مقدمه
سیستم های لوله کشی در نیروگاه ها به لحاظ نقش مهمی که در انتقال سیال و انرژی و برقراری ارتباط سیستماتیک بین تجهیزات به منظور انجام مراحل مختلف عملیات در سیکل حرارتی برعهده دارند از ارکان اصلی طراحی و ساخت محسوب می‌گردند. کاربرد تکیه‌گاه‌ها و نگهدارنده‌های مناسب در سیستم لوله‌کشی یکی از مهمترین مراحل طراحی سیستم لوله‌کشی به شمار می‌آید. استانداردهای ANSI, DIN, BS در رفلیز تکیه‌گاه‌ها و نگهدارنده‌های استاندارد جهت سیستم لوله کشی می‌باشد.
عوامل موثر و معیارهای انتخاب تکیه‌گاه ها و نگهدارنده های لوله (Supports)
انتخاب مناسب و درست نوع ومحل تکیه‌گاه نقش مهمی در طراحی خطوط لوله ایجاد می‌کند تکیه‌گاه‌ها و نگهدارنده‌های لوله دارای انواع مختلفی می‌باشند که هر یک به منظور خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند بعضی از مواردی که در استفاده از تکیه‌گاه‌ها باید مورد توجه قرار گیرد عبارتند از:
- تحمل وزن لوله (شامل خود لوله، وزن سیال داخل آن و نیروی عکس‌العملی)
- دادن انعطاف‌پذیری کافی به شبکه لوله
- گرفتن ارتعاشات وارده بر لوله
- فراهم نمودن امکان انبساط حرارتی لوله
- هدایت و کنترل تغییر مکان لوله
- ثابت نمودن لوله
یک تکیه‌گاه بسته به نوع آن می‌تواند یک یا ترکیبی از موارد فوق را تامین نماید در انتخاب تکیه‌گاه و محل آن باید به مواردی نظیر افزایش تنش در لوله‌ها به مقداری بیش از حد مجاز، تغییر مکان لوله به مقداری بیش از مقدار مجاز آن از نظر تداخل با تجهیزات جانبی خط لوله یا سایر لوله‌ها، وارد آمدن صدمه به اتصالات انبساط حرارتی و انعطاف‌پذیری خط لوله و سازه نگهدارنده لوله توجه شود.
انتخاب نوع و اندازه تکیه‌گاه برای نگهدارنده‌های لوله‌ها بستگی به مقدار بار وارده و محدودیت‌های فیزیکی طرح دارد مهمترین عوامل تعیین کننده نوع تکیه‌گاه مناسب برای لوله‌ها، عملکرد تکیه‌گاه مقدار بار وارده و محدودیت‌های فضای نصب آن می‌باشد به طور کلی موارد زیر در انتخاب یک تکیه‌گاه لوله باید در نظر گرفته شوند.
1- دمای طراحی به کار رفته در انتخاب بست‌ها، پیچ‌های U شکل، گیره‌های نگهدارنده لوله و یا سایر اتصالاتی که در تماس مستقیم با لوله می‌باشند برابر با دمای سیال داخل لوله می‌باشد مقاومت این اجزاء ممکن است به علت کاهش تنش تسلیم آنها در اثر افزایش دمای طراحی کاهش یابد اثرات انبساط حرارتی لوله نیز باید در پیش‌بینی فاصله بین بست و لوله ونیروهای اصطکاک حاصله در نظر گرفته شود.
2- معمولاً لوله‌هایی که در دمای بالا قرار دارند و یادر معرض تقطیر بخار موجود هوا روی سطح خارجی خود می‌باشد عایق‌کاری می‌شوند در طراحی تکیه‌گاه و انتخاب آن باید مساله عایق لوله در نظر گرفته شوند ضخامت عایق قبل از طراحی یا انتخاب تکیه‌گاه برای لوله باید تعیین شده باشد.
3- لوله‌ها، اتصالات و تکیه‌گاه‌ها و سازه‌های نگهدارنده لوله‌ها که با یکدیگر در تماس می‌باشند باید از مواد سازگار با یکدیگر انتخاب شده باشند تا خطر خوردگی الکتروشیمیایی کاهش یابد در موارد خاصی که امکان انتخاب مواد سازگار با یکدیگر برای لوله و تکیه‌گها آن وجود نداشته باشد باید بین لوله و تکیه‌گاه از مواد لاستیکی و لایی بین آنها استفاده شود به علاوه جنس تکیه‌گاه باید مناسب برای محیطی که در آن در طول عمر مفید سیستم لوله‌کشی قرار می‌گیرد باشد.
