Kaip išvengti vamzdžių pažeidimų naudojant išplėtiklius?

Kaip šiluminis išsiplėtimas veikia vamzdžių vientisumą naudojant išplėtiklius

Tiesinio šiluminio išsiplėtimo fizika įprastuose vamzdžių medžiagose (plienas, varis, PVC)

Visi vamzdžių medžiagų tipai, kaip taisyklė, išsiplečia, kai temperatūra pakyla, ir susitraukia, kai ji nukrenta, laikydami paprastosios lygties ΔL = αLΔT aprašytos bazinės prielaidos (kuri, iš esmės, reiškia ilgio pokytį, lygų plėtimosi koeficientui, padaugintam iš pradinio ilgio ir temperatūros pokyčio). Tačiau skirtingos medžiagos elgiasi labai skirtingai. Pavyzdžiui, plienas išsiplečia apie 0,0000065 colio kiekvienam colio ilgio vamzdyje už kiekvieną Farenheito laipsnio temperatūros padidėjimą. Varis nesiskiria daug – apie 0,0000090 colio kiekvienam colio ilgio vamzdyje už kiekvieną Farenheito laipsnio temperatūros padidėjimą. Tačiau pažvelkite į PVC – čia išsiplėtimo dydis šoktelėja iki maždaug 0,00003 colio kiekvienam colio ilgio vamzdyje už kiekvieną Farenheito laipsnio temperatūros padidėjimą, todėl PVC yra beveik penkis kartus lankstesnis nei plienas. Tam, kad tai suprastume geriau, įsivaizduokime 100 pėdų ilgio plieninį vamzdį, kurio temperatūra pakyla 150 Farenheito laipsnių: jis išties išsiplečia beveik 1,2 colio. Tuo pačiu metu to paties ilgio PVC vamzdis panašiomis sąlygomis išsiplečia daugiau nei 5,4 colio. Šie skirtumai sukuria rimtus įtempimo taškus visose vietose, kur susitinka skirtingos medžiagos. Tai tampa ypač problemiška ekspandavimo operacijų metu, nes vietinis šilumos kaupimasis dar labiau sustiprina šiuos judėjimus. Gautosios jėgos kartais gali pasiekti virš 20 000 svarų lygį, o tai inžinieriams, projektuojantiems vamzdžių sistemas, yra visai ne menka problema.

Kodėl nekontroliuojamas išsiplėtimas sukuria įtempimą, nesutapimą ir sąjungų sugadinimą prie išsiplėtimo zonų

Kai šiluminis judėjimas yra ribojamas, vamzdžiai veikia stipriais jėgomis tvirtinimus, flanšus ir sąjungas. Prie išsiplėtimo elementų – kur ciklinis šildymas ir aušinimas suskoncentruoja mechaninius ir šilumos apkrovimus – vyrauja trys sugadinimo būdai:

• Įtempimo koncentracija posūkiuose ir suvirinimuose, viršijanti takumo ribą
• Kampinis nesutapimas flanšų, dėl ko išsisklaido tarpinės
• Skambučio tipo sąjungos atsiskyrimas spaudžiamuosiuose sistemose, sukeliantis nutekėjimus

Pag according to naujausiems 2023 m. Ponemono instituto tyrimams, apytiksliai dvi trečiosios visų pramonės įmonių vamzdžių gedimų iš tikrųjų susiję su netinkamu šiluminio streso valdymu. Kai vamzdžiai patiria pakartotinius šilumos ir aušinimo ciklus, tai greičiau sukelia nuovargio reiškinius. Problema dar labiau pasunkėja vietose, kur vamzdžiai arba pernelyg stipriai pritvirtinti, arba nepakankamai tinkamai remiami. Pavyzdžiui, kai plonosieniams vamzdeliams veikia per didelė suspaudimo jėga, jie linkę sulenktis. Kita vertus, tempimo jėgos gali sukelti įtrūkimų plitimą trapiose medžiagose, pvz., PVC. Jei vamzdžiai nėra tinkamai remiami, šie įtempimai neišlieka vietiniai – jie perduodami tiesiogiai į kitus įrangos komponentus, tokius kaip vožtuvai, siurbliai ir įvairūs prietaisai. Tai sukuria rimtą pavojų inžinieriams vadinamoms katastrofiškoms flančų avarijoms. Net standartinės klasės sistemos gali visiškai sugesti netgi palyginti žemose slėgio reikšmėse – apie 740 psi – ilgalaikiškai veikiant šioms nekontroliuojamoms jėgoms.

