При проектировании системы трубопроводов под давлением назначающий инженер часто указывает, что трубопровод системы должен соответствовать одной или нескольким частям норм ASME B31 для трубопроводов под давлением. Как инженеры должным образом соблюдают требования правил при проектировании систем трубопроводов?
Во-первых, инженер должен определить, какая проектная спецификация должна быть выбрана. Для систем напорных трубопроводов это не обязательно ограничивается ASME B31. Другие нормы, выпущенные ASME, ANSI, NFPA или другими руководящими организациями, могут регулироваться местоположением проекта, применением и т. д. В ASME B31 в настоящее время действует семь отдельных разделов.
ASME B31.1 Электрические трубопроводы: этот раздел охватывает трубопроводы на электростанциях, промышленных и институциональных объектах, геотермальных системах отопления, а также центральных и централизованных системах отопления и охлаждения. Сюда входят внешние и некотловые внешние трубопроводы, используемые для установки котлов ASME Раздел I. Этот раздел не применяется к оборудованию, подпадающему под действие Кодекса ASME по котлам и сосудам под давлением, некоторым распределительным трубопроводам отопления и охлаждения низкого давления, а также различным другим системам, описанным в параграфе 100.1.3 ASME B31.1. Истоки ASME B31.1 восходят к 1920-м годам, когда первое официальное издание было опубликовано в 1935 году. Обратите внимание, что первое издание, включая приложения, состояло менее чем из 30 страниц, а текущее издание превышает 300 страниц.
ASME B31.3 Технологические трубопроводы: в этом разделе рассматриваются трубопроводы на нефтеперерабатывающих заводах;химические, фармацевтические, текстильные, бумажные, полупроводниковые и криогенные установки;и связанные с ними перерабатывающие предприятия и терминалы. Этот раздел очень похож на ASME B31.1, особенно при расчете минимальной толщины стенки для прямой трубы. Первоначально этот раздел был частью B31.1 и впервые был выпущен отдельно в 1959 году.
ASME B31.4 Трубопроводные транспортные системы для жидкостей и суспензий. В этом разделе рассматриваются трубопроводы, по которым в основном транспортируются жидкие продукты между заводами и терминалами, а также внутри терминалов, насосные станции, станции кондиционирования и дозирования. Первоначально этот раздел был частью B31.1 и впервые был выпущен отдельно в 1959 году.
ASME B31.5 Холодильные трубопроводы и компоненты теплопередачи: в этом разделе рассматриваются трубопроводы для хладагентов и вторичных хладагентов. Первоначально эта часть была частью B31.1 и впервые была выпущена отдельно в 1962 году.
ASME B31.8 Трубопроводные системы передачи и распределения газа: Сюда входят трубопроводы для транспортировки в основном газообразных продуктов между источниками и терминалами, включая компрессоры, станции кондиционирования и измерения;и трубопровод для сбора газа. Этот раздел изначально был частью B31.1 и впервые был выпущен отдельно в 1955 году.
ASME B31.9 Трубопроводы для инженерных сетей: в этом разделе рассматриваются трубопроводы, которые обычно используются в промышленных, институциональных, коммерческих и общественных зданиях;и многоквартирные дома, для которых не требуются диапазоны размеров, давления и температуры, указанные в ASME B31.1. Этот раздел аналогичен ASME B31.1 и B31.3, но менее консервативен (особенно при расчете минимальной толщины стен) и содержит меньше деталей. Он ограничен применениями с низким давлением и низкой температурой, как указано в ASME B31.9, параграф 900.1.2.
ASME B31.12 Трубопроводы и трубопроводы для водорода. В этом разделе рассматриваются трубопроводы для работы с газообразным и жидким водородом, а также трубопроводы для работы с газообразным водородом. Впервые этот раздел был опубликован в 2008 году.
Какой проектный код следует использовать, в конечном счете, зависит от владельца. Во введении к ASME B31 говорится: «Владелец несет ответственность за выбор раздела кода, который наиболее точно соответствует предлагаемой установке трубопровода».В некоторых случаях «несколько разделов кода могут применяться к разным разделам установки».
