Grubość ścianki rury ze stali nierdzewnej powinna być dobierana zgodnie z ciśnieniem projektowym, temperaturą projektową, gatunkiem materiału, tolerancjami produkcyjnymi i warunkami eksploatacji. Harmonogram rur określa serię wymiarową; nie ustanawia uniwersalnej wartości ciśnienia znamionowego.
Na przykład rura ze stali nierdzewnej o grubości ścianki Schedule 40S ma różne grubości ścianek przy różnych rozmiarach nominalnych. Jej dopuszczalne ciśnienie zależy również od właściwości materiału w temperaturze projektowej, specyfikacji produkcyjnej i obowiązującego kodu instalacji rurowych.
Dla inżynierów, wykonawców i zespołów zaopatrzeniowych praktycznym zadaniem jest określenie wymaganego minimalnego przekroju ścianki, uwzględnienie zapasów i tolerancji, a następnie wybór dostępnej grubości nominalnej, która spełnia wszystkie wymagania projektowe.
Grubość ścianki rury to odległość między zewnętrzną a wewnętrzną powierzchnią rury.
Dla idealnej rury kołowej o jednorodnej grubości ścianki:
Średnica wewnętrzna = Średnica zewnętrzna − 2 × Grubość ścianki
Należy rozróżnić trzy terminy dotyczące grubości:
| Termin | Znaczenie | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|
| Grubość ścianki nominalna | Określona grubość związana z harmonogramem lub wymiarem zakupu | Używana do opisu i zamawiania rury |
| Wymagana minimalna grubość ścianki | Minimalna grubość określona przez odpowiednie analizy projektowe, w tym odpowiednie zapasy | Używana do określenia, czy proponowana rura jest odpowiednia |
| Rzeczywista grubość ścianki | Grubość zmierzona na wyprodukowanej lub eksploatowanej rurze | Używana do inspekcji odbiorczej i oceny stanu |
Grubość ścianki nominalna niekoniecznie jest minimalną grubością w każdym miejscu. Należy wziąć pod uwagę tolerancje produkcyjne przed porównaniem zamówionej rury z wymaganiami projektowymi.
W przypadku istniejących instalacji rurowych korozja, erozja i wcześniejsze wykonanie mogą również wpływać na pozostałą grubość ścianki.
Typowe harmonogramy rur ze stali nierdzewnej obejmują 5S, 10S, 40S i 80S. Numer harmonogramu należy zawsze rozpatrywać łącznie z nominalnym rozmiarem rury.
Przy danym NPS średnica zewnętrzna pozostaje taka sama we wszystkich tych harmonogramach, podczas gdy zwiększająca się grubość ścianki zmniejsza średnicę wewnętrzną.
Poniższa tabela rozmiarów rur ze stali nierdzewnej zawiera wybrane odniesienia wymiarowe.
| Nominalny rozmiar rury | Średnica zewnętrzna, mm | Grubość ścianki harmonogramu 10S, mm | Grubość ścianki harmonogramu 40S, mm | Grubość ścianki harmonogramu 80S, mm |
|---|---|---|---|---|
| NPS 1/2 | 21,3 | 2,11 | 2,77 | 3,73 |
| NPS 1 | 33,4 | 2,77 | 3,38 | 4,55 |
| NPS 2 | 60,3 | 2,77 | 3,91 | 5,54 |
| NPS 3 | 88,9 | 3,05 | 5,49 | 7,62 |
| NPS 4 | 114,3 | 3,05 | 6,02 | 8,56 |
| NPS 6 | 168,3 | 3,40 | 7,11 | 10,97 |
Średnice zewnętrzne są zaokrąglone do jednego miejsca po przecinku. Grubości ścianek to wymiary nominalne, a nie wartości ciśnienia znamionowego. Te kombinacje harmonogramów są udokumentowane w tabelach wymiarowych producentów.
NPS to oznaczenie nominalne. Rura NPS 2 nie ma średnicy zewnętrznej 2 cale.
Nie. Kilka wymiarów zbiega się, szczególnie przy mniejszych rozmiarach, ale harmonogramów nie należy traktować jako uniwersalnie wymienne.
