مقاله لوله کشی صنعتی (piping)
چکیده
در این مقاله، در مورد فرآیند لوله کشی و پایپینگ و نحوه طراحی نقشه یک کارخانه فرآیندی اطلاعاتی گردآوری شده است. Piping شامل لوله، فلنج، فیتینگ، پیچ و مهره، واشر، شیر آلات البته Piping همچنین شامل تجهیزات نگهداری لوله مانند تکیه گاهها و اجزاء نظیر آنها برای حفاظت و نگهداری اجزاء Piping میباشد .آشکار است که (Pipe) لوله یک جزء یا یک بخش از Pipingمیباشد. بنابراین وقتی لولهها به فیتینگها و شیر آلات و دیگر تجهیزات مکانیکی متصل میشوند و با تکیه گاهها و فنرها آنها مقید میشوند،به همه اینها Pipingگفته میشود.
مقدمه
لوله کشی در فرآیندهای صنعتی، صنایع دریایی، انتقال مواد، مصارف شهری و... مورد استفاده قرار میگیرد. در پروسههای صنعتی از لولهکشی برای انتقال آب، بخار، هوا و مواد شیمیایی و... بین مخازن و اجزا مختلف استفاده میشود. همچنین از شبکههای لوله برای جمع آوری فاضلاب، پسماندهای صنعتی و در مصارف ساختمانی برای انتقال آب آشامیدنی و... و در مصارف دریایی نیز دارای اهمیت به سزایی هستند. در کارخانههایی که برای تامین و راه اندازی یک فرآیند شیمیایی خاص میباشد که به آن واحد فرآیندی میگویند. از لولهکشی فرآیندی جهت انتقال سیالات بین واحدهای ذخیره و واحدهای فرآیندی استفاده میگردد. در لولهکشی انتقالی از لولههای با قطر زیاد در انتقال سیالات و گازها در فواصل طولانی استفاده میشود. لوله کشی عمرانی جهت توزیع امکانات شهری و فاضلاب و پسماندهای صنعتی بکار برده میشود. لولهکشی ساختمانی یا تجاری شامل لوله کشی انجام شده در ساختمان تجاری و مدارس و بیمارستانها و... به منظور توزیع آب وگاز میباشد. طراحی و ساخت یک Plant صنعتی فرآیند پیچیدهای است که در آن اطلاع از محل مورد نظر، فرآیند و میزان تولید و معیار و استاندارد طراحی جهت تامین نیاز مورد نظر باید لحاظ شود.
تجهیزات و مصالح مورد نیاز لوله کشی
لوله ها توسط قطر خارجی و ضخامت دیواره مشخص میشوند که جنس آنها از فولاد و مس و... میباشد.کاربرد آن در مبدلهای حرارتی و ماشین آلات و ... میباشد. لولهها در طول 6 تا 12 متر تولید میشوند و انتهای آن صاف و پخدار و رزوه دار میباشد. لولهها در ضخامتهای مختلفی توسط موسسات استاندارد آمریکا (ANSI)، انمجن مهندسی مکانیک آمریکا (ASME)، انجمن مواد آمریکا (ASTM) و نفت آمریکا (API) ساخته میشوند که استانداردهای (ASTM) و (API) مهمترین آنها میباشند. جنسهای محتلف در شرایط مختلف استفاده میشوند. لولههای حدیده شده در سرویس بخار و آب و گاز استفاده می شود. لولههای چدنی در خطوط فاضلاب بکار میروند. لولههای پلاستیکی برای مواد خورنده و ترکیبات شیمیایی استفاده می شود و لولههای شیشهای در آزمایشگاه کاربرد دارند. برای اتصال لولههای فولادی روشهایی از قبیل جوش لب به لب، جوش سوکتی، اتصال پیچی، فلنچ پیچدار و کوپلینگ پیچدار وجود دارد. اتصالات جوشی و پیچی برای اتصال لولههای بزرگ میباشد که با اقتصادیترین روش است. برای انتقال مواد اشتعال زا و رادیواکتیو از جوش سوکتی استفاده میشود. فلنچ پیچدار در مخازن و شیرها کاربرد دارند.
اتصالات یا فیتینگها در تغییر مسیر لوله، تغییر قطر لوله و... استفاده میشوند که از لوله یا پیلت ساخته شده یا از فرآیندهای ماشینکاری و ریختهگری تولید میشوند.
جوشکاری لب به لب: در لوله کشی فرآیندی استفاده میشود و مزیت آن برای اتصال لولههای با قطر بزرگ و معایب آن این است که برخی قسمتهای جوش وارد مسیر سیال میشود. اتصالاتی که در جوشکاری لب به لب به کار میرود عبارتند از: زانویی، زانویی کاهنده، برگشتی، خمها، کاهنده و افزاینده، مایترها، فلنجها که فلنج ها در پنج نوع با گردن جوشی، تخت، کاهنده، افزاینده، و ون استون میباشند.
اتصالات جوش لب به لب جهت انشعاب گیری از مسیر:
Stub-in: در این اتصال لوله بطور مستقیم به کناره لوله اصلی جوش داده میشود.
Butt-welding tees: به سه دسته تقسیم میشوند. سه راهی مستقیم که قطر شاخه با قطر لوله برابر است. سه راهی کاهنده که دارای شاخه کوچکتری از مسیر اصلی است. سه راهی bull head که دارای شاخه بزرگتر از مسیر اصلی است.
اتصالات انشعابی که در ادامه می آید توسط روش Bonney Forge ساخته شدهاند که به عنوان جایگزینی روش اتصال مستقیم به لوله اصلی استفاده میشوند.
Weldolet : برای ایجاد شاخه 90 درجه که شاخههای نزدیک بهم را ایجاد میکند.
