PRACTICAL
PIPING STRESS HANDBOOK Piya Kittitanesuan, B.Eng., Mech. ( ปยะ กิตติธเนศวร ) Piping Engineer Pöyry Energy Ltd Bangkok, Thailand
First Issued : Last Update :
January 1998 February 2008
1
เกี่ยวกับผูเขียน
ปยะ กิตติธเนศวร ปจจุบันทํางานเปนวิศวกรใหกับบริษัทเพอรี่เอ็น เนอจี่ (ประเทศไทย) จํากัด ตําแหนงหัวหนาฝายออกแบบวิศวกรรมระบบ ทออุตสาหกรรม สําเร็จการศึกษาชั้นมัธยมจากโรงเรียนปทุมคงคา ในป 2534 และ สําเร็จวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต(วิศวกรรมเครื่องกล) จาก มหาวิทยาลัยเชียงใหม ในป พ.ศ.2538 ประวัติการทํางาน (Piping Experiences) 1995-2000 (over 4 years) Foster Wheeler International Corp. 2000-2002 (2 years) Toyo Engineering Ltd. 2002-2003 (1 year) NKK Engineering Ltd. 2003-2004 (6 month) Pro-En Technologies Ltd. 2004-2005 (1year 8 month) Chevron Offshore (Thailand) Ltd. 2005-Present Pöyry Energy Ltd.
2
สารบัญ คํานํา คําศัพท (Vocabulary) บทนํา บทที่ 1 Basic Piping Stress Analysis และการใชโปรแกรม CAESAR II 1.1 Basic Piping Stress Analysis 1.2 Basic Stress Quantities 1.3 Code Compliance Basics 1.4 Code Stress Allowable 1.5 Checking Step for Stress Analysis 1.6 Piping Stress Analysis Method
Page i ii 1
บทที่ 2 Static Analysis 2.1 Linear and Non-Linear Equation 2.2 CAESAR II Type Support 2.3 Linear and Non-Linear Restraint 2.4 Static Analysis
x
บทที่ 3 Piping on Rack 3.1 Pipe Rack Design for Process Plants 3.2 Piping Layout on Pipe Rack 3.3 How to design pipe support for lines on pipe rack 3.4 How to design expansion loop
x
บทที่ 4 Pipe Support Design 4.1 Introduction to pipe support design 4.2 Guideline for shoe selection 4.3 Guideline for Pipe Support 4.4 Minimum Leg Required 4.5 Pipe Support around Equipment
x
บทที่ 5 Spring Hanger Design 5.1 Variable Spring Hanger 5.2 Constant Spring Hanger 5.3 Spring Function 5.4 When install spring support
x
บทที่ 6 Jacket Pipe - How to model and analysis jacket pipe - Model jacket pipe by equivalent method - Minimum leg require for jacket pipe - Critical Buckling Force for Jacket pipe
x
บทที่ 7 Dynamic - Introduction of Dynamic Theory - Characteristics of Dynamic Load - Dynamic analysis for reciprocating compressor line - How to solve static and dynamic problem - Impact load analysis - Water Hammer - Wind Load
x
3
บทที่ 8 Seismic Analysis - Seismic code - Using CAESAR II for seismic analysis - How to set up Caesar II for seismic load - Caesar II load case to be analyzed for seismic load - How to design pipe support for seismic load - How to reduce seismic load and stress
