Jak uniknąć uszkodzenia rur podczas korzystania z rozszerzaczy?

Wpływ rozszerzalności termicznej na integralność rur podczas użytkowania rozszerzacza

Fizyka liniowej rozszerzalności termicznej w powszechnie stosowanych materiałach rurociągów (stal, miedź, PVC)

Materiały stosowane do rurociągów mają tendencję do rozszerzania się przy podwyższeniu temperatury i kurczenia się przy jej obniżeniu, zgodnie z podstawowym prawem opisanym równaniem ΔL = αLΔT (czyli zmiana długości równa się współczynnikowi rozszerzalności pomnożonemu przez pierwotną długość i zmianę temperatury). Różne materiały zachowują się jednak znacznie różnie. Stal wydłuża się o około 0,0000065 cala na każdy cal długości rury przy wzroście temperatury o 1 °F. Miedź nie jest daleko w tyle – jej wartość wynosi około 0,0000090 cala na cal na stopień Fahrenheit. Spójrzmy jednak na PVC: jego wartość wzrasta do ok. 0,00003 cala na cal na stopień Fahrenheit, co czyni go niemal pięć razy bardziej rozciągliwym niż stal. Aby to zobrazować: wyobraźmy sobie stalową rurę o długości 100 stóp podgrzaną o 150 °F – wydłużyłaby się ona o około 1,2 cala. Ta sama długość rury z PVC w podobnych warunkach rozszerzyłaby się o ponad 5,4 cala. Różnice te powodują powstanie poważnych punktów naprężeń tam, gdzie spotykają się różne materiały. Problem ten staje się szczególnie istotny podczas operacji z wykorzystaniem rozprężaczy, ponieważ lokalne nagrzewanie jeszcze bardziej nasila te przemieszczenia. Powstające siły mogą czasem przekraczać 20 000 funtów, co stanowi poważne wyzwanie dla inżynierów projektujących układy rurociągów.

Dlaczego niekontrolowane rozszerzanie powoduje naprężenia, niewycentrowanie i uszkodzenie połączeń w pobliżu stref rozszerzających

Gdy ruch termiczny jest ograniczony, rury wywierają skrajne siły na kotwice, kołnierzowe i połączenia. W pobliżu elementów rozszerzających – tam, gdzie cykliczne nagrzewanie i ochładzanie koncentrują obciążenia mechaniczne i termiczne – dominują trzy rodzaje uszkodzeń:

• Koncentracja naprężeń w zakrętach i spoinach, przekraczając granicę plastyczności
• Nieprawidłowe ustawienie kątowe kołnierzy, prowadzące do wyrzutu uszczelek
• Rozłączenie się złączy dzwonowych w systemach montowanych przez wciskanie, powodujące wycieki

Zgodnie z niedawnym badaniem Instytutu Ponemon z 2023 roku około dwóch trzecich wszystkich awarii rurociągów w obiektach przemysłowych wynika w rzeczywistości z niewłaściwego zarządzania problemami naprężeń termicznych. Gdy rury poddawane są powtarzającym się cyklom nagrzewania i ochładzania, prowadzi to do przyspieszonego rozwoju zmęczenia materiału. Problem nasila się w miejscach, gdzie rury są albo zbyt sztywno zakotwiczone, albo niewystarczająco dobrze wspierane. Na przykład nadmiarowa siła ściskająca działająca na cienkościenne rury powoduje ich wyboczenie. Z drugiej strony siły rozciągające mogą powodować rozprzestrzenianie się pęknięć w materiałach kruchych, takich jak PVC. Jeśli rurociągi nie są odpowiednio wspierane, te naprężenia nie pozostają lokalne – przenoszą się bezpośrednio na inne elementy wyposażenia, takie jak zawory, pompy oraz różne przyrządy pomiarowe. Powstaje w ten sposób poważne zagrożenie tzw. katastrofalnymi awariami kołnierzowymi. Nawet systemy o standardowym stopniu odporności mogą całkowicie ulec awarii przy zaskakująco niskich poziomach ciśnienia, ok. 740 psi, gdy przez dłuższy czas działają na nie niekontrolowane siły.

Poprawny dobór i najlepsze praktyki instalacji rozszerzaczy

Dopasowanie typu rozszerzacza oraz charakterystyki siły do materiału rury i jej grubości ścianki

Wybór odpowiedniego rozszerzacza sprowadza się w zasadzie do dopasowania wielkości siły rozprężającej do mechanicznej wytrzymałości rury. Rury stalowe charakteryzują się znacznie wyższą wytrzymałością na rozciąganie niż rury miedziane lub z tworzyw sztucznych (PVC), dlatego mogą wytrzymać większe siły rozprężania radialnego. Nie należy jednak zapominać również o grubości ścianki, ponieważ odgrywa ona kluczową rolę w tym wszystkim. W przypadku systemów klimatyzacyjnych o cienkich ściankach lub lżejszych przemysłowych instalacji rurowych zazwyczaj konieczne jest ograniczenie stosunku rozszerzenia, aby uniknąć problemów takich jak wyboczenie czy deformacja eliptyczna. Co do materiałów: PVC staje się dość kruchy przy temperaturach poniżej 40 °F (czyli ok. 4 °C). Stosowanie pneumatycznych rozszerzaczy o ciśnieniu przekraczającym 800 psi w połączeniu z PVC zwiększa prawdopodobieństwo rozprzestrzeniania się pęknięć w materiale. Miedź zachowuje się inaczej – ze względu na większą plastyczność umożliwia większe przemieszczenia bez uszkodzeń przy użyciu rozszerzaczy mechanicznych. Przystępując do realizacji dowolnego projektu, należy zawsze sprawdzić kilka czynników jednocześnie: konkretny gatunek materiału rury, szczegółowe dane dotyczące jej grubości ścianki (tzw. schedule) oraz zalecane przez producenta wartości momentu obrotowego. Jest to szczególnie ważne w okolicach połączeń spawanych, gdzie naprężenia resztkowe po spawaniu mogą powodować łatwiejszą deformację rur pod wpływem ciśnienia.

Unikanie nadmiernego rozszerzania: obliczanie bezpiecznych granic przemieszczenia zgodnie z normami ASME B31.1/B31.9

Nadmierny rozrost pozostaje główną przyczyną uszkodzeń połączeń w układach pod ciśnieniem. Normy ASME B31.1 (rury energetyczne) i B31.9 (rury do instalacji budowlanych) określają maksymalne dopuszczalne rozszerzenie na podstawie materiału, temperatury i geometrii. Kalibracja rozprężników zgodnie z tymi limitami zapewnia, że odkształcenia pozostają w zakresie sprężystym i nie powodują trwałego odkształcenia lub mikropęknięć:

Weryfikacja po rozszerzeniu jest niezbędna: profilometria laserowa powinna potwierdzić, że średnica wewnętrzna (ID) pozostaje w granicach ±0,5% wartości nominalnej. Odchylenia przekraczające ten próg zwiększają ryzyko przecieku pod wpływem cyklicznych obciążeń termicznych.

Strategie podparcia i kotwienia w celu ochrony rur wokół urządzeń rozszerzających

Strategiczne rozmieszczenie kotew, prowadnic i podpór ślizgowych w celu pochłonięcia ruchów wywoływanych przez urządzenia rozszerzające