Butt-welding elbloet: ایجاد شاخه مماسی یر روی زانویی بزرگ و کوچک
Butt-welding latrolet: ایجاد شاخه کاهنده 45 درجه بر روی لوله مستقیم
Sweepolet: ایجاد شاخه کاهنده 90 درجه بر روی لوله اصلی
انواع دیگری از اتصالات انشعابی نیز از قبیل چهار راهی مستقیم یا کاهنده، لاترالهای مستقیم یا کاهنده و... وجود دارند.
جوشکاری سوکت: در خطوط انتقال مواد اشتعال زا و سمی و... کاربرد دارند. از مزیت آن نداشتن نشتی، وارد نشدن فلز جوش در جریان سیال میتوان اشاره کرد. عیب آن این است که باعث به تله افتادن مایع میشود. اتصالاتی که در این نوع از جوشکاری بکار میروند عبارتند از: Full coupling، Reducer، Reducer insert، Union، Swaged nipples، زانویی و فلنج.
اتصالات جوش سوکت جهت انشعابگیری از مسیر:
سه راهی مستقیم یا کاهنده: شاخه 90 درجه از لوله اصلی ایجاد میکند.
لاترال: شاخه 45 درجه با قطر برابر شاخه اصلی ایجاد میکند.
چهارراهه: عملکرد آن مانند جوشکاری لب به لب میباشد.
اتصالات جوش سوکت جهت انشعابگیری از مخازن یا خطوط اصلی جوش لب به لب:
- Half coupling
- Sockolet
- Socket welding elbolet
- Socket welding latrolet
- Nipolet
- Stub-in
سیستم لولهکشی پیچی: در خطوط سرویس و فرایندهای کوچک لوله کشی بکار میرود. از مزایای آن سادگی در ساخت، کاهش خطر آتش سوزی میباشد. عیب آن نشتی و برای دمای بالا مناسب نمیباشد و همچنین مقاومت لوله کم میشود. از اتصالات در این زمینه میتوان به Full coupling، Reducer، Nipple، Union، Hexagon boushing، زانویی و فلنج پیچی و... اشاره کرد.
اتصالات سیستم پیچی جهت انشعابگیری از مسیر:
سه راهه مستقیم و کاهنده: ایجاد یک شاخه 90 درجه
لاترال: ایجاد یک شاخه 45 درجه
چهارراهه: کاربرد آن مانند کاربرد در جوش لب به لب میباشد.
اتصالات سیستم پیچی جهت انشعابگیری از مخازن یا خطوط اصلی جوش لب به لب بصورت Half coupling، Thredolet و... میباشند.
در هر سه مورد جوش لب به لب، جوش سوکتی و سیستم پیچی، Capها به عنوان سرپوش بکار میروند که برای بستن انتهای لوله رزوه شده مورد استفاده قرار میگیرند.
در استانداردهای مختلف دندانه رزوه برای کاربردهای متفاوتی مورد استفاده قرار میگیرند. این دندانهها بصورت راست یا مایل میباشند. اکثر اتصالات لولهای با دندانه مایل ساخته میشوند. دندانههای مایل با استفاده از روغن آببندی و یا نوارهای پلاستیکی آب بندی میگردند. اما دندانههای راست با با استفاده از واشر و مهره بستی آببندی میشوند. دندانههای با آببند خشک نیز در برخی استانداردها تعریف شدهاند که بدون استفاده از روغن و تفلون آببندی میشوند. نوک دندانهها تیز و پایه آن تخت میباشد به همین دلیل باعث تماس فلز با فلز و در نتیجه آببندی میشود. همانطور که ذکر شد واشرها برای آببندی بین دو سطح برای جلوگیری از نشت جریان بکار میروند. جنس واشرها آزبست فشرده و یا فلزات پر شده با آزبست میباشد. دو نوع رایج واشرها که در فلنج بکار میروند ring و full-face هستند. معیارهایی از قبیل دما و فشار سیال، شرایط محیطی کارکرد و قیمت تمام شده و...برای انتخاب واشر بکار میروند. رزوه لولهها نیز بصورت زیر تعریف میشوند:
نوع دندانه-تعداد رزوه در اینچ-NPS
عملیات پرداخت به نوع سطحی اشاره دارد که توسط ماشین کاری بر روی سطح تماس فلنج با واشر ایجاد میگردد. فلنجها به دو صورت شیاردار و صاف پرداخت میشوند. گام شیارها و نوع پرداخت سطح اندازه و کلاس فلنج نغییر میکند. پرداخت سطوح صاف با دو کیفیت سطح با شیارهای ریز و سطح آینهای میباشد.
پرداخت و صورتهای مختلف فلنج موجود است که این سطوح بصورت زبانه یا شیارهایی است که بصورت جفت بکار میروند. چهار مورد آن از اهمیت ویژه ای برخوردارند که به شرح آنها میپردازیم.
سطوح بالا آمده: در 80 درصد فلنجها مورد استفاده قرار میگیرد.
سطوح با واشر حلقوی: به همراه یک واشر در مصارف پتروشیمی و در دما و فشار بالا بکار میروند.
فلنج با سطح صاف: در فلنجهای غیرفولادی و در اتصال پمپها و شیرها به همراه واشر بکار میروند
فلنج با اتصال روی هم: جهت تطبیق با لوله داخلی و در حالتی که تنش خمشی نباشد بکار میرود.
پیچهای بکار رفته برای فلنجها بر دو نوع میلهای (دو مهرهای) و ماشین کاری شده (یک مهرهای) میباشند. مزایای پیچهای میلهای به شرح زیر میباشد:
در صورت خوردگی و زنگ زدن به راحتی باز میشوند-به سادگی از بقیه پیچها قابل تشخیص هستند-در اندازه و جنس غیر معمول به راحتی از میله گرد ساخته میشوند.
سوراخهای پیچ در فواصل مساوی از هم در فلنجها قرار گرفتهاند. تعیین تعداد سوراخها، قطر دایره پیچ و اندازه سوراخ آرایش پیچ را مشخص می کند.
سرپوشهای موقتی برای خطوط لوله عبارتند از:
سرپوش In-line: برای تمیز کردن لولههای بزرگ برای جلوگیری از آلودگی- تعمیر و نگهداری در مواقعی که نشتی از شیر وجود دارد.