Oznaczenie „S” odróżnia serię wymiarową rur ze stali nierdzewnej związaną z ASME B36.19. ASME identyfikuje różnice między niektórymi wymiarami ścianek B36.19 i B36.10, w tym NPS 12 Schedule 40S oraz NPS 10 i 12 Schedule 80S. Przed zatwierdzeniem zamiany należy potwierdzić obowiązujący standard wymiarowy i rozmiar.
Ciśnienie wewnętrzne powoduje naprężenia w ściance rury. Przy niezmienionych innych danych projektowych, wyższe ciśnienie zazwyczaj wymaga grubszej ścianki. Większa średnica również zazwyczaj wymaga większej grubości ścianki, aby wytrzymać to samo ciśnienie wewnętrzne.
Jednak dobór ciśnienia nie może być zredukowany do „Schedule 10S dla niskiego ciśnienia” i „Schedule 80S dla wysokiego ciśnienia”. Opisy te pomijają średnicę, temperaturę, właściwości materiału i podstawę projektową.
Dla prostej rury poddanej działaniu ciśnienia wewnętrznego, powszechnie stosowane wyrażenie ASME B31.3, w ramach jego podanych ograniczeń stosowalności, to:
t = P × D ÷ [2 × (S × E × W + P × Y)]
| Symbol | Znaczenie |
|---|---|
| t | Grubość ścianki projektowa pod wpływem ciśnienia, przed dodatkowymi zapasami |
| P | Wewnętrzne ciśnienie projektowe |
| D | Średnica zewnętrzna |
| S | Dopuszczalne naprężenie w temperaturze projektowej |
| E | Obowiązujący współczynnik jakości |
| W | Współczynnik redukcji wytrzymałości złącza spawanego |
| Y | Współczynnik kodu zależny od obowiązujących warunków |
Ta zależność ilustruje, dlaczego nośność ciśnieniowa zależy od czegoś więcej niż tylko harmonogramu. Jej zastosowanie jest zademonstrowane w dokumentacji technicznej producenta stosującej B31.3. Należy wybrać współczynniki, wartości naprężeń materiałowych i ograniczenia stosowalności z przyjętej edycji kodu projektu.
Należy następnie uwzględnić zapasy korozyjne i mechaniczne, tolerancje produkcyjne i inne wymagane analizy. To wyrażenie dla prostej rury pod ciśnieniem wewnętrznym nie obejmuje projektowania kolan, trójników ani instalacji rurowych narażonych na ciśnienie zewnętrzne.
Temperatura wpływa zarówno na wytrzymałość materiału, jak i na zachowanie zmontowanego systemu rurowego.
Dopuszczalne naprężenie stosowane do projektowania pod wpływem ciśnienia musi odpowiadać określonemu materiałowi, formie produktu i temperaturze projektowej.
Wraz ze wzrostem temperatury dopuszczalne naprężenie może spadać, zmniejszając ciśnienie, które może wytrzymać dana grubość ścianki rury. Dlatego też dopuszczalne ciśnienie w temperaturze otoczenia nie powinno być przenoszone do zastosowań w podwyższonych temperaturach bez sprawdzenia jego podstaw.
Opublikowane tabele ciśnienia producentów często wykorzystują korekty temperaturowe specyficzne dla materiału. Takie czynniki dotyczą produktów i założeń podanych w tych tabelach; nie należy ich automatycznie przenosić do niepowiązanych specyfikacji rur.
Raport z badania materiału pokazujący wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze otoczenia nie zastępuje dopuszczalnego naprężenia wymaganego przez kod projektowy.
W wystarczająco wysokich temperaturach i przy długim czasie ekspozycji ważne mogą stać się zjawiska pełzania i pękania pod wpływem naprężeń.
Niskowęglowe gatunki, takie jak 304L i 316L, nie powinny być traktowane jako zamienne z ich odpowiednikami H w tych warunkach. ASTM A312 wyraźnie określa kilka gatunków H do zastosowań, w których ważne są właściwości pełzania i pękania pod wpływem naprężeń.
