Πώς να αποφύγετε τη ζημιά στους σωλήνες κατά τη χρήση διαστολέων;

Πώς η θερμική διαστολή επηρεάζει την ακεραιότητα των σωλήνων κατά τη χρήση διαστολέα

Η φυσική της γραμμικής θερμικής διαστολής σε συνηθισμένα υλικά σωληνώσεων (χάλυβας, χαλκός, PVC)

Τα υλικά για σωληνώσεις τείνουν όλα να διαστέλλονται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία και να συστέλλονται όταν μειώνεται, σύμφωνα με μια βασική αρχή που περιγράφεται από την εξίσωση ΔL = αLΔT (δηλαδή η μεταβολή του μήκους ισούται με τον συντελεστή διαστολής επί το αρχικό μήκος επί τη μεταβολή της θερμοκρασίας). Ωστόσο, διαφορετικά υλικά συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά. Ο χάλυβας διαστέλλεται κατά περίπου 0,0000065 ίντσες για κάθε ίντσα σωλήνα ανά βαθμό Φαρενάιτ αύξησης της θερμοκρασίας. Ο χαλκός δεν υστερεί πολύ, με περίπου 0,0000090 ίντσες ανά ίντσα ανά βαθμό. Αντιθέτως, ο PVC διαστέλλεται περίπου 0,00003 ίντσες ανά ίντσα ανά βαθμό, γεγονός που τον καθιστά σχεδόν πέντε φορές πιο ελαστικό από τον χάλυβα. Για να το αντιληφθούμε καλύτερα, φανταστείτε έναν χάλυβα σωλήνα μήκους 100 ποδιών που θερμαίνεται κατά 150 βαθμούς Φαρενάιτ: θα αυξηθεί κατά περίπου 1,2 ίντσες. Ο ίδιος ακριβώς μήκος σωλήνα PVC, υπό παρόμοιες συνθήκες, θα διασταλεί κατά περισσότερο από 5,4 ίντσες. Αυτές οι διαφορές δημιουργούν σημαντικά σημεία τάσης σε κάθε σημείο όπου συναντώνται διαφορετικά υλικά. Το φαινόμενο αυτό γίνεται ιδιαίτερα προβληματικό κατά τις λειτουργίες που περιλαμβάνουν διαστολείς, καθώς η τοπική συσσώρευση θερμότητας ενισχύει αυτές τις κινήσεις. Οι προκύπτουσες δυνάμεις μπορούν μερικές φορές να φτάσουν τιμές άνω των 20.000 λίβρες, γεγονός που δεν είναι καθόλου αμελητέο για τους μηχανικούς που σχεδιάζουν συστήματα σωληνώσεων.

Γιατί η ανεξέλεγκτη διαστολή προκαλεί τάσεις, μη συμφωνία και αποτυχία συνδέσεων κοντά στις ζώνες διαστολής

Όταν η θερμική κίνηση περιορίζεται, οι σωλήνες ασκούν εξαιρετικά μεγάλη δύναμη στα άγκυρα, τις φλάντζες και τις συνδέσεις. Κοντά στους διαστολείς—όπου η κυκλική θέρμανση και ψύξη εντείνει τα μηχανικά και θερμικά φορτία—επικρατούν τρεις μορφές αποτυχίας:

• Συγκέντρωση τάσης σε κάμψεις και συγκολλήσεις, υπερβαίνοντας το όριο ροής
• Γωνιακή Μη Ευθυγράμμιση των φλάντζων, με αποτέλεσμα την εκρηκτική απώλεια σφράγισης των παρεμβυσμάτων
• Αποχώρηση σωληνωτής σύνδεσης (bell joint) σε συστήματα σύνδεσης με ώθηση (push-fit), προκαλώντας διαρροές

