วิธีหลีกเลี่ยงความเสียหายของท่อเมื่อใช้เครื่องขยายท่อ

การขยายตัวจากความร้อนส่งผลต่อความสมบูรณ์ของท่ออย่างไรในระหว่างการใช้เครื่องขยายท่อ

หลักฟิสิกส์ของการขยายตัวเชิงเส้นจากความร้อนในวัสดุที่นิยมใช้ทำท่อ (เหล็ก ทองแดง PVC)

วัสดุที่ใช้ทำท่อทั้งหมดมีแนวโน้มจะขยายตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และหดตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง ซึ่งสอดคล้องกับหลักการพื้นฐานที่อธิบายไว้ในสมการ ΔL = αLΔT (โดยทั่วไปหมายความว่า การเปลี่ยนแปลงความยาวเท่ากับสัมประสิทธิ์การขยายตัวคูณด้วยความยาวเริ่มต้นคูณด้วยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ) อย่างไรก็ตาม วัสดุแต่ละชนิดมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เหล็กจะขยายตัวประมาณ 0.0000065 นิ้ว ต่อนิ้วของท่อ ต่อการเพิ่มขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์ ขณะที่ทองแดงไม่ได้ห่างไกลนัก โดยขยายตัวประมาณ 0.0000090 นิ้ว ต่อนิ้ว ต่อองศาฟาเรนไฮต์ แต่หากพิจารณาท่อ PVC จะพบว่ามันขยายตัวสูงถึงประมาณ 0.00003 นิ้ว ต่อนิ้ว ต่อองศาฟาเรนไฮต์ หรือกล่าวได้ว่ามีความยืดหยุ่นในการขยายตัวสูงเกือบห้าเท่าของเหล็ก เพื่อให้เห็นภาพชัดเจนยิ่งขึ้น ลองนึกภาพท่อเหล็กยาว 100 ฟุต ที่ได้รับความร้อนเพิ่มขึ้น 150 องศาฟาเรนไฮต์ มันจะยาวขึ้นจริงๆ ใกล้เคียงกับ 1.2 นิ้ว ในขณะที่ท่อ PVC ความยาวเท่ากันภายใต้เงื่อนไขเดียวกันจะขยายตัวมากกว่า 5.4 นิ้ว ความแตกต่างเหล่านี้ก่อให้เกิดจุดเครียด (stress points) อย่างรุนแรงบริเวณรอยต่อระหว่างวัสดุที่ต่างกัน ปัญหานี้ยิ่งรุนแรงขึ้นโดยเฉพาะในระหว่างการปฏิบัติงานที่ใช้อุปกรณ์ขยาย (expanders) เนื่องจากการสะสมความร้อนในบริเวณท้องถิ่นจะยิ่งทวีความเคลื่อนไหวเหล่านี้ให้รุนแรงยิ่งขึ้น แรงที่เกิดขึ้นตามมาอาจสูงถึงระดับเกิน 20,000 ปอนด์ ซึ่งถือเป็นเรื่องสำคัญอย่างยิ่งสำหรับวิศวกรผู้ออกแบบระบบ piping

เหตุใดการขยายตัวอย่างไม่ควบคุมจึงก่อให้เกิดความเครียด การไม่สมดุล และความล้มเหลวของข้อต่อใกล้โซนตัวขยาย

เมื่อการเคลื่อนที่จากความร้อนถูกจำกัด ท่อจะออกแรงสุดขีดต่อจุดยึด หน้าแปลน และข้อต่อ ใกล้ตัวขยาย—ซึ่งเป็นบริเวณที่การให้ความร้อนและระบายความร้อนแบบเป็นรอบๆ ส่งผลให้เกิดภาระเชิงกลและภาระจากความร้อนเข้มข้น—มีรูปแบบความล้มเหลวหลักสามแบบ ได้แก่

• การรวมตัวของแรงดัน ที่ส่วนโค้งและรอยเชื่อม ซึ่งเกินขีดจำกัดความแข็งแรงขณะไหล (yield strength)
• การไม่ตรงแนวเชิงมุม ของหน้าแปลน ทำให้ซีลแบบแหวนรอง (gasket) กระเด็นออก
• การแยกตัวของข้อต่อแบบเบลล์ (Bell joint separation) ในระบบข้อต่อแบบดันเข้า (push-fit systems) ทำให้เกิดการรั่วซึม