تمام تکیه‌گاه‌ها باید به طور منظم در فواصل زمانی معینی از شروع بهره‌برداری سیستم بازرسی گردد زمان‌بندی این بازرسی‌ها بستگی به حساسیت سیستم، نوع تکیه‌گاه و سختی شرایط محیط بهره‌برداری از آن دارد بدین‌جهت در هر جایی که مقدور است باید تکیه‌گاه‌هایی برای لوله انتخاب شوند که نیازکمتری به بازرسی دارند متداول‌ترین انواع تکیه‌گاه‌های رایج در سیستم لوله‌کشی نیروگاه‌ها را می‌توان به سه دسته عمده زیر تقسیم‌بندی نمود.
الف- آویزهای فنری ثابت
ب- قیود و Anchors نظیر بست‌ها
ج- ضربه‌گیرها نظیر ضربه‌گیرهای هیدرولیکی و مکانیکی
معمولاً در بحث تکیه‌گاه‌ها و نگهدارنده‌های لوله یکی از مهمترین موارد مساله حل تکیه‌گاه‌ها و فاصله آنها از هم باید طوری انتخاب شود که تنش در لوله‌ها در اثر بارهای وارده نظیر وزن لوله و سیال درون آن، انبساط حرارتی، بارهای عکس‌العملی و ضربه‌های ناشی از عملکرد شیرهای اطمینان ارتعاشات ناشی از کارکرد ماشین‌آلات و زمین‌لرزه و... از حد مجاز تنش در لوله تجاوز ننماید.
شکل‌های انواع تکیه‌گاه و معیارهای فنی انتخاب تکیه‌گاه‌ها و سایر توضیحات به طور کامل در گزارش استاندارد که ارائه خواهد شد مطرح شده است.
معیارها و عوامل موثر در انتخاب آویز صلب
1- تغییر مکان افقی لوله نباید سبب افزایش زاویه از خط قائم به مقداری بیش از در حین بهره‌برداری گردد. تغییر مکان ناشی از انبساط حرارتی هم در جهت افقی و هم در جهت عمودی به سمت بالا سبب وارد شدن تنش بیشتری در محل اتصال آویز صلب با لوله می‌گردد که می‌تواند سبب شکستن میلگرد آویز و عدم پایداری تکیه‌گاه گردد.
درهر حال نباید انحراف آویز صلب از وضعیت قائم خود چه درهنگام نصب و چه درهنگام بهره‌برداری بیش از درجه گردد. در صورتی که مقدار تغییر مکان لوله در اثر انبساط حرارتی زیاد باشدطوری که تامین شرایط فوق امکان‌پذیر نباشد باید از تکیه‌گاه‌های لغزنده یا آویزهای لولایی به جای آویز صلب جهت گرفتن وزن لوله‌ها استفاده شود.
2- آویزهای میله‌ای صلب گرچه عمدتاً جهت گرفتن وزن لوله‌ها به کار می‌روند ولی در شرایطی ممکن است تحت بارهای دیگری نظیر نیروی کشش ناشی از انبساط حرارتی یا بارهای ناشی از زمین‌لرزه قرار گیرند بنابراین در انتخاب و طراحی آویزهای میله‌ای صلب باید این شرایط که سبب وارد آمدن باری بیشتر از بار وزن لوله‌ها می‌شود نیز در نظر گرفته شوند.
3- حداقل قطر میلگرد آویز صلب جهت نگه‌داشتن لوله‌ها قطر کوچک (3 اینچ و کمتر) برابر با اینچ (10میلی‌متر) و جهت نگه داشتن لوله‌های با قطر بالا (5/2 اینچ و بیشتر) برابر با 2 اینچ (50 میلی‌متر) می‌باشد.
4- از گیره و بست‌های قابل تنظیم مختلفی در آویزهای میله‌ای نصب استفاده می‌شود در آویزهای میله‌های صلبی که بعد از نصب به جهت نیاز شبکه لوله احتیاج به تنظیم‌های زیادی دارند بایداز قطعه تنظیم‌کننده لوله (Turn buckle) استفاده شود.
