PROF.DR DARKO BAJIĆ
Život ljudske zajednice temelji se na okruženju u kojem energija ima dominantnu ulogu. Nafta, gas i voda su najveći izvori energije, a cjevovodi su primarni u načinu nihovog transporta. Nije slučajno da rasprostranjenost mreža cjevovoda prati visok životni standard ljudi i visok tehnološki razvoj. Da bi se zadovoljila potreba za naftom, gasom ili vodom, koriste se cjevovodi za njihov transport od izvora do krajnjeg potrošača. Cjevovodima se transportuju velike količine fluida kontinuiranim strujanjem. Cjevovod čini niz međusobno spojenih cijevi sa pratećim elementima (kompenzatori, odgovarajuća armatura, mjerna i kontrolna tehnika) koji obezbjeđuje nepropusnost. Izgradnji cjevovoda pristupa se veoma oprezno, po strogo definisanim propisima i standardima. Njihova eksploatacija mora biti prilagođena tako da je, sa ekološkog aspekta, njihov negativni uticaj na okolinu minimalan. Pri projektovanju i dizajniranju magistralnih cjevovoda, treba razmotriti i uzeti u obzir mnoge faktore: priroda i zapremina tečnosti koja se transportuje, dužina cjevovoda, vrsta terena, ograničenja okoline, blizina naselja i saobraćajnica itd. Da bi se došlo do optimalne konstrukcije cijevnog sistema neophodne su kompleksne inženjerske studije, kako bi se definisali osnovni parametri: prečnik cjevovoda, upotrebljeni materijal, maršruta cjevovoda, potrebni kapaciteti pumpi koje vrše kompresiju transportovanog fluida.
Trasa gasovoda „JUŽNI TOK“ 21,6 milijardi $ EU 30% svojih potreba obezbjeđuje iz Rusije
prerada
Sabirni cjevovodi
Kompresorska stanica Termoelektrana
Cjevovodi za transport
Kompresiona stanica
Podzemno skladište
Domaćinstva
Komercijalni potrošači
Domaćinstva
Rezervoari za skladištenje sirove nafte
Sirova nafta
Pupna stanica (za potiskivanje medijuma) cjevovodi
Cjevovodi za transport Rafinerija nafte
Benzinska stanica
Skladište dizela
Skladište gasa Terminal prodaje
Cijevni sistemi, pored transporta gasova, para i tečnosti, u izuzetnim slučajevima koriste se za transport čvrstih materija (zrnastih i praškastih). Cjevovod za transport vode naziva se vodovod, za transport nafte naziva se naftovod, za transport gasova naziva se gasovod, za transport vodene pare naziva se parovod itd. U zavisnosti od transportovanog medija, cijevi se označuju različitim bojama: voda – zeleno, para – crveno, vazduh – plavo, zapaljivi gas – žuto s crnim prstenom, nezapaljivi gas – žuto, kisjeline – narandžasto, lužine – ljubičasto i katran – crno.
Cjevovodi mogu biti jednostavne (obično gumeno crijevo) ili složene konstrukcije.
Kod cjevovoda složene konstrukcije postoje: cijevi, elementi za spajanje i nastavljanje cijevi, elementi za zaptivanje, elementi za promjenu pravca cjevovoda i kompenzaciju dilatacije, elementi za regulaciju i zatvaranje protoka, sigurnosni elementi, instrumenti, prateći elementi (npr. za redukciju pritiska) i elementi za oslanjanje cijevi. Cjevovodi se dijele prema različitim kriterijumima, a najčešće korišćena podjela je prema namjeni: tehnološki cjevovodi – koriste se za transport sirovine, poluproizvoda ili otpadnih materija u tehnološkom procesu rada nekog postrojenja, sanitarno-tehnički cjevovodi – koriste se za vodovode, gasovode, grijanja itd., cjevovodi za hidrauličke i pneumatske instalacije kod mašina i uređaja, cjevovodi specijalne ili posebne namjene.
tehnološki cjevovodi
sanitarno-tehnički cjevovodi
cjevovodi za hidrauličke i pneumatske instalacije kod mašina i uređaja
U zavisnosti od vrijednosti unutrašnjeg pritiska, cjevovode dijelimo na: vakumske p<1 bar, niskog pritiska 1 bar ≤ p < 16 bar, srednjeg pritiska 16 bar ≤ p < 100 bar, visokog pritiska p ≥100 bar. Prema zapaljivosti, eksplozivnosti, toksičnosti i agresivnosti, svi cjevovodi se dijele u tri kategorije: I kategorija – cjevovodi za zapaljive, eksplozivne, toksične i agresivne fluide bez obzira na unutrašnju temperaturu i pritisak. II kategorija - cjevovodi za slabozapaljive, maloeksplozivne, nadražujuće fluide i fluide male agresivnosti. III kategorija – sve ostale cijevi. Stepen agresivnosti trasportovanog medija određuje se prema debljini korodiranog sloja tokom jedne godine na cijevi od ugljeničnog čelika: • mala agresivnost - <0,1 mm/god • srednja agresivost - 0,1 – 1 mm/god • velika agresivnost - >1 mm/god
Glavni faktori koji utiču na dizajn cijevnog sistema su: svojstva fluida, ugovoreni uslovi, ponuda i stepen potražnje, standardi i propisi, topografija terena, uticaj na životnu sredinu, ekonomski aspekt, hidrološki uticaj, seizmički i vulkanski uticaj, korišćeni materijal za elemente cjevovoda, zaštita i vijek trajanja cjevovoda.