سرپوش خروجی مخازن و انتهای لوله: شامل فلنج کور با واشر تخت، سرپوش T-bolt، سرپوش Welded-on با درهای لولایی-از فلنج کور بیشتر استفاده میشود.
اتصالات و کوپلینگهای سریع:
اتصالات سریع: بر دو نوع میباشد، نوع اهرمی با بستهای اهرمی دوتایی و نوع پیچی با گیره مهرهای. جهت اتصال موقت تانکهای ماشینی و کامیونها و... میباشد که به راحتی باز و بسته میشوند.
کوپلینگ سریع پیچی: بر حسب شرایط سرویس هم کاربرد موقت و هم کاربرد دائمی دارند. جهت تعمیر و ساخت خطوط موقتی مفید هستند.
کوپلینگ لوله و اتصالات شیاردار: جهت استفاده در لوله فولادی، چدنی و پلاستیکی دارای سرهای شیاردار بکار میروند مانند زانویی، سه راهی، چهارراهی، کاهنده و... . از مزایای آن میتوان به نصب و جداسازی سریع، داشتن انبساط و مورد کاربرد در خطوط آب و روغن میباشند.
کوپلینگ بوشی فشاری: مورد کاربرد در خطوط آب و روغن و گاز و دارای مزایایی از قبیل نصب و جداسازی سریع، داشتن انبساط و عدم نیاز به پرداخت سر لوله میباشد.
اتصالات انبساطی جهت اتصال سازگار با تغییر طول لوله با تغییر دما در سیستم لوله کشی بکار میروند. روشهایی برای مهار چنین تغییراتی بصورت تغییر مسیر خط، حلقه انبساطی، فنرها و ...است.
اتصالات(لوله) انعطاف پذیر در جاهایی که ارتعاش و جابجایی زیاد است بصورت موقت بکار میروند. در لوله کشی مفصلدار بصورت فصل گردان یا اتصالات توپی استفاده میشوند.
وسایلی برای جدا کردن موادی مانند رسوبات، روغن، فلزات جداشده از جوش و... از جریان اصلی موجود است که در زیر آمده است.
جداکنندهها: برای جداکردن قطرات در یک جریان گازی
صافیها: برای جمع آوری ذرات جامد، جای صافی قبل از شیر کنترل، پمپ و توربین است، متداولترین آن بصورت y شکل است.
توریها: صافی ساده موقتی ساخته شده از صفحات فلزی سوراخدار یا مش سیمی که دارای سه نوع مخروطی و استوانهای و تخت میباشد. نوع مخروطی متداولتر است.
Driplegs: از لوله ساخته شده و وسیلهای ارزان جهت جمع آوری مایع کندانس شده میباشد.
یک تکه فلز اضافی در حل انشعاب گیری از جدار لوله یا مخزن " تقویت کننده " نامیده میشود. در قطعات تقویت کننده یک سوراخ کوچک جهت تخلیه گازهای حاصل از جوشکاری تعبیه میشود. هم چنین این سوراخ جهت تست نشتی نیز بکار میرود.
جهت ساپورت کردن لولهکشی از ناحیه زانویی، میتوان از ساپورتهای ساخته شده از ورق مازاد و لوله استفاده نمود که باید تا حد امکان ساده باشند. این ساپورتها از نوع Resting، Hanger، Anchor، Tie، Guide، Shoe و ... میباشند. جوش دادن ساپورتها به لوله از پیش کار شده اثر نامطلوبی روی خط میگذارد به همین دلیل از Lug استفاده میشود که کاربرد Lug در اتصال و ساپورتبندی لوله میباشد.
شیرها:
عملکرد شیرها بصورت شیرهای باز یا بسته و یا قابل تنظیم بودن و یا نبودن و... معرفی میشوند. اجزای اصلی شیرها عبارت است از: دیسک و نشیمنگاه، دسته، بدنه و درپوش و اپراتور میباشد. شیرها برای کنترل و یا متوقف کردن جریان نیز بکار میروند. حال به بررسی اجزای شیر میپردازیم.
دیسک: قسمت متحرکی است که بصورت خطی یا مارپیچی و چرخشی حرکت میکند.
نشیمنگاه: قسمت غیر متحرک شیر
درگاه: دریچهای که بیشترین دبی را از خود عبور میدهد.
دسته: میتواند بصورت دستی و الکتریکی و پنوماتیکی و... حرکت کند. دو حالت دسته وجود دارد. اولین آن حالت Rising stem که داخل پیچ یا خارج پیچ میباشد. حالت دوم None-Rising stem میباشد که در این حالت دسته و تنظیم کننده دستی در دو سمت میباشند.
بدنه و درپوش: جنس بدنه پارامتر مهمی است که بستگی به نوع فرآیند دارد.
آببندی: شیرهایی که دسته دارند تجهیزات آببندی بین دسته و درپوش و یا بدنه انجام میگیرد.
اپراتور: Handlever، Gear، Chain، Habdwheel، Power Operator
پاور اپراتورها دسته شیرهای پنوماتیک، الکتریکال و... میباشند و درحالتهایی که شیر در محوطه کاری خودش باید تنظیم شود و یا نیاز به سرعت بالا برای باز و بسته کردن میباشد بکار میروند.
مراحل انتخاب شیرهای قطع و وصل کننده جریان عبارتست از: جنس شیر، نوع دیسک، نوع دسته، وسیله محرک کننده دسته، نوع درپوش، نوع اتصال، زمان تحویل، قیمت و تضمین عملکرد آن.
برای انتخاب شیر از جدول ابتدا باید نوع سیال داخل شیر مشخص شود سپس نحوه عملکرد شیر مد نظر قرار میگیرد.
در لوله کشی صنعتی برای قطع و وصل جریان از شیر دروازه ای استفاده میشود. اکثر آنها برای تنظیم جریان مناسب نیستند زیرا ارتعاش دیسک باعث خوردگی آن میشود. از انواع شیر دروازهای میتوان به Solid wedge gate valve، plug gate valve، plug valve و ... اشاره کرد.