معیارها و عوامل موثر درانتخاب آویزهای فنری
درمواردی که تغییر مکان عمودی لوله در اثر انبساط حرارتی زیاد باشد به طوری که جهت گرفتن وزن لوله دیگر نتوان از آویز میله‌ای صلب یا تکیه‌گاه لغزنده استفاده نمود می‌توان از آویزهای فنری که امکان تغییر مکان عمودی را برای لوله فراهم می‌سازد استفاده نمود.این نوع آویزها جهت نگه داشتن وزن لوله‌ها درنقاطی از شبکه لوله که تغییر مکان عمودی آن کوچک می‌باشد (تا50میلی‌متر) استفاده می‌شود جهت انتخاب آویزهای فنری مورد نظر اطلاعات ومشخصات زیر مورد نیاز می‌باشند.
1- بار وارده بر تکیه‌گاه در وضعیت سرد وگرم سیستم لوله
2- تغییر مکان لوله در محل تکیه‌گاه
3- محاسبه ضریب تغییر بار (V)
مشخصات فنی تکیه‌گاه و نگهدارنده‌ها
تکیه‌گاه براساس وظیفه‌ای که به عهده دارند به سه دسته عمده زیر طبقه‌بندی می‌شوند.
الف- تکیه‌گاه‌هایی که جهت نگه‌داشتن وزن لوله و تجهیزات مورد استفاده قرار می‌گیرند مثل پایه‌های معمولی، آویزهای میله‌ای صلب، آویزهای فنری ثابت و آویزهای فنری متغیر.
ب- تکیه‌گاه‌هایی که جهت محدود حرکت لوله در سه بعد در اثر انبساط حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ج- تکیه‌گاه‌هایی که جهت جلوگیری از ارتعاش لوله در اثر نیروهایی به جز نیروی وزن و انبساط حرارتی نظیر بارهای ضربه‌ای، زمین‌لرزه، ضربه قوچ به کار می‌روند نظیر لرزه‌گیرهای مکانیکی و هیدرولیکی و موج‌گیرها این گروه از تکیه‌گاه‌ها تحت عنوان لرزه‌گیرها موسوم می‌باشند.
پایه‌ها و نگهدارنده‌ها
پایه‌ها و نگهدارنده‌ها ضمن مهار کردن لوله‌ها و تحمل وزن و نیروها اعمالی از طرف سیستم لوله‌کشی باید امکان انعطاف‌پذیری کافی برای سیستم را نیز فراهم کنند انواع پایه‌ها ونگهدارنده‌ها به صورت یک استاندارد درهر شرکتی باید تهیه شود تا از بین این پایه‌ها در موارد خاص پایه موردنظر حرکت لوله‌ها را فراهم کنند. نمونه این آویزها در شکل (4-1) آمده است.
باید توجه داشت که در مواردی که درجه حرارت لوله‌ها خیلی بالاست باید بین اتصال لوله‌ها به آویز باید امکان مثل آزبست استفاده کرد و یا این که پیچ و مهره سایر اتصالات از آلیاژهای در نصب آویزها باید به این نکته توجه کرد که موقعیت قرارگیری آویز و نقطه اتکاء آن باید در نقطه‌ای باشد که وقتی لوله گرم شده و انبساط پیدا می‌کند میله آویز به صورت افقی قرار گیرد.
آویز صلب
این نوع آویز که در شکل (4-2) دو نمونه آن نشان داده شده است جهت جلوگیری از حرکت عمودی لوله و نگه‌داشتن آن در ارتفاع معینی به کار می‌رود آن چه مسلم است قطر میله آویز باید به اندازه‌ای باشد که نیروهای اعمالی را بتواند تحمل نماید.
آویز فنری
در مواردی که تغییر مکان عمودی در لوله موجود است و این تغییرمکان به مقدار زیادی نبوده و حداکثر به 50 میلی‌متر می‌رسد به جای آویز صلب از آویز فنری استفاده می‌شود شکل (4-3) طرح‌های مختلف آویز فنری را نشان می‌دهد.
در شرایط سرد با توجه به این که انبساط حرارتی مطرح نمی‌باشد نیروی اعمالی به آویز شبیه یک آویز صلب محاسبه می‌شود. (Wc)
در شرایط بهره‌برداری و گرم در اثر انبساط فنر آویز فنری حرکت کرده و بار اعمالی به آن (Wh) می‌رسد نسبت را ضریب تغییر بار آویز میگویند.
