Cum să evitați deteriorarea conductelor atunci când utilizați dispozitive de dilatare?

Cum afectează dilatarea termică integritatea conductelor în timpul utilizării expandatorului

Fizica dilatării termice liniare în materialele obișnuite pentru conducte (oțel, cupru, PVC)

Materialele pentru conducte tind în general să se dilate atunci când temperatura crește și să se contracte atunci când scade, conform unui principiu de bază descris de ecuația ΔL = αLΔT (care înseamnă, în esență, că variația lungimii este egală cu coeficientul de dilatare înmulțit cu lungimea inițială și cu variația temperaturii). Totuși, diferitele materiale se comportă destul de diferit. Oțelul se dilată cu aproximativ 0,0000065 inch pentru fiecare inch de conductă la o creștere de temperatură de un grad Fahrenheit. Cuprul nu este departe de această valoare, având o dilatare de aproximativ 0,0000090 inch pe inch la grad. Dar priviți PVC-ul: acesta ajunge la aproximativ 0,00003 inch pe inch la grad, ceea ce îl face aproape de cinci ori mai deformabil decât oțelul. Pentru a ilustra acest lucru, imaginați-vă o conductă din oțel de 100 de picioare lungime care se încălzește cu 150 de grade Fahrenheit; aceasta s-ar lungi cu aproximativ 1,2 inch. Aceeași lungime de conductă din PVC, în condiții similare, s-ar dilata cu peste 5,4 inch. Aceste diferențe creează puncte de tensiune semnificative în orice loc în care se întâlnesc materiale diferite. Această situație devine deosebit de problematică în timpul operațiunilor care implică dispozitive de expansiune, deoarece acumularea locală de căldură amplifică aceste mișcări. Forțele rezultante pot ajunge uneori la valori superioare lui 20.000 de lire sterline, ceea ce reprezintă un aspect de mare importanță pentru inginerii care proiectează sistemele de conducte.

De ce expansiunea necontrolată creează tensiuni, dezaliniere și cedarea îmbinărilor în apropierea zonelor cu elemente de expansiune

Când mișcarea termică este restricționată, conductele exercită forțe extreme asupra ancorajelor, flanșelor și îmbinărilor. În apropierea elementelor de expansiune—unde încălzirea și răcirea ciclice concentrează sarcinile mecanice și termice—predomină trei moduri de cedare:

• Concentrarea tensiunii la coturi și suduri, depășind rezistența la curgere
• Dezaliniere Unghiulară ale flanșelor, ducând la deteriorarea garniturilor
• Separarea îmbinărilor tip clopot în sistemele de tip push-fit, provocând scurgeri

Conform unui studiu recent realizat de Institutul Ponemon în 2023, aproximativ două treimi din toate defecțiunile de conducte din instalațiile industriale se datorează, de fapt, unei gestionări necorespunzătoare a problemelor legate de eforturile termice. Când conductele sunt supuse ciclurilor repetate de încălzire și răcire, acest lucru conduce la o dezvoltare accelerată a oboselii materialelor. Problema se agravează în zonele în care conductele sunt fie ancorate prea rigid, fie nu sunt susținute corespunzător. De exemplu, atunci când asupra tuburilor cu perete subțire acționează o forță de compresiune excesivă, acestea tind să se îndoaie. Pe de altă parte, forțele de întindere pot determina propagarea fisurilor prin materiale fragile, cum ar fi PVC-ul. Dacă suportul conductelor nu este adecvat, aceste eforturi nu rămân localizate; ele se transmit direct către alte componente ale echipamentelor, cum ar fi robinetele, pompele și diversele instrumente. Acest lucru creează riscuri serioase pentru ceea ce inginerii numesc „defecțiuni catastrofale ale flanșelor”. Chiar și sistemele standardizate pot ceda complet la niveluri surprinzător de scăzute de presiune, în jur de 740 psi, atunci când sunt supuse acestor forțe necontrolate pe o perioadă îndelungată.

Selectarea corectă a expansiunii și cele mai bune practici de instalare

Potrivirea tipului de expansiune și a profilului de forță cu materialul țevii și grosimea pereților

Alegerea unui expansor potrivit se reduce, de fapt, la potrivirea forței pe care acesta o aplică cu rezistența mecanică a țevii. Țevile din oțel au o rezistență la tractiune mult mai mare decât cele din cupru sau PVC, astfel încât pot suporta o forță mai mare de expansiune radială. Totuși, nu uitați nici de grosimea peretelui, deoarece aceasta joacă un rol esențial în întregul proces. Pentru sistemele HVAC cu pereți subțiri sau pentru aplicațiile industriale ușoare cu țevi, trebuie, în general, să menținem raportul de expansiune la un nivel scăzut, pentru a preveni probleme precum flambajul sau deformarea în formă de oval. Vorbind despre materiale, PVC-ul devine destul de casant atunci când temperatura scade sub 40 de grade Fahrenheit (adică aproximativ 4 grade Celsius). Utilizarea expandoarelor pneumatice la presiuni superioare lui 800 psi cu țevi din PVC crește, de fapt, probabilitatea apariției fisurilor care se răspândesc prin material. Cuprul se comportă însă diferit, deoarece este mai ductil, permițând o deplasare mai mare fără deteriorare atunci când se folosesc expandoare mecanice. În cadrul oricărui proiect, asigurați-vă că verificați simultan mai multe elemente: calitatea specifică a materialului țevii utilizate, detaliile privind grosimea peretelui („schedule”) și toate specificațiile de cuplu recomandate de producător. Această verificare devine deosebit de importantă în jurul îmbinărilor sudate, unde tensiunile reziduale din sudură pot face ca țevile să se deformeze mai ușor sub presiune.