Podobnie, temperatura odporności na utlenianie podana w karcie danych materiału nie jest automatycznie dopuszczalną temperaturą pracy dla rur pod ciśnieniem.
Rura rozszerza się i kurczy wraz ze zmianą temperatury. Ograniczenia, kotwy i połączony sprzęt mogą generować dodatkowe siły i momenty, gdy ruch jest ograniczony.
Zwiększenie grubości ścianki nie rozwiązuje każdego problemu z rozszerzalnością cieplną. Należy również ocenić układ rurociągu, podpory, elastyczność i obciążenia połączeń sprzętu.
Warunki projektowe powinny uwzględniać odpowiednie przypadki eksploatacyjne, rozruchowe, wyłączeniowe i awaryjne. Przypadek dominujący może obejmować określoną kombinację ciśnienia i temperatury, a nie samo maksymalne rozpatrywane ciśnienie.
Niższa temperatura nie powinna być automatycznie interpretowana jako pozwolenie na zwiększenie dopuszczalnego ciśnienia.
Należy nadal sprawdzać przydatność materiału, wymagania dotyczące udarności, stan spoin i obowiązujące przepisy kodu w temperaturze minimalnej projektowej.
Grubość ścianki i odporność na korozję odpowiadają na różne pytania.
Grubość ścianki przyczynia się do wytrzymałości mechanicznej i zapewnia określony zapas na utratę materiału. Dobór materiału określa, jak rura reaguje na środowisko procesu.
Nie. Porównanie stali nierdzewnej 304 vs. 316 wymaga oddzielenia wydajności korozyjnej od właściwości projektowych pod wpływem ciśnienia.
Dodatek molibdenu w 316 poprawia odporność na niektóre środowiska korozyjne w porównaniu z 304. Sam w sobie nie zapewnia wyższego dopuszczalnego ciśnienia dla każdego rozmiaru rury i temperatury. Obliczenia ciśnienia muszą wykorzystywać dopuszczalne naprężenie przypisane do dokładnego określonego gatunku i warunków.
Dodatkowa grubość może zapewnić zapas na przewidywalną ogólną utratę materiału. Nie jest to niezawodny substytut odporności na korozję wżerową, szczelinową lub naprężeniowo-korozyjną.
Na przykład standardowe gatunki austenityczne, takie jak 304L i 316L, mogą być podatne na pękanie naprężeniowo-korozyjne pod wpływem chlorków w podwyższonych temperaturach. Zwiększenie grubości ścianki nie eliminuje podstawowej kombinacji środowiska, podatnego materiału i naprężenia rozciągającego.
Dobór materiału powinien uwzględniać skład płynu, stężenie, temperaturę, zanieczyszczenia, chemikalia czyszczące i warunki eksploatacji.
Zerowy zapas korozyjny może być uzasadniony dla odpowiedniego materiału w dobrze zrozumianym zastosowaniu. Powinna to być udokumentowana decyzja projektowa.
Fakt, że rura jest ze stali nierdzewnej, nie uzasadnia automatycznie zerowego zapasu. I odwrotnie, dodanie dużego zapasu bez oceny mechanizmu korozji może spowodować niepotrzebne koszty, pozostawiając nierozwiązane główne ryzyko awarii.
Po ustaleniu grubości projektowej pod wpływem ciśnienia, wybór musi uwzględniać obowiązujące zapasy i tolerancje produkcyjne.
Gdzie ujemna tolerancja produkcyjna jest wyrażona jako ułamek grubości nominalnej, uproszczona zależność wyboru to:
Wymagana grubość nominalna ≥ (Grubość projektowa pod wpływem ciśnienia + Obowiązujące zapasy) ÷ (1 − Ujemna tolerancja)
Ta zależność zakłada, że zapasy i tolerancje zostały zdefiniowane zgodnie z obowiązującą specyfikacją. Dodatkowe wymagania, takie jak ścieńczenie podczas formowania, mogą wymagać oddzielnego traktowania.