Σύμφωνα με μια πρόσφατη μελέτη του Ινστιτούτου Ponemon από το 2023, περίπου τα δύο τρίτα όλων των αποτυχιών σωληνώσεων σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις οφείλονται στην κακή διαχείριση των προβλημάτων θερμικής τάσης. Όταν οι σωλήνες υφίστανται επαναλαμβανόμενους κύκλους θέρμανσης και ψύξης, αυτό οδηγεί σε επιταχυνόμενη ανάπτυξη κόπωσης. Το πρόβλημα επιδεινώνεται σε περιοχές όπου οι σωλήνες είναι είτε αγκυρωμένοι υπερβολικά σφιχτά είτε δεν υποστηρίζονται επαρκώς. Για παράδειγμα, όταν ασκείται υπερβολική δύναμη συμπίεσης σε λεπτότοιχους σωλήνες, τείνουν να λυγίζουν. Αντιθέτως, οι δυνάμεις εφελκυσμού μπορούν να προκαλέσουν τη διάδοση ρωγμών σε εύθραυστα υλικά όπως το PVC. Εάν οι σωληνώσεις δεν υποστηρίζονται επαρκώς, αυτές οι τάσεις δεν παραμένουν απλώς τοπικές· μεταδίδονται απευθείας σε άλλα εξαρτήματα εξοπλισμού, όπως βαλβίδες, αντλίες και διάφορα όργανα. Αυτό δημιουργεί σοβαρούς κινδύνους για αυτό που οι μηχανικοί αποκαλούν «καταστροφικές αποτυχίες φλάντζας». Ακόμη και συστήματα με τυποποιημένη κατάταξη μπορεί να αποτύχουν πλήρως σε εκπληκτικά χαμηλά επίπεδα πίεσης, περίπου 740 psi, όταν υπόκεινται σε αυτές τις ακοντρόλαριστες δυνάμεις επί χρονικά διαστήματα.

Κατάλληλη Επιλογή Διαστολέα και Καλύτερες Πρακτικές Εγκατάστασης

Ταίριασμα Τύπου Διαστολέα και Προφίλ Δύναμης με το Υλικό του Σωλήνα και το Πάχος Τοιχώματός του

Η επιλογή ενός κατάλληλου διαστολέα βασίζεται στην ακριβή ταύτιση της δύναμης που εφαρμόζει με τη μηχανική αντοχή του σωλήνα. Οι χάλυβες σωλήνες παρουσιάζουν πολύ υψηλότερη εφελκυστική αντοχή σε σύγκριση με τους σωλήνες από χαλκό ή PVC, γεγονός που τους επιτρέπει να αντέχουν μεγαλύτερες ακτινικές δυνάμεις διαστολής. Ωστόσο, μην ξεχνάτε και το πάχος του τοιχώματος, καθώς αυτό διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο σε όλη αυτή τη διαδικασία. Για εφαρμογές με λεπτότοιχους σωλήνες HVAC ή ελαφρύτερες βιομηχανικές εγκαταστάσεις, συνήθως πρέπει να διατηρούμε χαμηλούς λόγους διαστολής για να αποφύγουμε προβλήματα όπως η λυγισμός ή η οβαλοποίηση. Όσον αφορά τα υλικά, το PVC γίνεται αρκετά εύθραυστο όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από 40 βαθμούς Φαρενάιτ (περίπου 4 βαθμούς Κελσίου). Η χρήση πνευματικών διαστολέων με πίεση άνω των 800 psi σε σωλήνες PVC αυξάνει σημαντικά την πιθανότητα διάδοσης ρωγμών στο υλικό. Ο χαλκός, αντιθέτως, συμπεριφέρεται διαφορετικά, καθώς είναι πιο ελαστικός, επιτρέποντας μεγαλύτερη μετατόπιση χωρίς ζημιά κατά τη χρήση μηχανικών διαστολέων. Κατά την εκτέλεση οποιουδήποτε έργου, βεβαιωθείτε ότι ελέγχετε ταυτόχρονα διάφορα στοιχεία: τον συγκεκριμένο βαθμό του υλικού του σωλήνα που χρησιμοποιείται, τις λεπτομέρειες του προγράμματος πάχους τοιχώματος (wall schedule) και τις προδιαγραφές ροπής που συνιστά ο κατασκευαστής. Αυτό γίνεται ιδιαίτερα σημαντικό στις περιοχές των συγκολλητών αρθρώσεων, όπου οι κατάλοιπες τάσεις από τη συγκόλληση μπορούν να προκαλέσουν ευκολότερη παραμόρφωση των σωλήνων υπό πίεση.

