حلقه انبساط در پایپینگ یکی از مؤثرترین راه‌ها برای افزایش انعطاف‌پذیری در برابر تنش حرارتی سیستم لوله‌کشی صنعتی است. حلقه انبساط در لوله‌کشی تاسیسات و خطوط لوله به لوپ در پایپینگ نیز مشهور است. تنش سیستم لوله‌کشی به دلیل انبساط یا انقباض در خطوط لوله ایجاد می‌شود؛ با استفاده از حلقه انبساط می‌توانید استرس لوله‌کشی را خنثی کنید.
لوپ چیست؟
حلقه انبساط یا لوپ در پایپینگ به قطعه‌ای خمیده با بازوهای عمودی اطلاق می‌شود که در بخش‌هایی از مسیر اصلی سیستم لوله‌کشی نصب می‌شوند. بر اساس استانداردهای لوله ASME حلقه‌های انبساط یا اتصالات انبساط متداول‌ترین ابزار در لوله‌کشی صنعتی و پایپینگ برای جذب انبساط حرارتی لوله هستند. حلقه انبساط در پایپینگ دارای عملکردی ایمن و مطلوب برای رویارویی با بارهای پیچیده‌‌ای است که بر سیستم اِعمال می‌شود.
در این بخش از دانستنی‌های آهن نرخ به آشنایی بیشتر با حلقه انبساط یا لوپ در پایپینگ خواهیم پرداخت. اما پیش از آن؛ نگاهی کوتاه به انبساط حرارتی و چگونگی وقوع آن در سیستم لوله‌کشی و نحوه محاسبه تنش لوله خواهیم داشت.
در این مقاله می‌خوانید:
- چه عواملی باعث ایجاد انبساط حرارتی در پایپینگ می‌شوند؟
- نحوه محاسبه انبساط حرارتی در لوله برای هماهنگی با حلقه انبساط در پایپینگ
- مقایسه حلقه انبساط ۳ بعدی در مقابل حلقه انبساط ۲ بعدی در پایپینگ
- ملاحظات طراحی برای استفاده از انواع حلقه انبساط در پایپینگ
- محاسبه حداقل طول موردنیاز حلقه انبساط در سیستم لوله‌کشی
- مزیت اتصالات انبساط نسبت به حلقه‌های انبساط در سیستم‌های لوله‌کشی صنعتی
چه عواملی باعث ایجاد انبساط حرارتی در پایپینگ می‌شوند؟
تغییر دما عامل اصلی در تغییر شکل، تغییر حجم و یا جابه‌جایی موقعیت مکانی لوله در پایپینگ و سیستم لوله‌کشی صنعتی و تاسیسات است. به‌طورکلی هنگام گرم و سردشدن سیستم لوله‌کشی با استرس لوله روبرو می‌شویم. انبساط حرارتی در پایپینگ به علت افزایش انرژی جنبشی در دمای بالاتر است که به دلیل ساختار مولکولی مواد لوله اتفاق می‌افتد.
نرخ انبساط حرارتی و تعیین حلقه انبساط در سیستم لوله‌کشی عمدتاً به سه عامل بستگی دارد:
مواد مختلف با سرعت‌های متفاوتی منبسط یا منقبض می‌شوند، بنابراین لوله‌های فولادی و لوله‌های آلیاژی بسته به درصد مواد، ضریب انبساط متفاوتی خواهند داشت.
انبساط حرارتی در لوله‌های فولاد کربنی و لوله‌های آلیاژی چگونه است؟
یک لوله فولادی کربنی که از دمای محیط؛ به‌عنوان نمونه ۲۱ درجه سانتی‌گراد تا حدود ۱۴۹ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود، به‌ازای هر ۳۰.۴۸ متر طول، ۴.۸۲۶ سانتی‌متر رشد می‌کند.
یک لوله فولادی ضد‌زنگ با همان تغییر دما به‌ازای هر ۳۰.۴۸ متر طول، ۶.۳۵ سانتی‌متر رشد می‌کند.
به‌این‌ترتیب لازم است برای هماهنگی حلقه انبساط در پایپینگ میزان انبساط لوله بر روی هر نوع لوله در حال نصب جداگانه محاسبه شود.
- طول لوله
طول لوله در سیستم لوله‌کشی و پایپینگ خصوصاً در خطوط لوله انتقال بر روی نوع و تعداد حلقه انبساط تأثیرگذار است.
هر چه طول لوله بیشتر باشد، احتمال تغییر شکل و موقعیت هنگام تنش لوله بیشتر می‌شود؛ چرا که انبساط یا انقباض بیشتری در لوله‌ها رخ می‌دهد.
- دمای حداقل و حداکثر
در هر سیستم لوله‌کشی یا پایپینگ محدوده دمایی که لوله در معرض آن قرار می‌گیرد مهم است و برای استفاده از حلقه انبساط محاسبه می‌گردد.
به‌عبارت‌دیگر تفاوت دمای خط لوله در شرایط عدم فعالیت، آغاز به کار سیستم و در حین عملکرد در استرس لوله و چگونگی استفاده از حلقه انبساط مؤثر هستند.
