بارهای وارده بر سیستم PIPING

هدف از تحلیل تنش در سیستم های PIPING کسب اطمینان از عملکرد مطمئن سیستم از نظر تحمل فشارها و بارهای سازه ای وارد بر سیستم در طول عمر سیستم PIPING می باشد. به همین خاطر لازم است مقادیر تنش وارده بر دیواره لوله ، حرکت لوله در اثر انبساط حرارتی ، بارهای مربوط به نازل تجهیزات و فرکانس های طبیعی سیستم محاسبه و با مقادیر حدی و مجاز مقایسه شوند . علاوه بر این تحلیلگر تنش باید بارهای وارده بر سیستم های تکیه گاهی را به منظور طراحی ایمن سیستم از نظر نیرویی محاسبه نماید.
الزامات مربوط به تحلیل تنش سیستم های PIPING در کدهای پایپینگ آمده است. این الزامات در واقع قوانین و استانداردهایی هستند که حداقل ملزومات را برای طراحی ، ساخت و عملکرد ایمن یک سیستم مهندسی بیان می کنند. در صنعت PIPING ، کد مورد استفاده در واقع مجموعه ای از کدهای تحت نظر ANSI و ASME می باشد .
معمولا طراحی پایپینگ به دو بخش کلی طراحی پایه ای سیستم و طراحی تفضیلی اجزای آن تقسیم می شود. سیستم به عنوان روش توزیع سیال در خط تعریف می شود. طراحی پایه ای سیستم ، شامل تمام تجهیزات داخل خط پایپینگ از قبیل مخازن ، پمپ ها و شیرآلات صنعتی می شود . در حالی که اجزای آن یعنی COMPONENTS شامل طراحی انواع تجهیزاتی از قبیل تکیه گاه های سیستم پایپینگ می گردد .
تحلیل سیستم (SYSTEM ANALYSIS) جهت تامین ورودی مورد نیاز برای تحلیل اجزای (COMPONENTS ANALYSIS) با تعیین بارهای وارد بر نازل تجهیزات و بارهای تکیه گاهی صورت میگیرد. در این روش، معمولا تحلیل سیستم نسبت به تحلیل اجزا به صورت جداگانه انجام میگیرد. دربسیاری از موارد این جداسازی لازم است چراکه در مقایسه با تحلیل سیستم، گروه های کاری مختلفی در تیم پروژه تحلیل اجزا را انجام می دهند. تحلیل سیستم معمولا توسط مهندس طراح PIPING انجام می شود، در حالی که تحلیل اجزا معمولا توسط مهندس طراح اجزای PIPING یا تولید کننده اجزای مربوطه صورت می گیرد. بنابراین همان طور که گفته شد، طراح اجزای PIPING از داده های مربوط به مشخصات اجزا و بارهای طراحی ارائه شده توسط مهندس PIPING استفاده می کند، توصیه می شودکه یک سازمان واحد مسئولیت هماهنگ سازی طراحی سیستم PIPING و طراحی تکیه گاه های آن را بر عهده بگیرد.
معمولا سیستم های PIPING به دو دسته یا گروه و سپس به چند زیرگروه تقسیم می شوند: اساسا خطوط لوله به دوگروه گرم و سرد تقسیم بندی می شوند . خطوط داغ آنهایی هستند که دمای طراحی بیشتر از 66 درجه سانتی گراد (150 درجه فارنهایت) دارند. دلیل این تقسیم بندی این است که خطوط داغ جهت تعیین جابه جایی، تنش ها و نیروهای حرارتی باید تحت تحلیل انعطاف پذیری قرار گیرند. سیستم های سرد و گرم نیز به نوبه خود به سیستم های قطر کوچک و قطر بزرگ از نظر اندازه لوله تقسیم می شوند .آنهایی که قطر اسمی 2 اینچ (50 میلی متر) و کمتر دارند ،قطر کوچک (SMALL – BORE) و آنهایی که قطر 2.1/2 اینچ (65 میلی متر) یا بزرگتر دارند به عنوان سیستم های قطر بزرگ (LARGE – BORE) شناخته می شوند .
روش سوم تقسیم بندی سیستم های پایپینگ بر اساس کد صورت میگیرد. برخی کدها تحلیل های کامل تری را بر حسب شدت خطر ایجاد شده از تخریب شامل می شوند. برای مثال یک سیستم PIPING داغ با قطر بزرگ و از نوع سیستم PIPING هسته ای از CLASS 1 ممکن است برای طراحی سیستم تکیه گاهی اش به تحلیل های پیچیده ای شامل تحلیل های کامپیوتری، احتمالا تحلیل مودال یا دینامیک گذرا احتیاج داشته باشد. در حالی که یک سیستم PIPING سرد با قطر کوچک که با کد B31.8 (انتقال گاز) طراحی شده تنها به روش هایی نظیر استفاده از جدول و نمودارها و تحلیل های مهندسی نیاز دارد.
تمام کدهایی که در مورد پایپینگ تحت فشار از از کد اصلی ANSI B31 منشعب می شوند، در سال 1935 منتشر شده اند و چون پیشینه یکسانی دارند ، اکثر خصوصیات آنها شبیه به هم است. یکی از این ویژگی ها نحوه تقسیم بندی انواع بارگذاری در این کدهاست .به این صورت که این کدهاست .به این صورت که این کدها بارگذاری موقتی (OCCASIONAL LOADING) که در پریودهای محدودی در طول مدت کار سیستم وارد می شود و بارگذاری انبساطی (EXPANSION LOADING) که از جا به جایی سیستم پایپینگ ناشی می شود، تقسیم بندی می کنند. انواع بار موجود در بارگذاری های سیستم پایپینگ به صرت زیر قابل بیان است:

