زانویی 90 درجه در مقابل زانویی 45 درجه: ویژگی های افت فشار و جریان در طراحی لوله کشی

چرا زاویه آرنج بیشتر از آنچه مهندسان انتظار دارند اهمیت دارد؟

یک زانویی 45 درجه تقریباً 40 تا 50٪ فشار کمتری نسبت به زانویی 90 درجه از همان سوراخ از دست می دهد، اما فقط جریان را 45 درجه می چرخاند. سوال درست هرگز این نیست که "کدامیک بهتر است" - این است که "کدام هندسه چرخشی کمترین هزینه عمر را برای این جریان، این فضا و این سرویس می دهد." برای چرخش راست-زاویه، یک زانویی بلند-با شعاع 90 درجه پیش‌فرض است. برای یک افست تدریجی، یک زانویی 45 درجه (یا دو مورد از آنها) در هیدرولیک و فرسایش برنده است.

هر بار که یک سیال جهت خود را تغییر می دهد، هزینه ای را می پردازد. مایع باید به دیواره بیرونی خم فشار داده شود، سپس مجدداً-شتاب داده شود و در راه خروج مجدد- مخلوط شود. این قیمت به صورت افت فشار در پمپ، به صورت تلاطمی که دیواره لوله را پاک می کند، و به صورت فرسایش در سرویس مملو از ذرات- نشان داده می شود. آرنج‌ها - که رایج‌ترین آنها 90 درجه و 45 درجه - هستند، جایی که بیشتر آن قیمت پرداخت می‌شود.

این مقاله به ترتیب به سوالاتی که یک مهندس پروژه می پرسد پاسخ می دهد: افت آرنج چگونه محاسبه می شود؟ آرنج 45 درجه چقدر کمتر از دست می دهد؟ جریان پایین دست چه می شود؟ هندسه چگونه با فرسایش و موادی مانند 304/316L، آلیاژهای دوبلکس و نیکل برهمکنش دارد؟ و در نهایت - چگونه بدون مهندسی بیش از حد- به درستی مشخص می‌کنید؟

تفاوت بین آرنج 90 درجه و 45 درجه چیست؟

هر دو آرنج با زاویه خم و شعاع خط مرکزی آنها مشخص می شوند. "90 درجه در مقابل 45 درجه" تعیین می کند که جریان تا چه اندازه می چرخد. "شعاع طولانی (1.5D) در مقابل شعاع کوتاه (1.0D)" میزان نرمی چرخش آن را تنظیم می کند. شعاع اغلب بیشتر از زاویه برای افت فشار و فرسایش اهمیت دارد.

زانویی اتصال لوله ای است که جهت جریان را تغییر می دهد. دو ویژگی آن را توصیف می کند:

• زاویه خم - زاویه ای که جریان از طریق آن می چرخد. 90 درجه یک چرخش راست-زاویه است. 45 درجه یک افست مورب است. 180 درجه یک خم برگشت است.
• شعاع خط مرکزی - از مرکز انحنا تا خط مرکزی لوله اندازه‌گیری می‌شود. شعاع بلند (LR)=1.5 × اندازه اسمی لوله. شعاع کوتاه (SR)=1.0 × اندازه اسمی لوله.

ترکیب این دو، چهار زانویی را به دست می‌دهد که بر صنعت مسلط هستند: 90 درجه LR، 90 درجه SR، 45 درجه LR و 45 درجه SR. استانداردهای ابعادی حاکم بر اساس شعاع متفاوت است، نه بر اساس زاویه:

ASME B16.9 مرکز-تا-پایان ابعاد (اندازه‌های انتخابی)

بعد از مرکز-به-آن چیزی است که طراحی قرقره برای هر تغییر جهت اضافه می‌کند. برای یک آرنج با شعاع بلند، برابر با 1.5 × NPS است. توجه داشته باشید که زانویی 45 درجه چقدر کوتاهتر از 90 درجه است - که بر فاصله پشتیبانی و تحلیل تنش تأثیر می گذارد، نه فقط هیدرولیک.

