de adaptación é o precalentamento da soldadura (parágrafo 131) e o tratamento térmico posterior á soldadura (parágrafo 132). Entre outros beneficios, estes tratamentos térmicos utilízanse para aliviar a tensión, evitar a fisuración e aumentar a resistencia da soldadura. indicado no apéndice A obrigatorio ten un número P asignado. Para o prequecemento, o parágrafo 131 proporciona a temperatura mínima á que debe quentar o metal base antes de que poida producirse a soldadura. Para o PWHT, a táboa 132 proporciona o intervalo de temperatura de retención e o período de tempo para manter a zona de soldadura. As taxas de quecemento e refrixeración, os métodos de medición de temperatura, as técnicas de quentamento e outros procedementos adversos deben seguir estrictamente as directrices do código. A área ded pode ocorrer debido á falla de tratamento térmico adecuado.
Outra área potencial de preocupación nos sistemas de tubaxes a presión son as curvas de tubos. Dobrar os tubos pode provocar un adelgazamento da parede, o que resulta nun espesor de parede insuficiente. Segundo o parágrafo 102.4.5, o código permite curvas sempre que o espesor mínimo de parede satisfaga a mesma fórmula utilizada para calcular o grosor mínimo de parede para tubos rectos. tolerancias de ducción para diferentes radios de curvatura. As curvas tamén poden requirir un tratamento térmico previo á curvatura e/ou posterior á curvatura. O parágrafo 129 proporciona orientacións sobre a fabricación de cóbados.
Para moitos sistemas de tubaxes a presión, é necesario instalar unha válvula de seguridade ou válvula de alivio para evitar a sobrepresión no sistema.Para estas aplicacións, o Apéndice II opcional: Regras de deseño de instalación de válvulas de seguridade é un recurso moi valioso pero ás veces pouco coñecido.
De acordo co parágrafo II-1.2, as válvulas de seguridade caracterízanse por unha acción emergente totalmente aberta para o servizo de gas ou vapor, mentres que as válvulas de seguridade abren en relación á presión estática augas arriba e úsanse principalmente para o servizo de líquidos.
As unidades de válvulas de seguridade caracterízanse por se son sistemas de descarga abertos ou pechados. Nun escape aberto, o cóbado da saída da válvula de seguridade normalmente esgotará ao tubo de escape á atmosfera. Normalmente, isto producirá unha contrapresión menor. Se se crea suficiente contrapresión no tubo de escape, unha parte do gas de escape pode ser expulsado ou retrofluído desde a entrada do tubo de escape. , a presión acumulada na saída da válvula de alivio debido á compresión de aire na liña de ventilación, pode provocar a propagación de ondas de presión.No parágrafo II-2.2.2, recoméndase que a presión de deseño da liña de descarga pechada sexa polo menos dúas veces maior que a presión de traballo en estado estacionario. As figuras 5 e 6 mostran a instalación da válvula de seguridade aberta e pechada, respectivamente.
As instalacións de válvulas de seguridade poden estar suxeitas a varias forzas, tal e como se resume no parágrafo II-2. Estas forzas inclúen efectos de expansión térmica, a interacción de varias válvulas de alivio con ventilación simultánea, efectos sísmicos e/ou vibracións e efectos de presión durante eventos de alivio da presión. Aínda que a presión de deseño ata a saída da válvula de seguridade debe coincidir coa presión de deseño da tubería de baixada, a configuración do sistema de descarga depende da presión de deseño e da configuración do sistema de seguridade. válvula.No parágrafo II-2.2 ofrécense ecuacións para determinar a presión e a velocidade no cóbado de descarga, a entrada do tubo de descarga e a saída do tubo de descarga para sistemas de descarga abertos e pechados. Usando esta información, pódense calcular e contabilizar as forzas de reacción en varios puntos do sistema de escape.
Un exemplo de problema para unha aplicación de descarga aberta ofrécese no parágrafo II-7. Existen outros métodos para calcular as características de fluxo nos sistemas de descarga de válvulas de alivio, e advírtese ao lector que verifique que o método utilizado é o suficientemente conservador. Un destes métodos é descrito por GS Liao en "Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis", publicado por ASME en outubro, Journal of Electrical Engineering.
A localización da válvula de seguridade debe manter unha distancia mínima de tubo recto desde calquera curva. Esta distancia mínima depende do servizo e da xeometría do sistema, tal e como se definen no parágrafo II-5.2.1. Para instalacións con varias válvulas de alivio, a separación recomendada para as conexións de derivación da válvula depende dos radios da derivación e das tubaxes de servizo, tal e como se indica na Nota (10)(c) do parágrafo II.-5. soportes de ping situados na descarga da válvula de alivio á tubaxe operativa en lugar da estrutura adxacente para minimizar os efectos da expansión térmica e as interaccións sísmicas. No parágrafo II-5 pódese atopar un resumo destas e outras consideracións de deseño no deseño de conxuntos de válvulas de seguridade.
Obviamente, non é posible cubrir todos os requisitos de deseño de ASME B31 no ámbito deste artigo.Pero calquera enxeñeiro designado implicado no deseño dun sistema de tubaxes a presión debería polo menos estar familiarizado con este código de deseño.Con sorte, coa información anterior, os lectores atoparán que ASME B31 é un recurso máis valioso e accesible.
Monte K. Engelkemier é o líder do proxecto en Stanley Consultants. Engelkemier é membro da Iowa Engineering Society, NSPE e ASME, e forma parte do Comité e do Subcomité do Código de Tuberías Eléctricas B31.1. Ten máis de 12 anos de experiencia práctica no deseño de sistemas de tuberías, deseño, avaliación de arriostramentos e análise de tensións. sistemas para unha variedade de clientes públicos, municipais, institucionais e industriais e é membro de ASME e da Iowa Engineering Society.
Tes experiencia e coñecementos sobre os temas tratados neste contido? Deberías considerar contribuír ao noso equipo editorial de CFE Media e obter o recoñecemento que ti e a túa empresa mereces. Fai clic aquí para comezar o proceso.