ตามผลการศึกษาล่าสุดของสถาบันโปเนียม (Ponemon Institute) ปี ค.ศ. 2023 พบว่าประมาณสองในสามของกรณีที่ท่อเกิดความล้มเหลวในสถานประกอบการอุตสาหกรรมนั้น เกิดจากปัญหาการจัดการแรงเครียดจากความร้อนได้อย่างไม่เหมาะสม เมื่อท่อถูกทำให้ร้อนและเย็นซ้ำๆ หลายรอบ จะส่งผลให้เกิดภาวะความเหนื่อยล้าของวัสดุเร็วยิ่งขึ้น ปัญหานี้ยิ่งรุนแรงขึ้นในบริเวณที่ท่อถูกยึดแน่นเกินไป หรือไม่ได้รับการรองรับอย่างเพียงพอ ตัวอย่างเช่น เมื่อมีแรงอัดมากเกินไปกระทำต่อท่อที่มีผนังบาง ท่อดังกล่าวมักจะเกิดการโก่งตัว (buckling) ในทางกลับกัน แรงดึงอาจทำให้รอยร้าวขยายตัวผ่านวัสดุเปราะ เช่น พีวีซี (PVC) หากท่อไม่ได้รับการรองรับอย่างเหมาะสม แรงเครียดเหล่านี้จะไม่จำกัดอยู่เฉพาะบริเวณที่เกิดเหตุเท่านั้น แต่จะส่งผ่านไปยังชิ้นส่วนอุปกรณ์อื่นๆ ที่เชื่อมต่ออยู่ เช่น วาล์ว ปั๊ม และเครื่องมือวัดต่างๆ ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงร้ายแรงต่อสิ่งที่วิศวกรเรียกว่า "ความล้มเหลวแบบรุนแรงของข้อต่อฟลานจ์ (catastrophic flange failures)" แม้แต่ระบบที่ออกแบบให้ใช้งานได้ตามมาตรฐานทั่วไป ก็อาจล้มเหลวอย่างสมบูรณ์ได้ แม้ภายใต้แรงดันที่ต่ำน่าประหลาดใจเพียงประมาณ 740 psi เมื่อถูกกระทำด้วยแรงที่ควบคุมไม่ได้เหล่านี้เป็นระยะเวลานาน

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการเลือกและติดตั้งอุปกรณ์ขยายอย่างเหมาะสม

การจับคู่ประเภทของอุปกรณ์ขยายและลักษณะแรงที่ใช้กับวัสดุท่อและความหนาของผนังท่อ

การเลือกเครื่องขยาย (expander) ที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับการจับคู่ระหว่างแรงที่เครื่องขยายใช้กับความสามารถในการรับแรงเชิงกลของท่อเป็นหลัก ท่อเหล็กมีความแข็งแรงต่อแรงดึง (tensile strength) สูงกว่าท่อทองแดงหรือท่อพีวีซี (PVC) มาก จึงสามารถรองรับแรงขยายแบบรัศมี (radial expansion force) ได้มากกว่า อย่างไรก็ตาม อย่าลืมพิจารณาความหนาของผนังท่อด้วย เพราะปัจจัยนี้มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อเรื่องทั้งหมดนี้ สำหรับระบบท่อปรับอากาศและระบายอากาศ (HVAC) ที่มีผนังบาง หรือระบบท่ออุตสาหกรรมที่ใช้งานเบา ทั่วไปแล้วเราจำเป็นต้องควบคุมอัตราส่วนการขยายให้อยู่ในระดับต่ำ เพื่อป้องกันปัญหาต่าง ๆ เช่น การบิดโค้ง (buckling) หรือการเปลี่ยนรูปเป็นรูปไข่ (ovalization) ที่เกิดขึ้นกับท่อ กล่าวถึงวัสดุเพิ่มเติม อุณหภูมิที่ลดลงต่ำกว่า 40 องศาฟาเรนไฮต์ (ประมาณ 4 องศาเซลเซียส) จะทำให้ท่อพีวีซี (PVC) มีความเปราะบางมากขึ้นอย่างเห็นได้ชัด การใช้เครื่องขยายแบบลม (pneumatic expanders) ที่มีแรงดันเกิน 800 psi กับท่อพีวีซีจะเพิ่มโอกาสให้รอยแตกแพร่กระจายผ่านวัสดุได้มากขึ้น อย่างไรก็ตาม ท่อทองแดงมีพฤติกรรมต่างออกไป เนื่องจากมีความเหนียว (ductility) สูงกว่า จึงสามารถรับการเคลื่อนที่ (displacement) ได้มากขึ้นโดยไม่เกิดความเสียหายเมื่อใช้เครื่องขยายแบบกลไก (mechanical expanders) ในการดำเนินงานใด ๆ ก็ตาม ควรตรวจสอบหลายปัจจัยร่วมกันอย่างรอบคอบ ได้แก่ ชนิดเฉพาะของวัสดุท่อที่ใช้งาน รายละเอียดตารางความหนาของผนังท่อ (wall schedule) และค่าแรงบิด (torque specs) ที่ผู้ผลิตแนะนำไว้ โดยปัจจัยเหล่านี้มีความสำคัญยิ่งโดยเฉพาะบริเวณรอยต่อแบบเชื่อม (welded joints) ซึ่งความเค้นที่เหลือจากการเชื่อมอาจทำให้ท่อบิดเบี้ยวได้ง่ายขึ้นภายใต้แรงดัน