Издание ASME B31.1 2012 г. будет служить в качестве основного справочного материала для последующих обсуждений. Цель этой статьи — направить проектирующего инженера через некоторые основные этапы проектирования системы напорного трубопровода, совместимой с ASME B31. Следование рекомендациям ASME B31.1 дает хорошее представление об общей конструкции системы. Аналогичные методы проектирования используются, если соблюдается ASME B31.3 или B31.9. , в первую очередь для конкретных систем или приложений, и не будет обсуждаться далее. Хотя здесь будут выделены ключевые этапы процесса проектирования, это обсуждение не является исчерпывающим, и при проектировании системы всегда следует ссылаться на полный код. Все ссылки на текст относятся к ASME B31.1, если не указано иное.
После выбора правильного кода разработчик системы также должен рассмотреть все требования к проектированию конкретной системы. Параграф 122 (часть 6) содержит требования к проектированию, относящиеся к системам, обычно используемым в электрических трубопроводах, таких как пар, питательная вода, продувка и продувка, трубопроводы КИПиА и системы сброса давления. ASME B31.3 содержит параграфы, аналогичные ASME B31.1, но с меньшими подробностями. проложен между самим котлом, внешним трубопроводом котла и внешним трубопроводом, не относящимся к котлу, соединенным с трубопроводом котла части I ASME.определение. На рис. 2 показаны эти ограничения барабанного котла.
Разработчик системы должен определить давление и температуру, при которых система будет работать, а также условия, которым система должна удовлетворять.
В соответствии с параграфом 101.2 внутреннее расчетное давление не должно быть меньше максимального непрерывного рабочего давления (MSOP) в системе трубопроводов, включая влияние статического напора. Трубопроводы, подвергающиеся внешнему давлению, должны быть рассчитаны на максимальный перепад давления, ожидаемый в условиях эксплуатации, останова или испытаний. Кроме того, необходимо учитывать воздействие на окружающую среду. Для нарушения вакуума. В ситуациях, когда расширение жидкости может привести к увеличению давления, системы трубопроводов должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать повышенное давление, или должны быть приняты меры для сброса избыточного давления.
Начиная с Раздела 101.3.2, температура металла при проектировании трубопровода должна отражать ожидаемые максимальные устойчивые условия. Для простоты обычно предполагается, что температура металла равна температуре жидкости. При желании можно использовать среднюю температуру металла, если известна температура внешней стенки. Особое внимание следует также уделять жидкостям, проходящим через теплообменники или из оборудования для сжигания, чтобы обеспечить учет наихудших температурных условий.
Часто проектировщики добавляют запас прочности к максимальному рабочему давлению и/или температуре. Размер запаса зависит от приложения. Также важно учитывать ограничения по материалам при определении расчетной температуры. Указание высоких расчетных температур (более 750 F) может потребовать использования легированных материалов, а не более стандартной углеродистой стали. Значения напряжения в Обязательном приложении A приведены только для допустимых температур для каждого материала. температура выше 800 F может привести к науглероживанию трубы, что сделает ее более хрупкой и склонной к выходу из строя. При эксплуатации при температуре выше 800 F следует также учитывать ускоренное повреждение ползучести, связанное с углеродистой сталью. Полное обсуждение температурных пределов материала см. в параграфе 124.
Иногда инженеры также могут указать испытательное давление для каждой системы. В параграфе 137 приведены рекомендации по стресс-тестированию. Обычно гидростатические испытания проводятся при 1,5-кратном расчетном давлении;тем не менее, кольцевые и продольные напряжения в трубопроводе не должны превышать 90 % предела текучести материала, указанного в параграфе 102.3.3 (B) во время испытания под давлением. Для некоторых внешних систем трубопроводов, не связанных с котлами, испытание на герметичность в процессе эксплуатации может быть более практичным методом проверки на наличие утечек из-за трудностей с изоляцией частей системы или просто потому, что конфигурация системы позволяет проводить простые испытания на герметичность при вводе в эксплуатацию.Согласитесь, это приемлемо.