منبع: جداول ابعادی ASME B16.9-2018 (شعاع بلند) و ASME B16.28 (شعاع کوتاه).

چگونه می توان افت فشار آرنج را محاسبه کرد؟

از روش فاکتور K- استفاده کنید. تلفات محلی ΔP=K × (ρV² / 2) است، که در آن K یک ضریب تلفات بدون بعد و V سرعت متوسط ​​است. برای تا کردن زانو در یک محاسبه لوله مستقیم، آن را به طولی معادل تبدیل کنید: L_eq=K × D / f. همیشه یک روش و منبع را در کل خط نگه دارید.

از دست دادن آرنج یک افت "جزئی" یا "محلی" است، اما در سیستم‌هایی با دویدن کوتاه و اتصالات زیاد می‌تواند به راحتی 20 تا 50 درصد افت فشار کل سیستم را به خود اختصاص دهد. دو روش عمل استاندارد هستند:

روش ضریب K-(ضریب مقاومت). ΔP=K · (ρV²/2)، یا به عبارت سر h_L=K · V²/(2g). دقیق تر، زیرا K را می توان برای عدد رینولدز تصحیح کرد.

روش طول معادل-. هر اتصالات به صورت طول لوله مستقیم، L_eq=K · D / f، به طول فیزیکی در یک محاسبه Darcy-Weisbach اضافه می‌شود. ساده تر، اما فقط در جریان کاملاً آشفته معتبر است.

شماره مقاله فنی جرثقیل. 410 ضریب مقاومت را به صورت K=n · f_T بیان می‌کند، که در آن n یک مقدار ثابت L/D برای اتصالات است و f_T ضریب اصطکاک کاملاً{4}} آشفته برای اندازه لوله است. به همین دلیل است که همان زانویی در لوله های کوچک K بالاتر (f_T بالاتر) و در لوله بزرگ K پایین تر دارد.

مثال کارکرده - یک زانویی LR 90 درجه، NPS 6، آب با سرعت 2 متر بر ثانیه

آب (ρ=1000 kg/m³) در V=2 m/s → سرعت سرعت ρV²/2=1000 × 2² / 2=2000 Pa=2.0 کیلو پاسکال. با K ≈ 0.3 برای یک آرنج LR 90 درجه: ΔP=0.3 × 2.0=0.6 کیلو پاسکال در هر آرنج، یعنی از دست دادن سر ≈ 0.06 متر. یک زانویی 45 درجه از همان سوراخ (K ≈ 0.2) فقط ≈ 0.4 کیلو پاسکال - حدود یک -کمتر از دست می دهد.

یک آرنج 45 درجه چقدر افت فشار کمتری دارد؟

در مقابل یک آرنج با شعاع کوتاه 90 درجه، آرنج 45 درجه تقریباً 40 تا 50 درصد کمتر از دست می‌دهد. در برابر زانویی با شعاع 90 درجه، شکاف به حدود 30 تا 40 درصد کاهش می‌یابد زیرا شعاع، نه زاویه، بیشتر کار را انجام می‌دهد. آرنج 45 درجه به طور خودکار "نیمی" از آرنج 90 درجه LR نیست.

فاکتورهای K{0} منتشر شده متفاوت هستند زیرا به نسبت شعاع (r/D)، اندازه، نوع اتصال و عدد رینولدز بستگی دارند. جدول زیر منابع اصلی را با یک محدوده ثابت برای جریان آب متلاطم تطبیق می دهد.