การหลีกเลี่ยงการขยายตัวมากเกินไป: การคำนวณขีดจำกัดการขยายตัวที่ปลอดภัยตามมาตรฐาน ASME B31.1/B31.9

การขยายตัวมากเกินไปยังคงเป็นสาเหตุหลักของการล้มเหลวของข้อต่อในระบบที่มีแรงดัน ซึ่งมาตรฐาน ASME B31.1 (ท่อสำหรับระบบพลังงาน) และ B31.9 (ท่อสำหรับระบบบริการอาคาร) ได้กำหนดค่าการขยายตัวสูงสุดที่ยอมรับได้ไว้ตามวัสดุ อุณหภูมิ และรูปทรงเรขาคณิต การปรับค่าตัวขยายให้สอดคล้องกับขีดจำกัดเหล่านี้จะช่วยให้การเปลี่ยนรูปอยู่ภายในช่วงความยืดหยุ่น และหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนรูปถาวรหรือรอยแตกร้าวจุลภาค:

การตรวจสอบหลังการขยายตัวเป็นสิ่งจำเป็น: การวัดรูปร่างด้วยเลเซอร์ (laser profilometry) ควรยืนยันว่าเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (ID) ยังคงอยู่ภายในช่วง ±0.5% ของค่าที่ระบุไว้ ความเบี่ยงเบนเกินเกณฑ์นี้จะเพิ่มความเสี่ยงของการรั่วซึมภายใต้ภาระความร้อนแบบเป็นรอบ

กลยุทธ์การรองรับและการยึดตรึงเพื่อป้องกันท่อรอบบริเวณอุปกรณ์ขยายตัว

การจัดวางตัวเครื่องยึดตรึง (anchors), เครื่องนำทาง (guides) และระบบรองรับแบบเลื่อน (sliding supports) อย่างมีกลยุทธ์ เพื่อดูดซับการเคลื่อนตัวที่เกิดจากอุปกรณ์ขยายตัว

ระบบรองรับที่ดีนั้นจริงๆ แล้วสามารถจัดการกับการเคลื่อนตัวจากความร้อนได้ตลอดกระบวนการใช้งานตัวขยาย (expanders) ทั้งหมด ไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ยึดตรึงแบบพาสซีฟเท่านั้น แต่ยังกระจายแรงไปทั่วทั้งระบบอย่างแข็งขันด้วย แอนเชอร์ (Anchors) รับแรงดันจากแรงผลัก (pressure thrust) และหยุดการเคลื่อนที่ตามแนวแกน (axial movement) ที่จุดยึดคงที่เหล่านั้น ไกด์ (Guides) จำกัดการเคลื่อนที่ในแนวข้าง (sideways movement) แต่ยังคงอนุญาตให้มีการเคลื่อนที่บางส่วนในแนวหน้า–หลัง (forward/backward motion) ได้ สไลดิ้งซัพพอร์ต (Sliding supports) ถูกออกแบบมาเพื่อรับการกระจกตัว (displacement) ที่คาดการณ์ไว้ผ่านพื้นผิวที่มีแรงเสียดทานต่ำ โดยมักติดตั้งห่างจากข้อต่อและบริเวณที่มีการขยายตัวประมาณ 4 ถึง 10 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ องค์ประกอบทั้งสามชนิดนี้ทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อแก้ไขปัญหาหลักที่วิศวกรพบเห็นในสถานที่จริง ได้แก่ การสะสมความเครียด (stress buildup) ที่จุดรอยเชื่อม (weld points) ข้อต่อที่คลาดเคลื่อนจากแนวเดิม (joints that get out of alignment) และท่อที่โก่งหรือบิดเบี้ยวในแนวข้าง (pipes that buckle sideways) ภายใต้แรงดัน

