انبساط حرارتی فولاد زنگ نزن آستنیتی: مزایای طراحی برای لوله‌کشی با دمای بالا-

مقدمه

هر ماده با گرم شدن منبسط می شود و وقتی سرد می شود منقبض می شود.فولاد ضد زنگ آستنیتیاز این قاعده مستثنی نیست - و در سیستم‌های لوله‌کشی با دمای-بالا، این تغییر ابعادی به ظاهر جزئی می‌تواند نیروهایی به اندازه کافی بزرگ برای پارگی مخازن، جابجایی پمپ‌ها، تکیه‌گاه‌های سگک و ضمانت‌نامه‌های بی اعتبار ایجاد کند. در یک حادثه مستند در پالایشگاه، یک لوله با قطر 12{11}}اینچ با قطر 316 لیتر که در 260 درجه کار می‌کرد، لنگرهای آن را به میزان 47 میلی‌متر در طی سه سال کار چرخه‌ای جابجا کرد و در نهایت باعث ایجاد ترک خستگی در اتصال شاخه جوش شد. هزینه تعمیر از 280 دلار فراتر رفت،000 - برای یک اتصال انبساط 15 دلاری که با مهندسی ارزش از طرح اصلی ساخته شده بود.

این وبلاگ راهنمای عملی و کاملی در مورد انبساط حرارتی در لوله‌های فولادی زنگ نزن آستنیتی به مهندسان و مشخص‌کننده‌ها ارائه می‌کند: از مقادیر میانگین ضریب انبساط حرارتی (CTE) برای هر درجه معمولی، از طریق محاسبات محدوده تنش جابجایی ASME B31.3، تا انتخاب درز انبساط، فنر سرد، و نمونه‌های قرار دادن پشتیبان در سراسر کار -.

انبساط حرارتی چیست و چرا فولادهای زنگ نزن آستنیتی به طور خاص تحت تأثیر قرار می گیرند؟

فولادهای زنگ نزن آستنیتی (ساختار کریستالی FCC) تقریباً 50٪ بیشتر از فولاد کربنی و 30{7}}40٪ بیشتر از فولادهای زنگ نزن دوبلکس وقتی تا دمای یکسان گرم می شوند، منبسط می شوند. برای یک لوله 316 لیتری 10 متری در 300 درجه بالاتر از محیط، این به معنای تقریباً 54 میلی متر رشد طولی است - برای از بین بردن یک سیستم محکم لنگر کافی است.

انبساط حرارتی افزایش حجم (و در نتیجه طول) یک ماده در هنگام افزایش دمای آن است. برای لوله، بعد مربوطه، انبساط خطی در امتداد محور لوله است. معادله حاکم این است:

ΔL = × L × ΔT

چرا فولادهای زنگ نزن آستنیتی به ویژه چالش برانگیز هستند؟

ساختار کریستالی FCC ({0}}مکعب مرکزی) فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارای ضریب انبساط حرارتی تقریباً 50٪ بیشتر از فولادهای فریتی (فولاد کربنی، 11.0×10-6/ درجه) و تقریباً 30-40٪ بیشتر از فولادهای زنگ نزن دوبلکس 13.60 درجه (13.⁶0) بیشتر است. در عمل، این بدان معنی است که: یک لوله 316 لیتری که در 260 درجه کار می کند، تقریباً 1.65 × به همان اندازه در فولاد کربنی رشد می کند.

• آستنیتی SS (304/304L/316/316L/321/347): ≈ 16.0-20.0 ×10-6/ درجه
• فولاد ضد زنگ دوبلکس (2205/2507): ≈ 12.0-14.0 × 10-6/ درجه (30-40٪ کمتر)
• فولاد کربنی: ≈ 10.8-12.0 × 10-6/ درجه (50٪ کمتر)
• آلیاژهای 800H/625: ≈ 13.5-15.5 × 10-6/ درجه (مقایسه با دوبلکس)

مفهوم عملی: لوله‌های فولادی زنگ نزن آستنیتی باید در هر محاسبات طراحی به‌عنوان ماده انبساط{0} بالاتری نسبت به فولاد کربنی در نظر گرفته شوند. ابعاد حلقه انبساط فولاد کربنی را روی لوله های فولادی زنگ نزن آستنیتی اعمال نکنید.