x
บทที่ 9 Stress Analysis for Underground Piping
x
บทที่ 10 โครงสราง file ของ Program CAESAR II - เจาะลึกโครงสราง file ของ CAESAR II - ไฟล ควบคุมการทํางานของ CAESAR - Unit file ไฟลควบคุมระบบหนวย - ไฟล อื่นๆ
x
บทที่ 11 3D CAD and CAESAR II - Introduction to PDMS 3D and STRESS -C - การใช STRESS-C สรางไฟลกลาง (neutral file) สําหรับ มาใชกับ CAESAR II - การนํา neutral file มา สราง piping input file - Introduction to PDS and PD-Stress
x
บทที่ 12 CAESAR II Structural Model - How to use CAESAR II model the structure - How to include structure model to piping model
x
บทที่ 13 How to develop online piping calculation on web site - Develop web programming for online calculation - pipe wall thickness - maximum pipe span - pipe branch reinforcement - pressure drop calculation - trunnion arm loading calculation - flange leakage calculation - cantilever bracket calculation
x
เอกสารอางอิง (REFERENCES) APPENDIX A: Equipment Allowable Nozzle Loads APPENDIX B: CODE stress APPENDIX C: Stress Analysis Check List APPENDIX D: CAESAR II Load Case to be Analysed APPENDIX E: Pipe Span Calculation APPENDIX F: Piping Program develop by using Visual Basic APPENDIX G: How to include piping input file APPENDIX H: Hot Sustain and Cold Sustained Stress APPENDIX I: Unix and Apache Server, PHP, Mysql Database and PHPMyadmin
x x x x x x x x x x
4
คํานํา ตั้งแต สําเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยใน ปพ.ศ 2538 ผูเขียนไดเริ่มงานทางดาน วิศวกรรมระบบทออุตสหากรรม (Piping Engineering) กับบริษัทอเมริกาแหงหนึ่ง โชค ดีมีโอกาสเรียนรูทํางานดาน Piping Stress Analysis โดยเฉพาะ กับวิศวกรผูเชี่ยวชาญ เฉพาะดานชาวตางประเทศจากหลายสัญชาติ เนื่องจากศาสตรทางดานนี้เริ่มพัฒนามา ไดไมกี่สิบป ดังนั้นวิศวกรไทยที่เชียวชาญทางดานนี้ จึงมีจํานวนนอยอยู สวนตํารา ภาษาไทยที่เกี่ยวกับ Piping Stress ก็ยังไมมีผูใดถายทอดเอาไวใหจนกระทั่งปจจุบัน หนังสือเลมนี้มีวัตถุประสงค เพื่อรวบรวมความรู ประสบการณ ในการวิเคราะห และแกปญหาความเคนในระบบทอ และนํามาถายทอด ใหกับวิศวกรไทยรุนใหมและ นักศึกษาที่มีความสนใจในงานทางดานวิศวกรรมระบบทอ โดยหวังวาเราจะตอยอด พัฒนาความรูในศาสตรนี้ ไดอยางรวดเร็วและไมแพชาติใดในโลก ผูเขียนตองการแสดงใหเห็นวา ความรูพื้นฐานทางวิศวกรรม ที่เราเรียนกันมาใน โรงเรียนและมหาวิทยาลัยนั้น นั้นมีคุณคาในวิชาชีพอยางมาก เชน กฏฟสิกค ขอที่ 1 ของทานเซอรไอแซคนิวตัน มาประยุกตใชงาน ควบคูกับการนําเสนอซอฟแวรสมัยใหม ทางดาน piping stress analysis อยาง CAESAR II จะทําใหศาสตรนี้ไมไดยากเหนือ ความเขาใจแตอยางใด