منابع: کرین TP{6}}410 (n=30 برای استاندارد 90 درجه؛ n=16 برای 90 درجه LR و 45 درجه ); جداول ارزش نوتریوم K{15} (استاندارد 45 درجه 0.35، 45 درجه LR 0.20، استاندارد منحنی 90 درجه 0.75، 90 درجه LR 0.45)؛ جداول PE{16}}کالک / جداول برگرفته از موسسه هیدرولیک (فلنجدار 90 درجه معمولی 0.3، 90 درجه LR 0.2، 45 درجه معمولی 0.2).

جرثقیل TP{1}}410 ضریب K بر اساس اندازه لوله

از آنجا که K=n · f_T، همان هندسه زانویی K کوچکتری را با بزرگ شدن اندازه لوله به دست می دهد. به همین دلیل است که خطوط{3}}قطر بزرگ می توانند اتصالات را بهتر از خطوط ابزار کوچک تحمل کنند.

جرثقیل TP{2}}410، فولاد تجاری تمیز. نکته: در روش کلاسیک کرین n، زانویی 45 درجه و LR 90 درجه مشترک n=16 است. داده های 3-K / BHRA 45 درجه ضریب کمتری را اختصاص می دهند، به همین دلیل است که محدوده های عملی بالا به عنوان باند ارائه می شوند.

Important nuance: In large-diameter lines (>NPS 8) برخی از جداول قدیمی‌تر یک مقدار K 45 درجه نزدیک به شعاع 90 درجه یا حتی بالاتر از آن را نشان می‌دهند. این یک مصنوع شناخته شده از مجموعه داده های موسسه هیدرولیک 1961 است. همبستگی‌های مدرن (Darby 3-K، BHRA) نتیجه شهودی فیزیکی K (90 درجه ) > K (45 درجه) را در تمام قطرها بازیابی می‌کند. همیشه منبع داده های از دست رفته خود را ذکر کنید.

چه اتفاقی برای جریان پس از خم شدن می افتد؟

یک خم، جریان مستقیم را به یک پروفیل چرخشی و اعوجاج تبدیل می‌کند که به سمت دیواره بیرونی حرکت می‌کند و برای بسیاری از قطر لوله‌ها در پایین دست کج می‌ماند. یک آرنج 90 درجه بیش از یک آرنج با شعاع 45 درجه جریان را مختل می کند و یک آرنج با شعاع کوتاه بیشتر از یک آرنج با شعاع بلند-. این موضوع بلافاصله در بالادست و پایین دست فلومترها، شیرهای کنترل، پمپ ها و نقاط نمونه برداری اهمیت دارد.

وقتی جریان چرخش می‌کند، اینرسی سریع‌تر-سیال را به سمت شعاع بیرونی حرکت می‌دهد (اکسترادو). یک جفت شمارنده-گردابهای ثانویه دوار - یک جفت گرداب دین - در سراسر مقطع- تشکیل می‌شود و جداسازی جریان می‌تواند در شعاع داخلی (intrados) رخ دهد. نتایج عبارتند از:

• یک نمایه سرعت کج که به طور کامل برای بسیاری از قطرهای لوله در پایین دست ایجاد نشده است.
• یک منطقه فشار کم-در اینترادوها و یک ناحیه ضربه-زیاد در اکسترادوها.
• افزایش شدت اغتشاش، نویز و لرزش، به ویژه با یک آرنج شعاع کوتاه-.

اکثر فلومترها، شیرهای کنترلی و پمپ ها به طول مستقیم مشخصی در بالادست (برای ارائه یک پروفیل پایدار) و پایین دست (برای جلوگیری از بارگذاری نامتقارن) نیاز دارند. زانویی 90 درجه که نزدیک به یک متر یا یک سوپاپ قرار می گیرد یکی از دلایل رایج خطای اندازه گیری و سایش زودرس است. در جاهایی که فضا مانع-طول مستقیم توصیه شده توسط فروشنده می‌شود، یک تهویه‌کننده جریان، تغییر فناوری ابزار، یا اصلاح طرح‌بندی را در نظر بگیرید - فرض نکنید که زاویه آرنج متفاوت به تنهایی نمایه کاملاً توسعه‌یافته را بازیابی می‌کند.

