سيستم‌هاي لوله‌كشي نيروگاه‌ها

مقدمه
سيستم‌هاي لوله‌كشي در نيروگاه‌ها به لحاظ نقش مهمي كه در انتقال سيال و انرژي و برقراري ارتباط سيستماتيك بين تجهيزات به منظور انجام مراحل مختلف عمليات در سيكل حرارتي برعهده دارند از اركان اصلي طراحي و ساخت محسوب مي‌گردند. كاربرد تكيه‌گاه‌ها و نگهدارنده‌هاي مناسب در سيستم لوله‌كشي يكي از مهمترين مراحل طراحي سيستم لوله‌كشي به شمار مي‌آيد. استانداردهاي ANSI, DIN, BS در رفليز تكيه‌گاه‌ها و نگهدارنده‌هاي استاندارد جهت سيستم لوله‌كشي مي‌باشد.

عوامل موثر و معيارهاي انتخاب تكيه‌گاه‌ها و نگهدارنده‌هاي لوله (Supports)
انتخاب مناسب و درست نوع ومحل تكيه‌گاه‌ نقش مهمي در طراحي خطوط لوله ايجاد مي‌كند تكيه‌گاه‌ها و نگهدارنده‌هاي لوله داراي انواع مختلفي مي‌باشند كه هر يك به منظور خاصي مورد استفاده قرار مي‌گيرند بعضي از مواردي كه در استفاده از تكيه‌گاه‌ها بايد مورد توجه قرار گيرد عبارتند از:
– تحمل وزن لوله (شامل خود لوله، وزن سيال داخل آن و نيروي عكس‌العملي)
– دادن انعطاف‌پذيري كافي به شبكه لوله
– گرفتن ارتعاشات وارده بر لوله
– فراهم نمودن امكان انبساط حرارتي لوله
– هدايت و كنترل تغيير مكان لوله
– ثابت نمودن لوله
يك تكيه‌گاه بسته به نوع آن مي‌تواند يك يا تركيبي از موارد فوق را تامين نمايد در انتخاب تكيه‌گاه و محل آن بايد به مواردي نظير افزايش تنش در لوله‌ها به مقداري بيش از حد مجاز، تغيير مكان لوله به مقداري بيش از مقدار مجاز آن از نظر تداخل با تجهيزات جانبي خط لوله يا ساير لوله‌ها، وارد آمدن صدمه به اتصالات انبساط حرارتي و انعطاف‌پذيري خط لوله و سازه نگهدارنده لوله توجه شود.

انتخاب نوع و اندازه تكيه‌گاه‌ براي نگهدارنده‌هاي لوله‌ها بستگي به مقدار بار وارده و محدوديت‌هاي فيزيكي طرح دارد مهمترين عوامل تعيين كننده نوع تكيه‌گاه مناسب براي لوله‌ها، عملكرد تكيه‌گاه مقدار بار وارده و محدوديت‌هاي فضاي نصب آن مي‌باشد به طور كلي موارد زير در انتخاب يك تكيه‌گاه لوله بايد در نظر گرفته شوند.

۱- دماي طراحي به كار رفته در انتخاب بست‌ها، پيچ‌هاي U شكل، گيره‌هاي نگهدارنده لوله و يا ساير اتصالاتي كه در تماس مستقيم با لوله مي‌باشند برابر با دماي سيال داخل لوله مي‌باشد مقاومت اين اجزاء ممكن است به علت كاهش تنش تسليم آن‌ها در اثر افزايش دماي طراحي كاهش يابد اثرات انبساط حرارتي لوله نيز بايد در پيش‌بيني فاصله بين بست و لوله ونيروهاي اصطكاك حاصله در نظر گرفته شود.