Osobine tečnosti ili gasova koje treba transportovati od izvora (proizvođača) do potrošača imaju presudan uticaj na dizajn cjevovoda.
Za gasovite fluide, pri definisanom pritisku i temperaturi, moraju biti definisana svojstva: specifična zapremina, faktor stišljivosti, specifična toplota, eksponent izotropske promjene temperature, entalpija, entropija i viskoznost. Za tečnosti (voda i ulje) treba definisati: viskoznost, gustinu i specifičnu toplotu. Kada je u pitanju okruženje, uticaj na cijevni sistem postoji bez obzira na to da li se radi o podzemnom ili nadzemnom cijevnom sistemu. Stabilnost tla je uticajni faktor koji ima istu težinu i kod nadzemnih i podzemnih cijevnih sistema.
Za podzemne cijevne sisteme, svojstva koja moraju biti poznata prije početka projektovanja istog su: temperatura tla, vlažnost tla, gustina tla, specifična toplota tla i dubina polaganja cjevovoda. Kod nadzemnih cijevnih sistema, u većini slučajeva, temperatura i brzina strujanja vazduha imaju presudan uticaj na njihovo oblikovanje. U toku svog radnog vijeka, svaki cjevovod izložen je opterećenjima, koja mogu biti pojedinačna ili njihova kombinacija: unutrašnji i/ili spoljašnji pritisak, temperatura, masa cjevovoda i sadržaja fluida, klimatska opterećenja, dinamičko djelovanje fluida, pomjeranja tla i objekata, vibracije i zemljotresi.
U fazi projektovanja cjevovoda i njegovih oslonaca moraju se uzeti u obzir opterećenja i njihove moguće kombinacije. Ako je cjevovod izložen više od jednog oblika opterećenja (pritisak/temperatura), tada se mora koristiti najveća proračunata debljina, utvrđena za te uslove. Pri projektovanju cjevovoda moraju se uzeti u obzir i opterećenja: 1. Masa cjevovoda i sadržaj fluida - masa cijevi, fazonskih komada, ventila i izolacije, - masa fluida koji se transportuje i - masa fluida kojim se ispituje sistem. 2. Klimatska opterećenja – ukoliko je sistem cjevovoda izložen klimatskim opterećenjima (temperatura, vlažnost, opterećenje koje izaziva snijeg, udari vjetra), onda se ona moraju uzeti u obzir. 3. Dinamički efekti fluida - dinamički efekti koje stvara fluid negativno se odražavaju na stabilnost cjevovoda. Kada se takvi efekti, kao posljedice procesa ili korišćenja opreme ne mogu izbjeći, oni se moraju uzeti u obzir pri projektovanju. 4. Pomjeranje tla i objekata – ukoliko postoji mogućnost pomjeranja tla ili neujednačeno slijeganje objekata, korišćene vrijednosti pri projektovanju moraju da se navedu u specifikaciji naručivanja.
5. Vibracije – projektovanjem cjevovoda moraju se eliminisati ili bar svesti na najmanju moguću mjeru štetni efekti vibracija koje mogu da nastanu zbog vodenog udara, pulsiranja pritiska, rezonance izazvane radom kompresora i opterećenjem zbog vjetra. 6. Zemljotresi – ukoliko postoji zahtjev investitora, cjevovod se mora projektovati na dejstvo seizmičkih opterećenja.
Ostvareni efekt
Mehaničke i pogonske karakteristike cjevovoda
Glavne karakteristike cjevovoda
Zadati elementi i ograničenja
Šema redosleda postupaka pri projektovanju cjevovoda Vrsta transportnog fluida
Temperatura transportnog fluida
Ograničenja u izboru materijala
Radni vijek cjevovoda
Karakteristike čvrstoće: Re, Rm, A, Z, E, α
Korozija i habanje
Dodatna opterećenja
POUZDANOST
Šema grananja cjevovoda
Ograničenja u izboru brzine
Unutrašnji prečnik
Spoljašnja površinska zaštita
Deformabilnost
Pritisci transportnog fluida
Uslovi okoline
Materijali elemenata cjevovoda
Unutrašnja površinska zaštita
Protok fluida
Krajnje tačke cjevovoda
Ograničenja u izboru trase
Trasa i dužina cjevovoda
Debljina zida
Toplotna izolacija
Brzina fluida
Pad pritiska (trenje fluida)
Gubitak (ili dotok) toplote
EKONOMIČNOST
Šema mogućeg redosleda radova pri gradnji cjevovoda sa već pripremljenim sklopovima Skladište materijala i elemenata Oslonci i elementi noseće konstrukcije
Radionica cjevnih elemenata i sklopova Označavanje
Gradilište postrojenja Skladištenje sklopova
Ispitivanje Armatura Kompenzatori Zaptivke Vijci Navrtke ..........
Moguća izrada većih sklopova Montaža većih sklopova
Zavarivanje sklopova Koljena Reduciri Račve Prirubnice ............