Αποφυγή Υπερβολικής Διόγκωσης: Υπολογισμός Ασφαλών Ορίων Μετατόπισης σύμφωνα με τα ASME B31.1/B31.9

Η υπερβολική διόγκωση παραμένει μία από τις κύριες αιτίες αποτυχίας συνδέσεων σε υπό πίεση συστήματα. Τα πρότυπα ASME B31.1 (Σωληνώσεις Ισχύος) και B31.9 (Σωληνώσεις Υπηρεσιών Κτιρίων) καθορίζουν τη μέγιστη επιτρεπόμενη διόγκωση βάσει του υλικού, της θερμοκρασίας και της γεωμετρίας. Η βαθμονόμηση των διογκωτών σύμφωνα με αυτά τα όρια διασφαλίζει ότι η παραμόρφωση παραμένει εντός της ελαστικής περιοχής και αποφεύγει τη μόνιμη παραμόρφωση ή τον σχηματισμό μικρορωγμών:

Η επαλήθευση μετά τη διόγκωση είναι απαραίτητη: η λέιζερ προφιλομετρία πρέπει να επιβεβαιώνει ότι η εσωτερική διάμετρος (ID) παραμένει εντός ±0,5% της ονομαστικής τιμής. Αποκλίσεις πέραν αυτού του ορίου αυξάνουν τον κίνδυνο διαρροής υπό κυκλικά θερμικά φορτία.

Στρατηγικές στήριξης και αγκύρωσης για την προστασία των αγωγών γύρω από τους διογκωτές

Στρατηγική τοποθέτηση αγκυρώσεων, οδηγών και ολισθαίνοντων στηριγμάτων για την απορρόφηση της κίνησης που προκαλείται από τους διογκωτές

Τα καλά συστήματα υποστήριξης αντιμετωπίζουν πραγματικά τη θερμική μετακίνηση καθόλη τη διάρκεια της διαδικασίας χρήσης των διασταλτήρων, όχι απλώς λειτουργώντας ως παθητικοί περιορισμοί, αλλά κατανέμοντας ενεργά τις δυνάμεις σε όλο το σύστημα. Οι άγκυρες αναλαμβάνουν την πίεση-ώθηση και αποτρέπουν οποιαδήποτε αξονική μετακίνηση σε αυτά τα σταθερά σημεία. Οι οδηγοί περιορίζουν την πλευρική μετακίνηση, ενώ επιτρέπουν ταυτόχρονα κάποια προς τα εμπρός/πίσω κίνηση. Οι ολισθαίνοντες στηριγμοί υπάρχουν για να αντιμετωπίσουν την αναμενόμενη μετατόπιση μέσω των επιφανειών χαμηλής τριβής τους, τοποθετούμενοι συνήθως σε απόσταση 4 έως 10 διαμέτρων αγωγού από τις συνδέσεις και τις περιοχές διαστολής. Αυτά τα τρία συστατικά λειτουργούν αρκετά αποτελεσματικά σε συνεργασία, προκειμένου να αντιμετωπίσουν τα κύρια προβλήματα που συναντούν οι μηχανικοί επιτόπου: τη συσσώρευση τάσεων στα σημεία συγκόλλησης, τις συνδέσεις που εκτρέπονται από τη σωστή τους ευθυγράμμιση και τους αγωγούς που λυγίζουν πλευρικά υπό πίεση.