آیا باید به جای یک آرنج 90 درجه از دو آرنج 45 درجه استفاده کرد؟

دوآرنج 45 درجهکه توسط یک قطعه قرقره کوتاه ("سگ-پا") به هم متصل می‌شود، می‌تواند یک چرخش 90 درجه با افت فشار کمتر انجام دهد، به‌ویژه اگر هر دو شعاع بلند باشند. اما آنها یک اتصال، یک جوش، دو نقطه بازرسی و طول محوری اضافی اضافه می کنند. قبل از جایگزینی - محاسبه کنید، صرفه جویی اغلب ناچیز است و هزینه ساخت ممکن است از صرفه جویی در مصرف انرژی بیشتر شود.

قانون 1 -در صورت نیاز به افست از دو آرنج 45 درجه استفاده کنید. هنگامی که نیاز به چرخش با زاویه راست دارید، از یک آرنج 90 درجه استفاده کنید. آنها مشکلات طرح بندی مختلف را حل می کنند.

قانون 2 -اگر هیدرولیک سفت است، "دو 45 درجه LR" را با "یک LR 90 درجه" مقایسه کنید و بررسی کنید که آیا یک LR 90 درجه (یا حتی یک خم 3 بعدی) به طور کلی ارزان تر است. افزودن جوش‌ها آزمایش‌ها و خطرات غیرمخرب- را اضافه می‌کند.

زاویه آرنج چگونه بر فرسایش و خوردگی تأثیر می گذارد؟

در سرویس ساینده یا با سرعت بالا، هندسه و مواد باید با هم انتخاب شوند. یک خم شعاع طولانی، ضربه ذرات را در یک منطقه بزرگتر پخش می کند و می تواند تقریباً اوج فرسایش دیواره را در مقابل یک زانویی با شعاع کوتاه به نصف کاهش دهد. آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی (316L، آلیاژهای دوبلکس، نیکل) سقف را بالا می برند، اما مزیت خمش ملایم را از بین نمی برند.

فرسایش در تغییر جهت متمرکز می شود، زیرا ذرات حرکت حرکتی را به خارج منتقل می کنند. سه مکانیسم در آنجا ترکیب می‌شوند: ضربه ذرات، گرداب‌های متلاطم که دیوار را می‌شستند، و - در مایعات - فروپاشی حفره در جایی که فشار کاهش می‌یابد. آرنج‌های شعاعی کوتاه هر سه را تشدید می‌کنند زیرا تغییر تکانه تیزتر است.

ارقام مقایسه‌ای به ازای هر اتصال{0}}داده‌های میدانی سازنده و مطالعات موردی صنعت؛ در مقابل مدل فرسایش و تاریخچه بازرسی خود به عنوان شاخص رفتار کنید و اعتبار سنجی کنید.

داده‌های واقعی-جهانی

یک پالایشگاه تگزاس 0.080 اینچ (2.0 میلی‌متر) از دست دادن دیوار را در زانویی با شعاع کوتاه 4 اینچی SCH 40 تنها پس از 26 ماه در سرویس دوغاب ثبت کرد.

یک خط دوغاب فسفات زانوهای 90 درجه را با زانوهای شعاع بلند جایگزین کرد و نازک شدن دیواره را از ~0.8 میلی متر در ماه به ~ 0.25 میلی متر در ماه در یک آزمایش 14- ماهه برش داد - دو خاموشی کمتر در سال.

یک کارخانه شیمیایی 15٪ انرژی اضافی پمپ را در زانوهای شعاع کوتاه در جریان‌های-بالا ردیابی کرد. تغییر به شعاع بلند باعث کاهش فروپاشی فشار تا 40 درصد و هزینه انرژی 28000 دلار آمریکا در سال شد.