گسترش آستنیتی در مقابل فریتی

برای یک لوله 10 متری که از 20 درجه تا 300 درجه گرم می شود (نصب تا عملیات): 316L 53.7 میلی متر در مقابل فولاد کربن 33.6 میلی متر (16 میلی متر بیشتر) رشد می کند. برای دویدن 50 متری، دیفرانسیل 80 میلی متر است - اگر در طراحی در نظر گرفته نشده باشد، برای تجاوز از محدودیت های کورس مفصل انبساط یا بارهای لنگر اضافه بار کافی است.

توجه: رشد متناسب با مجذور طول دویدن است فقط به این معنا که دویدن های طولانی تر انبساط بیشتری را جمع می کنند. نرخ در هر متر (× ΔT) ثابت است. تصمیم کلیدی طراحی این نیست که آیا بسط - را در نظر بگیریم یا نه، بلکه چگونگی است.

میانگین ضریب انبساط حرارتی (CTE) برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی

از MEAN CTE (نه CTE آنی) برای محاسبات تنش لوله در ASME B31.3 استفاده کنید. میانگین CTE میانگین انبساط در واحد طول در درجه در محدوده دما از نصب تا شرایط عملیاتی - دقیقاً مقدار مورد نیاز برای محاسبه ΔL است.

دو تعریف CTE در مهندسی استفاده می شود:

CTE آنی (ₑ): سرعت انبساط در یک دمای خاص (با دما تغییر می کند؛ در دمای بالا بیشتر می شود)

میانگین CTE ( ₘ): میانگین نرخ انبساط از دمای مرجع (مثلاً 20 درجه ) تا دمای عملیاتی - مقدار صحیح برای محاسبات طراحی

برای کار تنش لوله تحت ASME B31.3، همیشه از میانگین CTE از دمای مرجع مواد (معمولاً 20 درجه یا 0 درجه) تا دمای طراحی استفاده کنید. مقادیر در جداول زیر میانگین مقادیر CTE از 20 درجه تا دمای اعلام شده است.

میانگین CTE برای درجات فولاد ضد زنگ آستنیتی معمولی

مرجع سریع: انبساط در هر 10 متر دویدن در دمای معمولی عملیاتی

غذای کلیدی:316L در 300 درجه 38.2 میلی متر در هر 10 متر رشد می کند - 38% بیشتر از فولاد کربنی در همان دما (27.7 میلی متر). برای یک لوله کشی 50 متری 316 لیتری بخار در 300 درجه، رشد کل 191 میلی متر است. این باید توسط اتصالات انعطاف پذیر یا انبساط لوله کشی جذب شود.

محدوده تنش جابجایی ASME B31.3

ASME B31.3 مستلزم آن است که محدوده تنش جابجایی (Sₑ) در یک سیستم لوله کشی از محدوده تنش مجاز (Sₜ) تجاوز نکند. محدوده تنش جابجایی به صورت Sₑ=(i·Σ)| خمش + (i·Σ)|پیچ خوردگی| محاسبه می شود. برای اجرای مستقیم بدون مهار ساده بین دو لنگر، این به Sₑ ≈ 6×(S/E)×ΔL/D (تنش خمشی ناشی از جابجایی) ساده می شود. اگر Sₑ کمتر یا مساوی با Sₜ باشد، سیستم بدون معیارهای انعطاف پذیری اضافی قابل قبول است.

ASME B31.3 Process Piping کد اولیه حاکم بر تنش انبساط حرارتی در سیستم های لوله کشی پتروشیمی، پالایشگاه و کارخانه های شیمیایی است. این کد مستلزم آن است که هر سیستم لوله کشی برای اثرات انبساط حرارتی تجزیه و تحلیل شود. معادله دامنه تنش جابجایی اثرات ترکیبی تنش‌های خمشی و پیچشی ناشی از جابجایی حرارتی در عناصر انعطاف‌پذیری (خم‌ها، زانوها، انحراف‌ها) را محاسبه می‌کند.