После определения проектных условий можно указать трубопровод. Первое, что нужно решить, это какой материал использовать. Как упоминалось ранее, разные материалы имеют разные температурные пределы. В параграфе 105 приведены дополнительные ограничения для различных материалов трубопровода. Выбор материала также зависит от жидкости в системе, например, использование никелевых сплавов в агрессивных химических трубопроводах, использование нержавеющей стали для подачи чистого приборного воздуха или использование углеродистой стали с высоким содержанием хрома (более 0,1%) для предотвращения коррозии, ускоряемой потоком. Коррозия, ускоренная потоком (FAC), представляет собой явление эрозии/коррозии, которое, как было показано, вызывает сильное утончение стенок и выход из строя труб в некоторых наиболее важных трубопроводных системах. Отсутствие надлежащего учета утончения компонентов водопровода может привести к серьезным последствиям и иметь серьезные последствия, например, в 2007 г., когда труба пароохладителя на электростанции IATAN компании KCP&L лопнула, в результате чего двое рабочих погибли, а третий серьезно ранен.
Уравнение 7 и уравнение 9 в параграфе 104.1.1 определяют минимальную требуемую толщину стенки и максимальное внутреннее расчетное давление, соответственно, для прямой трубы, подверженной внутреннему давлению. Переменные в этих уравнениях включают максимально допустимое напряжение (из Обязательного приложения A), внешний диаметр трубы, коэффициент материала (как показано в таблице 104.1.2 (A)) и любые дополнительные допуски по толщине (как описано ниже). может быть итеративным процессом, который также может включать скорость жидкости, падение давления и затраты на трубопроводы и насосы. Независимо от применения необходимо проверить минимальную требуемую толщину стенки.
Допуски по толщине могут быть добавлены для компенсации по различным причинам, включая FAC. Допуски могут потребоваться из-за удаления резьбы, пазов и т. д. материала, необходимого для изготовления механических соединений. Согласно параграфу 102.4.2, минимальный допуск должен быть равен глубине резьбы плюс допуск на механическую обработку. Допуск также может потребоваться для обеспечения дополнительной прочности для предотвращения повреждения трубы, разрушения, чрезмерного провисания или коробления из-за наложенных нагрузок или других причин, описанных в параграфе 102.4.4. s также может быть добавлен для учета сварных соединений (пункт 102.4.3) и колен (пункт 102.4.5). Наконец, допуски могут быть добавлены для компенсации коррозии и/или эрозии. Толщина этого припуска определяется проектировщиком и должна соответствовать ожидаемому сроку службы трубопровода в соответствии с пунктом 102.4.1.
Необязательное Приложение IV содержит руководство по контролю коррозии. Защитные покрытия, катодная защита и электрическая изоляция (например, изолирующие фланцы) — все это методы предотвращения внешней коррозии подземных или подводных трубопроводов. Для предотвращения внутренней коррозии можно использовать ингибиторы коррозии или вкладыши.
Минимальная толщина стенки трубы или график, необходимые для предыдущих расчетов, могут не быть постоянными по диаметру трубы и могут потребовать спецификации для разных графиков для разных диаметров. Соответствующие значения графика и толщины стенки определены в ASME B36.10 Сварные и бесшовные кованые стальные трубы.
При указании материала трубы и выполнении расчетов, рассмотренных ранее, важно убедиться, что максимально допустимые значения напряжения, использованные в расчетах, соответствуют указанному материалу. Например, если неправильно указана труба из нержавеющей стали A312 304L вместо трубы из нержавеющей стали A312 304, предоставленная толщина стенки может быть недостаточной из-за значительной разницы в максимально допустимых значениях напряжения между двумя материалами. Для расчета используется значение для бесшовной трубы, необходимо указать бесшовную трубу. В противном случае изготовитель/установщик может предложить шовно-сварную трубу, что может привести к недостаточной толщине стенки из-за более низких значений максимально допустимых напряжений.