آستانه های سرعت و قواعد هندسه شست

بالای 10 فوت بر ثانیه (3 متر بر ثانیه) در سرویس ساینده، زانوهای با شعاع کوتاه می‌توانند ظرف 2 تا 3 سال نازک شدن دیواره قابل اندازه‌گیری را نشان دهند.

خطوط لوله Piggable معمولاً به حداقل شعاع خمش 1.5 بعدی نیاز دارند - دلیل دیگری که LR 90 درجه پیش فرض برای خطوط انتقال است.

برای خدمات{0}خیلی فرسایشی یا با خلوص بالا، خمیدگی های سه بعدی یا 5 بعدی کاهش فشار را ~40 تا 55 درصد در مقابل 1.5 بعدی، با 1.5 تا 2.5 برابر هزینه اتصال کاهش می دهد.

انتخاب مواد یک تصمیم جداگانه است

زاویه آرنج آلیاژ را تعیین نمی کند. هر دو زانویی 45 درجه و 90 درجه با برنامه ها و استانداردهای مواد یکسان تولید می شوند، بنابراین یک زانویی 304/316L، دوبلکس (2205/2507)، 904L، Inconel 625 یا Hastelloy C276 را می توان در هر زاویه عرضه کرد. انتخاب درجه توسط شیمی سیال، سطح کلرید، دما و هم افزایی فرسایش-خوردگی - هدایت می‌شود، در حالی که انتخاب شعاع توسط هیدرولیک، فضا و سایش هدایت می‌شود. آنها را به طور مستقل تصمیم بگیرید، سپس ترکیب کنید.

90 درجه یا 45 درجه: کدام آرنج را باید مشخص کنید؟

زانوهای با شعاع 90 درجه پیش‌فرض به ASME B16.9 برای لوله‌کشی فرآیند. از زانوهای 45 درجه برای جابجایی های تدریجی، صاف کردن مکش پمپ، سرویس دوغاب/فرسایش و خطوط گرانش استفاده کنید. فقط در جاهایی که فضا محدود است و سرویس تمیز، کم سرعت-و غیرقابل حرکت است، از زانوهای با شعاع کوتاه 90 درجه استفاده کنید.

پنج قانون مشخصات

قانون 1 -زاویه و شعاع حالت: "زانویی، 90 درجه، LR، R=1.5D، SCH 40، ASTM A403 WP316L." سفارشات مبهم باعث می شود تا اتصالات اشتباه انجام شود.

قانون 2 -زانویی 90 درجه را با زانویی 45 درجه تعویض نکنید مگر اینکه چیدمان واقعاً اجازه تغییر 45 درجه یا افست دو تا 45 درجه را بدهد. زاویه ها قابل تعویض نیستند.

قانون 3 -برای سرویس‌های فرسایشی یا سرعت بالا، LR (یا 3D)، دیوار سنگین‌تر و ضخامت مشخص-طرح نظارت با معیارهای بازنشستگی را مشخص کنید.

قانون 4 -یک منبع داده{0}}از دست رفته (مثلاً کرین TP-410) را برای کل سیستم نگه دارید. خطای ترکیبات ضریب K- و منابع طول معادل.

قانون 5 -قبل از نهایی کردن نوع و مکان زانویی، کد و الزامات طول مستقیم{0}} فروشنده را در اطراف متر، شیرها و پمپ ها تأیید کنید.

آیا آرنج 45 درجه (یا آرنج LR) ارزش هزینه اضافی را دارد؟

نتیجه گیری: اتصالات ارزان هستند. انرژی پمپاژ، زمان از کار افتادگی و کار جایگزینی وجود ندارد. اتصالات شعاع بلند و 45 درجه معمولاً 10 تا 30 درصد بیشتر از اتصالات شعاع کوتاه-هزینه دارند، اما می‌توانند افت فشار را 30 تا 50 درصد کاهش دهند و در سرویس‌های فرسایشی می‌توانند عمر مفید را چند برابر کنند. در مورد کل هزینه مالکیت قضاوت کنید، نه قیمت واحد.