محدوده تنش مجاز Sₜ - مقادیر سریع برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی

توجه: Sₜ=f(1.25S₌ + 1.25Sₕ - 0.25S₌) محدوده تنش جابجایی ASME B31.3 مجاز است. برای SS آستنیتی پالایشگاهی معمولی در 370 درجه و پایین تر، Sₜ ≈ 310 MPa. برای 316 لیتر بالاتر از 425 درجه، با ASME B31.3 جدول 1A برای کاهش تنش گرم مجاز مشورت کنید.

مثال کارکرده: بررسی استرس مستقیم لوله (بدون نیاز به انعطاف اضافی)

برای یک لوله کوتاه-316 لیتری بین دو لنگر با زانویی 90 درجه در یک انتها (انعطاف پذیری طبیعی)، اگر تنش جابجایی کمتر از Sₜ باشد، سیستم ممکن است خود-سازگار باشد. SIF زانویی 0.75 (در مقابل 1.0 برای لوله مستقیم) استرس کلیدی را کاهش می دهد. یک خم ساده L- 5 متری + 3 متری (با زانویی 90 درجه در گوشه) معمولاً می‌تواند 40 تا 50 میلی‌متر انبساط را بدون تجاوز از Sₜ ≈ 310 مگاپاسکال جذب کند.

داده شده:

حلقه انبساط و طراحی مشترک انبساط

حلقه های انبساط زمانی لازم است که محدوده تنش جابجایی محاسبه شده (Sₑ) از محدوده تنش مجاز (Sₜ) فراتر رود. برای لوله‌کشی از جنس فولاد ضد زنگ آستنیتی، حلقه‌ها زمانی ضروری می‌شوند که: مسیر مستقیم بین لنگرها از طول لنگر{1} خود بیشتر شود (تقریباً 10 تا 15 متر برای لوله NPS 4-6 در 260 درجه). سیستم دارای چندین اجرا مستقیم و بدون افست طبیعی است. یا لوله شامل چند زانو یا خمیدگی برای ایجاد انعطاف ذاتی است. حلقه‌های انبساط از خود لوله به‌عنوان عنصر انعطاف‌پذیر استفاده می‌کنند و در صورت وجود فضا، آنها را به کم‌هزینه‌ترین راه‌حل تبدیل می‌کنند.

حلقه‌های انبساط (که حلقه‌های انبساط حرارتی یا حلقه‌های U شکل نیز نامیده می‌شوند) از خود مواد لوله به عنوان فنر انعطاف‌پذیر برای سازگاری با رشد حرارتی استفاده می‌کنند. سه پیکربندی حلقه اصلی عبارتند از:

اندازه حلقه گسترش - قوانین سرانگشتی برای Austenitic SS

به عنوان اولین تقریب: یک حلقه U- 316 لیتری با طول پایه‌های هر کدام 4 بعدی (D=لوله OD بر حسب میلی‌متر) می‌تواند تقریباً 50 میلی‌متر انبساط در هر متر طول پایه در Sₜ ≈ 310 MPa را در خود جای دهد. برای NPS 6 (168 میلی متر OD) در 260 درجه (ΔL ≈ 38 میلی متر در هر 10 متر): از طول پایه حداقل 0.8-1.0 متر در هر طرف محور خنثی استفاده کنید.

توجه: مقادیر تقریبی اولین برآوردها هستند. ابعاد حلقه نهایی باید با تجزیه و تحلیل تنش لوله رسمی (CAEPIPE، START-PROFET یا نرم افزار معادل) تأیید شود. طول پاها با محور خنثی خم اندازه گیری می شود.

ضوابط انتخاب ضامن گسترش -

دم‌های انبساط بر حلقه‌ها در مکان‌های محدود{0}}فضا ترجیح داده می‌شوند، اما نیاز به توجه دقیق به رانش فشار، فاصله راهنما و سازگاری مواد دارند. برای لوله‌های فولادی ضد زنگ آستنیتی، دم‌های 316 لیتری استاندارد برای اکثر خدمات هستند. دم‌های آلیاژ 825 یا Hastelloy C276 برای محیط‌های حاوی هالید (Cl⁻ > 200 ppm یا F-) برای جلوگیری از خوردگی و خرابی دم‌ها مورد نیاز است.