Postavljanje na aparate i uređaje
Izrada elemenata
Montaža cjevovoda
Ispitivanje i izolacija
Ispitivanje gotove instalacije
Sječenje Predaja naručiocu (investitoru) postrojenja Cijevi
Odmjeravanje
Prvi materijali za izradu cjevovoda: - drvo (industrija celuloze), - keramika (za agresivne medije), - olovo (vodovodne cijevi u starom Rimu), - bakar (lake izrade šavnih cijevi). Danas se koriste različiti materijali za izradu cjevovoda: plastika, guma, staklo, čelik, bakar, mesing itd. Osnovni elementi koji definišu izbor materijala su: mehaničke karakteristike materijala, svojstva materijala sa promjenom temperature, mehanička opterećenja koja se javljaju na konstrukciji, postojanost u hemijski agresivnim sredinama i cijena.
Za svaki materijal karakterisitičan je optimum intervala svog funkcionisanja, koji može biti manji ili veći. Zavisno od namjene, radna temperatura cjevovoda može da se kreće u opsegu od -200 °C do +1.000 °C. Pri niskim temperaturama materijali postaju krti, a pri ekstremno visokim temperaturama većina materijala u potpunosti gubi nosivost. Zbog dejstva težine konstrukcije (cijevi, armatura, fluid, izolacija), radnog pritiska pod kojim se fluid transportuje i uzdužnih sila usled promjene temperature, javljaju se mehanička opterećenja koja imaju negativno dejstvo na cjevovod. Postojanost materijala cjevovoda pri transportu agresivnog fluida osnovni je element pri izboru materijala. Praktično, svi fluidi su u hemijskom pogledu u većoj ili manjoj mjeri agresivni, a sama agresivnost se mijenja sa promjenom temperature, pritiska i brzine strujanja. Zbog svih prethodno navedenih karakteristika i specifičnosti rada cjevovoda, najviše se koriste čelične cijevi, jer najbolje ispunjavaju postavljene zahtjeve, a njihova cijena je pristupačna. Proizvode se u dužini do 16 m, sa prečnikom 4÷3.000 mm, a koristi se ugljenični čelik sa najviše 0,6 %C, zatezne čvrstoće do 600 MPa i izduženjem 33%. Cijevi od ovakvog materijala predviđene su za rad do temperature +436 °C. Postojanost ovih cijevi pri radu u agresivnim sredinamu postiže se nanošenjem raznih vrsta prevlaka.
ČELICI Čelik je legura željeza (Fe) sa težinskim sadržajem ugljenika (C) do 2% (2,11% - tačka E dijagrama Fe-Fe3C). U sastavu čelika se, pored željeza i ugljenika, nalaze i drugi hemijski elementi: Uobičajene primjese – hemijski elementi (Mn, Si, Al) koji su tehnološki neophodni da bi se izvršila dezoksidacija čelika ili elementi (P, S) koje je nemoguće odstraniti pri proizvodnji čelika. Legirajući elementi – hemijski elementi (Cr, Ni, Mo, V, Ti, Nb, Cu i dr.) koji se svjesno, u unaprijed definisanim količinama uvode u čelik sa ciljem promjene strukture i osobina čelika. Skrivene primjese – hemijski elementi (O2, H2 i N) koji su u čeliku prisutni u malim količinama. Slučajne primjese – hemijski elementi (Pb, Zn, Sn i dr.) koji su unešeni u čelik tokom tehnološkog procesa proizvodnje.
Prema sadržaju ugljenika, ugljenični čelici se dijele na: - niskougljenične - do 0,25% C - srednjeugljenične - od 0,25% do 0,6% C - viskokougljenične - preko 0,6% C.
1000
Z, A11,3 , %
100%
ReH, RM, MPa
zatezna čvrstoća
granica tečenja 500
50%
300 kontrakcija izduženje 0
0,4
0,8
1,2
200 100
1,6
2,0
C, %
Tvrdoća, HBS
a prema namjeni na: - konstrukcione - do 0,6% C - alatne - preko 0,6% C.
Zahvaljujući razvoju tehnologije proizvodnje i prerade, razvijeni su čelici za rad na izrazito visokim temperaturama i u najagresivnijim sredinama. Poboljšavanjem mehaničkih osobina čelika, kod svih magistralnih cjevovoda čelik je nezamjenjiv materijal. Lakoća spajanja primjenom tehnološkog postupka zavarivanja još jedna je preporuka njegovog korišćenja. Izbor materijala zavisi od radnih uslova: radne temperature i radnog pritiska: čelika - za temperaturni opseg od -40 °C do +400 °C liveno gvožđe - od -20 °C do +300 °C čelični liv - od -30 °C do +400 °C za radne uslove sa visokom temperaturom od 460 °C do 600 °C koriste se visokolegirani čelici. Materijali za dijelove pod pritiskom moraju biti sertifikovani na osnovu standarda EN 10204. Proizvodi ne smiju da imaju nikakvih unutrašnjih ni površinskih oštećenja, jer kao takvi, moraju se odbaciti.