และชวยใหลดเวลาในการทํางาน ที่สูญเสียไปกับการหาผลลัพธ โดยอาศัยโปรแกรมคอมพิวเตอร อยางลองผิดลองถูก หนังสือเลมนี้จะสําเร็จลงไมไดเลย หากขาดความรูเมื่อหลายรอยปกอน จากทาน ปรมาจารย เซอรไอแซค นิวตัน ครูบาอาจารยที่ประสิทธประสาทวิชาการดานวิศวกรรม จากมหาวิทยาลัยเชียงใหม และรุนพี่วิศวกรทั้งชาวไทย พี่สมภพ พูนทรัพย ที่ชวยเหลือ ผมเขาสูวงการ piping engineering และวิศวกรชาวตางประเทศที่เปนหัวหนาและ อาจารยผม อยาง Mr.John M Nedovich, Mr. David Maloney, Mr. Brian Hutchison และ Mr.Steve Holdaway ที่ใหความเมตตา มอบโอกาสในการงาน และถายทอด ประสบการณ ความรูจากการทํางานจริง และที่สําคัญ ขอขอบคุณอยางสูงสําหรับบริษท ั เพอรี่ เอ็นเนอยี่ (ประเทศไทย) จํากัด โดยเฉพาะนายใหญ ชาวสเปน และ ดร.อเล็กซ พี่ ST พี่ SA และพี่ SU ที่ใหโอกาสรับผมไดทํางานที่บริษัทเพอรี่ ที่นี่เปดโอกาสใหผมได ทําเวบไซต pipingengineer.com ในเวลาเลิกงาน ยามวาง เปนงานอดิเรก แตงตํารา เขียนบทความ ถายทอดความรูใหกับสังคมและรุนนองวิศวกรไทย หากมีกุศล ผลบุญที่ ไดจากการถายทอดความรูนี้ทั้งหมด ผมขอมอบกุศล ผลบุญนั้นทั้งหมด แดทานผูมี บุญคุณทุกทานที่กลาวมาและบุคคลอื่นๆที่ไมสามารถกลาวไดหมดในที่นี้ แลวดวย เทอญ ปยะ กิตติธเนศวร ศรีราชา ประเทศไทย กุมภาพันธ 2550
5
คําศัพท (Vocabulary) Anchor B Corrosion Allowance D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
จุดยึดตรึงทอ ณ จุดนั้นทอไมสามารถขยับเขยื่นไป ไหนได คาเผื่อการสึกกรอน
6
บทที่ 1 BASIC PIPING STRESS และ การใช โปรแกรม CAESAR II By Piya Kittitanesuan (ปยะ กิตตธเนศวร) Lead Piping Engineer
Poyry Energy Ltd. (Thailand) (update 29 February 2008) พื้นฐานการวิเคราะหความเคนในระบบทอ (Basic Piping Stress Analysis) ระบบทอที่มีอุณหภูมิปฏิบัติการ (Operating Temperature) สูงกวา อุณหภูมิบรรยากาศ(Ambient Temperature) จะทําใหทอ เกิดการขยายตัว สวนระบบทอที่มีอุณหภูมิต่ํากวาอุณหภูมิ ambient จะทําใหทอเกิดการหด ตัว ทั้งสองระบบนั้นไมเพียงทําใหเกิดปญหา การขยายหรือหดตัวของระบบ ทอ ยังจะทําใหเกิดปญหาความเคนในระบบทออีกดวย ระบบทอจะพัง เสียหายหรือไมพังขึ้นอยูกับความเคนมีมากนอยเพียงใด ถาคาความเคนที่ เกิดขึ้นอยูในขอบเขตที่ code จํากัดไว ระบบทอก็คงอยูได แตการวิเคราะห หาคาความเคนในระบบทอเพียงอยางเดียวยังไมเพียงพอ วิศวกรระบบทอ (Piping Engineer) จะตองคํานวณหาแรงและโมเมนต ที่กระทํา ณ จุด ตางๆ เชน ที่จุดรองรับทอ(pipe support ) ซึ่งจุดรองรับทอ ที่เจอในงาน ทอ ก็ไดแก line stop, guide หรือวา จะเปน nozzle ของอุปกรณ (Equipment) ก็ได แรงที่เกิดจากระบบทอ จะตองมีคาไมมากเกินไป ไมเชนนั้นจะทําให โครงสรางหรืออุปกรณตางๆ พังเสียหายได วิธีการคือเราจะนําคาแรงและโมเมนต ที่คํานวณไดนี้มาเปรียบเทียบ กับคา Allowable Forces และ Moments โดยคาแรงและโมเมนตที่คํานวณ ไดนั้นจะตองไมเกินคา Allowable วิศวกรที่คํานวณความเคนในระบบทอ สามารถทราบคา Allowable Load ไดจาก โรงงานผูผลิตอุปกรณนั้นๆ หรือ ไดจาก code ที่ใชกับอุปกรณตางๆ เชน ถาเปน pump ก็อาจจะใช code API 610 ถาเปน steam turbine ก็อาจใช code ของ NEMA SM23 แตถา เปน Tank ขนาดใหญ ก็อาจใช code API650 เหลานี้เปนตน จะใช code ไหน แตละโครงการ(project) ก็ไมเหมือนกัน แตโดยทั่วไปในงาน ออกแบบโรงงานปโตรเคมีและโรงกลั่นน้ํามันทั่วโลก ก็นิยมใช code ที่ กลาวมานี้ทั้งนั้น หนังสือเลมนี้จะสอนใหทานทราบถึง วิธีการออกแบบทอใหมีความ ปลอดภัย โดยเราจะยึกหลักการพื้นที่วา ระบบทอจะตองถูกออกแบบใหมี ความยืดหยุน(Flexibility) โดยใชจํานวนขอตอ(Fitting) ใหนอยที่สุด เพื่อ ความประหยัดเงินของนักลงทุน และ ลด pressure drop ที่เกิดขึ้นใหนอย ที่สุด 1
1.1 BASIC STRESS QUANTITIES กอนที่เราจะเริ่มทําการคํานวณ pipe stress ใหเราทบทวนเกี่ยวกับ ปริมาณ stress พื้นฐานตอไปนี้กอน ซึ่งสวนใหญเราก็เรียนรูกันมาใน โรงเรียนวิศวกรรมเรียบรอยแลว ผมจึงไมอธิบายมันมาก AXIAL STRESS (ความเคนตามแนวแกน) Axial Stress =
Force Area
SHEAR STRESS (ความเคนเฉือน) Shear Stress =
Force in Shear Shear Area
BENDING STRESS (ความเคนดัด) σ
=
Mc I
M
โดยที่ M- Moment @ cross section c- Distance from neutral axis to outer surface 4 4 I – cross section moment of inertia = Π (do – di ) 64
2
LONGITUDINAL PRESSURE STRESS
σPL
= F/A
=
Pd/4t
HOOP PRESSURE STRESS
σPH
= F A
=
Pd 2t
ทางยุโรปนิยมใช คา d เปน outside diameter มากกวาที่จะใชเปน inside จากกฏขอที่ 1 ของนิวตัน [ Σ F = 0 ] 2 F = Pdi L σPH
=
Pdi L 2t L
= Pdi 2t
จริงๆ แลว สมการ hoop pressure stress ที่ใชกลาวถึงขางบนนี้ เปน สมการ ที่ใหคาประมาณ สมการที่ใหคาไดแมนยํา นั้น ถูกกําหนดโดย สมการของ LAME ดังตอไปนี้
σPH
= Pri2 + L ri2 ro2 P / r2 ro2 - ri2
r = position thru the thickness
3
รูปที่ 1 คือการการกําหนดคาใหกับ program CAESAR II มี 4 option ใหเลือก คือ ID, OD, MEAN และ LAMES_EQ ถาเราตองการคาที่ conservative ที่สุดใหเลือกใช base hoop stress on เปน OD แต โดยทั่วไป นิยมใช ID ที่เปนเชนนี้ คงเปนเพราะตองการใหแกปญหาความ เคนผานไปไดโดยงาย ดังนั้นกอนที่จะเริ่มตน ทํา piping stress analysis โดยใช CAESAR II ก็ควรจะตั้งคาตรงนี้กอน โดยไปที่ TOOL บน main menu ของ CAESAR II Version 5.00 และ Configures/Setup ก็จะได dialog box ดัง รูปที่ 1
รูปที่ 1 การกําหนด diameter ที่ใชในการคํานวณ hoop stress ใหกับ CAESAR II
กอนอื่นผมอยากใหเราตัดความกังวลในการใชโปรแกรมไปกอน ผมยังคงไม ถายทอดตอนนี้ เพราะนั่นไมใชประเด็นสําคัญที่สุดในตอนนี้ อยากใหเรา เขาใจพื้นฐานกอน แมจะไมมี โปรแกรมก็สามารถเขาใจหลักการได
Longitudinal Stress ที่เกิดขึ้นบนผนังทอ โดยทั่วไป หนาตัดของทอจะเกิดปญหา longitudinal stress หลักๆ ได