Tinkamo išplėtiklio parinkimo ir montavimo geriausios praktikos

Išplėtiklio tipo ir jėgos profilio pritaikymas prie vamzdžio medžiagos ir sienelės storio

Tinkamo plėtiklio pasirinkimas iš esmės priklauso nuo to, kaip gerai atitinka taikoma jėga ir vamzdžio mechaninės apkrovos galimybės. Plieno vamzdžiai turi daug didesnę tempimo stiprybę nei vario ar PVC medžiagos, todėl gali išlaikyti didesnę spindulinę plėtimosi jėgą. Tačiau nepamirškite ir sienelės storio, nes jis taip pat žaidžia labai svarbų vaidmenį visame šiame procese. Šilumos ir ventiliacijos (HVAC) sistemoms su plonomis sienelėmis ar lengvesnėms pramoninėms vamzdynų aplikacijoms paprastai reikia išlaikyti mažus plėtimosi santykius, kad būtų išvengta problemų, tokių kaip susigrąžinimas ar ovalumo pažeidimai. Kalbant apie medžiagas, PVC tampa labai trapus, kai temperatūra nukrenta žemiau 40 °F (t.y. apie 4 °C). Naudojant pneumatinius plėtiklius, kurių slėgis viršija 800 psi, su PVC tik padidėja įtrūkimų plitimo per medžiagą tikimybė. Varis elgiasi kitaip, nes jis yra lankstesnis, todėl mechaniniai plėtikliai leidžia didesnį poslinkį be pažeidimų. Dirbant bet kokiu projektu, būtina kartu patikrinti kelis dalykus: naudojamos vamzdžių medžiagos konkrečią rūšį, jos sienelės storio specifikacijas („schedule“) ir gamintojo rekomenduojamus sukimo momentus. Tai ypač svarbu aplink suvirintus sujungimus, kur likusios po suvirinimo įtempimų būsenos gali padaryti vamzdžius labiau linkusius deformuotis esant slėgiui.

Perdidėjimo išvengimas: saugių poslinkių ribų apskaičiavimas pagal ASME B31.1/B31.9

Perdidėjimas vis dar yra viena dažniausių jungčių gedimų priežasčių slėginėse sistemose. ASME B31.1 (energetinės vamzdynų sistemos) ir B31.9 (pastatų techninės paskirties vamzdynų sistemos) nustato maksimaliai leistiną išsiplėtimą, remiantis medžiaga, temperatūra ir geometrija. Išplėtiklių kalibravimas pagal šias ribas užtikrina, kad deformacija liktų tamprumo srityje ir būtų išvengta nuolatinės deformacijos ar mikrotrūkių:

Po išplėtimo patvirtinimas yra būtinas: lazerinė profilometrija turėtų patvirtinti, kad vidinis skersmuo (ID) lieka ribose ±0,5 % nuo nominaliosios reikšmės. Nuokrypiai už šio slenksčio padidina nutekėjimo riziką ciklinėmis šiluminėmis apkrovomis.

Vamzdžių apsaugos ir tvirtinimo strategijos aplink išplėtiklius

Strateginis tvirtinimų, orientyrų ir slydančių atramų išdėstymas, kad būtų sugertos išplėtiklių sukeltos deformacijos

