اصول روش طراحی

سیستم های لوله کشی رو زمینی می توانند تحت تاثیر نوسانات دمایی قرار بگیرند. این نوسانات دمایی می تواند بر قابلیت های فشاری لوله، اندکی تاثیر بگذارد. برای آثار احتمالی ناشی از خواص انبساطی و انقباضی لوله های پلی اتیلن هم باید با توجه به مقدار نوسان دمایی که به لوله وراد شده است، چاره اندیشی شود. به اضافه، خواص نصب سیستم رو زمینی نیز باید تا حدی مورد تحلیل قرار بگیرد.

آشنایی کلی با فهم آثار دما بر لوله هاي پلی اتیلن روزمینی

قابلیت فشاری

چهار نمونه محاسباتی زیر برای نشان دادن اثر دما روی ملاحظات مختلف طراحی تاسیسات لوله های پلی اتیلن رو زمینی فرضی، ارائه می شوند.

مثال۱

قابلیت فشاری لوله ی پلی اتیلنی با کد PE4710 و از سری SDR11 که برای انتقال آب در دمای ۲۳^oC) 73^oF) مورد استفاده قرار می گیرد، چقدر است؟

(P=2(HDS) (F_T) / (SDR-1

HDS  =    تنش طراحی هیدرواستاتیک ماده پلی اتیلنی در ۲۳^oC) 73^oF) ، برای psig 1000=PE4710

F_T     =   فاکتور کاهش درجه دمایی، مقدار F_T در ۲۳^oC) 73^oF) برابر است با ۰/۱٫

در نهایت داریم:

در دمای  P= 2(1000) (0/1) / (11-1) = ۲۰۰ psig  ۷۳^oF

قابلیت فشاری لوله در دمای ۳۸^oC) 100^oF) چقدر است؟

در دمای  P= 2(1000) (0/78) / (11-1) = ۱۵۶ psig 100^oF

 ۰/۷۸ = ۱۰۰^oF 

در مثال ۱ فرض شد که قرار گرفتن لوله در معرض نور خورشید در ترکیب با خواص حرارتی موادی که در لوله جریان دارند، باعث بوجود آمدن میانگین دمای کاری سیستم برابر با ۳۸^oC) 100^oF) شده است. قرار گرفتن لوله در معرض نور مستقیم خورشید می تواند منجر به ایجاد دماهایی تا  ۱۵۰^oF در سطح خارجی لوله شود، بخصوص اگر لوله سیاه باشد. در اکثر موارد، ماده ای که در لوله جریان دارد بسیار خنک تر از سطح خارجی لوله رو زمینی است.

خنک تر بودن مایع در حال جریان، باعث متعادل کردن دمای سطح خارجی لوله می شود. این باعث می شود دمای دیواره لوله چیزی بین دمای سطح خارجی و دمای جریان سیال باشد. واضح است که هرچقدر مدت تابش خورشید بر لوله بیشتر باشد، احتمال افزایش دمای جریان بیشتر است.

انبساط و انقباض

تغییرات دمایی میتوانند باعث تغییر چشم گیر ابعاد فیزیکی لوله های پلی اتیلن شوند. توجه به بسیار بالاتر بودن ضریب انبساط یا انقباض لوله های پلی اتیلن نسبت به بسیاری از انواع لوله ها، موید مطلب فوق است. در روش طراحی تاسیسات رو زمینی، باید اینگونه انبساطات یا انقباضات احتمالی در نظر گرفته شوند.

مقدار انبساط یا انقباض یک لوله پلی اتیلن را می توان از معادله زیر محاسبه کرد.

تغییر طول لوله در اثر تغییر دما

که در آن:

L∆    =    تغییر طول تئوری (اینچ)

L>0∆      به معنای انبساط و

L<0∆      به معنای انقباض است

∝     =    ضریب انبساط خطی

T_{1     =}     دمای اولیه (^oF)

T_{2    =}     دمای نهایی (^oF)

L     =    طول لوله (اینچ) در دمای اولیه یا T₁

مثال ۲

یک تکه ۱۰۰ فوتی از لوله ای ۱۰ اینچی (قطر خارجی ۷۵/۱۰ اینچ) با نسبت ابعادی PE4710) SDR 11)  برای یک شب بدون مهار رها شده است. اگر دمای اولیه آن ۲۱^oC) 70^oF) باشد، کاش طول این تکه از لوله را در صبح فردا و در صورتیکه لوله در شب به دمای پایدار ۱^oC) 30^oF-) رسیده باشد حساب کنید.

از معادله تغییر طول در اثر تغییر دما استفاده کنید،

علامت منفی بیانگر وقوع انقباض است، بنابراین طول نهایی برابر با ۹۹ فوت و ۱۶/۸ اینچ است.