• بارهای مستمر: وزن و فشار سیستم
• بارهای موقتی : باد، بار ناشی از زلزله (seismic load) ارتعاش ، ترکیدگی لوله و نیروی وارده ناشی از تخلیه شیرهای رهاساز فشار
• بارهای انبساطی : انبساط حرارتی سیستم piping، نشست سیستم piping، جابه جایی تکیه گاه ها ناشی از جابه جایی حرارتی تجهیزات یا زلزله.

در تمام موارد ، بارهای وارد بر سیستم piping باید از سیستم به سازه ساختمان (building structure) منتقل شود. این کار به وسیله تکیه گاه ها و قیود سیستم piping انجام شود . برای کسب اطمینان از قابلیت انتقال نیروها توسط تکیه گاه ها ، لازم است برای یک سیستم piping بارهای ذکر شده بالا محاسبه و با هم ترکیب شوند و بار طراحی (design load) سیستم مشخص گردد.
بسته به پیچیدگی بارهای وارده به یک سیستم piping و شدت بحرانی بودن سیستم ، روش های مورد استفاده در تعیین بارگذاری روی تکیه گاه های سیستم تحت شرایط مختلف ممکن است به سادگی یک محاسبه دستی و یا به سختی یک تحلیل پیچیده کامپیوتری باشد .

بارهای مستمر (Sustained loads)

همانطور که قبلا گفته شد بارهای مستمر در یک سیستم piping ، بارهایی هستند که به وسیله نیروهای مکانیکی در تمام مدت کارکرد معمول سیستم به سیستم اعمال می گردند . این بارها شامل بارهای ناشی از فشار و وزن سیستم می باشند.

بارهای مستمر – وزن

تمام سیستم های piping بایستی طوری طراحی شوند که وزن سیستم کنترل و مهار شود . اغلب سیستم های piping را می توان به صورت سازه های فضایی غیر منظم در نظر گرفت که به خودی خود تکیه گاهی ندارند ، بنابراین باید سیستم تکیه گاهی طراحی نمود تا از واژگونی سیستم جلوگیری شود.تکیه گاه ها باید توانایی تحمل کل وزن سیستم یعنی وزن لوله ، عایق ها، سیال، اجزا و خود تکیه گاه ها را داشته باشند .
ساده ترین روش تعیین تنش های سیستم piping و بارهای تکیه گاهی ناشی از وزن سیستم ، این است که لوله به عنوان یک تیر که به طور یکنواخت در طول خود تحت بار قرار گرفته است ، مدل گردد. مخصوصا زمانی که لوله در طول های افقی بزرگ امتداد دارد و اجزای داخل خط لوله و تغییرات هندسی کم است ، این روش مناسب می باشد . طول تیر برابر فاصله تکیه گاه ها می باشد .
بسته به شرایط انتهایی لوله دو راه برای مدل کردن لوله وجود دارد . یکی از این روش ها مدل کردن لوله به صورت تیر انتها پین دار (pinned simply supported beam) و دومی مدل کردن آن به صورت تیر انتها ثابت (fixed end beam) می باشد . برای تیر ساده تنش ماکزیمم و بارهای تکیه گاهی به صورت زیر محاسبه می شوند :

(σ= (wl^2)/(8z
F= (wl)/2

که در آن :
σ : تنش خمشی بر اساس psi
W : وزن در واحد طول لوله بر اساس lb/in
F : نیروی وارد بر تکیه گاه بر اساس lb
Z : مدول مقطع لوله بر اساس in^3

و برای حالت دو انتها – ثابت تنش ماکزیمم و بارهای تکیه گاهی عبارتند از :