شیرهای کروی برای تنظیم جریان است که بصورت محکم تری در محل خود بسته میشوند.از انواع شیر کروی میتوان به Globe valve، Angle valve، Needle valve، Pinch valve و... اشاره کرد.
برای جلوگیری از برگشت جریان شیرآلاتی شیرآلاتی جهت عبور سیال و جلوگیری از جریان آن در جهت عکس طراحی شده اند. مانند شیرهای swing check valve، Tiling check valve، lift check valve، stop check valve و...
شیرهای کنترل بصورت خودکار فشار و دبی را تنظیم کرده و در هر فشاری نیز استفاده میشود. شیر کنترل را کوچکتر از سایز انتخاب میکنند تا از ایجاد خفگی و آسیب دیدن نشیمنگاه جلوگیری شود. عملکرد آن به این صورت است که کنترلر سیگنالهای فشاری را دریافت کرده و آنها را با افت فشار اصلی مقایسه کرده، چنانکه دبی واقعی باشد شیر کنترل جهت کم و زیاد کردن دبی تنظیم میشود. شیرهای کنترل مانند:
Pressure regulator: فشار پایین دست را در حد پایین تری از فشار مطلوب تنظیم میکند.
Back pressure regulator: جهت ثابت نگه داشتن فشار بالا دست بکار میرود.
4-مفاهیم و اصول اولیه در طراحی یک کارخانه فرآیندی
طراحی یک کارخانه فرآیندی عبارتست از طراحی تجهیزات موزد نیاز و مشخص نمودن محل قرارگیری آنها و ارتباط آنها توسط لوله کشی، بطوزی که اهداف فرآیند تامین شود. طراح نقشه در ابتدا باید دانش کافی در مورد محل قرارگیری تجهیزات و عملکرد آنها با توجه به موقعیت جغرافیایی کارخانه را داشته باشد. ثانیا باید در مورد جایگذاری تجهیزات و مسیریابی و کنترل آنها اطلاعات کافی داشته باشد. طراح باید مهارتهایی از قبیل داشتن منطق و خلاقیت، شناخت فرایند، داشتن اطلاعاتی در مورد تعمیر و نگهداری، بکارگیری هزینه معقول و توانایی دفاع از طرح و ایجاد مدرک دقیق را داشته باشد.
کارکرد اساسی و وظایف طراح، شامل تولید طرح از مقدمات تا جانمایی و ایمنی آنها میباشد. کارکرد یک طراح عبارتند از:
تعیین مکان تجهیزات: انتخاب مکان قرار گیری تجهیزات با توجه به شرایط جغرافیایی و دما و باد و.. و دسترسی آسان با تجهیزات میباشد. با قرار دادن مختصات در سه جهت شرق یا غرب، شمال یا جنوب و ارتفاع تجهیزات، تجهیزات مشخص میشوند. در این مرحله باید نکات ایمنی و اقتصادی نیز در نظر گرفته شود.
طراحی محل قرارگیری نازلهای تجهیزات: باید اهداف فرایند، نیازهای فرعی و کنترلی و لوله کشی برآورده سازد.
طراحی سازههای فلزی و بتنی: طراح باید پیش بینی لازم را جهت دسترسی آسان در هنگام تعمیر و نگهداری و دسترسی به محلهای ضروری را انجام دهد.
مسیریابی و طراحی لوله کشی روی زمین و زیر زمین
مشخص کردن مکان ایمنی: طراحی با در نظر گرفتن ایمنی شامل اضافه نمودن جادههایی برای دسترسی به تجهیزات آتش نشانی و اطفا حریق، اضافه نمودن پلکان اضطراری و مراکز درمانی است.
مشخص کردن مکان متفرقه
داده های پروژه به سه دسته دادههای طرح پروژه، دادههای فروشنده و دادههای سندی داخلی تقسیم بندی میشوند که در زیر به شرح آن پرداخته شده است.
دادههای طرح پروژه: این دادهها شامل محل جغرافیایی و شرایط آب و هوایی است.
دادههای فروشنده: تمام تجهیزات خریداری شده به نقشههای اولیه فروشنده برای طراحی نیاز است.
دادههای سندی داخلی: این اطلاعات ابتدایی برای ارتباط طراح با بخشهای دیگر سازمان میباشد.
طراحی کارخانه در سه مرحله انجام میشود که در زیر شرح داده شده است.
طرح ابتدایی: در این مرحله طراحی فرآیند انجام میشود که محصول آن نقشه و دیاگرام است.
مطالعه بر روی طرح: بر اساس فرآیند طراحی شده، نقشه ابتدایی مورد اجرا قرار میگیرد.
دیتیل کردن طرح نهایی: نقشهها و پلانهای نهایی در این قسمت ایجاد میشوند. به زمان زیادی نیاز دارد و محصول آن ایجاد گزارش جهت خرید و سفارش میباشد.
اصطلاحات و مفاهیم طراحی که در علم طراحی نقشه کارخانه یا پالایشگاه مورد استفاده قرار میگیرد عبارتست از:
دیاگرام فرآیند (PFD): این نقشه فرآیند کارخانه و موارد اصلی تجهیزات و چگونگی ارتباط آنها با
یکدیگر را نشان میدهد. همچنین برای طراحی مقدماتی کارخانه نیز بکار میرود.
دیاگرام لوله کشی به همراه ابزار دقیق (P&ID): این نقشه بصورت شماتیک فرآیند مورد نیاز، تجهیزات، لولههای بکار رفته به همراه نام گذاری و سایز آنها را نمایش میدهد.
لیست تجهیزات: لیست نام گذاری شده و محاسبه شده تجهیزات است.
مشخصههای فنی لولهگذاری: این سند نوع محدوده کاری مورد استفاده برای لولهها و شیرها و... و برای هر جنس بر اساس کلاس کاری لیست میکند. این سند همچنین کدها و استانداردها را نیز توصیف میکند.