راهنمای فاصله برای دم های توسعه

فاصله راهنما نادرست شایع ترین علت خرابی دم است. برای یک دم نامتعادل، اولین راهنما باید در 1.5× OD لوله از انتهای دم باشد. راهنمای دوم در داخل لوله 14× OD. راهنماهای بعدی در فاصله کمتر یا مساوی 14× لوله OD. فاصله بیش از حد{5}}بستن راهنما بار نازل ایجاد می کند. بیش از حد-فاصله راهنما باعث افتادگی لوله و ناپایداری جانبی دم می‌شود.

فنر سرد - کاهش بارهای عملیاتی و نیروهای لنگر

فنر سرد عبارت است از فشرده سازی عمدی پیش{0} یک سیستم لوله در حین نصب با حرکت دادن لوله به کسری از رشد حرارتی مورد انتظار در جهت مخالف قبل از انجام جوش های نهایی. برای یک لوله 316 لیتری که در دمای عملیاتی 38 میلی متر رشد می کند، یک فنر سرد 50٪ (19 میلی متر) بار لنگر را تقریباً 50٪ و محدوده تنش جابجایی را تقریباً 25-30٪ کاهش می دهد. فنر سرد مخصوصاً برای فولاد زنگ نزن آستنیتی ارزشمند است زیرا CTE بالای آن بارهای لنگر زیادی ایجاد می کند که فنر سرد می تواند به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

فنر سرد عمل کوتاه کردن عمدی لوله در حین ساخت یا نصب است به طوری که سیستم از یک شرایط پیش{0}}تنشی شروع شود. هنگامی که سیستم تا دمای عملیاتی گرم می شود، کشش از قبل بارگذاری شده از فنر سرد تا حدی تنش تراکم حرارتی را جبران می کند.

توجه: فنر سرد 100% به معنای بار لنگر صفر در دمای عملیاتی است، اما تنش سرمای کششی برابر با فشردگی حرارتی کامل - ایجاد می‌کند که به طور بالقوه بیش از Sₜ در محیط اگر زیاده‌روی شود. 50–67% فنر سرد حداکثر عملی در اکثر کدها است.

نحوه تعیین فنر سرد در نقشه ISA/ISO

فنر سرد در نقشه های ایزومتریک لوله کشی به صورت دو عدد مشخص می شود: بعد نصب اندازه گیری شده (L_cold) و بعد گرم نظری (L_hot). تفاوت (L_cold < L_hot) بهار سرد است. مثال: برای دویدن 10000 میلی‌متر در 316 لیتر در 260 درجه (ΔL=38.2 میلی‌متر، فنر سرد 50 درصد): L_hot=10},000 میلی‌متر (تئوری); L_cold=10,000 − 19.1=9,980.9 میلی‌متر. سازنده قبل از جوشکاری لوله را 19.1 میلی متر کوتاه می کند.

قوانین کلیدی بهار سرد:

1. همیشه فنر سرد را روی نقشه ایزومتریک با هر دو مقدار L_cold و L_hot مشخص کنید.
2. ASME B31.3 مستلزم این است که فنر سرد در اسناد طراحی ذکر شود (بند{1}})
3. فنر سرد معمولاً با اندازه گیری در طول ساخت تنظیم می شود، نه با محاسبه
4. 50% چشمه سرد روش استاندارد است. 67% برای خطوط-فشار بالا یا بزرگ-استفاده می‌شود
5. فنر سرد را به سیستم های دارای درزهای انبساط دمنده نزنید - دمنده حرکت را جذب می کند
6. لوله های آستنیتی SS فنر سرد تا 50% بدون تسلیم بیش از حد (E ≈ 195 گیگا پاسکال در RT؛ σ=E×ε=195,000×0.0019=370 مگاپاسکال، کمی بالاتر از راندمان) - از کرنش 0.3% (0.003 میلی متر بر میلی متر) تجاوز نمی کند.