4
สามรูปแบบคือจาก bending , axial และ pressure ดังนั้นสมการในการ คํานวณหาคา longitudinal stress ที่หนาตัดทอจะเปนดังนี้ Mc I
+
F A
Bending
+
axial
ซึ่งโดยทั่วไปแลว U.S longitudinal stress
Code
Pd 4t pressure
ก็จะใชรูปแบบสมการขางบนในการหา
สําหรับ ASME B31.3 stress ที่เกิดขึ้นขางบน เรียกวา Sustained Stress ซึ่งเกิดจากการ combine stress ที่เกิดจาก ความเคนเนื่องจาก โมเมนตดัด ความเคนตามแนวแกน และ ความเคนที่เกิดจากความดัน แต สําหรับ B31.1 Sustained Stress ที่เกิดขึ้นจะพิจารณา มาจาก ความเคน เนื่องจากโมเมนตดัด และ ความเคนที่เกิดจากความดัน เทานั้น เขียนเปน สูตร งายๆ ไดดังนี้ Mc I Bending
+
Pd 4t pressure
ASME Code ไดบอกวา Sustained Load เกิดจากผลกระทบของ ความดัน น้ําหนัก ที่เกิดขึ้นบนทอ ดังนั้นจะเห็นวา longitudinal stress ที่กลาว มาแลวขางตน ก็คือ ความเคนที่เกิดจาก Sustained load นั่นเอง ซึ่งตอไป เราก็จะเรียก กันเทหๆ แบบภาษาเทพ วา Sustained Stress (SL) 1.3 CODE COMPLIANCE BASICS : ASME CODE ไดกําหนด รูปแบบการเสียหายพื้นฐานสองแบบ ดังนี้ 1. Sustained ( or Primary ) Stress Failure 2. Expansion (or Secondary ) Stress Failure ซึ่งแตละ แบบ ก็มีลักษณะเฉพาะไมเหมือนกัน 5
ลักษณะที่เปน PRIMARY STRESS 1. primary stress สวนเกิน มีสาเหตุมาจากการเกิด plastic deformation และ rupture.
รูปที่ 2
2. สวนใหญเกิดจากการรับภาระเนื่องจาก น้ําหนัก(weight) และ ความดัน (pressure) Allowable limits สําหรับ sustained stresses นั้น จะ สัมพันธกับ คา yield stress ของ material 3. การพังเสียหายจะเกิดขึ้นแบบทันทีทันใด จะไมมีอาการเตือนใหเราเห็น ลวงหนา เหมือนกับการพังเนื่องจากการลาของวัสดุ (fatigue) 4. โดยปกติจะไมเกี่ยวกับ cyclic ลักษณะที่เปน SECONDARY STRESS 1. เกิดเนื่องจากการขยายตัวของทอ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (thermal expansion) 2. การพังเสียหายอาจจะเกิดการ crack เปนจุดเล็กๆ ตามผิวดานใน หรือ ดานนอกของทอกอน
รูปที่ 3
ลักษณะของ OCCASIONAL STRESS กรณีทั่วไป ระบบทอจะเกิดความเคนทั้งสองแบบขางตน แตก็ยังมีเหมือนกัน ที่จะเกิดการเสียหายเนื่องจากเกิดเหตุการณตามโอกาส เชน แรงลม (wind), เกิดแผนดินไหว (earthquakes), เกิดฆอนน้ํา เชน steam หรือ 6
water hammer, Pressure Safety Valve (PSV) ทํางาน เนื่องจาก เหตุการณขางตน อาจจะเกิดขึ้นหรือไมเกิดขึ้นก็ได การพิจารณาการ เสียหายแบบนี้จึงขึ้นอยูกับวิศวกรผูทําการออกแบบอีกที หรือไมก็มีการ กําหนดจากขอกําหนดในการออกแบบจากลูกคา