معامله-در طول عمر کارخانه یک طرفه است، اما معمولاً یک طرفه-: انرژی و زمان خاموشی صرفه‌جویی شده توسط یک خم نرم‌تر تقریباً همیشه بیشتر از حق بیمه نهایی اتصالات - است، مشروط بر اینکه چیدمان واقعاً شعاع بزرگ‌تری را مجاز می‌سازد. در جایی که اینطور نیست، یک آرنج شعاع کوتاه-یک انتخاب مشروع و مبتنی بر فضا باقی می‌ماند.

سوالات متداول

س: آیا آرنج 45 درجه بهتر از آرنج 90 درجه است؟

پاسخ: نه به طور قطعی. زانویی 45 درجه دارای افت فشار کمتر و تلاطم کمتر است، اما فقط جریان را 45 درجه می چرخاند. فقط زمانی بهتر است که یک تغییر 45 درجه (یا یک جفت که یک افست 90 درجه را تشکیل می دهد) واقعاً با مسیریابی مطابقت داشته باشد.

س: ضریب K- آرنج 90 درجه و 45 درجه چیست؟

A: مقادیر جریان آشفته معمولی: 90 درجه شعاع کوتاه 0.9-1.5. شعاع بلند 90 درجه 0.3-0.6; آرنج 45 درجه 0.2-0.4. اتصالات فلنجی این موارد را کاهش می دهد. اتصالات رشته ای آنها را بالا می برد.

س: چگونه می توانم یک زانویی را به طول لوله معادل تبدیل کنم؟

A: از L_eq=K · D / f استفاده کنید، که در آن D قطر داخلی و f ضریب اصطکاک دارسی است. در جریان کاملاً متلاطم، زانوهای استاندارد حدود 30 بعدی، زانوهای بلند- با شعاع 90 درجه و زانوهای 45 درجه تقریباً 16 بعدی هستند.

س: آیا دو آرنج 45 درجه می توانند جایگزین یک آرنج 90 درجه شوند؟

پاسخ: بله، با یک قرقره اتصال که افست را تنظیم می کند. این جفت می تواند افت فشار را کاهش دهد، اما یک اتصال، یک جوش، نقاط بازرسی و طول محوری را اضافه می کند. قبل از جایگزینی، کل-اثر زندگی را محاسبه کنید.

س: کدام زانو برای سرویس دوغاب یا ساینده بهتر است؟

A: آرنج دراز-شعاع. اوج فرسایش دیوار در یک زانویی با شعاع کوتاه 1.0 بعدی تقریباً دو برابر یک زانویی با شعاع بلند 1.5 بعدی است و عمر مفید دوغاب معمولاً 6-12 ماه در مقابل 18-36 ماه است.

س: آیا زاویه آرنج روی ماده ای که انتخاب می کنم تأثیر می گذارد؟

پاسخ: خیر. هر دو زانویی 45 درجه و 90 درجه طبق برنامه ها و استانداردهای مواد یکسان ساخته شده اند. آلیاژ را از شیمی سیال و دما انتخاب کنید. زاویه را از طرح و هیدرولیک انتخاب کنید.

س: آیا یک آرنج با شعاع کوتاه-تا کنون قابل قبول است؟

پاسخ: بله - در جایی که فضای نصب واقعاً محدود است و سرویس تمیز،-سرعت کم و غیرقابل استفاده-است. این باید یک استثنا مستند باشد، نه یک پیش فرض.

س: حداقل شعاع خم برای پیگینگ چقدر است؟

پاسخ: به طور کلی شعاع خط مرکزی حداقل 1.5 بعدی (یک زانویی با شعاع بلند) لازم است تا ابزارهای تمیز کردن و بازرسی بتوانند عبور کنند. حداقل شعاع خمشی تامین‌کننده خوک خاص را تأیید کنید.