هرچه اختلاف نیروی اعمالی به آویز در شرایط گرم و سرد بیشتر باشد ضریب تغییر بار بیشتر خواهد بود مجاز ضریب تغییر بار آویز در استاندارد (ANSIB31.1) 25درصد ذکر شده است.
آویز فنری ثابت
برای یک آویز فنری مشخص با معلوم بودن K و wh نیروی اعمالی به آویز و با توجه به این که مقدار V ضریب تغییر بارآویز که از فرمول به دست می‌آید ماکزیمم می‌تواند 25 درصد باشد پارامتر از حد مشخصی نمی‌تواند بیشتر باشد.
ولی در عمل در بعضی از نقاط لوله‌کشی مقدار حرکت زیاد است به همین جهت در چنین مواردی که ضریب تغییر بار از حد مجاز 25درصد افزایش می‌یابد نوع دیگر از آویز با نام آویزهای فنری ثابت استفاده می‌شود.
نام آویزهای فنری ثابت برای این دسته به این دلیل انتخاب گردیده است که بار وارده بر سیستم بدون توجه به تغییر مکان لوله ثابت می‌باشد به عبارت دیگر در این آویزها wh=wc و در نتیجه V ضریب تغییر بار آویز برابر صفر می‌باشد. شکل (4-4) دو نوع متداول از این آویزها را نمایش می‌دهد.
لرزه‌گیرها
آنالیز انعطاف‌پذیری و تنش در سیستم لوله‌کشی به دو روش استاتیکی تنها و دینامیکی انجام می‌گیرد در آنالیز دینامیکی نیروهای جنبشی حاصل از زمین‌لرزه، ضربه‌قوچ و... و ارتعاش ماشین‌آلات نیز مدنظر قرار می‌گیرد جهت کاهش ارتعاش و تنش حاصل از ارتعاش در سیستم لوله‌کشی از لرزه‌گیرها استفاده می‌شود لرزه‌گیرها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند.
- لرزه‌گیرهای مکانیکی (یا فنری)
- لرزه‌گیرهای هیدرولیکی
می‌دانیم که در محاسبات ارتعاش وتنش‌های حاصل از ارتعاش دو پارامتر K به عنوان ضریب فنریت سیستم و دیگری ضریب میرایی (Damping Factor) درکاهش ارتعاش وتنش‌های حاصل نقش اساسی دارند.
در به کارگیری لرزه‌گیرهای نوع فنری (مکانیکی) از تغییرات ضریب فنریت سیستم استفاده می‌شود در صورتی که به کارگیری ضربه‌گیرهای هیدرولیکی باعث تغییر ضریب میرایی سیستم می‌شود. شکل (4-4) یک لرزه‌گیر مکانیکی را نشان می‌دهد که دارای دو نفر می‌باشد شکل (4-5) نیز یک لرزه‌گیر مکانیکی است که دارای یک فنر است.
در مواردی که نیروی اعمالی زیاد است می‌توان از فنرهای تخت استفاده کرد عملکرد لرزه‌گیرهای مکانیکی بر این پایه استوار است که در اثر تغییر مکان فنر نیروی ایجاد شده در نفر با حرکت و تغییر مکان مخالفت می‌کند و این رابطه در مورد آن صادق است. بنابراین هرچه حرکت لوله بیشتر باشد تغییر مکان فنر نیز بیشتر بوده و نیروی مقاوم در مقابل حرکت لوله بیشتر می‌شود.
تکیه‌گاه‌های هادی (Guides)
این نوع تکیه‌گاه‌ها تنها امکان تغییر مکان لوله را در جهت محور آن فراهم می‌سازند و از حرکت لوله در جهان دیگر نظیر چرخش آن یا حرکت درجهت عمود بر محور آن جلوگیری نمایند. این نوع تکیه‌گاه‌ها در مواردی که حرکت طولی لوله در اثر انبساط و انقباض لوله قابل توجه باشد استفاده می‌شوند انتخاب نوع تکیه‌گاه‌های هادی بستگی به شرایط کارکرد و بهره‌برداری از لوله، آرایش لوله‌ها نسبت به سازه نگهدارنده مسیر لوله، اندازه لوله و... دارد.