Utvrđeno najmanje izduženje čelika posle preloma mora da iznosi (EN 134802:2009): • ≥14% u poprečnom pravcu, • ≥ 16% u uzdužnom pravcu, ili, ako je to manje kritičan pravac, u poprečnom pravcu. Izduženje se određuje na mjernoj dužini L0 [mm] koja se izračunava prema:
L0 = 5,65 ⋅ S 0 S0 [mm2] – početna površina poprečnog presjeka na mjernoj dužini. Čelični materijali koji se koriste pri izradi cijevi, moraju imati jasno definisani prag energije udara po Šarpiju, ispod kojeg ne smiju da budu. Preporučena vrijednosti udarne energije je određena prema sobnoj tempearaturi, ne većoj od 20 °C, kod epruveta sa V zarezom u skladu sa standardom EN 10045-1: za feritne čelike i legirane čelike sa 1,5%÷5%Ni ⤍ ≥ 27 J za austenitne nerđajuće čelike i austenitne nerđajuće manganske čelike (4%≤Mn≤12%), čelike legirane niklom (8%≤Ni≤10%) i nerđajuće dupleks čelike (austenitno-feritni) ⤍ ≥ 40 J.
Energija udara, J
Ei
Ei
Ei Ep
Ei - energija inicijacije prsline Ep - energija propagacije prsline
Energija udara, J
Ugib, mm
Ei> Ep
Ei< Ep
Ei
Ep
Ei
Ep
Ugib, mm
Glavni ograničavajući faktor primjene legiranih čelika je njihova cijena. Za rad u uslovima kada je temperatura viša od 600 °C, koriste se cijevi izrađene od legirajućih čelika. Kao osnovni legirajući elementi javljaju se hrom i molibden, čime se povećava čvrstoća, žilavost i postojanost u agresivnim sredinama. To su tzv. nerđajući čelici. Ugljenični čelici – za umjerene temperature i neagresivne sredine ili medije. Koriste se za sve pritiske u praksi. Gornja temperaturna granica je 450o C. Za vodove koji se moraju zavarivati koriste se niskolegirani: o Č 1212 (St.35 – DIN 1629), o Č 1213 (St.45 – DIN 1629), o Č 1402 (St.55 – DIN 1629), o Č 1502 (St.65 – DIN 1629). Za povišene temperature i pritiske korste se tzv. vatrostalni kotlovski čelici: o Č 1214 (St.35.8 – DIN 1629), o Č 1215 (St.45.8 – DIN 1629), o Č 7100 (15Mo3 – DIN 1629), o Č 7401 (10CrMo9.10). Od uglječnih čelika se izrađuju vijci, navrtke, podloške i oslonci.
Legirani čelici – za ispunjenje povećanih zahtjeva: • otpornost na ekstremne temperature, • otpornost na agresivne medije i • otpornost na mehanička naprezanja. Legirajući elementi: Cr, Ni, Mo, V, Ti, Al, B .... Za cjevovode izložene ekstremno niskim temperaturama koriste se hrom-nikl čelici. Ni je jedan od važnijih legirajućih elemenata, a njegov sadržaj (maseno učešće) zavisi od sadržaja C. Nikal obezbjeđuje potrebnu žilavost čeliku na niskim temperaturama. o TT St.35 – DIN 1629 (min -80°C), o TT St.45 – DIN 1629 (min -80°C), o X10CrNiTi 18.10 (17-19%Cr, 10-12%Ni, ≥5x%C) - DIN 1629 (min -250°C). Za cjevovode izložene ekstremno visokim temperaturama koriste se čelici legirani s: Cr, Mo, Ni, a u novije vrijeme V, Ti, Al i B. - hrom-nikl (Cr-Ni) - hrom-nikl-molibden (Cr-Ni-Mo)
Za cjevovode izložene agresivnim sredinama čelici moraju biti otporni na koroziju: o Č4170 (X10 Cr13 - DIN 1629), o Č4172 (X20 Cr13 - DIN 1629), o Č4570 (X22CrNi17 - DIN 1629), o Č4571 (X12CrNi18.8 - DIN 1629) Osnovna podjela na: hrom legirane feritne čelike (12%≤Cr≤18%) i Cr-Ni legirane austenitne čelike.
LIVENO GVOŽĐE Ljevano gvožđe – se najčešće koristi se izradu cijevne armature (kućište ventila, poklopaca). Rijetko se koristi za izradu cijevi. Primjenjuje se za kanalizacijske cijevi ili u hemijskoj industriji kada liveno gvožđe pokazuje posebnu otpornost na agresivnost nekog medija. Rijetko i za transport vode i gasova do pmax=16 bar. Zavisno od postupka livenja, proizvode se cijevi različitog prečnika sa ili bez prirubnice: livenjem u pijesku Ø4 ÷ 1.200 mm, centrifugalnim livenjem Ø8 ÷ 600 mm.
Liveno gvožđe je legura Fe-C - sadržaj C >2% (2-4%) Drugi legirajući elementi mogući u cilju promjene pojedinih svojstava. Pogodne su legure za livenje jer posjeduju: nisku tačku topljenja i tečljive su. Otpornost na habanje, abraziju i koroziju. Mala plastičnost i udarna žilavost. Koristi se za elemente koji nisu izloženi visokom nivou opterećenja i koja nisu dinamički opterećena. Prema obliku u kom se javlja ugljenik, livena gvožđa se dijela na: Bijelo liveno gvožđe (bijeli-tvrdi liv) – sav ugljenik vezan u obliku cementita (Fe3C) Sivo liveno gvožđe (sivi liv) – sav ugljenik u obliku lamelarnog grafita ili djelimično (veći dio) u grafit , a djelimično u obliku cementita (Fe3C). Nodularno liveno gvožđe (nodularni liv) – to je sivi liv, oblik ugljenika je blika kuglastog grafita (nodule) Temperovano liveno gvožđe (temper liv) - ugljenik u obliku temper-grafita (kovno gvožđe).