Например, предположим, что расчетная температура трубопровода составляет 300 F, а расчетное давление составляет 1200 фунтов на кв. дюйм изб. 2″ и 3″. Будет использоваться проволока из углеродистой стали (бесшовная A53, класс B). Определите соответствующий план трубопровода, который необходимо указать в соответствии с требованиями ASME B31.1, уравнение 9. Во-первых, поясняются расчетные условия:
Затем определите максимально допустимые значения напряжения для A53 класса B при вышеуказанных расчетных температурах из Таблицы A-1. Обратите внимание, что значение для бесшовной трубы используется, поскольку указано бесшовная труба:
Допуск на толщину также должен быть добавлен. Для этого применения используется допуск 1/16 дюйма. Предполагается допуск на коррозию. Отдельный допуск на фрезерование будет добавлен позже.
3 дюйма. Сначала будет указана труба. Предполагая, что труба сортамента 40 и допуск на фрезерование 12,5%, рассчитайте максимальное давление:
Труба сортамента 40 подходит для трубы диаметром 3 дюйма в расчетных условиях, указанных выше. Затем проверьте 2 дюйма. Для трубопровода используются те же предположения:
2 дюйма. При проектных условиях, указанных выше, для трубопровода потребуется более толстая стенка, чем у трубы сортамента 40. Попробуйте 2 дюйма. Трубы сортамента 80:
Хотя толщина стенки трубы часто является ограничивающим фактором при расчете давления, все же важно убедиться, что используемые фитинги, компоненты и соединения подходят для указанных расчетных условий.
Как правило, в соответствии с параграфами 104.2, 104.7.1, 106 и 107, все клапаны, фитинги и другие компоненты, работающие под давлением, изготовленные в соответствии со стандартами, перечисленными в таблице 126.1, считаются подходящими для использования в нормальных условиях эксплуатации или ниже тех стандартов номинальных значений давления и температуры, которые указаны в . применяются ограничения.
В местах пересечения труб рекомендуются тройники, поперечины, крестовины, сварные соединения ответвлений и т. д., изготовленные в соответствии со стандартами, указанными в таблице 126.1. В некоторых случаях для пересечения трубопроводов могут потребоваться уникальные соединения ответвлений. В пункте 104.3.1 приведены дополнительные требования к соединениям ответвлений, чтобы обеспечить достаточное количество материала трубопровода, чтобы выдерживать давление.
Для упрощения конструкции проектировщик может выбрать более высокие расчетные условия, чтобы соответствовать номинальному значению фланца определенного класса давления (например, ASME класс 150, 300 и т. д.), как определено классом давление-температура для конкретных материалов, указанным в ASME B16.5 Фланцы труб и фланцевые соединения или аналогичные стандарты, перечисленные в таблице 126.1. Это допустимо, если это не приводит к ненужному увеличению толщины стенки или других конструкций компонентов.
Важной частью проектирования трубопроводов является обеспечение сохранения структурной целостности трубопроводной системы после воздействия давления, температуры и внешних сил. Конструктивная целостность системы часто упускается из виду в процессе проектирования и, если она не выполнена должным образом, может стать одной из наиболее дорогостоящих частей проекта.
В параграфе 104.8 перечислены основные формулы норм, используемые для определения того, превышает ли трубопроводная система напряжения, допустимые по нормам. Эти кодовые уравнения обычно называют постоянными нагрузками, случайными нагрузками и нагрузками смещения. Длительная нагрузка представляет собой влияние давления и веса на трубопроводную систему. случайная нагрузка будет отдельным загружением во время анализа. Нагрузки смещения - это эффекты теплового расширения, смещения оборудования во время работы или любой другой нагрузки смещения.