عوامل موثر در انتخاب لرزه‌گیرها (Snubbers)
این نوع تکیه‌گاه‌ها جهت محدود نمودن حرکت لوله در اثر نیروهایی به غیر از نیروی وزن و انبساط و انقباض حرارتی لوله نظیر نیروهای دینامیکی ناشی از زمین‌لرزه باد، ضربه قوچ در لوله، عملکرد شیر اطمینان و... به کار می‌رود. لرزه‌گیرها با توجه به ساختمان و نوع عملکردشان کلاً به دو دسته لرزه‌گیرهای نوع فنری (مکانیکی) و لرزه‌گیرهای نوع هیدرولیکی تقسیم‌بندی می‌شوند.
لرزه‌گیرهای نوع فنری برای تغییر مکان‌های کوچک و در مواردی که نیاز به محدود نمودن نیروهای ناشی از ارتعاشات با دامنه کم می‌باشد به کار می‌روند لرزه‌گیرهای هیدرولیکی برای تغییر مکان‌های بزرگ ناشی از زمین‌لرزه و در مواردی که نیاز به محدود کردن نیروهای ناشی از ارتعاشات با دامنه بزرگ است به کار می‌روند جهت انتخاب لرزه‌گیرهای هیدرولیکی اطلاعات زیر مورد نیاز است.
- نوع کاربرد با توجه به نوع بارهای دینامیکی وارده
- نوع نیروی مقاوم مورد نیاز با توجه به بار وارده نظیر نیروی محدودکننده ارتعاش یانیروی محدود کننده ضربه
- تغییر مکان یا حرکت لوله و جهت آن در اثر انبساط حرارتی و...
- وضعیت سازه نگهدارنده لوله و چگونگی اتصال لرزه‌گیر به آن
- شرایط محیط نظیر درجه حرارت یا تشعشع و...
بعد از مشخص کردن اطلاعات اولیه فوق براساس آنها مراحل زیر باید انجام گیرد.
- انتخاب شیر کنترلی لرزه‌گیر براساس نوع کاربرد لرزه‌گیر (مثلاً شیر سوپاپی برای مواردی که لرزه‌گیر برای محدود کردن ارتعاشات ناشی از زمین‌لرزه یا تجهیزات مکانیکی دیگر به کار می‌رود مناسب است و یا شیر یک طرفه برای مواردی که لرزه‌گیر برای گرفتن ضربه‌های ناشی از عملکرد شیر اطمینان یا ضربه قوچ و... به کار برده می‌شود، مناسب است).
- تعیین طول مؤثر رفت و برگشت پیستون در داخل سیلندر با توجه به کل تغییر مکان لوله در محل نصب لرزه‌گیر (این مورد پس از محاسبه تغییر مکان لوله در محل نصب لرزه‌گیر در اثر بارهای دینامیکی وارده از جداول ارائه شده توسط سازندگان لرزه‌گیر براساس آن می‌تواند صورت گیرد).
- تعیین نیروی مقاوم (محدودکننده ارتعاش) در لرزه‌گیر براساس تجزیه وتحلیل ارتعاشات لوله یا در نظر گرفتن ضربه ناشی از عملکرد شیر اطمینان ونظایر آن.
- تعیین تکیه‌گاه لرزه‌گیر با توجه به فاصله بین لوله و سازه نگهدارنده آن نظیر ساختمان.
- تعیین مخزن ذخیره روغن که معمولاً به بدنه اصلی لرزه‌گیر متصل است و در مواردی هم به طور جدا از آن وجود دارد.
- انتخاب جنس روغن و نوع یا جنس آب‌بندی سیلندر روغن.
عوامل موثر در انتخاب موج گیرها (Sway Beraces)
این نوع تکیه‌گاه‌ها جهت محدود نمودن اثرات ارتعاشی لوله در اثر وارد آمدن بارها ضربه‌ای به لوله در مواردی که کنترل دقیق این ارتعاشات و بارهای ضربه‌ای وارده بر آن مدنظر نباشد مناسب است موج‌گیرها نیز نظیر آویزهای فنری سبب افزایش تنش‌های ناشی از انبساط حرارتی لوله به علت محدود نمودن حرکت شبکه لوله می‌شود ولی مقدار آن به مراتب از اثر آویزهای فنری صلب کمتر است.