فولاد ضد زنگ آستنیتی در مقابل فریتیک در مقابل فولاد ضد زنگ دوبلکس

ساختار کریستالی FCC ({0}}مکعب مرکزی) فولادهای زنگ نزن آستنیتی تقریباً 50٪ انبساط حرارتی بالاتری نسبت به ساختار BCC (بدنه-مکعب مرکزی) فولادهای زنگ نزن فریتی و فولاد کربنی دارد و تقریباً 30-40 درصد بیشتر از ساختار مخلوط دوگانه FCC{6} این بدان معنی است که SS آستنیتی باید همیشه به عنوان یک ماده{7}}بالا انبساط در طراحی لوله‌کشی در نظر گرفته شود - نمی‌توانید از ابعاد حلقه انبساط فولاد کربنی مستقیماً برای فولاد زنگ نزن آستنیتی استفاده کنید.

دلیل اصلی تفاوت در پیوند اتمی و هندسه شبکه بلوری هر ساختار نهفته است:

قانون عملی برای لوله‌کشی‌های مختلط-

هنگامی که لوله استنلس استیل آستنیتی به لوله‌های فولادی کربنی یا آلیاژی در همان مسیر متصل می‌شود (به عنوان مثال، یک قطعه قرقره 316 لیتری در یک لوله اصلی فولاد کربنی)، انبساط را به طور جداگانه برای هر بخش مواد محاسبه کنید و انبساط DIFFERENTIAL را در رابط مواد اعمال کنید. اگر دیفرانسیل از انعطاف پذیری محلی سیستم بیشتر باشد، رابط باید به عنوان یک اتصال انعطاف پذیر یا درز انبساط طراحی شود.

پشتیبانی از فاصله، بارهای لنگر، و طراحی سازه

پشتیبانی از فاصله- روش نسبت L/D

برای لوله‌های فولادی ضد زنگ آستنیتی در 260 درجه، حداکثر فاصله پشتیبانی توسط نسبت L/D (طبع-به-) و حداکثر تنش مجاز در دمای عملیاتی کنترل می‌شود. به عنوان اولین تقریب: لوله NPS 6 Sch 40 (168 میلی متر OD) 316L در 260 درجه دارای حداکثر دهانه تقریباً 7-8 متر برای یک تیر ساده با پشتیبانی با تنش مجاز 310 مگاپاسکال است. در دماهای بالاتر (400 درجه +)، فاصله نگهدارنده تقریباً 10-15٪ کاهش می یابد که دلیل آن مدول الاستیسیته گرم کمتر و کاهش تنش مجاز است.

توجه: دهانه ها تقریبی برای تیرهای تکیه گاه ساده، بار یکنواخت و شامل ضریب بار 1.15 می باشد. فاصله تکیه گاه نهایی باید با تجزیه و تحلیل تنش لوله، به ویژه در نزدیکی پمپ ها، توربین ها، یا سایر تجهیزات{2}}دارای نازل تأیید شود.

نیروهای واکنش لنگر - تخمین سریع

برای یک لوله لنگر مستقیم از لوله 316L در 260 درجه بدون فنر سرد، بار لنگر تقریباً F ≈ EA ΔT است، که در آن E=195 GPa، سطح مقطع لوله =،=17.5×10⁻6/ درجه، ΔT=240 درجه است. برای NPS 6 Sch 40: F ≈ 35000 N ≈ 3.5 تن در هر لنگر. با 50% فنر سرد: F ≈ 1.75 تن. طراحی سازه لنگر باید این رانش را در نظر بگیرد.

سوالات متداول

ساختار کریستالی FCC (مکعب مرکزی) فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارای دامنه ارتعاش حرارتی اتمی بالاتری نسبت به ساختار BCC (مکعب مرکزی بدنه) فولاد کربنی است. در دمای اتاق، فولاد زنگ نزن آستنیتی تقریباً 17.3×10-6/درجه در مقایسه با فولاد کربنی در 11.5×10-6/درجه - تقریباً 50 درصد بیشتر است. افزودن 8 تا 10 درصد نیکل، ساختار آستنیت FCC را تثبیت می کند و ضریب انبساط حرارتی را در تمام گریدهای آستنیتی رایج (304L، 316L، 321، 347، 310S) به طور مداوم بالا می کند. مفهوم عملی این است که سیستم‌های لوله‌کشی فولاد ضد زنگ آستنیتی باید با حلقه‌های انبساط بزرگ‌تر یا اتصالات انبساط بیشتری نسبت به سیستم‌های فولاد کربنی برای دما و طول کارکرد یکسان طراحی شوند.