مسیر خط: این نقشه مسیر فیزیکی لوله بین دو نقطه که توسط طراح تعیین شده را نشان میدهد.
یک طراح نقشه کارخانه باید فضای لازم برای نگهداری و تغییر تجهیزات را پیش بینی کند. همچنین طراح باید بین هزینه اولیه، ایمنی و طراحی توازن برقرار کند. در برخی فرآیندها، تجهیزات برای جلوگیری از اتلاف گرما به حرارت خارجی نیاز داشته باشند که این حرارت توسط لولهای که سیال گرم را حمل میکند تامین میشود. هرگونه عملیات کنترلی که بر روی شیرها و ابزار آلات صورت میگیرد را "عملیات" مینامند. هدر خط لولهای است که شاخههای زیادی از آن انشعاب گرفته میشود.
سیستم باز سیستمی است که در آن مواد خط تخلیه شده و بازیافت نمیگردد. سیستم بسته سیستمی است که مواد شیرهای اطمینان یا تله بخار بازیافت میشوند.
هر آرایش در لولهکشی باید بطور کافی انعطاف پذیر باشد تا به هر خط اجازه دهد از نظر حرارتی منبسط یا منقبض شود بطوریکه نیروی وارد بر تجهیزات کاهش یابد. بکارگیری روشهایی از قبیل اضافه نمودن لوپ و اتصالات انبساط و کم کردن ضخامت لوله.
تکیهگاهها، سازههایی برای نگهداری لوله و گرفتن درجات آزادی حرکت لولهها در جهات مختلف است. تکیهگاه یا قیود با توجه به تابع و راستای عملکرد تقسیم بندی میشوند. تابع عملکرد نشانگر درجه قید بر حسب مقاومت به حالتهای مختلف بارگذاری است. به عبارت دیگر نشان میدهد که قید مربوطه چه تعداد درجه آزادی را مقید کرده است. جهات اصلی قیود آنهایی هستند که در محور سهگانه لوله اثر میکنند. محور محلی برای یک لوله در صفحه افقی بصورت عمودی (جهت اعمال وزن)، محوری (موازی راستای لوله) و جانبی (عمود بر راستای لوله) میباشند. انواعی از تکیهگاهها به شرح زیر است.
تکیه گاهی که فقط برای تحمل وزن لوله بکار میروند.
تکیه گاهی که از حرکت لوله در جهات خاص جلوگیری میکند.
تکیه گاهی که امکان حرکت در تمام جهات لوله رو میگیرد.
کفشک لوله
تکیهگاه فنری
تکیه گاه ترنیون با پایه ساختگی
براکتها
تکیه گاه hanger: قابلیت تحمل بار عمودی رو به پایین را دارد.
تکیه گاه anchor: حرکت در 6 درجه آزادی را مقید و در پایان و آغاز تحلیل تنش بکار میروند.
تکیه گاه restraint: حرکت در 1 تا 7 درجه آزادی را مقید میکند.
5-قواعد جانمایی در طراحی کارخانه فرآیندی
یکی از نکات مهم در طراحی بکارگرفتن کمترین مقدار فضا برای طرح میباشد زیرا این کار باعث افزایش فضا برای افراد مشغول در کارخانه میشود. طراحی منیفلد فرصتی برای نشان دادن خلاقیت طراح در طراحی بهینه است. منیفلد عبارتست از یک شاخه اصلی که از آن انشعابات زیادی گرفته میشود. قواعد جانمایی در زیر شرح داده شده که طراح نقشه باید به آنها مسلط باشد.
اعمال تغییرات در اسناد: آخرین نسخه اسناد باید در دسترس طراح باشد بطوری که طراح از تاریخچه تغییرات در اسناد مطلع شود.
دسترسی: اپراتور باید به فضای مورد نیاز بین تجهیزات بکارگیری شیرها، بازدید از ابزارهای دقیق و... دسترسی کامل داشته باشد. همه موارد فواصل و راههای دسترسی باید طبق قوائد محدودیت آن انجام شود.
مکانهای تجهیزات: تجهیزات از نظر قرارگیری مکانی به دو دسته ناحیه فرایند اصلی و ناحیه فرایند جانبی تقسیم میشود. در ناحیه فرایند اصلی فرایند اصلی و عمومی انجام میشود و در ناحیه فرایند جانبی تجهیزات جانبی و براورده ساختن نیازهای فرایند اصلی میباشند.
ارتفاع تجهیزات: تجهیزات در حداقل ارتفاع از زمین برای تامین فرایند و عملکرد اپراتور قرار میگیرند. برخی تجهیزات بر روی پایه بتنی و برخی بر استراکچر ها سوار میشوند.
جادهها، سنگ فرش، راه آهن: در هر کارخانه باید جادههای برای ارتباط با واحدهای فرایند و واحد جانبی و اطفا حریق و... در نظر گرفته شود. در شبکه جادهای باید توقف گاههایی تعبیه شده باشد.
سکوها، نردبانها، پله ها: در کله تجهیزات که نیاز به جایی برای ایستادن اپراتور در ارتفاع میباشد باید پلت فرم را پیشبینی کرد. پلهها وظیفه هدایت پرسنل را به طبقات مختلف دارند. سیستمهای راه آهن یکی از خطوط اصلی را تشکیل میدهند کخ باید بر طبق استانداردها طراحی شوند.
نگهداری: فاصله مناسبی در اطراف سیستم کنترلی که نیاز به سرویس دارند در نظر گرفته میشود.
انجام عملیات در کارخانه: باید راههای دسترسی مناسبی در ارتفاعات مختلف یا پلت فرمها برای انجام عملیات در وضعیتی ایمن تعبیه شود.
لولهکشی بالای زمین: به جز ایستگاه پمپاژ خطوط لوله مجرای فاضلاب و... باید بالای زمین باشد.