Załóżmy, że obliczenie projektu już ustaliło:
Grubość projektowa pod wpływem ciśnienia: 2,40 mm
Łączny zapas korozyjny i mechaniczny: 0,50 mm
Dopuszczalna ujemna tolerancja produkcyjna: 12,5%
Rozmiar rury: NPS 2
Są to przykładowe założenia, a nie dopuszczalne ciśnienie ani zalecany zapas korozyjny.
Najpierw oblicz wymaganą minimalną grubość ścianki wraz z zapasami:
2,40 + 0,50 = 2,90 mm
Następnie uwzględnij założoną ujemną tolerancję:
Wymagana grubość nominalna = 2,90 ÷ 0,875 = 3,314 mm
Porównaj dostępne grubości nominalne:
| Harmonogram | Grubość nominalna, mm | Grubość po założonej ujemnej tolerancji 12,5%, mm | Spełnia wymaganie 2,90 mm? |
|---|---|---|---|
| 10S | 2,77 | 2,424 | Nie |
| 40S | 3,91 | 3,421 | Tak |
| 80S | 5,54 | 4,848 | Tak |
Przy tych założeniach Schedule 40S jest najlżejszą z trzech wymienionych opcji, która spełnia ten warunek grubości ścianki.
Wynik ten nie kończy projektowania systemu. Ciśnienie zewnętrzne, obciążenia mechaniczne, wymagania produkcyjne, połączenia i inne obowiązujące analizy mogą być decydujące.
Odjęcie 12,5% jest często spotykaną wartością w odpowiednich specyfikacjach rur i tabelach producentów, ale nie należy jej zakładać dla każdego produktu ze stali nierdzewnej ani warunków zakupu.
Grubsza ścianka może poprawić niektóre aspekty wytrzymałości mechanicznej, ale zmienia również wagę, średnicę wewnętrzną, obróbkę i koszt.
Używając zaokrąglonej średnicy zewnętrznej NPS 2 wynoszącej 60,3 mm:
Schedule 40S o grubości ścianki 3,91 mm ma obliczoną średnicę wewnętrzną 52,48 mm.
Schedule 80S o grubości ścianki 5,54 mm ma obliczoną średnicę wewnętrzną 49,22 mm.
Na podstawie idealnej geometrii kołowej, rura Schedule 80S ma około 12% mniejszy wewnętrzny obszar przepływu.
Przy tym samym natężeniu przepływu objętościowego, mniejsza średnica wewnętrzna zwiększa średnią prędkość płynu. Wynikający z tego spadek ciśnienia wymaga oddzielnego obliczenia hydraulicznego.
Cięższa ścianka może również zwiększyć czas spawania, wagę rury i obciążenia podpór. Dobór powinien spełniać wymagania inżynieryjne, uwzględniając kompletny zainstalowany system.
Rura narażona na próżnię, ciśnienie płynu zewnętrznego lub płaszcz pod ciśnieniem wymaga oceny ciśnienia zewnętrznego.
Rura, która przechodzi analizę ciśnienia wewnętrznego, może nadal być podatna na zapadanie się. Stosunek średnicy do grubości, niepodparta długość, owalność i właściwości materiału mogą wpływać na tę ocenę.
Porównując rury ze stali nierdzewnej bezszwowe vs. spawane, należy potwierdzić specyfikację produktu, trasę produkcji, wymagania dotyczące badań i obowiązujące współczynniki kodu.
„Bezszwowy” nie oznacza automatycznie przydatności do każdego ciśnienia, a „spawany” nie oznacza automatycznie nieprzydatności. Kompletna specyfikacja i warunki projektowe określają dopuszczalność.
Należy sprawdzić przydatność złączek, kołnierzy, zaworów, uszczelek i złączy mechanicznych pod względem ciśnienia i temperatury.
Zadowalające obliczenie dla prostej rury nie ustala dopuszczalnego ciśnienia całego zespołu. Połączenie lub inny komponent może narzucić niższy limit.
Wibracje, cykle ciśnienia, cykle termiczne, ciężar własny i siły zewnętrzne mogą wymagać dodatkowej oceny.