Dobre systemy podporowe rzeczywiście radzą sobie z ruchem termicznym w całym procesie stosowania rozszerzaczy, nie działając jedynie jako bierne ograniczniki, lecz aktywnie rozprowadzając siły w całym systemie. Kotwice przejmują siłę parcie i zapobiegają jakimkolwiek przesunięciom osiowym w tych ustalonych punktach. Przewodniki ograniczają ruch boczny, pozwalając jednocześnie na pewien ruch w przód/powrót. Podpory ślizgowe są przeznaczone do obsługi przewidywanych przemieszczeń dzięki swoim powierzchniom o niskim współczynniku tarcia, zwykle umieszczane w odległości 4–10 średnic rury od połączeń i stref rozszerzania. Te trzy elementy współpracują ze sobą bardzo dobrze, rozwiązując główne problemy, z jakimi inżynierowie spotykają się na budowie: nagromadzanie naprężeń w miejscach spawów, przesunięcia połączeń z ich pierwotnego położenia oraz wyboczenie rur w kierunku bocznym pod wpływem ciśnienia.

Dobranie odpowiedniego rozmieszczenia elementów wymaga analizy współczynników rozszerzalności cieplnej oraz ogólnego układu całego systemu, a nie polegania na przybliżonych oszacowaniach odstępów. Podpory główne mają za zadanie zapobiegać ugięciom i utrzymywać wszystkie elementy w odpowiedniej pozycji pod wpływem masy samych komponentów. Podpory wtórne pełnią ważną rolę w redukcji drgań oraz kontrolowaniu uciążliwych częstotliwości rezonansowych. Wkładki izolacyjne umieszczone wewnątrz elementów zaciskowych również spełniają istotne funkcje: zapobiegają bezpośredniemu tarciu się części metalowych, umożliwiając swobodny ruch wzdłuż osi, jednocześnie kontrolując siły powstające w wyniku rozszerzalności cieplnej. W punktach stałe, w których absolutnie niedopuszczalne jest jakiekolwiek przemieszczenie — np. na wlotach pomp lub kołnierzach zaworów — stosuje się podpory nieregulowane, które sztywno zakotwiczają całość. Czasem jednak konieczna jest korekta na miejscu, dlatego producenci oferują wersje podpór dopasowywalnych bez wpływu na ogólną wydajność systemu. Doświadczenie branżowe pokazuje, że gdy wszystkie te elementy współpracują prawidłowo, naprężenia mechaniczne i termiczne rozpraszane są równomiernie na cały układ. Takie podejście inżynierskie zostało potwierdzone jako skuteczne w znacznym wydłużaniu czasu eksploatacji urządzeń; dokumentacja serwisowa wskazuje na poprawę trwałości rzędu ok. 70% w długim okresie.

Najczęściej zadawane pytania

Jakie znaczenie ma rozszerzalność termiczna w układach rurociągowych?

Rozszerzalność termiczna odgrywa kluczową rolę w układach rurociągowych, ponieważ może powodować znaczne rozszerzanie się lub kurczenie się rur wraz ze zmianami temperatury, co prowadzi do punktów naprężeń, nieprawidłowego wyrównania oraz potencjalnych awarii konstrukcyjnych.

Dlaczego PVC jest bardziej podatny na rozszerzalność termiczną niż stal?

Współczynnik rozszerzalności termicznej PVC jest wyższy niż stali, co sprawia, że materiał ten rozszerza się niemal pięciokrotnie bardziej przy tej samej zmianie temperatury. Może to prowadzić do bardziej wyraźnych efektów rozszerzania się PVC, szczególnie w warunkach wysokiej temperatury.

Jakie są metody ograniczania skutków rozszerzalności termicznej w rurach?

Poprawny dobór kompensatorów, dopasowanie typu kompensatora do materiału rury i jej grubości ścianki oraz strategiczne rozmieszczenie systemów podparcia i kotwienia stanowią kluczowe metody zarządzania i ograniczania skutków rozszerzalności termicznej.

Jak uniknąć nadmiernego rozszerzania się w układach pod ciśnieniem?

Poprzez przestrzeganie wytycznych, takich jak ASME B31.1/B31.9, oraz kalibrowanie rozszerzaczy zgodnie z określonymi granicami materiałowymi i temperaturowymi, można uniknąć nadmiernego rozszerzania, zapewniając, że odkształcenie pozostaje w zakresie sprężystym.