Η σωστή τοποθέτηση απαιτεί την εξέταση των ρυθμών θερμικής διαστολής, καθώς και του τρόπου με τον οποίο ολόκληρο το σύστημα έχει διαταχθεί, αντί να βασιζόμαστε σε προσεγγιστικούς υπολογισμούς για τις αποστάσεις. Οι κύριες στηρίξεις έχουν ως σκοπό να αποτρέψουν την καμπύλωση (sagging) και να διατηρήσουν την ευθυγράμμιση όλων των στοιχείων υπό το βάρος των ίδιων των εξαρτημάτων. Οι δευτερεύουσες στηρίξεις συμβάλλουν με τη σειρά τους στη μείωση των ταλαντώσεων και στον έλεγχο εκείνων των ενοχλητικών συχνοτήτων συντονισμού. Επιπλέον, οι ενδιάμεσες μονωτικές ταινίες (isolation liners) εντός των σφιγκτήρων εξυπηρετούν επίσης συγκεκριμένο σκοπό: αποτρέπουν την άμεση τριβή μεταξύ μεταλλικών εξαρτημάτων, επιτρέποντας έτσι ελεύθερη κίνηση κατά μήκος του άξονα, ενώ ταυτόχρονα ελέγχουν τις δυνάμεις που προκαλούνται από τη θερμική διαστολή. Για σταθερά σημεία όπου απαγορεύεται απολύτως οποιαδήποτε κίνηση — όπως οι εισόδους αντλιών ή οι φλάντζες βαλβίδων — χρησιμοποιούμε μη ρυθμιζόμενες στηρίξεις που ασφαλίζουν ακλόνητα όλα τα στοιχεία. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις απαιτούνται προσαρμογές επιτόπου, γι’ αυτό και οι κατασκευαστές προσφέρουν εκδόσεις που μπορούν να ρυθμιστούν χωρίς να επηρεαστεί η συνολική απόδοση. Η εμπειρία της βιομηχανίας δείχνει ότι, όταν όλα αυτά τα στοιχεία λειτουργούν σωστά και σε συνεργασία, οι μηχανικές και θερμικές τάσεις κατανέμονται ομοιόμορφα σε ολόκληρη τη διάταξη. Αυτή η μηχανολογική προσέγγιση έχει αποδειχθεί ότι επεκτείνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού, με αρχεία συντήρησης να καταγράφουν βελτιώσεις περίπου 70% με την πάροδο του χρόνου.

Συχνές Ερωτήσεις

Ποια είναι η σημασία της θερμικής διαστολής στα συστήματα σωληνώσεων;

Η θερμική διαστολή διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στα συστήματα σωληνώσεων, καθώς μπορεί να προκαλέσει σημαντική διαστολή ή συστολή των σωλήνων λόγω αλλαγών της θερμοκρασίας, οδηγώντας σε σημεία τάσης, αντιστοίχισης και πιθανές δομικές αστοχίες.

Γιατί το PVC είναι πιο ευάλωτο στη θερμική διαστολή σε σύγκριση με το χάλυβα;

Το PVC έχει υψηλότερο συντελεστή θερμικής διαστολής σε σύγκριση με το χάλυβα, γεγονός που του επιτρέπει να διαστέλλεται σχεδόν πέντε φορές περισσότερο υπό την ίδια αλλαγή θερμοκρασίας. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πιο έντονα φαινόμενα διαστολής στο PVC, ιδιαίτερα σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας.

Ποιες είναι οι μέθοδοι για την αντιμετώπιση των επιπτώσεων της θερμικής διαστολής στους σωλήνες;

Η κατάλληλη επιλογή διαστολικών συσκευών, η αντιστοίχιση του τύπου της διαστολικής συσκευής με το υλικό και το πάχος του τοιχώματος του σωλήνα, καθώς και η στρατηγική τοποθέτηση συστημάτων στήριξης και αγκύρωσης αποτελούν βασικές μεθόδους για τη διαχείριση και την αντιμετώπιση των επιπτώσεων της θερμικής διαστολής.

Πώς μπορεί να αποφευχθεί η υπερδιαστολή σε συστήματα υπό πίεση;

Με την τήρηση κατευθυντήριων γραμμών, όπως οι ASME B31.1/B31.9, και τη βαθμονόμηση των διαστολέων σύμφωνα με καθορισμένα όρια υλικού και θερμοκρασίας, μπορεί να αποφευχθεί η υπερδιαστολή, διασφαλίζοντας ότι η παραμόρφωση παραμένει στο ελαστικό πεδίο.