Evitarea expansiunii excesive: Calcularea limitelor sigure de deplasare conform ASME B31.1/B31.9

Expansiunea excesivă rămâne una dintre principalele cauze ale cedării îmbinărilor în sistemele sub presiune. ASME B31.1 (țevi pentru instalații energetice) și B31.9 (țevi pentru instalații de servicii din clădiri) definesc expansiunea maxim admisibilă pe baza materialului, temperaturii și geometriei. Etalonarea expandoarelor în limitele stabilite asigură faptul că deformarea rămâne în domeniul elastic și evită apariția unei deformații permanente sau a microfisurilor:

Verificarea post-expansiune este esențială: profilometria cu laser trebuie să confirme că diametrul interior (ID) rămâne în limitele de ±0,5 % față de valoarea nominală. Abaterile care depășesc această limită măresc riscul de scurgeri sub încărcări termice ciclice.

Strategii de susținere și ancorare pentru protejarea conductelor din jurul expansiunilor

Amplasarea strategică a ancorajelor, ghidurilor și suporturilor glisante pentru absorbția mișcărilor induse de expansiuni

Sistemele bune de susținere gestionează, de fapt, dilatarea termică pe întreaga durată a utilizării expansiunilor, nu doar ca restricții pasive, ci distribuind activ forțele în cadrul întregului sistem. Ancorajele preiau împingerea datorată presiunii și opresc orice mișcare axială în acele puncte fixe. Ghidajele limitează mișcarea laterală, dar permit totuși o anumită mișcare înainte/înapoi. Suporturile glisante sunt concepute pentru a gestiona deplasarea prevăzută prin suprafețele lor cu frecare redusă, fiind, de obicei, amplasate la o distanță de 4–10 diametre de țeavă față de îmbinări și zonele de expansiune. Aceste trei componente funcționează împreună destul de eficient pentru a rezolva principalele probleme cu care se confruntă inginerii pe teren: acumularea de eforturi în punctele de sudură, îmbinările care se dezaliniază și țevile care se îndoaie lateral sub acțiunea presiunii.

Plasarea corectă necesită analizarea ratelor de dilatare termică, împreună cu modul în care este dispus întregul sistem, în loc să se recurgă la estimări aproximative privind distanțele. Suporturile principale au rolul de a preveni sârguirea și de a menține alinierea tuturor elementelor, având în vedere greutatea componentelor propriu-zise. Suporturile secundare își îndeplinesc rolul reducând vibrațiile și menținând sub control acele frecvențe rezonante deranjante. În plus, garniturile de izolare din interiorul echipamentului de fixare își au un scop bine definit: ele previn contactul direct între piesele metalice, permițând astfel o mișcare liberă de-a lungul axei, dar totuși controlând forțele generate de dilatare. Pentru punctele fixe, unde orice mișcare este absolut inacceptabilă — cum ar fi intrările pompelor sau flanșele robinetelor — folosim suporturi neajustabile care asigură o fixare rigidă. Totuși, uneori sunt necesare ajustări pe teren, motiv pentru care producătorii oferă variante care pot fi reglate fără a compromite performanța generală. Experiența din industrie arată că, atunci când toate aceste elemente funcționează împreună corespunzător, tensiunile mecanice și termice se distribuie pe întreaga configurație. Acest tip de abordare ingineresc s-a dovedit capabil să prelungească semnificativ durata de viață a echipamentelor, înregistrându-se, conform înregistrărilor privind întreținerea, îmbunătățiri de aproximativ 70% în timp.

Întrebări frecvente

Care este semnificația dilatării termice în sistemele de conducte?

Dilatarea termică joacă un rol esențial în sistemele de conducte, deoarece poate determina o expansiune sau o contracție semnificativă a conductelor în funcție de variațiile de temperatură, ceea ce duce la puncte de tensiune, dezaliniere și potențiale defecțiuni structurale.

De ce este PVC-ul mai predispus la dilatare termică comparativ cu oțelul?

Coeficientul de dilatare termică al PVC-ului este mai mare decât cel al oțelului, fapt care face ca acesta să se extindă aproape de cinci ori mai mult în aceleași condiții de variație a temperaturii. Aceasta poate avea ca rezultat efecte de expansiune mai pronunțate în cazul PVC-ului, în special în condiții de temperatură ridicată.

Care sunt unele metode de atenuare a efectelor dilatării termice în conducte?

Selectarea corectă a compensatoarelor, adaptarea tipului de compensator la materialul și grosimea peretelui conductei, precum și amplasarea strategică a sistemelor de susținere și ancorare reprezintă metode cheie pentru gestionarea și atenuarea efectelor dilatării termice.

Cum se poate evita supraextensia în sistemele sub presiune?

Prin respectarea unor directive, cum ar fi ASME B31.1/B31.9, și prin calibrarea expansiunii la limitele definite de material și temperatură, se poate evita supra-expansiunea, asigurându-se astfel că deformarea rămâne în domeniul elastic.