برای اطلاعات بیشتر درمورد پیامدها و چگونگی انبساط حرارتی می‌توانید به دانستنی‌های پایپینگ – تحلیل استرس لوله Pipe Stress Analysis مراجعه کنید.
نحوه محاسبه انبساط حرارتی در لوله برای هماهنگی با حلقه انبساط در پایپینگ
برای انعطاف‌پذیری کافی سیستم لوله‌کشی و پایپینگ مهندس طراحی لوله‌کشی ضریب انبساط و تغییرات طول ΔL لوله در شرایط عملیاتی را محاسبه می‌کند. فرمول محاسبه تغییر طول لوله برای تعیین حلقه انبساط به شکل زیر است:
ΔL = α×L× ΔT
α = ضریب انبساط حرارتی بین ۶ تا ۱۰ میلی‌متر بر درجه سانتی‌گراد
L = طول اصلی لوله برحسب میلی‌متر
ΔT = T2-T1 تغییر دما بر اساس درجه سانتی‌گراد
انواع حلقه انبساط در پایپینگ
حلقه انبساط Expansion Loop بنا به موقعیت قرارگرفتن در سیستم لوله‌کشی یا پایپینگ می‌تواند به لحاظ فرم و اندازه متفاوت باشد. حلقه انبساط حرارتی یا اکسپنشن لوپ از نظر موقعیتهای گسترش در بین لنگرها یا تکیه‌گاه‌های ثابت می‌تواند متقارن یا نامتقارن باشد. نوع حلقه انبساط متقارن در پایپینگ مؤثرتر است؛ زیرا تنش را به طور مساوی از هر دو طرف کاهش می‌دهد. بااین‌حال، حلقه انبساط نامتقارن نیز معمولاً در سیستم لوله‌کشی بنا به محدودیت فضای در دسترس استفاده می‌شود. حلقه انبساط نامتقارن همچنین برای مسیرهای سخت لوله‌کشی و یا تنظیم فواصل سایر حلقه‌های انبساط در پایپینگ کاربرد دارد.
مقایسه حلقه انبساط ۳ بعدی در مقابل حلقه انبساط ۲ بعدی در پایپینگ
در کارخانه‌های فرایندی و سیستم لوله‌کشی صنعتی پیچیده، حلقه انبساط سه‌بعدی ترجیح دارد؛ زیرا از تداخل با لوله‌ها در مسیر لوله‌کشی پیشگیری می‌کند. با استفاده از حلقه انبساط ۳ بعدی می‌توانید خطوط دیگر و طراحی اولیه خط لوله را برای مسیریابی مختل نکنید. در حلقه انبساط سه‌بعدی ارتفاع بازوی بالارونده به کاربردهای خاص بستگی دارد. تنظیم فواصل و ارتفاع از سطوح لوله‌های دیگر برای هر پروژه متفاوت است. بازوهای عمودی در حلقه انبساط سه‌بعدی بسیار کاربردی هستند و سطح تنش کلی در آرنج‌ها را کاهش می‌دهند و طراحی پایپینگ را ساده می‌کنند. درعین‌حال حلقه انبساط دوبعدی اثر بهتری در انعطاف‌پذیری خطوط لوله و سیستم لوله‌کشی دارد.
حلقه انبساط سه‌بعدی به انعطاف‌پذیری خط اصلی لوله در پایپینگ کمک نمی‌کند؛ زیرا موقعیت مرکز ثقل را نسبت به خط پایه تغییر نمی‌دهد. نکته قابل‌توجه در مورد انواع حلقه انبساط در پایپینگ محدودیت برخی از سیستم‌های لوله‌کشی برای استفاده از حلقه انبساط ۳ بعدی است. مزیت قابل‌توجه حلقه انبساط ۲ بعدی این است که در موارد لزوم می‌توانید از اتصال انبساط در سیستم لوله‌کشی به‌صورت جایگزین استفاده کنید. اتصال انبساط در سیستم لوله‌کشی به چند دلیل نصب می‌شود و از آن‌ها می‌توانید برای جذب لرزش و شوک استفاده نمایید. همچنین اتصال انبساط برای کاهش استرس لنگر، کاهش صدا و جبران ناهماهنگی در پایپینگ نیز به شما کمک می‌کند. درزهای انبساط نیز برای کاربردهای بسیار گرم طراحی می‌شوند که بسته به ملاحظات طراحی می‌توانند جایگزین حلقه انبساط باشند.
ملاحظات طراحی برای استفاده از انواع حلقه انبساط در پایپینگ
نکات مهمی که در طراحی توسعه حلقه انبساط باید در نظر گرفته شود به شرح زیر است:
- خط لوله‌ای که در معرض حداکثر انبساط حرارتی ناشی از شرایط فرایند پایپینگ قرار دارد، برای سهولت پشتیبانی در بیرونی‌ترین موقعیت ردیف لوله‌ها قرار می‌گیرد. این در حالی است که خطوط لوله‌ای که در معرض انبساط‌های حرارتی کم‌تری قرار دارند را می‌توانید در موقعیتهای داخلی پایپ رک Pipe Rack قرار دهید.