مسیر پاپینگ ممکن است تحت تاثیر دمای کاری، وزن لوله، هزینه مصالح و... قرار گیرد اما یک طراح با تجربه هنر مهندسی خویش را در ایجاد یک طرح ساده و قابل درک بکار میگیرد. طراحی لولهکشی بر اساس P&ID و مدرک Plot Plan که نشان دهنده مکان تجهیزات میباشد، شکل میگیرد. نحوه نصب لولهها بسته به معیار طراحی متغیر است. مواردی که در پایپینگ باید رعایت شود شرح داده شده است:
مقدار انبساط تجهیزات باید مورد توجه قرار گیرد.
تجهیزاتی که الکتروموتور دارند به عکس العمل نازل کمتری احتیاج دارند. پس باید تکیهگاه لوله به نازل نزدیک باشد تا بار روی نازل کاهش یابد.
لولهها باید در ارتفاعات یکسانی باشند.
اگر لوله به بالا یا پایین میرود باید در نقاط بالا هواگیر، و در نقاط پایین امکان تخلیه سیال باشد.
حداقل ارتفاع لوله باید 2.1متر باشد.
در قسمتهایی که نیاز به تعمیر و نگهداری دارند نباید لولهکشی انجام شود.
قسمتهایی که نیاز به بازدید دارند باید طراحی به گونهای باشد که فضای کافی برای دسترسی وجود داشته باشد.
6-طراحی مدرک Plot Plan:
Plot Plan عبارتست از یک نقشه آرایش یافته که مشخص کننده محدوده کار یک کارخانه، جاده، تجهیزات و محل قرار گیری آنها، ساختمان صنعتی و غیر صنعتی و... است. آنها در چند مرحله از برداشت اولیه تا سندهای اندازه گذاری شده در مرحله ساخت، ایجاد میشوند. Plot Plan نهایی تمام اجزا را با شماره مخصوص مشخص میکند و بصورت دوبعدی میباشد. Plot Plan یکی از مدرکهای مهم میباشد که طی فاز مهندسی ایجاد میشود و از آن برای جانمایی تجهیزات و همچنین ثبت فعالیت مهندسی و ساخت استفاده میگردد. Plot Plan در زمینههای مختلفی از قبیل طراحی لوله، سازه،مهندسی برق، مهندسی ابزار دقیق، مهندسی سیستم، زمانبندی و کنترل پروژه، ساخت، برآورد و استفاده کارفرما استفاده میشود. ایجاد Plot Plan علم دقیقی نیست چون جانمایی آن در ابتدای پروژه انجام میشود. هدف نهایی ایجاد یک نقشه مطمئن و مقرون به صرفه است که حداقل 25 سال مورد استفاده قرار گیرد. Plot Plan اغلب توسط فرآیندشان مشخص میشود که اساسا به دو دسته تقسیم میشوند.
آرایش افقی برای نصب روی سطوح که این آرایش در یک محیط مستطیلی قرار میگیرد. مزیت آن این است که تجهیزات روی زمین قرار میگیرند و ساخت آن آسانتر است و عیب آن مقدار قابل توجه سطح مورد نیاز و مسیرهای طولانی خطوط است.
آرایش عمودی جهت نصب روی سازه: در این آرایش تجهیزات بر روی سازه فولادی و بتنی نصب میشود. مزیت آن آرایش اندک زمین مورد نیاز و قابلیت محصور بندی تجهیزات است. عیب آن در مورد اپراتور و دسترسی جهت نگهداری است.
طراح هنگام جانمایی تجهیزات باید فاکتورهای متعددی را درنظر آورد. این موارد عبارتند از:
لوله کشی اقتصادی: ابتدا دیاگرام به گروه کوچکتر تجهیزات تقسیم شده و و دستگاهها و کل مجموعه طوری آرایش مییابند که اقتصادیترین ارتباط بین سیستمها برقرار گردد.
محدودیت جانمایی کارخانه: مشخص کننده فاصله مورد نیاز بین تجهیزات و محدودیت فاصله ارتفاعی اپراتور و نگهداری میباشد.
براورده ساختن نیازهای فرآیند
عملکرد مشترک: تجهیزاتی که نیاز به توجه مستمر اپراتور دارند یا دارای تاسیسات و امکانات نگهداری مشابه هستند، در یک فضا قرار میگیرند.
در دسترس بودن زمین
سایز تجهیزات: طراح تجهیزات بزرگتر را در مرکز قرار داده و سایر تجهیزات را اطراف آن جانمایی میکند.
امکانات زیر زمینی
شرایط آب و هوایی
بسترهای لوله: سازهای فولادی است که میتواند جهت تامین ظرفیت سیستم مورد نیاز برای یک سرویس بصورت یک یا چند طبقه ساخته شود. آرایش بستر لوله متاثر از چیدمان تجهیزات، ظرایط سایت، درخواست کارفرما و اقتصاد خواهد بود. حالت ایدهآل یک آرایش مستقیم است.
جادهها، راهها دسترسی، پیادهروها: مسیرهای دسترسی باید در داخل واحد و به منظور دسترسی به آیتمهایی که نیاز به سرویس دارند، تعبیه گردد.
ساختمانها
فاصله تجهیزات: آخرین قدم فاصله بندی و ساپورت بندی تجهیزات میباشد. طراح باید قبل از تایید آرایش نهایی با یک مهندس فرایند مشاوره نماید تا سایز لولهها را بداند.
7-نقشه ها و مدارک مورد نیاز در طراحی پایپینگ
به منظور انجام فعالیتهای مربوط به یک پروژه لازم است یک تیم پروژه زیر نظر مدیر پروژه مشغول شوند. مدیر پروژه مسئول و کنترل کننده فعالیتها میباشد. مهندس پایپینگ موظف است پروژه را طوری کنترل کند که هدف نهایی حاصل شود. از جمله مسئولیت او تحلیل تنش، طراحی تکیهگاه و پیشگیری از واماندگی سیال و... میباشد. یکی از توانایی های مهندس پایپینگ، توانایی شناخت مدیریت اسناد و مدارک میباشد. مدارک مورد استفاده در مهندسی پایپینگ در زیر شرح داده شده است.