Sivo liveno gvožđe (sivi liv) - Običan sivi liv SL-14 – kanalizacioni i sanitarni liv. - Liv srednje jačine SL-18 i SL-22 – vodovodne cijevi i armatura. - Liv velike čvrstoće SL-26 i SL-30 – cijevi i armatura pod pritiskomTemperovano liveno gvožđe (temper liv) Na osnovu hemijskog sastava, temperature, vremena i atmosfere u peći pri žarenju, razlikuju se dvije vrste: bijeli temper liv crni temper liv. Crni temper liv se najčešće koristi za izradu fazonskih dijelova, cijevi i armature. Za cijevi nazivnog prečnika (DN): - do DN 80 karakteristike dozvoljenog transporotvanog fluida su max. 40 bar i 400 °C - DN 80-100 armatura za uslove max. 25 bar i 300 °C.
O B O J E N I M ETALI
Bakar i mesing su dobri provodnici toplote, pa se koriste za izradu hladnjaka i kondenzatora. Posjeduju svojstvo lake obradljivosti – savijanje. Najčešće se proizvode prečnika 6÷100 mm i dužine 3÷7 m, a debljina zida se kreće u granicama 0,6÷10 mm, kao bešavne (valjane) ili šavne (lemljene) cijevi. Čist bakar nema zadovoljavajuće mehaničke osobine, pa kao konstrukcioni materijal nema veliku primjenu. Legiranjem bakra sa Zn (cink), Sn (kalaj), Al (aluminijum), Be (berilijum), Ni (nikal), Mn (mangan), Si (silicijum), Ag (srebro) i Au (zlato), dobijamo legure. Dvije grupe: Mesing – Cu-Zn Bronza – Cu-Sn (Al, Pb, Be)
Za cijevi manjeg prečnika se koristi. Postojane prema: - atmosferskom uticaju - slanoj vodi - drugim fluidima (organske kisjeline, alkoholi, ulja freon ...) Dobra obradljivost pa se lako montiraju. Spajanje postupkom lemljenja. Prema namjeni: - Cu legure za livenje (kućišta armature i zaptivne površine) - Cu legure za gnječenje (presovane ili vučene cijevi). Bronze – najčešće za izradu armature livenjem (P.CuSn 14, PCuSn10) što omogućava izdradu i najsloženijih oblika. Upotreba bronzanih cijevi je rijetka – u hemijskoj i termotehničkoj instalaciji. Mesing – najjeftinija legura Cu. Za izradu cijevi opšte namjene.
Kalajna bronza (do13% Sn)
Al bronza
Mesing
180
HB
180
180
150
150
120
120
90
90
Bronze
A
80 70
60
60
30
30
0
0
2
4
6
8
10 Sn, %
60
Rm, kN/cm2
Rm, kN/cm2
A5
50 40
0 30 20 10 0 0
2,5
5
7,5
10
12,5 15
Al, %
OLOVO – duga tradicija upotrebe za cijevi i armaturu najagresivnijih fluida. Tendencija zamjene nerđajućim čelicima. Izuzetno plastičan metal i lako se obrađuje gnječenjem (valjanje i presovanje). KALAJ – lako topljiv metal. Prvenstveno služi za prekrivanje drugih metala u cilju zaštite od korozije. Rijetka upotreba i to do samo Ø25 mm (spoljni prečnik).
O STALI MATE R I JALI STAKLO Kada je neophodno imati stalnu vizuelnu kontrolu nad fluidom i postići visok stepen čistoće (prehrambena i farmaceutska industrija). Temperaturni interval u kom se preporučuje korišćenje staklenih cijevi je -50°C ÷ +150°C - razlika temperature fluida i okoline ne bude veća od 80°C. Korišćena armatura kod ovih sistema mora biti od: - kvarcnog (~20% Al2O3.) ili - borosilikatnog stakla.
KERAMIKA Primjena pri izradi podzemne kanalizacije i u transportu sumporne i hlorovodonične kisjeline. Odlikuju se visokim stepenom krtosti i nepouzdane su pri mehaničkim opterećenjima. PLASTIČNE MASE Postojane u agresivnim sredinama rada, male gustine i dobrih mehaničkih karakteristika: - polietilen – koriste se u opsegu temperatura -60°C ÷ 80°C, postojan prema kisjelinama i alkalijama; - tvrdi polivinilhlorid (juvidur ili PVC) – radne temperature -20°C ÷ 60°C, ne gori, postojan prema kisjelinama (azotna do 50% i sumporna d 90%) i alkalijama; krt je; cijevi, armatura, filteri i pumpe; - teflon (politetrafluoretilen) - za temperaturni interval od -100°C ÷ 250°C; vrlo su skupe. GUMA Upotreba za elastične (fleksibilne cijevi) najčešće armirane s čeličnom žicom i za brtvene elemente. Tvrdoća gume zavisi od sadržaja sumpora: - 0,5 - 5% – meka guma, - <15% – polutvrda guma, - ≥25% – tvrda guma.