۲- معمولاً لوله‌هايي كه در دماي بالا قرار دارند و يادر معرض تقطير بخار موجود هوا روي سطح خارجي خود مي‌باشد عايق‌كاري مي‌شوند در طراحي تكيه‌گاه و انتخاب آن بايد مساله عايق لوله در نظر گرفته شوند ضخامت عايق قبل از طراحي يا انتخاب تكيه‌گاه‌ براي لوله بايد تعيين شده باشد.
۳- لوله‌ها، اتصالات و تكيه‌گاه‌ها و سازه‌هاي نگهدارنده لوله‌ها كه با يكديگر در تماس مي‌باشند بايد از مواد سازگار با يكديگر انتخاب شده باشند تا خطر خوردگي الكتروشيميايي كاهش يابد در موارد خاصي كه امكان انتخاب مواد سازگار با يكديگر براي لوله و تكيه‌گها آن وجود نداشته باشد بايد بين لوله و تكيه‌گاه از مواد لاستيكي و لايي بين آن‌ها استفاده شود به علاوه جنس تكيه‌گاه بايد مناسب براي محيطي كه در آن در طول عمر مفيد سيستم لوله‌كشي قرار مي‌گيرد باشد.

تمام تكيه‌گاه‌ها بايد به طور منظم در فواصل زماني معيني از شروع بهره‌برداري سيستم بازرسي گردد زمان‌بندي اين بازرسي‌ها بستگي به حساسيت سيستم، نوع تكيه‌گاه و سختي شرايط محيط بهره‌برداري از آن دارد بدين‌جهت در هر جايي كه مقدور است بايد تكيه‌گاه‌هايي براي لوله انتخاب شوند كه نيازكمتري به بازرسي دارند متداول‌ترين انواع تكيه‌گاه‌هاي رايج در سيستم لوله‌كشي نيروگاه‌ها را مي‌توان به سه دسته عمده زير تقسيم‌بندي نمود.

الف- آويزهاي فنري ثابت
ب- قيود و Anchors نظير بست‌ها
ج- ضربه‌گيرها نظير ضربه‌گيرهاي هيدروليكي و مكانيكي
معمولاً در بحث تكيه‌گاه‌ها و نگهدارنده‌هاي لوله يكي از مهم‌ترين موارد مساله حل تكيه‌گاه‌ها و فاصله آن‌ها از هم بايد طوري انتخاب شود كه تنش در لوله‌ها در اثر بارهاي وارده نظير وزن لوله و سيال درون آن، انبساط حرارتي، بارهاي عكس‌العملي و ضربه‌هاي ناشي از عملكرد شيرهاي اطمينان ارتعاشات ناشي از كاركرد ماشين‌آلات و زمين‌لرزه و… از حد مجاز تنش در لوله تجاوز ننمايد.

شكل‌هاي انواع تكيه‌گاه و معيارهاي فني انتخاب تكيه‌گاه‌ها و ساير توضيحات به طور كامل در گزارش استاندارد كه ارائه خواهد شد مطرح شده است.
معيارها و عوامل موثر در انتخاب آويز صلب
۱- تغيير مكان افقي لوله نبايد سبب افزايش زاويه از خط قائم به مقداري بيش از در حين بهره‌برداري گردد. تغيير مكان ناشي از انبساط حرارتي هم در جهت افقي و هم در جهت عمودي به سمت بالا سبب وارد شدن تنش بيشتري در محل اتصال آويز صلب با لوله مي‌گردد كه مي‌تواند سبب شكستن ميلگرد آويز و عدم پايداري تكيه‌گاه گردد.
درهر حال نبايد انحراف آويز صلب از وضعيت قائم خود چه درهنگام نصب و چه درهنگام بهره‌برداري بيش از درجه گردد. در صورتي كه مقدار تغيير مكان لوله در اثر انبساط حرارتي زياد باشدطوري كه تامين شرايط فوق امكان‌پذير نباشد بايد از تكيه‌گاه‌هاي لغزنده يا آويزهاي لولايي به جاي آويز صلب جهت گرفتن وزن لوله‌ها استفاده شود.

۲- آويزهاي ميله‌اي صلب گرچه عمدتاً جهت گرفتن وزن لوله‌ها به كار مي‌روند ولي در شرايطي ممكن است تحت بارهاي ديگري نظير نيروي كشش ناشي از انبساط حرارتي يا بارهاي ناشي از زمين‌لرزه‌ قرار گيرند بنابراين در انتخاب و طراحي آويزهاي ميله‌اي صلب بايد اين شرايط كه سبب وارد آمدن باري بيشتر از بار وزن لوله‌ها مي‌شود نيز در نظر گرفته شوند.
۳- حداقل قطر ميلگرد آويز صلب جهت نگه‌داشتن لوله‌ها قطر كوچك (۳ اينچ و كمتر) برابر با اينچ (۱۰ميلي‌متر) و جهت نگه داشتن لوله‌هاي با قطر بالا (۵/۲ اينچ و بيشتر) برابر با ۲ اينچ (۵۰ ميلي‌متر) مي‌باشد.