Q2: مقدار صحیح CTE برای استفاده برای تجزیه و تحلیل تنش لوله تحت ASME B31.3 چیست؟

از ضریب MEAN انبساط حرارتی از دمای مرجع (معمولا دمای نصب 20 درجه) تا دمای DESIGN استفاده کنید. میانگین CTE مقدار متوسط ​​در آن محدوده دما است، نه CTE آنی در دمای عملیاتی. برای 316 لیتر از 20 درجه تا 260 درجه، میانگین CTE 17.5×10-6/ درجه است. برای 316 لیتر از 20 درجه تا 400 درجه، میانگین CTE به 18.5×10-6/ درجه افزایش می یابد. ASME B31.3 جدول C1 مقادیر متوسط ​​CTE را برای مواد معمول ارائه می دهد. برای 316L، مقدار در 400 درجه تقریباً 18.5×10-6/درجه است. در 600 درجه به 19.5×10-6/ درجه افزایش می یابد. همیشه از مقدار مربوط به محدوده دمای واقعی در محاسبات خود استفاده کنید، نه یک مقدار اسمی یا دمای اتاق{26}.

Q3: فولاد ضد زنگ 316L چقدر در 260 درجه منبسط می شود (سرویس بخار)؟

برای فولاد ضد زنگ 316 لیتر از دمای نصب 20 درجه تا دمای عملیاتی 260 درجه (ΔT=240 درجه)، میانگین CTE تقریباً 17.5×10-6/ درجه است. با استفاده از فرمول ΔL=×L×ΔT: ΔL=17.5×10⁻6×10m×240 درجه=38.2 میلی‌متر در هر 10 متر کارکرد لوله. برای یک لوله 50 متری بخار 316 لیتری در 260 درجه، رشد کل تقریباً 191 میلی متر است. این رقمی است که باید با انعطاف پذیری لوله کشی (خم و حلقه) یا درزهای انبساط مطابقت داشته باشد. رشد معادل برای فولاد کربنی در همان دما 32.2 میلی متر در 10 متر است (17.5٪ کمتر).

Q4: چه زمانی باید از یک حلقه انبساط در مقابل یک اتصال دم انبساط برای لوله کشی SS آستنیتی استفاده کنم؟

از حلقه انبساط زمانی استفاده کنید که: فضا در دسترس باشد (حلقه U-به تقریباً 2× فاصله OD لوله در هر دو جهت نیاز دارد). سیستم زیر 400 درجه کار می کند. لوله NPS 2 یا بزرگتر است. و فشار متوسط ​​است (تا کلاس ANSI 2500). حلقه‌های انبساط کم‌هزینه‌ترین راه‌حل با طولانی‌ترین عمر سرویس (بدون قطعات متحرک) هستند. هنگامی که: فضا به شدت محدود شده است از یک BELLOWS JOINT انبساط استفاده کنید (فضا فقط به فاصله محوری نیاز دارد). لوله NPS 4 یا بزرگتر است و در فشار بالا کار می کند (بالاتر از کلاس 600 که در آن حلقه ها به طور عملی بزرگ می شوند). سیستم دارای ارتعاش قابل توجهی است (دمک لرزش را جذب می کند). یا لوله کشی کوتاه است و در هر دو انتها بدون انعطاف طبیعی لنگر می اندازد. دم‌ها به مهار فشار فشار و فاصله راهنمای دقیق نیاز دارند (راهنمای اول در عرض 1.5× OD، راهنمای دوم در 14× OD). دم‌های فولادی ضد زنگ آستنیتی (316 لیتر برای<400°C; 310S or Inconel 625 for higher temperatures) are standard.

