مشاوره و فروش
021-37163
لوله های استیل به دلیل استحکام مکانیکی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و دوام طولانی، در بسیاری از صنایع از جمله نفت و گاز، پتروشیمی، نیروگاه ها، صنایع غذایی و دارویی استفاده می شوند. یکی از مهم ترین معیارهای انتخاب این لوله ها، میزان تحمل فشار آن هاست. اما درک دقیق از مفهوم تحمل فشار، پارامترهای مؤثر بر آن و روش های محاسبه، برای طراحی و بهره برداری ایمن سیستم های تحت فشار حیاتی است.
قیمت فولاد آلیاژی نقش مهمی در انتخاب متریال مناسب برای ساخت لوله های تحت فشار دارد، زیرا ترکیب عناصر آلیاژی می تواند مستقیماً بر استحکام و مقاومت در برابر دما و خوردگی تأثیر بگذارد.
تعریف تحمل فشار و تفاوت آن با فشار کاری مجاز
تحمل فشار به معنای بیشترین میزان فشاری است که یک لوله می تواند بدون وقوع شکست یا تغییر شکل دائمی تحمل کند. در مقابل، فشار کاری مجاز (Working Pressure) فشار ایمنی است که سیستم می تواند به صورت پیوسته و در شرایط عادی کاری، بدون خطر آسیب، در آن عمل کند.
به بیان دیگر، تحمل فشار حد نهایی مقاومت مکانیکی لوله است، در حالی که فشار کاری مجاز با درنظرگرفتن ضرایب ایمنی، دما، متریال و استانداردهای طراحی تعیین می شود. این دو مفهوم اگرچه به هم وابسته اند، اما نباید یکی فرض شوند؛ چراکه فشار کاری همواره کمتر از تحمل فشار واقعی است تا ایمنی سیستم تضمین گردد.
به بیان دیگر، تحمل فشار حد نهایی مقاومت مکانیکی لوله است، در حالی که فشار کاری مجاز با درنظرگرفتن ضرایب ایمنی، دما، متریال و استانداردهای طراحی تعیین می شود. این دو مفهوم اگرچه به هم وابسته اند، اما نباید یکی فرض شوند؛ چراکه فشار کاری همواره کمتر از تحمل فشار واقعی است تا ایمنی سیستم تضمین گردد.
فشار طراحی، فشار کاری و فشار انفجاری
فشار طراحی (Design Pressure) بیشترین فشاری است که تجهیزات باید برای آن طراحی شوند. این مقدار معمولاً برابر با حداکثر فشار کاری سیستم به علاوه حاشیه ای از ایمنی است.
فشار انفجاری (Burst Pressure) در نقطه مقابل، بیشترین فشاری است که در آن جداره لوله از هم می پاشد یا گسیخته می شود.
رابطه بین این سه پارامتر به صورت تقریبی چنین است:
فشار انفجاری تقریباً چهار برابر فشار کاری مجاز است.
به همین دلیل استانداردها الزام می کنند طراحی ها براساس فشار کاری مجاز و با درنظرگرفتن ضرایب کاهش و خوردگی انجام شود، نه براساس فشار نهایی گسیختگی.
هنگام بررسی قیمت استیل باید علاوه بر هزینه اولیه، دوام، طول عمر و قابلیت تحمل فشار را نیز در نظر گرفت تا انتخاب نهایی از نظر اقتصادی و فنی توجیه پذیر باشد.
تحمل فشار لوله های استیل به مجموعه ای از عوامل بستگی دارد که مهم ترین آن ها عبارت اند از:
استانداردها و جداول مرجع
برای طراحی و ارزیابی فشار قابل تحمل لوله های استیل، از استانداردهای بین المللی متعددی استفاده می شود. مهم ترین آن ها در ادامه معرفی می شوند.
ASME B31.3، B31.1 و ASME BPVC
این استانداردها روش محاسبه فشار مجاز، انتخاب متریال، ضرایب ایمنی و آزمون های کنترل کیفیت را تعیین می کنند.