دیاگرام فرآیند یا جریان (P.F.D): پایه و اساس هرگونه طراحی پایپینگ که توسط مهندس شیمی طراحی میشود. این دیاگرام در مرحله Basic Design طراحی میشود و تجهیزات و ارتباطات را
به همراه اطلاعات فرآیندی نمایش میدهد.
دیاگرام لوله کشی به همراه ابزار دقیق (P&ID): سندی که براساس دیاگرام فرآیند پایه ریزی میشود. این دیاگرام مشخصات فرآیندی تجهیزات مورد نیاز لولهکشی، نحوه اتصالات لولهها، سیستم عایق بندی، سایز لوله، جهت جریان و خطوط شیبدار را بر اساس شماره خطها نشان میدهد. شماره خطوط اطلاعاتی از قبیل قطر اسمی لوله، کلاس کاری، سرویس داخل لوله را در بر دارد. این دیاگرامها برای نمایش تجهیزات و پروسه طراحی پایپینگ هستند.
لیست خط: اعداد نشانگر شماره خط به منظور مشخص شدن در لیست خط میباشند. لیست خط شامل تمام خطوط پروژه است که با توجه به اعداد نشانگر طبقه بندی میشود که تمام پارامترهای طراحی خط شامل قطر، ضخامت، دما و جنس و نوع سیال و... را در بر میگیرد.
لیست تجهیزات: لیست کردن تجهیزات با شمارهبندی و توضیحات فرآیندی
Piping specification: در انجام پروژه طراحی کارخانه نیاز به مدارکی است که محدودیتهای کاری را در طراحی و خرید و... را مشخص کند. از جمله این مدارک میتوان به Insulation Specification، Painting Specification، Supporting Specification اشاره کرد. برای جلوگیری از اتلاف وقت، سلیقهای نشدن پروژه، مسائل اقتصادی و جلوگیری از اشتباه فنی در مسائل دارای اهمیت در قسمت مهندسی پروژه نوشته میشود.
Plot Plan: در واقع همان جانمایی تجهیزات است.
نقشه طراحی پایپینگ: این نقشه مسیر و شکل دقیق سیستم پایپینگ را نشان میدهد و اصلی ترین سند مورد استفاده توسط مهندس پایپینگ است. این نقشه شامل نمای بالا و جانب است. برای مشخص شدن مسیر پایپینگ باید هر دو نما رسم شود. مبنای دیگر در نقشه پایپینگ موقعیت شمال است که به عنوان جهت مبنا بکار میرود.
مدل اشل و نقشه مرکب: نقشههای مرکب ترکیبی از نقشههای سازهای، سیستم پایپینگ، سیستم HVAC و تجهیزات میباشد که امکان استفاده موثر از فضای موجود را فراهم میکند. مدل اشل در واقع نسخه کاهش یافته از پروژه است که شامل تجهیزات و سازه پایپینگ است. این نحوه نمایش در طراحی و ساخت و نصب کمک میکند.
نقشه ایزومتریک پایپینگ: نمایش سه بعدی از سیستم پایپینگ است و زمانی استفاده میشود که نمایش مفهومی و طرح کلی مهمتر از ابعاد دقیق اشل میباشد. این نقشهها در نصب و راه اندازی پایپینگ و مدلهای تحلیل تنش بکار میروند.
ایزومتریک ساپورت: موقعیت ساختمانها و جهت حداقل کردن تعداد قیود انجام میگیرد. موارد زیر باید در نقشهها پوشش داده شود.
نشان دادن سیستم مختصات Global
سیستم پایپینگ باید به یک ساختمان مبنا مشخص شود.
انتخاب نقاط گرهای لوله در نقاطی که درای خیز بالایی هستند.
موقعیت، کارکرد و راستای عکس العمل تکیهگاهها باید مشخص شود.
تعیین ابعاد بین نقاط گرهای
نقشههای بازرسی سیستم در حال سرویس: هنگامی که سیستم در حال کار است باید بسته به حساسیت سیستم مراقبت ویژهای صورت گیرد. این نقشه به منظور کمک به گروه بازرسی در امتحان کردن اجزا تهیه میشوند. این مدارک آخرین مدرک در پروژه پایپینگ است.
8-تاریخچه اسناد کاربردی
مدارکهای کاربردی توسط گروههای تخصصی نوشته میشود که افراد این گرهها نماینده صنایع، انجمنهای حرفهای و مشاورین میباشند. این اسناد در برخی زمینههای خاص مشخصات مورد نیاز را در قالب اصول اساسی مطرح میکنند. این اسناد کاربردی بصورت زیر است.
کد: گروهی از قوانین یا استاندارد سیستماتیک برای طراحی، ساخت و بازرسی و... است که طوری تنظیم میشود که با قوانین مدون کشور سازگار باشد. کدها یک سری محدودیتها و ممنوعیتها را شامل میشوند که بایستی جهت استاندارد سازی لحاظ شود.
استاندارد: اسنادی هستند که توسط یک گروه حرفهای که شایستگی و تجربه مهندسی لازم را دارند تدوین میگردند. این موارد پارامترهای لازم در طراحی را مشخص میکنند.
توصیه عملی: اسنادی هستند که توسط یک گروه حرفهای تدوین میشوند.
راهنماها: اسنادی تهیه شده توسط گروههای مهندسی هستند که شامل روشهای متعدد مهندسی میشوند. این راهنماییها در صورت صلاحدید مهندس طراح میتواند مورد استفاده قرار گیرد. اغلب این راهنماها نسخه اصلاح شده استانداردهای موجود هستند بطوری که با دیدگاه خاص طراحی در آن واحد صنعتی سازگاری داشته باشند.
9-استاندارد کاربردی مربوط به پایپینگ
این اطلاعات صرفا برای راهنمایی استفاده از این کدها و استانداردها ارایه میشود. در زیر به توضیح استانداردهای بین المللی پرداخته شده است.