همانطور که در مثال ۲ نشان داده شد، انبساط یا انقباض ایجاد شده بدلیل تغییر دما می تواند قایل ملاحظه باشد. با این حال، این مقدار تغییر طول محاسبه شده، با فرض جابجایی مهار نشده لوله و کاهش لحظه ای دما بدست آمده است. در واقعیت هیچ کاهش دمایی بصورت آنی رخ نمی دهد، و زمینی که لوله روی آن قرار دارد، بدلیل وجود اصطحکاک، جابجایی تئوری ناشی از تغییر دما را محدود می کند. تجربیات عملی نشان داده اند که میزان انبساط یا انقباض واقعی لوله های پلی اتیلن در اثر تغییر دما، تقریبا نصف مقدار تئوری آن است.

همچنین تجربیات میدانی نشان داده اند که تغییرات ایجاد شده در طول فیزیکی، اغلب به دلیل خواص حرارتی یا کاهش حرارت در اثر جریان سیال درون لوله، تضعیف می شوند. با این حال، طراحی مهندسی محافظه کارانه ایجاب می کند که آثار نوسانات دمایی در هنگام توقف جریان یا حتی در صورت عدم وجود جریان، لحاظ شوند.

یکی از اقدامات متداول هنگامی که لوله های پلی اتیلن تحت اثر تغییرات دمایی قرار می گیرند، کنترل جابجایی لوله بوسیله جایگذاری صحیح ابزارهای مهار است. ابزارهای متداول عبارت اند از بستن با تسمه، بست های بتنی، بلوک های ضربه گیر و غیره. در انتخاب بست بایدتنش های بوجود آمده در دیواره لوله و بارهای حاصله که بدلیل تغییرات دمایی ایجاد می شوند، مد نظر قرار بگیرد. معادلات ذیل اگرچه نمونه هایی از محاسبه بار و تنش را ارائه می دهند، ولی معدلات فراگیری نیستند.

تنش طولی در اثر تغییرات دما

که در آن:

_Tσ    =      تنش طولی تئوری (psi) (در انقباض منفی و در انبساط مثبت است)

∝     =    ضریب انبساط یا انقباض حرارتی

T_{1     =}     دمای اولیه (^oF)

T_{2    =}     دمای نهایی (^oF)

E    =    مدول الاستیک ظاهری کوتاه مدت در دمای میانگین (T_m)

نیروی طولی تئوری در برابر تغییر دما

که در آن:

F_T     =    نیروی طولی تئوری (lbs)

σ_T    =     تنش طولی تئوری (psi)

A     =     مساحت سطح مقطع دیواره لوله (m²)

مثال ۳

با فرض شرایط موجود در مثال ۲، حداکثر نیروی احتمالی به وجود آمده در انتهای مهار نشده تکه لوله ای ۱۰۰ فوتی، به شرط آنکه انتهای دیگر آن به نحو موثری مهار شده باشد، چقدر است؟ فرض کنید سطح مقطع دیواره لوله تقریباً ۳۰ اینچ مربع است، تغییرات دما به صورت آنی رخ می‌دهد و مقاومت اصطکاکی در برابر خاک، صفر است.

توجه: مقدار E (مدول ظاهری) در اینجا برابر با مقدار میانگین این کمیت در دو دمای به کار رفته برای انجام محاسبات است.

همانطور که قبلا گفته شد، در شرایطی که تغییر دما به تدریج اتفاق می افتد، مقدار تنش واقعی تقریباً نصف مقدار تئوري است. این به معناي وجود نیروي واقعی برابر با تقریبا، lbs -8.265 در انتهاي آزاد لوله است. براي نشان دادن تفاوت هاي بین خواص انبساط و انقباض لوله هاي پلی اتیلن نسبت به لوله هاي فولادي، به مثالی که در ادامه می آید توجه کنید.

مثال ۴

شرایط موجود در مثال ۲ را براي یک لوله فولادي ۱۰ اینچی Schedule 40 در نظر بگیرید. سطح مقطع دیواره لوله برابر با ۱۱/۹ اینچ مربع، مقدار ∝ براي فولاد برابر با

in/in/^oF  ۶/۵ × ۱۰^-۶ و مقدار E براي این ماده مساوي  ۳۰,۰۰۰,۰۰۰ است.

بنابراین همانطور که با مثال ۳ و ۴ نشان داده شد، با اینکه ضریب انبساط لوله هاي پلی اتیلن نسبت به سایر مواد بالاست، اما مدول الاستیک ظاهري نسبتا پایین آن ها موجب بروز تنش هاي حرارتی و بوجود آمدن بارهاي کمتر می شود.

این ملاحظات طراحی موجب آشنایی کلی با فهم آثار دما بر لوله هاي پلی اتیلن روزمینی می شود. در این ملاحظات سایر فاکتورها از جمله وزن لوله هاي نصب شده، اصطکاك لوله هاي خوابانیده شده کف زمین و یا ناهمواري هاي کف زمین، در نظر گرفته نشدند. همه این فاکتورها بر کلیت ویژگی های انقباض و انبساط، تأثیر گذاشته و براي کسب اطلاعات بیشتر در این مورد باید با کارخانه سازنده لوله مورد نظر، مشاوره انجام شود.