Termomehanički kriterijumi za izbor materijala pri gradnji cjevovoda Cr – relativna cijena u odnosu na materijal čija je relativna cijena 1; λ [W/mK] – koeficijent provođenja toplote -značajan pri gradnji razmjenjivača toplote (od prikazanih materijala bakar je najbolji); Re [N/mm2] odnosno Rm [N/mm2]– granica tečenja odnosno zatezna čvrstoća važna je pri dimenzionisanju debljine zida cijevi, nosača oslonaca i sl. (od prikazanih materijala čelik najbolji); Rm/ρ [Nm/kg] – kompleks - važan je kod izbora materijala kada se želi dobiti najlakša cijev (od prikazanih materijala AlMg 3 je najbolji); Rm/Crρ [Nm/kg] – kompleks - važan je kod izbora materijala kada se želi dobiti najjeftinija cijev (od prikazanih materijala čelik je najbolji); λ/ρ [Wm2/kgK] – kompleks - važan je kod izbora materijala kada se želi dobiti najlakše rebro izmjenjivača toplote (od prikazanih materijala čisti aluminijum je najbolji); λ/ρCr [Wm2/kgK] – kompleks - važan je kod izbora materijala kada se želi dobiti najjeftinija rebra izmjenjivača toplote (od prikazanih materijala čisti aluminijum je najbolji); Rλ [NW/m3K] – kompleks - važan je kod izbora materijala za izmjenjivače toplote (od prikazanih materijala bakar je najbolji);
σ =R
UTICAJ NISKIH TEMPERATURA NA STANJE MATERIJALA CJEVOVODA Teorija koja u potpunosti objašnjava promjenu karakteristika metala sa snižavanjem temperature ne postoji. Na promjenu utiču sledeći faktori: - tip kristalne rešetke materijala, - hemijski sastav metala (legure), - metalurški uslovi dobijanja metala (legure) i vrsta termičke obrade (zavisi struktura materijala), - uslovi mehaničkog opterećenja i koncentracije napona. Po karakteru promjene mehaničkih osobina sa snižavanjem temperature, sve metale dijelimo u tri: 1. ugljenični i niskolegirani čelici, 2. legirani čelici austenitne strukture 3. obojeni metali i njihove legure.
Kod ove grupe materijala, sa snižavanjem temperature se: - povećava zatezne čvrstoća, granica tečenja i elastičnosti (do -80°C sporo, a pri nižim temperaturama relativno brzo), - povećava Young-ov modul elastičnosti (E) i tvrdoća (HB), - opada udarna žilavost (ρ) i relativno suženje (Z) - izduženje (A) lagano opada do tkr, kada naglo opada. Sa snižavanjem temperature od sobne (+20°C) do približno -200°C zatezna čvrstoća i granica tečenja u prosjeku porastu za 1,5-2 puta (ponekad i više). Udarna žilavost se smanjuje više desetina puta. Nepovoljna promjena mehaničkih karakteristika sa snižavanjem temperature, prije svega smanjenje udarne žilavosti – ublažava se legiranjem čelika, prije svega NIKLOM. Veličina zrna je značajna za ponašanje materijala – što sitnija struktura (sorbit – kaljenjem i visokim otpuštanjem se postiže), žilaviji materijal.
Ovi čelici su otporniji na niskim temeperaturama, tj. imaju znatno manje opadanje udarne žilavosti sa promjenom temperature čak i preko -250°C. Sadržaj ugljenika u ovim čelicima treba da je manji od granice rastvorljivosti karbida u austenitu.
Kod obojenih metala sa snižavanjem temperature rastu skoro sve mehaničke karakterisitke. Izuzetak su plastičnost i žilavost koji se smanjuju jako malo – kod bakra i aluminijuma rastu (na -200°C je za 1,2-1,5 puta veće nego pri sobnoj temperaturi). Udarna žilavost olova i nikla raste sa snižavanjem temperatura.
UTICAJ PORASTA TEMPERATURA NA STANJE MATERIJALA CJEVOVODA Sa porastom temperature znatno se mijenjaju karakteristike čvrstoće i plastičnosti metala. Sa porastom temperature zatezna čvrstoća kod čelika često ispočetka blago raste i dostiže maksimum na temperaturama od oko 250°C - 300°C. U tom trenutku je za 20-25% veća nego na sobnoj temperaturi. Potom naglo opada pa na 600°C manja je za skoro 60% u odnosu na vrijednost pri sobnoj temeperaturi. Granica tečenja na početku sporo raste i svoj max. postiže na 200°C, a zatim pada stalno sve više, tako da na +400°C dostiže minimum koji je 60-70% od vrednosti na sobnoj temeperaturi. Izuzetak su legirani čelici kod kojih neprekidno opada. Sa sniženjem granice tečenje, smanjuje se i plastična deformacija razvlačenja (ΔεT) koja nestaje pri određenoj temperaturi (za ugljenične čelike 350°C - 450°C). Granica proporcionatnosti (Rp) i Young-ov modul elastičnosti (E) stalno opadaju sve intenzivnije sa porastom temperature (E800≈0,5E20). Karakteristike plastičnosti pri kidanju materijala (relativno izduženje – δ i relativno suženje poprečnog presjeka – ψ) sa porastom temperature najprije opadaju (min. +250°C - +350°C). Pad plastičnih karakteristika za ugljenine čelike na ovim temperaturama poznat je kao "krtost na plavom usijanju“.