استانداردهای متریال مانند ASTM A312 و A213
مفهوم Schedule و ارتباط با ضخامت
واژه Schedule (SCH) در لوله ها بیانگر ضخامت جداره آن هاست. هر چه عدد Schedule بزرگ تر باشد، ضخامت دیواره و در نتیجه توان تحمل فشار بیشتر است.
برای مثال، لوله ۱ اینچ در Schedule 10 دارای ضخامت ۲.۷۷ میلی متر و در Schedule 40 حدود ۳.۳۸ میلی متر است. این اختلاف جزئی می تواند فشار مجاز را چندین برابر تغییر دهد.
افزایش قیمت ورق استیل می تواند بر هزینه تولید لوله های درزدار اثرگذار باشد، زیرا ضخامت و کیفیت ورق پایه، تعیین کننده مقاومت نهایی در برابر فشار است.
جنس و گریدهای رایج استنلس استیل
در صنایع مختلف از گریدهای گوناگون استیل استفاده می شود که هرکدام ویژگی ها و محدودیت های خاصی دارند.
304 و 304L
گرید 304 متداول ترین نوع فولاد زنگ نزن آستنیتی است و در دماهای معمولی تا حدود ۴۲۵ درجه سانتی گراد پایداری دارد. نسخه کم کربن آن یعنی 304L مقاومت به خوردگی بهتری در مناطق جوشکاری دارد، اما به دلیل کاهش مقدار کربن، استحکام و در نتیجه تحمل فشار آن کمی کمتر است.
316 و 316L
گرید 316 با افزودن مولیبدن نسبت به 304 مقاومت بسیار بالاتری در برابر کلراید و خوردگی موضعی دارد. در محیط های دریایی یا در تماس با آب شور، این گرید انتخاب اول است. نسخه کم کربن آن (316L) نیز برای جوشکاری مناسب تر است اما فشار قابل تحمل اندکی پایین تر دارد.
321، 310 و Duplex 2205
گرید 321 با افزودن تیتانیوم برای دماهای بالا طراحی شده و تا ۸۷۰ درجه سانتی گراد پایداری دارد.
310 نیز مقاومت حرارتی بسیار عالی داشته و برای کوره ها و سیستم های با دمای بالا استفاده می شود.
Duplex 2205 با ساختار دوگانه فریتی–آستنیتی، استحکام تسلیم دو برابر فولادهای آستنیتی دارد و در نتیجه تحمل فشار بسیار بالاتری ارائه می دهد.
در صنایع نفت، گاز و بخار، قیمت لوله استیل نه تنها تابع قطر و Schedule است، بلکه گرید آلیاژی و استانداردهای تولید نیز بر ارزش نهایی آن تأثیر مستقیم دارند.
افزایش دما باعث کاهش استحکام فلز و در نتیجه افت تنش مجاز می شود. این موضوع در طراحی لوله ها اهمیت زیادی دارد.
برای مثال، در فولاد ضدزنگ 304، تنش مجاز در دمای 100 درجه حدود 137 مگاپاسکال است، اما در 500 درجه به کمتر از 60 مگاپاسکال کاهش می یابد.
بنابراین در طراحی باید دمای کاری و ضرایب کاهش دما دقیقاً براساس استاندارد ASME تعیین شود.
نسبت قطر به ضخامت (D/t) تعیین کننده نوع تنش غالب در دیواره لوله است. هرچه این نسبت بیشتر باشد، لوله مستعدتر به تغییر شکل و ناپایداری خواهد بود.
تلرانس های ساخت و ضخامت واقعی در مقایسه با ضخامت نامی نیز باید در محاسبات لحاظ شوند، چراکه کاهش حتی چند دهم میلی متر می تواند فشار مجاز را به طور محسوسی کاهش دهد.
اتصالاتی نظیر زانویی ها، سه راهی ها و فلنج ها نیز نقاط تمرکز تنش هستند و فشار قابل تحمل سیستم را محدود می کنند.