Gerų atraminės sistemų veikimas iš tikrųjų apima šiluminį judėjimą visuose plėtimosi elementų naudojimo etapuose – jos ne tik veikia kaip pasyvūs varžymo elementai, bet aktyviai paskirsto jėgas visoje sistemoje. Ankščiai priima slėgio jėgą ir sustabdo bet kokį ašinį judėjimą fiksuotose vietose. Vadovai riboja šoninį judėjimą, tačiau leidžia tam tikrą į priekį/atsakomą judėjimą. Slydimo atramos skirtos valdyti numatytą poslinkį dėl jų mažo trinties paviršiaus, dažniausiai jas įrengia apie 4–10 vamzdžio skersmenų atstumu nuo sujungimų ir plėtimosi zonų. Šie trys komponentai kartu veikia ganėtinai gerai, kad būtų išspręstos pagrindinės inžinierių statybvietėje pastebimos problemos: įtempimų kaupimasis suvirinimo vietose, sujungimų nusistatymas netinkamai ir vamzdžių šoninis susigrąžinimas (išlinkimas) veikiant slėgiui.

Teisingai parinkti montavimo taškus reiškia ne tik apytiksliai nustatyti tarpus, bet ir įvertinti šiluminio išsiplėtimo koeficientus bei visos sistemos išdėstymą. Pagrindinės atramos skirtos neleisti konstrukcijoms sagti ir išlaikyti viską tinkamoje padėtyje, atsižvelgiant į pačių komponentų svorį. Antrinės atramos sumažina virpesius ir kontroliuoja nepageidaujamus rezonanso dažnius. Izoliaciniai įdėklai, esantys spaustomuosiuose tvirtinimo elementuose, taip pat atlieka svarbią funkciją: jie neleidžia metalinėms detalėms tiesiogiai trintis vienai į kitą, leisdami laisvai judėti palei ašį, tuo pat metu kontroliuodami šiluminio išsiplėtimo sukeltas jėgas. Tais atvejais, kai fiksuotuose taškuose (pvz., siurblių įėjimuose ar voztuvų flanšuose) visiškai draudžiamas bet koks judėjimas, naudojamos nepritaikomosios atramos, kurios viską patikimai pritvirtina. Tačiau kartais reikia atlikti reguliavimą tiesiog objekte, todėl gamintojai gaminą versijas, kurias galima sureguliuoti be įtakos bendram veikimui. Pramonės patirtis rodo, kad tinkamai suderinus visus šiuos elementus mechaniniai ir šiluminiai įtempiai pasiskirsto visoje sistemoje. Šis inžinerinis požiūris įrodė savo efektyvumą, žymiai pailginant įrangos tarnavimo laiką – techninės priežiūros įrašai rodo apytiksliai 70 % pagerėjimą laikui bėgant.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kokia yra šiluminio išsiplėtimo reikšmė vamzdynų sistemose?

Šiluminis išsiplėtimas vamzdynų sistemose atlieka svarbų vaidmenį, nes dėl temperatūros pokyčių vamzdžiai gali žymiai išsiplėsti arba susitraukti, kas sukelia įtempimo taškus, netikslumus ir galimus konstrukcinius sužlugimus.

Kodėl PVC yra labiau jautrus šiluminiam išsiplėtimui nei plienas?

PVC šiluminio išsiplėtimo koeficientas yra didesnis nei plieno, todėl toje pačioje temperatūros kaitoje PVC išsiplečia beveik penkis kartus labiau. Tai gali sukelti ryškesnius šiluminio išsiplėtimo poveikius PVC vamzduose, ypač aukštos temperatūros sąlygomis.

Kokie yra būdai sumažinti šiluminio išsiplėtimo poveikį vamzdžiams?

Tinkamo išsiplėtimo kompensatoriaus parinkimas, kompensatoriaus tipo pritaikymas prie vamzdžio medžiagos ir sienelės storio bei strateginė atraminės ir tvirtinamosios sistemų vietos parinkimas yra pagrindiniai būdai valdyti ir sumažinti šiluminio išsiplėtimo poveikį.

Kaip išvengti perdidelio išsiplėtimo slėginėse sistemose?

Laikantis nurodymų, tokių kaip ASME B31.1/B31.9, ir kalibruojant išplėtimus pagal apibrėžtus medžiagos ir temperatūros ribojimus, galima išvengti per didelio išplėtimo, užtikrinant, kad deformacija liktų tamprumo srityje.