Označavanje čelika za cijevi i cjevovode (EN 10027)
Propisivanje karakteristika materijalnih objekata Propisivanje postupaka Definisanje pojmova Definisanje naziva Definisanje veličina Definisanje jedinica mjera Definisanje drugih elemenata
STANDARDIZACIJA
Obim standardizacije u oblasti cijevnih vodova (broj objekata koji se standardizuju, kao i broj elemenata po kojima se dati objekat standardizuje) zavise prije svega od njihovog značaja, kao i od sveukupnih mogućnosti tijela koje je nadležno za sprovođenje standardizacije – INSTITUT ZA STANDARDIZACIJU. Standardima se ne obuhvataju sve karakteristike nekog proizvoda, već samo one koje su od značaja za racionalizaciju proizvodnje, vrednovanje i upotrebu, a posebno one karakteristike koje amogućavaju opštu zamjenljivost dijelova ili sklopova. Standarda u oblasti cijevnih vodova ima mnogo, a dijele se u sledeće grupe:
Osnovni standardi (nazivni prečnik, nazivni pritisak, standardne serije cijevi itd.). Standardi o materijalima koji se koriste pri izradi cijevi (vrste, sastav, kvalitet, mehaničke i ostale karakteristike; izbor materijala). Standardi o elementima cijevnih vodova (cijevi, prirubnički spojevi, armatura, oslonci, kompenzatori temperaturskih dilatacija itd.). Standardi u vezi postupaka proračuna, grafičke dokumentacije (oznake, simboli, šemiranje), kao i propisi o sadržaju tehničke dokumentacije. Standardi i propisi u vezi opštih i tehničkih uslova vezanih za montažu i isporuku cijevnih vodova, mjerenja i primopredajna ispitivanja.
NAZIVNI (NOMINALNI) PREČNIK Nazivni ili "nominalni" prečnik je mjera koja služi za označavanje cijevi, cijevnih zatvarača, armature, fazonskih djelova i priključaka aparata i uređaja. Označava se slovima DN i odgovarajućim brojem koji u milimetrima izražava njegovu vrijednost. Nazivni prečnici su standardizovani u opsegu od 1-4000 mm.
NAZIVNI (NOMINALNI) PRITISAK Nazivni “nominalni“ pritisak je max. vrijednost pritiska kome dati element smije biti izložen na sobnoj temperaturi (+20°C). Obilježava se slovnim oznakama NP i odgovarajućim brojem koji u jednici bar izražava njegovu vrijednost. Dozvoljeni radni pritisak pr je max. pritisak kojem neki element cjevnog sistema smije biti izložen na radnoj temperaturi. Ako je radna temperatura jednaka sobnoj temperaturi - pr =PN. Pri izboru elemenata cjevnog sistema treba usvajati one čiji je nominalni pritisak veći od radnog pritiska (PN>pr ) Kod viših temperatura (iznad 400°C) treba naknadno provjeriti napone u armaturi i uporediti ih sa odgovarajućim dopuštenim naponima (prema granici tečenja na datoj temperaturi ili prema dopuštenoj brzini puzanja) Dopušteni radni pritisak približno je za onoliko puta manji od NP za koliko je dopušteni napon na radnoj temperatari manji od dopuštenog napona na +20°C .
Maksimalni radni pritisak za armaturu u zavisnosi od materijala, temperature i NP
STANDARDIZACIJA POSTUPAKA PRORAČUNA I TEHNIČKE DOKUMENTACIJE pri projektovanju je od posebnog značaja jer: - olakšava proračun na osnovu standardom priznatih metoda, karakteristika masovno korišćenih standardnih materijala i preporučenih stepena sigurnosti; - olakšava optimalan izbor materijala; - pojednostavljuje saradnju u projektovanju, proizvodnji i izvođenju i doprinosi jednostavnosti i preglednosti dokumentacije, čime se povećava produktivnost rada i ubrzava prces projektovanja; - doprinosi smanjenju grešaka i propusta u izvođenju.
U procesu proizvodnje cjevovoda, kao posude pod pritiskom, primjenjuju se postupci: toplotnog ili mehaničkog rezanja metala, oblikovanja, zavarivanja i termičke obrade. Osnovni tehnološki postupci pri izradi cjevovoda (posude pod pritiskom), direktno utiču na kvalitet i njenu pouzdanost u eksploataciji.
Šematski prikaz tehnoloških operacija pri izradi cijevi
Cijevi, kao elementi cjevovoda, po načinu proizvodnje dijele se na: bešavne i šavne. Bešavne cijevi, kako i sam naziv govori, nemaju uzdužni šav. Ove cijevi mogu biti i profilisanog poprečnog presjeka (kvadratne, pravougaone, eliptične, itd.). U literaturi, bešavna cijev se sreće pod nazivom Mannesmannova cijev, jer se proizvodila 80-tih godina prošlog vijeka prema pronalasku braće Mannesmann. Kasnije su razvijeni postupci kao što su: Stiefelov postupak, Erhardtov postupak, hladno vučenje, hladno valjanje cijevi itd. Najčešće korišćeni postupak izrade cijevi predstavlja postupak Mannesmann koji se odvija kroz tri faze: u prvij fazi se vrši izrada debelozidne čaure iz najčešće cilindričnog poluproizvoda,
u drugoj fazi se toplim ili hladnim valjanjem, čaura navuče na osnovu čiji je prečnik jednak unutrašnjem prečniku zahtijevane cijevi
u trećoj fazi se vrši kalibracija.