- ساپورت‌های لوله که در دو طرف حلقه انبساط نصب می‌شوند از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند و نقش مهمی در عملکرد حلقه انبساط دارند. در صورت عدم استفاده از ساپورت لوله یا گیره، آرنج‌ها در حلقه انبساط لوله می‌توانند به‌جای لغزش جانبی، از محور خط اصلی بلغزند و به کل سیستم آسیب وارد کنند.
- اگر فضای بین خطوط لوله در سیستم پایپینگ به‌اندازه کافی طراحی نشده باشد، ممکن است دو خط لوله پس از انبساط حرارتی به هم برخورد کنند. برای رفع این مشکل در سیستم لوله‌کشی فاصله بین لوله‌های مجاور باید بیشتر از اختلاف انبساط بین دو خط باشد. از حلقه انبساط عمودی به‌جای حلقه انبساط افقی می‌توانید در گذرگاه‌هایی که لوله‌ها را در معرض تردد قرار می‌دهد، استفاده کنید.
محاسبه حداقل طول موردنیاز حلقه انبساط در سیستم لوله‌کشی
برای محاسبه حداقل طول حلقه انبساط موردنیاز در سیستم لوله‌کشی و پایپینگ دو روش رایج وجود دارد:
- محاسبه با Nomogram
- محاسبه با نمودار Kellogg
محاسبه حلقه انبساط با نوموگرام Nomogram
در نوموگرام از معادلات برای یافتن جزئیات ابعاد حلقه انبساط مانند عرض و طول استفاده می‌شود.
در نوموگرام ۳ مقیاس عمودی وجود دارد:
- مقیاس چپ یا قطر بیرونی لوله D که بر حسب اینچ محاسبه می‌شود.
- مقیاس میانی یا میزان انبساط حرارتی برای تمرکز بر تغییر طول ΔL که بر حسب اینچ در نظر گرفته می‌شود.
- مقیاس راست یا طول کل حلقه انبساط LL که بر حسب متر سنجیده می‌شود.
معادله زیر برای محاسبه طول کل حلقه انبساط LL بر حسب شکل هندسی بازو‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد:
LL = W+2L
محاسبه حلقه انبساط با نمودار Kellogg
مهندس طراحی سیستم برای محاسبه حلقه انبساط در پایپینگ با نمودار Kellogg بر محل قرارگرفتن حلقه انبساط حرارتی تمرکز می‌کند. یکی از مقادیر K1 یا K2 از نمودار مربوط باتوجه‌به شرایط فیزیکی محل انتخاب می‌شود. سپس باتوجه‌به جایگاه حلقه انبساط نسبت به محور y در نمودار؛ تعیین مقادیر عرض حلقه W و طول حلقه L انجام می‌شود. مقادیر K1 و K2 به ترتیب نسبت معکوس فاصله بین پایه‌های راهنما و عرض و طول حلقه هستند. توجه به این نکته ضروری است که روش‌های محاسبه طول حلقه انبساط ممکن است بنا بر شرایط پروژه متفاوت باشد.
مزیت اتصالات انبساط نسبت به حلقه‌های انبساط در سیستم‌های لوله‌کشی صنعتی
درصورتی‌که برای استفاده از انواع حلقه انبساط با موارد زیر روبرو می‌شوید؛ استفاده از اتصالات انبساط گزینه مناسبی برای جایگزینی است:
- حلقه‌های انبساط نیاز به فضای نسبتاً بیشتر و مناسبی برای جای‌گذاری و عملکرد دارند.
- افت فشار در مسیر لوله‌کشی به دلیل استفاده از زانوهای متعدد در حلقه انبساط بیشتر است.
- برای پشتیبانی از اندازه، شکل و وزن یک حلقه انبساط، ساختار تکیه‌گاه کافی موردنیاز را در اختیار ندارید.
- زمانی که استفاده از حلقه انبساط در کارایی خطوط کم‌فشار یا به دلیل لوله‌های با قطر زیاد بی‌اثر است.
- مواقعی که ساخت و نصب حلقه‌های انبساط نیازمند ساعت کاری بالایی است و زمان یا بودجه لازم فراهم نیست.
در صورت برخورد به این موارد، استفاده از درزهای انبساط و بهره‌گیری از اتصالات انبساط مقرون‌به‌صرفه‌تر از حلقه انبساط در پایپینگ است. آنچه برای سیستم لوله‌کشی صنعتی در کارخانه‌های فرایندی یا پایپینگ و همچنین لوله‌کشی تاسیسات نیاز دارید را از مشاورین ما در آهن نرخ بخواهید.
خرید تجهیزات لوله‌کشی و لوله و اتصالات لوله را با بهره‌مندی از کیفیتی مطلوب در فروشگاه آهن نرخ تجربه کنید.
با ما تماس بگیرید.