۴- از گيره و بست‌هاي قابل تنظيم مختلفي در آويزهاي ميله‌اي نصب استفاده مي‌شود در آويزهاي ميله‌هاي صلبي كه بعد از نصب به جهت نياز شبكه لوله احتياج به تنظيم‌هاي زيادي دارند بايداز قطعه تنظيم‌كننده لوله (Turn buckle) استفاده شود.
معيارها و عوامل موثر درانتخاب آويزهاي فنري

درمواردي كه تغيير مكان عمودي لوله در اثر انبساط حرارتي زياد باشد به طوري كه جهت گرفتن وزن لوله ديگر نتوان از آويز ميله‌اي صلب يا تكيه‌گاه لغزنده استفاده نمود مي‌توان از آويزهاي فنري كه امكان‌ تغيير مكان عمودي را براي لوله‌ فراهم مي‌سازد استفاده نمود.اين نوع آويزها جهت نگه داشتن وزن لوله‌ها درنقاطي از شبكه لوله كه تغيير مكان عمودي آن كوچك مي‌باشد (تا۵۰ميلي‌متر) استفاده مي‌شود جهت انتخاب آويزهاي فنري مورد نظر اطلاعات ومشخصات زير مورد نياز مي‌باشند.

 

۱- بار وارده بر تكيه‌گاه در وضعيت سرد وگرم سيستم لوله
۲- تغيير مكان لوله در محل تكيه‌گاه
۳- محاسبه ضريب تغيير بار (V)
مشخصات فني تكيه‌گاه و نگهدارنده‌ها
تكيه‌گاه براساس وظيفه‌اي كه به عهده دارند به سه دسته عمده زير طبقه‌بندي مي‌شوند.
الف- تكيه‌گاه‌هايي كه جهت نگه‌داشتن وزن لوله و تجهيزات مورد استفاده قرار مي‌گيرند مثل پايه‌هاي معمولي، آويزهاي ميله‌اي صلب، آويزهاي فنري ثابت و آويزهاي فنري متغير.
ب- تكيه‌گاه‌هايي كه جهت محدود حركت لوله در سه بعد در اثر انبساط حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

ج- تكيه‌گاه‌هايي كه جهت جلوگيري از ارتعاش لوله در اثر نيروهايي به جز نيروي وزن و انبساط حرارتي نظير بارهاي ضربه‌اي، زمين‌لرزه، ضربه قوچ به كار مي‌روند نظير لرزه‌گيرهاي مكانيكي و هيدروليكي و موج‌گيرها اين گروه از تكيه‌گاه‌ها تحت عنوان لرزه‌گيرها موسوم مي‌باشند.

پايه‌ها و نگهدارنده‌ها
پايه‌ها و نگهدارنده‌ها ضمن مهار كردن لوله‌ها و تحمل وزن و نيروها اعمالي از طرف سيستم لوله‌كشي بايد امكان انعطاف‌پذيري كافي براي سيستم را نيز فراهم كنند انواع پايه‌ها ونگهدارنده‌ها به صورت يك استاندارد درهر شركتي بايد تهيه شود تا از بين اين پايه‌ها در موارد خاص پايه موردنظر حركت لوله‌ها را فراهم كنند. نمونه اين آويزها در شكل (۴-۱) آمده است.
بايد توجه داشت كه در مواردي كه درجه حرارت لوله‌ها خيلي بالاست بايد بين

اتصال لوله‌ها به آويز بايد امكان مثل آزبست استفاده كرد و يا اين كه پيچ و مهره ساير اتصالات از آلياژهاي در نصب آويزها بايد به اين نكته توجه كرد كه موقعيت قرارگيري آويز و نقطه اتكاء آن بايد در نقطه‌اي باشد كه وقتي لوله گرم شده و انبساط پيدا مي‌كند ميله آويز به صورت افقي قرار گيرد.
آويز صلب
اين نوع آويز كه در شكل (۴-۲) دو نمونه آن نشان داده شده است جهت جلوگيري از حركت عمودي لوله و نگه‌داشتن آن در ارتفاع معيني به كار مي‌رود آن چه مسلم است قطر ميله آويز بايد به اندازه‌اي باشد كه نيروهاي اعمالي را بتواند تحمل نمايد