یکی از متداول ترین روش ها برای برآورد فشار قابل تحمل لوله، استفاده از فرمول Barlow است:
که در آن:
البته این فرمول ساده سازی شده است و اثر عواملی مانند دما، خوردگی و جوش را در نظر نمی گیرد. برای طراحی دقیق، باید ضرایب ایمنی و استانداردهای ASME لحاظ شوند.
تنش مجاز و ضرایب ایمنی
تنش مجاز معمولاً کسری از تنش تسلیم یا کشش نهایی است. در طراحی های ASME این مقدار حدود یک چهارم تا یک سوم است.
به علاوه، برای جوش ها یا لوله های درزدار، ضریب جوش (Weld Efficiency) نیز لحاظ می شود که بین 0.6 تا 1 متغیر است.
خوردگی مجاز (Corrosion Allowance)
در محیط های خورنده، ضخامت اضافی برای جبران خوردگی در طول عمر لوله منظور می شود. این مقدار معمولاً بین 1 تا 3 میلی متر است.
برای مثال، اگر لوله ای از جنس 316L با قطر خارجی 33.4 میلی متر (1 اینچ) و ضخامت 3.38 میلی متر (Schedule 40) انتخاب شود و تنش مجاز آن در دمای کاری 100 درجه برابر 137 مگاپاسکال باشد،
با فرمول Barlow، فشار طراحی حدود 28 مگاپاسکال (معادل 280 بار) به دست می آید.
در طراحی واقعی این مقدار با ضرایب ایمنی و جوش کاهش یافته و فشار کاری نهایی در محدوده 70 تا 80 بار تعیین می شود.
انتخاب مناسب ترین گرید با توجه به قیمت میلگرد استیل برای ساخت اتصالات و فیتینگ ها، تضمین می کند که سیستم لوله کشی از نظر مکانیکی و اقتصادی در شرایط بهینه عمل کند.
خوردگی یکی از عوامل اصلی کاهش ضخامت مؤثر لوله و در نتیجه کاهش فشار قابل تحمل است.
سه نوع خوردگی مهم در لوله های استیل عبارت اند از:
برنامه های بازرسی دوره ای و اندازه گیری ضخامت با روش UT برای پایش سلامت لوله ها ضروری است.
آزمون ها و بازرسی ها
دو نوع آزمون اصلی برای بررسی تحمل فشار وجود دارد:
راهنمای انتخاب بر اساس کاربرد
سؤالات متداول
بسته به گرید، ضخامت و قطر، بین 50 تا 300 بار متغیر است. لوله 1 اینچ 316L Schedule 40 حدود 70 تا 80 بار فشار کاری مجاز دارد.
لوله های بدون درز (Seamless) از نظر مقاومت مکانیکی برترند.
با انتخاب ضخامت بیشتر (Schedule بالاتر)، کاهش دمای کاری، استفاده از گریدهای Duplex و کنترل خوردگی.
بله، تا حدود 425 درجه سانتی گراد قابل استفاده اند، اما برای دماهای بالاتر گرید 321 توصیه می شود.
روشا رشیدی هستم، فارغ‌التحصیل رشته ادبیات فارسی. حدود چهار ساله که به صورت حرفه‌ای تو حوزه تولید محتوا فعالیت می‌کنم. تو این مدت تونستم با تکیه بر علاقه و دانشم تو زمینه ادبیات و نویسندگی، متن‌های تاثیرگذار و هدفمندی برای نشریه‌ها، سایت‌ها و برندهای مختلف بنویسم. همیشه سعی کردم نیاز مخاطب رو خوب بشناسم و محتوایی تولید کنم که هم ارزشمند باشه، هم بتونه به هدف پروژه کمک کنه. تخصصم بیشتر تو نوشتن محتوای وب، مقاله‌های تخصصی، داستان‌نویسی و مدیریت محتوای شبکه‌های اجتماعیه. سعی می‌کنم با خلاقیت، دقت و به‌روز بودن، چیزی خلق کنم که تو ذهن مخاطب موندگار بشه.