Šavne cijevi se dobijaju iz toplovaljane čelične trake zavarivanjem. Zavisno od položaja šava i postupka zavarivanja, dijelimo cijevi. Postupak izrade cijevi s preklopnim šavom (spiralne šavne cijevi) rjeđe se koristi, a prvenstveno se koristi za zavarivanje tankozidnih cijevi velikog prečnika i od visokokvalitetnih čelika. Elektrolučnim zavarivanjem ili međusobnim pritiskom prethodno usijanih krajeva toplovaljane čelične trake proizvode se tzv. podužno zavarene cijevi.
REZANJE METALA Za rezanje metala, toplotno ili mehaničko, najčešće se koristi: gasno rezanje korišćenjem smješe kiseonik-acetilen ili kiseonik- butan, mlaz plazme, laser (mlaz fotona) i mlaz vode. Gasno rezanje, s obzirom na nisku cijenu opreme i potrebnih gasova, najrasprostranjeniji je vid toplotnog rezanja materijala. To predstavlja razdvajanje metala njegovim sagorijevanjem u struji kiseonika, uz istovremeno oduvavanje produkata sagorijevanja – troske. Da bi se stvorili uslovi za sagorijevanje metala, neophodno je da: temperatura sagorijevanja metala bude niža od temperature topljenja, toplota sagorijevanja metala zajedno sa toplotom plamena održava stalnu temperaturu sagorijevanja.
Sposobnost rezanja čelika gasnim postupkom procjenjuje se pomoću izraza kojim se uticaj legirajućih elemenata svodi na ekvivalentni uticaj ugljenika – Cekv: Cekv = C+0,4Cr+0,3(Si + Mo)+0,2V+0,06Mn+0,04(Ni+Cu) Uzimajući u obzir ovako određeni Cekv, kao i sadržaj ugljenika, čelici mogu da se klasifikuju u IV grupe.
Plazma rezanje je ekonomično za debljine 3÷20 mm. Kvalitet reza je bolji nego pri gasnom rezanju, ali u poređenju sа laserskim rezanjem kvalitet reza je lošiji. Princip rada je identičan gasnom rezanju, samo što se oduvavanje produkata sagorijevanja – troske, osim kiseonikom može vršiti i vazduhom, azotom, argonom ili mješavinom ovih gasova. Za rezanje elektroprovodnih materijala koriste se plazmatroni sa direktnim lukom. Plazmatroni sa indirektnim lukom primjenjuju se kada se režu limovi debljine <1 mm i materijali koji nijesu elektroprovodni. Rezanje laserom (mlazom fotona) najekonomičnija je primjena za relativno male debljine nelegiranog čelika 2÷3 mm, jer se karakteriše minimalnom deformacijom reznih ivica materijala. Zbog visoke cijene opreme za lasersko rezanje, primjena ove tehnologije za maloserijsku proizvodnju je neekonomična.
plazma rezanje
lasersko rezanje
Rezanje mlazom vode (Water Jet) najprije je korišćeno pri rezanju kompozitnih materijala. Dodavanje abrazivnih čestica u mlaz vode, omogućilo je korišćenje ove tehnologije za rezanje metala debljine do 150 mm. Kvalitet reza je bolji u odnosu na prethodno navedene postupke. Nema unošenja toplote u ivice reza, te se time eliminišu moguće metalurške promjene koje izazivaju mikroprsline. Takođe, u potpunosti su eliminisane deformacije izazvane lokalnim unošenjem toplote. ultravisokoj brzini strujanja (do 1000 m/s).
ZAVARIVANJE Zavarivanje je tehnološki proces dobijanja monolitnih nerastavljivih spojeva posredstvom uspostavljanja unutrašnjih veza između čestica (atoma, jona, molekula), pri njihovom lokalnom ili ukupnom zagrijavanju ili plastičnoj deformaciji ili zajedničkom djelovanju i zagrijavanja i plastične deformacije. Zavareni spojevi se karakterišu kontinualnom strukturnom vezom. Nerastavljiv monolitan spoj, obrazovan pri zavarivanju, naziva se zavareni spoj. Kvalitet zavarenog spoja, a samim tim i pouzdanost cijevi kao zavarene konstrukcije, zavisi od elemenata svrstanih u pet grupa koje se mogu predstaviti kao "4M+1E"
Prema stanju metala u zoni zavarivanja u momentu zavarivanja, svi postupci zavarivanja se mogu podijeliti na dvije grupe: postupci zavarivanja pritiskom i postupci zavarivanja topljenjem.
TIG
MIG/MAG
REL
orbitalno zavarivanje
Izrada cijevi od SL Centrifugalnim livenjem u rotirajućem metalnom kalupu, koji se izvana hladi vodom. Da bi se dobila ujednačena struktura materijala, nakon livenja elementi se termički obrađuju (žarenje) na 950oC. Izrađuju se za cijevi ND 40-800 mm.
Electric Resistance Welding Manufacturing Process
Osnovna literatura: Dr Darko Bajić, Posude pod pritiskom i cjevovodi, Univerzitet Crne Gore - Mašinski fakultet, Podgorica, 2011. Dr Mile Markovski, Cevni vodovi, Univerzitet u Beogradu, Mašinski fakultet, Beograd, 2006.