В параграфе 119 обсуждается, как справиться с расширением и гибкостью труб в системах трубопроводов и как определить реактивные нагрузки. Гибкость систем трубопроводов часто наиболее важна в местах соединений оборудования, так как большинство соединений оборудования могут выдерживать только минимальное усилие и момент, приложенные в точке соединения. В большинстве случаев тепловое расширение трубопроводной системы оказывает наибольшее влияние на реактивную нагрузку, поэтому важно соответствующим образом контролировать тепловое расширение в системе.
Для обеспечения гибкости трубопроводной системы и обеспечения надлежащей поддержки системы рекомендуется поддерживать стальные трубы в соответствии с таблицей 121.5. Если проектировщик стремится соблюдать стандартное расстояние между опорами для этой таблицы, он достигает трех целей: сводит к минимуму отклонение от собственного веса, снижает длительные нагрузки и увеличивает доступное напряжение для смещающих нагрузок. .между трубными опорами. Сведение к минимуму отклонения собственного веса помогает уменьшить вероятность образования конденсата в трубах, несущих пар или газ. Соблюдение рекомендаций по расстоянию в таблице 121.5 также позволяет проектировщику уменьшить длительное напряжение в трубопроводе примерно до 50% непрерывного допустимого значения, установленного нормами. допуск может быть максимальным. Рекомендуемое расстояние для трубных опор показано на рис. 3.
Чтобы гарантировать, что реактивные нагрузки трубопроводной системы должным образом учтены и что нормированные напряжения соблюдены, распространенным методом является выполнение компьютерного анализа напряжения трубопровода в системе. Существует несколько различных пакетов программного обеспечения для анализа напряжения трубопровода, таких как Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex или один из других коммерчески доступных пакетов. внести необходимые изменения в конфигурацию. На рис. 4 показан пример моделирования и анализа участка трубопровода.
При проектировании новой системы проектировщики системы обычно указывают, что все трубопроводы и компоненты должны быть изготовлены, сварены, собраны и т. д. в соответствии с требованиями любого используемого кода. Однако при некоторых модификациях или других применениях назначенному инженеру может быть полезно дать рекомендации по определенным технологиям производства, как описано в главе V.
Распространенной проблемой, возникающей при модернизации, является предварительный подогрев сварного шва (параграф 131) и термообработка после сварки (параграф 132). Помимо других преимуществ, эта термообработка используется для снятия напряжения, предотвращения растрескивания и повышения прочности сварного шва. Элементы, которые влияют на требования к термообработке перед сваркой и после сварки, включают, помимо прочего, следующее: группировка номеров P, химический состав материала и толщина материала в свариваемом соединении. Каждому материалу, указанному в Обязательном приложении A, присвоено значение P. Для предварительного нагрева в параграфе 131 указана минимальная температура, до которой должен быть нагрет основной металл, прежде чем можно будет приступить к сварке. Для PWHT в таблице 132 указан диапазон температур выдержки и продолжительность выдержки в зоне сварки. Скорости нагрева и охлаждения, методы измерения температуры, методы нагрева и другие процедуры должны строго соответствовать рекомендациям, изложенным в нормах.
Еще одной потенциальной проблемой в системах трубопроводов под давлением являются изгибы труб. Изгиб труб может привести к утончению стенки, что приведет к недостаточной толщине стенки. Согласно параграфу 102.4.5, нормы допускают изгибы, если минимальная толщина стенки удовлетворяет той же формуле, которая используется для расчета минимальной толщины стенки для прямой трубы. требуют предварительной гибки и/или термической обработки после гибки. В пункте 129 приведены рекомендации по изготовлению отводов.
Для многих систем напорных трубопроводов необходимо установить предохранительный клапан или предохранительный клапан для предотвращения избыточного давления в системе. Для этих применений дополнительное Приложение II: Правила проектирования установки предохранительного клапана является очень ценным, но иногда малоизвестным ресурсом.