.
آويز فنري
در مواردي كه تغيير مكان عمودي در لوله موجود است و اين تغييرمكان به مقدار زيادي نبوده و حداكثر به ۵۰ ميلي‌متر مي‌رسد به جاي آويز صلب از آويز فنري استفاده مي‌شود شكل (۴-۳) طرح‌هاي مختلف آويز فنري را نشان مي‌دهد.
در شرايط سرد با توجه به اين كه انبساط حرارتي مطرح نمي‌باشد نيروي اعمالي به آويز شبيه يك آويز صلب محاسبه مي‌شود. (Wc)
در شرايط بهره‌برداري و گرم در اثر انبساط فنر آويز فنري حركت كرده و بار اعمالي به آن (Wh) مي‌رسد نسبت را ضريب تغيير بار آويز مي‌گويند.

هرچه اختلاف نيروي اعمالي به آويز در شرايط گرم و سرد بيشتر باشد ضريب تغيير بار بيشتر خواهد بود مجاز ضريب تغيير بار آويز در استاندارد (ANSIB31.1) 25درصد ذكر شده است.
آويز فنري ثابت
براي يك آويز فنري مشخص با معلوم بودن K و wh نيروي اعمالي به آويز و با توجه به اين كه مقدار V ضريب تغيير بارآويز كه از فرمول به دست مي‌آيد ماكزيمم مي‌تواند ۲۵ درصد باشد پارامتر از حد مشخصي نمي‌تواند بيشتر باشد.

ولي در عمل در بعضي از نقاط لوله‌كشي مقدار حركت زياد است به همين جهت در چنين مواردي كه ضريب تغيير بار از حد مجاز ۲۵درصد افزايش مي‌يابد نوع ديگر از آويز با نام آويزهاي فنري ثابت استفاده مي‌شود.
نام آويزهاي فنري ثابت براي اين دسته به اين دليل انتخاب گرديده است كه بار وارده بر سيستم بدون توجه به تغيير مكان لوله ثابت مي‌باشد به عبارت ديگر در اين آويزها wh=wc و در نتيجه V ضريب تغيير بار آويز برابر صفر مي‌باشد. شكل (۴-۴) دو نوع متداول از اين آويزها را نمايش مي‌دهد.
لرزه‌گيرها

آناليز انعطاف‌پذيري و تنش در سيستم لوله‌كشي به دو روش استاتيكي تنها و ديناميكي انجام مي‌گيرد در آناليز ديناميكي نيروهاي جنبشي حاصل از زمين‌لرزه، ضربه‌قوچ و… و ارتعاش ماشين‌آلات نيز مدنظر قرار مي‌گيرد جهت كاهش ارتعاش و تنش حاصل از ارتعاش در سيستم لوله‌كشي از لرزه‌گيرها استفاده مي‌شود لرزه‌گيرها به دو دسته كلي تقسيم مي‌شوند.
– لرزه‌گيرهاي مكانيكي (يا فنري)

– لرزه‌گيرهاي هيدروليكي
مي‌دانيم كه در محاسبات ارتعاش وتنش‌هاي حاصل از ارتعاش دو پارامتر K به عنوان ضريب فنريت سيستم و ديگري ضريب ميرايي (Damping Factor) دركاهش ارتعاش وتنش‌هاي حاصل نقش اساسي دارند.
در به كارگيري لرزه‌گيرهاي نوع فنري (مكانيكي) از تغييرات ضريب فنريت سيستم استفاده مي‌شود در صورتي كه به كارگيري ضربه‌گيرهاي هيدروليكي باعث تغيير ضريب ميرايي سيستم مي‌شود. شكل (۴-۴) يك لرزه‌گير مكانيكي را نشان مي‌دهد كه داراي دو نفر مي‌باشد شكل (۴-۵) نيز يك لرزه‌گير مكانيكي است كه داراي يك فنر است.