การจัดวางตำแหน่งให้เหมาะสมนั้นต้องพิจารณาอัตราการขยายตัวจากความร้อนร่วมกับการจัดวางระบบโดยรวม แทนที่จะใช้ค่าประมาณคร่าวๆ สำหรับระยะห่าง โครงสร้างรองรับหลักมีหน้าที่ป้องกันไม่ให้ส่วนประกอบหย่อนตัวลง และรักษาการจัดแนวให้ตรงตลอดเวลาเมื่อต้องรับน้ำหนักของชิ้นส่วนต่างๆ เอง ขณะที่โครงสร้างรองรับรองทำหน้าที่ลดการสั่นสะเทือนและควบคุมความถี่การสั่นพ้อง (resonant frequencies) ที่น่ารำคาญเหล่านั้น ที่รองกันการสัมผัส (isolation liners) ที่อยู่ภายในอุปกรณ์ยึดจับก็มีวัตถุประสงค์สำคัญเช่นกัน คือ ป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนโลหะสัมผัสกันโดยตรง ซึ่งช่วยให้ชิ้นส่วนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระตามแกนที่กำหนด ขณะเดียวกันก็ควบคุมแรงที่เกิดขึ้นจากการขยายตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับจุดยึดคงที่ที่ไม่อนุญาตให้มีการเคลื่อนที่ใดๆ เลย เช่น ทางเข้าปั๊ม หรือหน้าแปลนวาล์ว เราจะใช้โครงสร้างรองรับแบบไม่สามารถปรับแต่งได้ เพื่อยึดแน่นทุกส่วนอย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ในบางกรณีอาจจำเป็นต้องปรับแต่งในสถานที่จริง ผู้ผลิตจึงออกแบบรุ่นที่สามารถปรับค่าได้โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ ประสบการณ์ในอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่า เมื่อองค์ประกอบทั้งหมดทำงานร่วมกันอย่างเหมาะสม แรงเครื่องกลและแรงจากความร้อนจะกระจายออกไปทั่วทั้งระบบอย่างสม่ำเสมอ แนวทางวิศวกรรมลักษณะนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยบันทึกการบำรุงรักษาแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพประมาณร้อยละ 70 เมื่อเทียบกับระบบทั่วไป

คำถามที่พบบ่อย

การขยายตัวจากความร้อนมีความสำคัญอย่างไรต่อระบบท่อ?

การขยายตัวจากความร้อนมีบทบาทสำคัญต่อระบบท่อ เนื่องจากอาจทำให้ท่อมีการขยายตัวหรือหดตัวอย่างมากเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้เกิดจุดรับแรงเครียด การไม่เรียงตัวกันอย่างถูกต้อง และความล้มเหลวของโครงสร้างได้

เหตุใด PVC จึงไวต่อการขยายตัวจากความร้อนมากกว่าเหล็ก?

PVC มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนสูงกว่าเหล็ก จึงทำให้ PVC ขยายตัวได้มากเกือบห้าเท่าเมื่อเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในระดับเดียวกัน ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์การขยายตัวที่ชัดเจนยิ่งขึ้นในท่อ PVC โดยเฉพาะในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง

มีวิธีใดบ้างที่สามารถลดผลกระทบจากการขยายตัวจากความร้อนในท่อ?

การเลือกใช้อุปกรณ์ขยายตัว (expander) อย่างเหมาะสม การเลือกชนิดของอุปกรณ์ขยายตัวให้สอดคล้องกับวัสดุที่ใช้ทำท่อและขนาดความหนาของผนังท่อ รวมทั้งการจัดวางระบบรองรับและระบบยึดตรึงอย่างมีกลยุทธ์ คือ วิธีหลักในการจัดการและลดผลกระทบจากการขยายตัวจากความร้อน

จะหลีกเลี่ยงการขยายตัวมากเกินไปในระบบที่มีแรงดันได้อย่างไร?

โดยการปฏิบัติตามแนวทาง เช่น มาตรฐาน ASME B31.1/B31.9 และการปรับค่าเครื่องขยาย (expanders) ให้สอดคล้องกับขีดจำกัดของวัสดุและอุณหภูมิที่กำหนดไว้ จะสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาการขยายตัวมากเกินไปได้ ซึ่งจะช่วยให้การเปลี่ยนรูปยังคงอยู่ในช่วงความเครียดแบบยืดหยุ่น (elastic range)