Q5: فنر سرد چیست و چه مقدار باید برای لوله فولادی ضد زنگ آستنیتی اعمال شود؟

فنر سرد، فشرده سازی عمدی پیش{0} یک سیستم لوله با کوتاه کردن آن در حین نصب است. برای لوله فولادی ضد زنگ آستنیتی، روش استاندارد 50٪ فنر سرد است: لوله 50٪ کوتاهتر از طول تئوری گرم آن نصب می شود. برای یک لوله 316 لیتری که در دمای عملیاتی 38 میلی متر رشد می کند، یک فنر سرد 50 درصد به معنای نصب لوله 19 میلی متر کمتر از ابعاد سرد نظری آن است. فنر سرد بارهای لنگر را تقریباً 50٪ و محدوده تنش جابجایی را تقریباً 25-30٪ کاهش می دهد. حداکثر فنر سرد عملی 67٪ است (فراتر از این، تنش سرما در لوله در حین نصب به قدرت تسلیم نزدیک می شود). فنر سرد باید روی نقشه ایزومتریک لوله کشی با بعد سرد (ساخت/نصب) و بعد گرم (تئوری) ذکر شود.

Q6: آیا ضریب انبساط حرارتی برای 304 در مقابل 304L در مقابل 316L متفاوت است؟

بله، اما تفاوت ها کوچک و اغلب در حد تحمل محاسبات مهندسی است. تفاوت‌های کلیدی عبارتند از: 304 و 304 لیتر دارای میانگین CTE یکسان هستند (تقریباً 17.3×10-6/ درجه در 100 درجه، افزایش به 18.7×10-6/ درجه در 300 درجه) - محتوای کربن پایین بر روی 30 درجه تأثیر نمی‌گذارد و{1} 316L همچنین دارای میانگین CTE یکسان است (تقریباً 16.0×10-6/درجه در 100 درجه، افزایش به 17.5×10-6/درجه در 300 درجه) - افزودن مولیبدن CTE را تقریباً 8٪ کاهش می‌دهد (4٪ در مقابل 23 درجه ثابت L2) دارای مقادیر CTE بین 304L و 316L (تقریباً 16.7×10-6/درجه در 100 درجه){29}}S کمترین CTE را در بین گریدهای آستنیتی معمول دارد (تقریباً 14.5×10-6/ درجه در 100 درجه). برای اهداف طراحی عملی، از 17.5×10-6/ درجه برای 304/304L/321/347، 16.5×10-6/درجه برای 316/316L و 15.5×10-6/ درجه برای 310 درجه سانتیگراد، همه در دمای کارکرد 326 درجه استفاده کنید.

Q7: حداکثر دهانه پشتیبانی برای لوله فولادی ضد زنگ آستنیتی در دمای بالا چقدر است؟

برای لوله فولادی زنگ نزن آستنیتی در 260 درجه (سرویس بخار)، حداکثر دهانه پشتیبانی تقریباً 7-9 متر برای لوله NPS 4-12 Sch 40 است که توسط تنش مجاز 310 مگاپاسکال (ASME B31.3) و نسبت L/D (دهانه به قطر) کنترل می شود. فرمول تقریبی این است: حداکثر دهانه (m) ≈ 0.06 × √(D×t×(E_hot/E_RT)×(S_hot/S_RT))، که در آن D=OD، t=دیوار، E_hot=مدول داغ در 270 درجه گرم (تقریباً 1_0 درجه)=تنش مجاز داغ (310 مگاپاسکال). در 400 درجه، حداکثر دهانه تقریباً 10-15٪ کاهش می یابد زیرا هم مدول گرم و هم تنش مجاز گرم کاهش می یابد. برای NPS 6 Sch 40 316L در 260 درجه: حداکثر دهانه تقریباً 7.5 متر. در 400 درجه: تقریباً 6.5 متر. این مقادیر تقریبی برای تیرهای با پشتیبانی ساده هستند. دهانه های نهایی باید با تجزیه و تحلیل تنش لوله، به ویژه در نزدیکی نازل های تجهیزات، تأیید شود.