موسسه فولاد سازی آمریکا (AISC): این کد معادلات طراحی و روشهای عملی تایید شده برای فولاد ساختمانی را شامل میگردد. در ساخت سازه فولادی از این کد استفاده میشود.
موسسه استاندارد ملی آمریکا (ANSI): فعالیتهای آن عبارتست از: مشخص کردن اینکه چه استانداردی در چه زمانی مورد نیاز است، تایید شایستگی سازمانهای داوطلب، تهیه پروسههای موثر برای سازمانهایی که استاندارد مینویسند، با اعمال نظارت استفاده موثر از منابع را باعث میشود.
انجمن استاندارد سازی تولیدکنندگان شیر(MSS): یک سازمان ملی در صنعت شیر و فیتینگ است. حداقل الزامات طراحی این کدها توسط صنایع به عنوان یک استاندارد برای تمام قسمتهای سیستم پایپینگ بکار میرود.
انجمن مهندسان مکانیک آمریکا (ASME): این کد طراحی وساخت بویلرهای نیروگاه حرارتی و مخازن تحت فشار را شامل میشود. این کدها به ترتیب عبارتند از: بویلرهای نیروگاهی، مشخصه مواد، اجزای نیروگاه هستهای، بویلر حرارتی، تست غیر مخرب، قوانین نگهداری بویلر حرارتی، قوانین نگهداری بویلر نیروگاهی، مخازن تحت فشار، جوشکاری و لحیم کاری، مخازن تحت فشار تقویت شده توسط فایبر گلاس، قوانین بازرسی قسمتهای نیروگاه هستهای
مرزهای کدهای مختلف: وقتی بیشتر از یک کد برای تعیین معیار سیستمها وجود داشته باشد و یا
معیارهای متعددی توسط یک کد تعیین شده باشد مرز این معیارها باید مشخص شود.
انجمن آمریکایی تست و مواد (ASTM): به منظور تدوین استانداردهایی درباره مشخصات و کارایی مواد و محصولات و سرویسهای لازم تاسیس شد. این استانداردها در مورد مشخصات استاندارد روشهای تست، تقسیمبندی، تعاریف و روش علمی و... تقسیم میشد. تمامی مواردی که در پایپینگ بکار میروند تحت آزمایشات ASTM قرار میگیرند.
انجمن قوانین مخازن تحت فشار و بویلر: هدف این است که قوانین مربوط به بویلرها و مخازن و آژانسهای مربوطه بصورت واحد ارائه شوند. به همین دلیل توصیه میکند که مهندسین و بازرسین از کد مخازن و بویلر ASME استفاده کنند.
بورد ملی ناظرین بویلر و مخازن تحت فشار: این گروه اقداماتی از قبیل واحد سازی قوانین و مقررات مخازن و بویلر، ارتقا استانداردها، ارائه استانداردی برای ناظرین کیفیتاستفاده از یک کد و مهر استاندارد واحد بر بویلر و مخازن که از کدهای ASME استفاده میکنند.
انجمن مهندسین حرارت مرکزی و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE): هدف ارتقا و توسعه صنعت حرارت مرکزی و یخچال و تهویه مطبوع به نفع عموم مردم میباشد.
موسسه ساخت لوله (PFI): هدف و الزام جدی و به اثبات رسیده در سطح طراحی و تجاری است.
اداره کل سلامت و امنیت مشاغل (OSHA): مواردی مانند راحتی دسترسی و ارتفاع مناسب در سیستم را مشخص کرده و قانون مربوطه را تصریح میکند. این الزامات باید به دقت توسط مهندسین پایپینگ بررسی شود تا بتوانند موارد موثر دیگر در طراحی را بدست آورند.
انجمن جوش آمریکا (AWS): اطلاعاتی در زمینه مقدمات جوشکاری، طراحی جوش، تربیت نیروی انسانی در جوشکاری، آزمایش و بازرسی جوش و راهنمایی در زمینه استفاده از جوش ارائه میکند.
کدهای ساختمانی (SBC): الزاماتی را در ارتباط با امنیت و بی خطر بودن سازه ساختمانی در برمیگیرد.
کمیسیون آیین نامههای هستهای (NRC): یک آزانس قانونگذاری است که الزامات مربوط به صنایع هستهای و آیین نامه و اجازه ساخت و جواز عملکرد نیروگاه هستهای را صادر میکند. قوانین و آیین نامههای آن به کدی بنام CFR معروف است. بخشهایی از CFR که در سیستم پایپینگ مورد توجه میباشند عبارتند از: گزارش نقایص، صدور مجوز برای تولید و معیار انتخاب محل راکتور هستهای. NRC راهنماییهایی را منتشر میکند که روشهای مورد قبول کادر NRC در پیادهسازی بخشهای مختلف آیین نامه NRC را توضیح دهد. راهنمایی آیین نامهای که در سیستم پایپینگ
مورد توجه هستند عبارتند از: 1-مقدمه، 2-توضیحات، 3-جایگاه آیین نامه، 4-استفاده از استاندارد ANSI، 5-اجرای آیین نامه
زمانی که NRC متوجه عدم کفایت در اجرای آیین نامه از سوی کاربران میشود، در مورد بازرسی و اجرای قوانین یک بیانیه به گروهی از بخشهلی دارای مجوز که نیاز به بازرسی دارند منتشر میکند. این بیانیه شامل مجموعه کارهایی که باید انجام شود و جدول زمانبندی کارها میباشد.
صادر کننده مجوز در NRC نقشه مرور استاندارد را به عنوان راهنمایی برای استفاده در کاربردهای هستهای ارائه میدهد. این نقشهها SRP نامیده میشوند. همچنین یک پایه مشخص به منظور ارزیابی تغییرات احتمالی و نیازها در آینده ارائه میکند. در حال حاضر بیش از 200 نوع آن وجود دارد که هر کدام با توجه به کاربرد آن مشخص میشود.