В соответствии с параграфом II-1.2 предохранительные клапаны характеризуются полностью открытым всплывающим действием для работы с газом или паром, в то время как предохранительные клапаны открываются в зависимости от статического давления на входе и используются в основном для работы с жидкостью.
Блоки предохранительных клапанов характеризуются тем, являются ли они открытыми или закрытыми выпускными системами. В открытом выпуске колено на выходе предохранительного клапана обычно выбрасывается в выхлопную трубу в атмосферу. Как правило, это приводит к меньшему противодавлению. сжатие в вентиляционной линии, потенциально вызывающее распространение волн давления. В параграфе II-2.2.2 рекомендуется, чтобы расчетное давление закрытой нагнетательной линии было по крайней мере в два раза выше, чем установившееся рабочее давление. На рисунках 5 и 6 показана установка предохранительного клапана в открытом и закрытом состоянии, соответственно.
Установки предохранительных клапанов могут подвергаться воздействию различных сил, кратко изложенных в параграфе II-2. Эти силы включают эффекты теплового расширения, взаимодействие нескольких предохранительных клапанов, сбрасывающих воздух одновременно, сейсмические и/или вибрационные эффекты, а также эффекты давления во время событий сброса давления. Хотя расчетное давление до выхода предохранительного клапана должно соответствовать расчетному давлению в нижней трубе, расчетное давление в системе нагнетания зависит от конфигурации системы нагнетания и характеристик предохранительного клапана. Уравнения для определения давления и скорости на нагнетательном колене приведены в параграфе II-2.2. , вход нагнетательной трубы и выход нагнетательной трубы для открытых и закрытых систем нагнетания. Используя эту информацию, можно рассчитать и учесть силы реакции в различных точках выхлопной системы.
В параграфе II-7 приводится пример проблемы для открытого нагнетания. Существуют и другие методы расчета характеристик потока в системах нагнетания с предохранительными клапанами, и читателю следует убедиться, что используемый метод достаточно консервативен. Один из таких методов описан Г.С. Ляо в «Анализ выхлопной группы клапана сброса давления и безопасности электростанции», опубликованном ASME в Journal of Electrical Engineering, октябрь 1975 г.
Расположение предохранительного клапана должно обеспечивать минимальное расстояние прямой трубы от любого изгиба. Это минимальное расстояние зависит от эксплуатации и геометрии системы, как определено в параграфе II-5.2.1. Для установок с несколькими предохранительными клапанами рекомендуемое расстояние для соединений ответвления клапана зависит от радиусов ответвления и сервисного трубопровода, как показано в примечании (10)(c) Таблицы D-1. трубопровода, а не прилегающей конструкции, чтобы свести к минимуму эффекты теплового расширения и сейсмических взаимодействий. Краткое изложение этих и других проектных соображений при проектировании узлов предохранительных клапанов можно найти в параграфе II-5.
Очевидно, что невозможно охватить все проектные требования ASME B31 в рамках этой статьи. Но любой назначенный инженер, занимающийся проектированием системы напорных трубопроводов, должен, по крайней мере, быть знаком с этим проектным кодом. Надеемся, что с приведенной выше информацией читатели сочтут ASME B31 более ценным и доступным ресурсом.
Монте К. Энгелькемир является руководителем проекта в Stanley Consultants. Энгелькемир является членом Инженерного общества Айовы, NSPE и ASME, а также входит в комитет и подкомитет B31.1 по нормам и правилам электрических трубопроводов. Он имеет более 12 лет практического опыта в компоновке трубопроводных систем, проектировании, оценке креплений и анализе напряжений. Мэтт Уилки является инженером-механиком в Stanley Consultants. для различных коммунальных, муниципальных, институциональных и промышленных клиентов и является членом ASME и Инженерного общества Айовы.
Есть ли у вас опыт и знания по темам, затронутым в этом материале? Вам следует подумать о том, чтобы внести свой вклад в нашу редакционную группу CFE Media и получить признание, которого заслуживаете вы и ваша компания. Нажмите здесь, чтобы начать процесс.