Q8: چگونه می توانم بار لنگر را برای لوله فولادی ضد زنگ آستنیتی محاسبه کنم؟

بار لنگر برای اجرای لوله فولادی ضد زنگ آستنیتی کاملاً مهار شده (بدون درز انبساط) عبارت است از: F=EA ΔT، که در آن: E=195 GPa (مدول الاستیسیته در 20 درجه، استفاده از 170 گیگا پاسکال در 260 درجه برای بار لنگر داغ دقیق تر). سطح مقطع=لوله- (mm²);=میانگین CTE (17.5×10-6/ درجه برای 316 لیتر در 260 درجه)؛ ΔT=دمای کار منهای دمای نصب (240 درجه برای 20 درجه تا 260 درجه). مثال برای NPS 6 Sch 40 316L: A=3,577 mm²; F_hot ≈ 170000 نیوتن بر میلی‌متر مربع × 3577 میلی‌متر مربع × 17.5×10-6/ درجه × 240 درجه ≈ 152000 نیوتن ≈ 152 کیلونیوتن ≈ 15.5 تن در هر لنگر (بدون فنر سرد). با فنر سرد 50%: F ≈ 76 kN ≈ 7.8 تن. با فنر سرد 67 درصد: F ≈ 50 kN ≈ 5.1 تن.

Q9: آیا می توان از لوله فولادی ضد زنگ آستنیتی در خدمات برودتی که تغییرات دما باعث انقباض می شود استفاده کرد؟

بله فولادهای زنگ نزن آستنیتی - مواد ارجح برای خدمات برودتی (LNG، نیتروژن مایع، اکسیژن مایع) هستند، دقیقاً به این دلیل که مانند فولادهای فریتی در معرض تغییر شکل پذیر-به-ترد نیستند. در دماهای برودتی (تا 169- درجه برای LNG)، فولاد ضد زنگ آستنیتی چقرمگی عالی را حفظ می کند (شارپی V{5}} بریدگی > 100 ژول در 196- درجه برای 304 لیتر و 316 لیتر). برای لوله‌کشی برودتی، انقباض حرارتی باید با استفاده از همان مقادیر میانگین CTE (اما در جهت منفی) محاسبه شود: لوله‌کشی 316 لیتر در -169 درجه (سرویس LNG) تقریباً 41 میلی‌متر در هر 10 متر از 20 درجه تا -169 درجه (ΔT=-189 درجه) منقبض می‌شود. این انقباض باید توسط دم یا اتصالات انعطاف پذیر انجام شود، و بارهای لنگر در دمای عملیاتی به جای فشاری (کششی روی لنگرها) خواهد بود.

Q10: تفاوت بین فولاد زنگ نزن آستنیتی و فولاد ضد زنگ دوبلکس از نظر انبساط حرارتی چیست؟

فولادهای زنگ نزن دوبلکس (2205، 2507، S32760) دارای ریزساختار آستنیتی مخلوط{3}}فریتی هستند (تقریباً 50٪ آستنیت + 50٪ فریت حجمی)، که میانگین ضریب انبساط حرارتی آنها را تقریباً 30{0{1} فولاد بی‌سابقه است. برای 2205 دوبلکس در 260 درجه، میانگین CTE تقریباً 14.0×10-6/درجه در مقابل 316L در 17.5×10-6/درجه است. این بدان معناست که: یک لوله 316 لیتری که در 260 درجه کار می کند، تقریباً 25٪ بیشتر از همان جریان در 2205 دوبلکس رشد می کند. در سیستم‌های مواد مختلط (مثلاً لوله‌کشی دوبلکس متصل به لوله‌های فولادی ضد زنگ آستنیتی)، رشد حرارتی تفاضلی در سطح مشترک مواد باید به‌طور جداگانه محاسبه شود و توسط یک اتصال انعطاف‌پذیر یا دم انبساط در نظر گرفته شود. فولادهای زنگ نزن دوبلکس تقریباً 2 برابر استحکام تسلیم فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارند (450 مگاپاسکال در مقابل 170 مگاپاسکال برای 316 لیتر)، که تا حدی CTE پایین آنها را از نظر تنش لوله جبران می کند - اما جداول حلقه انبساط آستنیتی SS را نمی توان مستقیماً در سیستم های دوبلکس اعمال کرد.