(σ= (wl^2)/(12z
F= (wl)/2

در هر دو مدل ، بار روی هر تکیه گاه یکسان و برابر نصف وزن لوله بین دو تکیه گاه است .ولی در هر کدام از مدل ها تنش در لوله متفاوت است . بسته به تنش های مجازی که در کد حاکم ( کد مورد استفاده در طراحی ) آمده ، مدل تیر انتخاب شده می تواند روی فاصله مجاز میان تکیه گاه ها تاثیر بگذارد.
از آنجایی که اکثر تکیه گاه های وزنی تنها به صورت عمودی و به سمت بالا دارای عکس العمل هستند ، رفتاری شبیه تیر انتها پین دار ساده دارند .البته از آنجایی که لوله از طریق اتصال به عضو سیستم piping ، بعد از تکیه گاه تا حدودی مقید می شود ، در نقطه تماس با تکیه گاه آزادی چرخشی ندارد. در واقع اگر تمام خط لوله به صورت برابر تقسیم بندی شده و به صورت برابر نیز بارگذاری شده باشد ،چرخش های انتهایی یکدیگر را خنثی کرده و باعث می شوند رفتار لوله مانند مدل تیر انتها – ثابت شود. بنابراین حال واقعی ، حالتی میان دو مدل تیر ذکر شده می باشد. برای نیل به یک تحلیل ساده، می توان حالتی ترکیبی را به مدل واقعی انطباق داد به طوری که تنش به صورت 

(σ= (wl)^2/(10z محاسبه شود ، البته اگر قرار باشد طراحی کمی محافظه کارانه انجام شود ، فرمول (wl^2)/(8z) نیز قابل استفاده است .
بنابراین زمانی که مسیرهای مستقیم از یک خط لوله افقی مد نظر است ، به سادگی می توان فاصله تکیه گاه ها و سپس بارهای وارده بر تکیه گاه ها را محاسبه نمود . فاصله تکیه گاه ها به صورت زیر تعیین می شود :

(L= √(10ZS/W

که در آن :
L : حداکثر فاصله مجاز میان تکیه گاه ها برابر لوله مستقیم افقی
S : تنش وزنی مجاز ( وابسته به ماده لوله ، دما ، فشار و کد مورد استفاده )
نیروی وارد بر تکیه گاه از هر دو طرف برابر با F= wl/2 است ، بنابراین وزن وارد بر هر تکیه گاه را می توان به صورت زیر بازنویسی کرد :

F= [( 10WZS)^(1/2)]/2

برای ساده سازی محاسبات فاصله تکیه گاه ها، جامعه استانداردسازی سازندگان (MSS) تحت عنوان استاندارد SP-69 فاصله معینی را برای سیستم های PIPING در اندازه های متنوع ارائه نموده است .
این فواصل ( جدول 1-25 ) که توسط ASME و ANSI نیز مورد تایید قرار گرفته است ، براساس سیستم PIPING عایق بندی شده با ضخامت دیواره استاندارد ، پر از آب و محدود به ماکزیمم تنش برشی و خمشی مرکب 1500PS و ماکزیمم خیز 0.1 IN (2.5mm) ارائه شده اند . معمولا وقتی از این فواصل پیشنهادی استفاده شود ، دیگر لازم نیست تنش ناشی از وزن به طور جداگانه حساب شود .
جدول 1-25 ماکزیمم فاصله پیشنهادی تکیه گاه ها براساس بارهای وزنی و به توجه به قطر نامی لوله :

از آنجایی که اکثر سیستم های piping به طور کامل از مسیرهای مستقیم تشکیل نشده اند نمی توان فواصل استاندارد ذکر شده را به طور کامل استفاده کرد . بدین منظور باید خط مشی های زیر را برای تعیین مکان تکیه گاه ها مد نظر قرار داد :

1. تکیه گاه های سیستم piping باید تا حد ممکن به جرم های متمرکز نظیر شیرآلات صنعتی ، فلنج های جوشی و ... نزدیک باشند . با مد نظر قرار دادن مساله تنش در یک سیستم piping بهترین مکان برای اتصال تکیه گاه ، درست در محل نصب تجهیزات سیستم است . درعین حال ، اغلب این کار مشکل است چراکه معمولا مسائلی از قبیل سخت افزار استفاده شده جهت اتصال ، قیدهای طرح موجود و الزامات سازنده تجهیزات piping و همین طور فضای لازم برای دسترسی تعمیرات محدودیت ایجاد می کند . اگر نیاز به تعیین و محاسبه تنش در لوله باشد ، معمولا تجهیزات به صورت یک بار متمرکز فرض می شوند و اثرات آن بر روی یک تیر که تحت بار یکنواخت قرار گرفته انطباق داده می شود .
2.  وقتی در صفحه افقی ، بین لوله و تکیه گاه متناظرش تغییر راستا مثلا توسط زانویی رخ دهد ،پیشنهاد می شود که فاصله مربوط به تکیه گاه ها به اندازه ¾ فاصله استاندارد ذکر شده در جدول 1-25 محدود شود تا پایداری سیستم بیشتر شده و وجود بارهای خارج از مرکز کمتر شود . همچنین بهتر است تکیه گاه ها نزدیک زانویی ها باشد تا گشتاورهای ناشی از تغییر راستا کاهش یابد.