در مواردي كه نيروي اعمالي زياد است مي‌توان از فنرهاي تخت استفاده كرد عملكرد لرزه‌گيرهاي مكانيكي بر اين پايه استوار است كه در اثر تغيير مكان فنر نيروي ايجاد شده در نفر با حركت و تغيير مكان مخالفت مي‌كند و اين رابطه در مورد آن صادق است. بنابراين هرچه حركت لوله بيشتر باشد تغيير مكان فنر نيز بيشتر بوده و نيروي مقاوم در مقابل حركت لوله بيشتر مي‌شود.
تكيه‌گاه‌هاي هادي (Guides)

اين نوع تكيه‌گاه‌ها تنها امكان تغيير مكان لوله را در جهت محور آن فراهم مي‌سازند و از حركت لوله در جهان ديگر نظير چرخش آن يا حركت درجهت عمود بر محور آن جلوگيري نمايند. اين نوع تكيه‌گاه‌ها در مواردي كه حركت طولي لوله در اثر انبساط و انقباض لوله قابل توجه باشد استفاده مي‌شوند انتخاب نوع تكيه‌گاه‌هاي هادي بستگي به شرايط كاركرد و بهره‌برداري از لوله، آرايش لوله‌ها نسبت به سازه نگهدارنده مسير لوله، اندازه لوله و… دارد.

عوامل موثر در انتخاب لرزه‌گيرها (Snubbers)
اين نوع تكيه‌گاه‌ها جهت محدود نمودن حركت لوله در اثر نيروهايي به غير از نيروي وزن و انبساط و انقباض حرارتي لوله نظير نيروهاي ديناميكي ناشي از زمين‌لرزه باد، ضربه قوچ در لوله، عملكرد شير اطمينان و… به كار مي‌رود. لرزه‌گيرها با توجه به ساختمان و نوع عملكردشان كلاً به دو دسته لرزه‌گيرهاي نوع فنري (مكانيكي) و لرزه‌گيرهاي نوع هيدروليكي‌ تقسيم‌بندي مي‌شوند.
لرزه‌گيرهاي نوع فنري براي تغيير مكان‌هاي كوچك و در مواردي كه نياز به محدود نمودن نيروهاي ناشي از ارتعاشات با دامنه كم مي‌باشد به كار مي‌روند لرزه‌گيرهاي هيدروليكي براي تغيير مكان‌هاي بزرگ ناشي از زمين‌لرزه و در مواردي كه نياز به محدود كردن نيروهاي ناشي از ارتعاشات با دامنه بزرگ است به كار مي‌روند جهت انتخاب لرزه‌گيرهاي هيدروليكي اطلاعات زير مورد نياز است.

– نوع كاربرد با توجه به نوع بارهاي ديناميكي وارده
– نوع نيروي مقاوم مورد نياز با توجه به بار وارده نظير نيروي محدودكننده ارتعاش يانيروي محدود كننده ضربه
– تغيير مكان يا حركت لوله و جهت آن در اثر انبساط حرارتي و…
– وضعيت سازه نگهدارنده لوله و چگونگي اتصال لرزه‌گير به آن
– شرايط محيط نظير درجه حرارت يا تشعشع و…

بعد از مشخص كردن اطلاعات اوليه فوق براساس آن‌ها مراحل زير بايد انجام گيرد.
– انتخاب شير كنترلي لرزه‌گير براساس نوع كاربرد لرزه‌گير (مثلاً شير سوپاپي براي مواردي كه لرزه‌گير براي محدود كردن ارتعاشات ناشي از زمين‌لرزه يا تجهيزات مكانيكي ديگر به كار مي‌رود مناسب است و يا شير يك طرفه براي مواردي كه لرزه‌گير براي گرفتن ضربه‌هاي ناشي از عملكرد شير اطمينان يا ضربه قوچ و… به كار برده مي‌شود، مناسب است).

– تعيين طول مؤثر رفت و برگشت پيستون در داخل سيلندر با توجه به كل تغيير مكان لوله در محل نصب لرزه‌گير (اين مورد پس از محاسبه تغيير مكان لوله در محل نصب لرزه‌گير در اثر بارهاي ديناميكي وارده از جداول ارائه شده توسط سازندگان لرزه‌گير براساس آن مي‌تواند صورت گيرد).
– تعيين نيروي مقاوم (محدودكننده ارتعاش) در لرزه‌گير براساس تجزيه وتحليل ارتعاشات لوله يا در نظر گرفتن ضربه ناشي از عملكرد شير اطمينان ونظاير آن.