ASME B31.3 obejmuje szerszy zakres wymagań projektowych, produkcyjnych, badawczych i testowych niż samo obliczenie grubości ścianki.
Jasne zapytanie powinno rozróżniać specyfikację rury od informacji operacyjnych użytych do jej oceny.
| Pozycja RFQ | Informacje do podania |
|---|---|
| Materiał | Dokładny gatunek i standard produktu |
| Wymiary | NPS lub rzeczywista średnica zewnętrzna, standard wymiarowy, harmonogram lub nominalna grubość ścianki |
| Podstawa grubości ścianki | Wymagana grubość nominalna lub minimalna, z obowiązującymi tolerancjami |
| Trasa produkcji | Konstrukcja bezszwowa, spawana lub inna określona |
| Warunki projektowe | Przypadki ciśnienia i temperatury, gdy wymagane jest wsparcie techniczne w doborze |
| Środowisko eksploatacji | Skład płynu i odpowiednie warunki korozyjne |
| Szczegóły dostawy | Ilość, długości, przygotowanie końcówek i stan powierzchni |
| Wymagania jakościowe | Raporty materiałowe, identyfikowalność, badania i dodatkowe testy |
| Dokumenty projektowe | Zatwierdzona specyfikacja rurociągu, rysunki i wymagane edycje standardów |
Plan inspekcji rur ze stali nierdzewnej powinien określać, w jaki sposób będzie weryfikowana zgodność wymiarowa i tożsamość materiału.
Test hydrostatyczny to test odbiorczy przeprowadzany w określonych warunkach. Jego ciśnienie testowe nie powinno być interpretowane jako dopuszczalne ciągłe ciśnienie robocze zainstalowanego systemu.
Nie ma jednej standardowej grubości ścianki. Grubość nominalna zależy od rozmiaru rury i harmonogramu. Na przykład NPS 2 Schedule 40S ma nominalną grubość ścianki 3,91 mm, podczas gdy NPS 4 Schedule 40S ma nominalną grubość ścianki 6,02 mm.
Nie ma uniwersalnego dopuszczalnego ciśnienia dla Schedule 40S. Obliczenie zależy od średnicy, gatunku materiału, temperatury projektowej, obowiązujących współczynników kodu, zapasów i tolerancji produkcyjnych.
Tak, tam gdzie pozwalają na to kompletny projekt i specyfikacje komponentów. Schedule 10S to oznaczenie wymiarowe, a nie ograniczenie do zastosowań nieciśnieniowych.
Może. Jeśli dopuszczalne naprężenie spada w temperaturze projektowej, może być potrzebna grubsza ścianka dla tego samego ciśnienia i średnicy. Należy również przeanalizować przydatność materiału, zachowanie podczas pełzania i rozszerzalność cieplną.
Wyższy numer gatunku lub lepsza odporność na korozję nie oznacza większej nośności ciśnieniowej. Należy użyć dopuszczalnego naprężenia z kodu dla dokładnego materiału i temperatury projektowej.
Tylko po sprawdzeniu wymagań projektu. Grubsza ścianka zmienia średnicę wewnętrzną, wagę, przygotowanie spoin i potencjalnie wydajność hydrauliczną. Istniejące połączenia i interfejsy sprzętu muszą pozostać kompatybilne.
Wybierz grubość ścianki rury ze stali nierdzewnej poprzez zdefiniowaną sekwencję: ustal warunki projektowe, wybierz odpowiedni materiał, określ wymaganą grubość ścianki, uwzględnij zapasy i tolerancje oraz zweryfikuj kompletny system rurociągowy.
W celu uzyskania wyceny podaj gatunek, standard, rozmiar, wymaganie dotyczące grubości ścianki, ilość i specyfikację projektu. Tam, gdzie wymagane jest wsparcie w doborze, podaj ciśnienie, temperaturę i środowisko eksploatacji.
Kompletna specyfikacja pozwala dostawcom na złożenie oferty na tej samej podstawie technicznej i daje zespołowi inspekcyjnemu jasne wymagania odbiorcze.