1.4 CODE STRESS ALLOWABLE : เกณฑคาความเคนสูงสุดที่ ยอมรับได ซึ่งแตละประเทศจะมี ขอกําหนดเปนของตัวเอง สําหรับประเทศไทยยังไมมีขอกําหนดนี้ใหใช โดยมากโรงงานในประเทศไทยใช หลักเกณฑของอเมริกา ในแตละ ประเภทของโรงงาน ก็ยังกําหนดแตกตางกันไปอีก เชน โรงงานประเภท Power Plant ไดกําหนดใช Code B31.1 สวนโรงงานประเภท Process Plant ไดกําหนดใช Code B31.3 เนื่องจากสวนใหญเราจะทําโรงงานประเภท Process Plant และ Power Plant กัน ดังนั้นขอยกตัวอยางของ ทั้ง Code B31.1 และ B31.3 ซึ่ง code B31.3 ไดกําหนด Code stress allowable ไวดังตอไปนี้ THE SUSTAIN ALLOWABLE STRESS คือการเอาคา hot yield stress มาคูณดวยคา factor ซึ่ง sustained stresses ไมควรจะเกินคา materials elastic limit ณ อุณหภูมิ ที่ operating หรือ อุณหภูมิที่ใชในการ design ถาเขียนเปนสมการจะไดดังนี้ SL
<
Sh
โดยที่ SL = Stress ที่เกิดขึ้นเนื่องจาก sustained load Sh = Hot Allowable stress มีคาไมเกิน 0.666 Sy หรือ 0.25 Su คา Sh นี้เราสามารถเปดหาคาไดจาก table A-1 ใน ASME B31.3 เชน ทอ carbon steel A53 Gr.B ที่อุณหภูมิ 200 องศาฟาเรนไฮต จะได คา Sh = 20000 psi. หรือ จะแปลงเปนหนวย SI ก็หารดวย 145 จะได เทากับ 137.93 N/mm2 ตัวเลข 145 นี้เปนตัวเลขใชประมาณในการแปลง หนวย ซึ่ง จํางาย และ ใชบอย แตถาตองการจะเอาตัวเลขแปลงหนวยจริง ก็ตองหารดวย 145.037743897 สําหรับวิศวกรแลว ผมรูวาพวกเราคงไม ชอบกันเทาไร การใชโปรแกรม piping stress package ตางๆ บางทีเราอาจเปดวัสดุที่ ตองการหาไมเจอ เปนเพราะวา วัสดุตัวนั้นไมมีใชใน ASME Code ASME B31.1 , B31.3 ก็ได ตรงนี้เราควรตรวจสอบดูใหแนชัด 7
THE EXPANSION ALLOWABLE STRESS RANGE คานี้จะตองไมเกิน สองเทาของ yield stress คูณกับ safety factor , cyclic reduction factor ลบ ดวยคา mean stress ซึ่ง total stress range ( expansion บวกกับ sustained) ถูก set ไวเทากับ สองเทาของ yield stress SA = f ( 1.25 Sc + 1.25 Sh – SL ) โดยที่ SA f Sc Sh SL
= Allowable Displacement Stress Range = Cyclic reduction factor for fatigue from Table 302.3.5 (B31.3 edition 2002) = Cold allowable stress = Hot allowable stress = Longitudinal Stress
คา f นั้น ขึ้นอยูกับ จํานวนรอบความรอนที่ทอจะไดรับ ซึ่งกําหนดไวใน code B31.1-2004 table 102.3.2 ดังนี้ f = 1.0 สําหรับ 7000 รอบ หรือต่ํากวา f = 0.9 สําหรับ 7000 – 14000 รอบ f = 0.8 สําหรับ 14000 – 22000 รอบ f = 0.7 สําหรับ 22000 – 45000 รอบ f = 0.6 สําหรับ 45000 – 100000 รอบ f = 0.5 สําหรับ มากกวา 100000 รอบ สวน B31.3-2002 ใหคาไวดัง table 302.3.5 ซี่งก็ไมแตกตางจาก B31.1 เทาไรนัก แตพอมา Edition B31.3-2004 เปลี่ยนมาเปน plot graph แทน ดัง Fig. 302.3.5 สังเกตุใหดี B31.3 Edition 2004 มีบางชวงคา f มากกวา 1 ซึ่งคือชวงที่เปนเสนประ อันนี้สําหรับทอที่ทําจาก Ferrous material ซึ่งมี คา minimum tensile strength เทากับหรือไมเกิน 75000 psi (517 MPa) และ อุณหภูมิออกแบบทอ ไมเกิน 371 องศาเซลเซียส
8
รูปที่ 4 คา f จาก ASME Code B31.3 Edition 2004
สวนใหญแลวระบบทอในโรงงานที่เราออกแบบ จะอยูในชวงไมเกิน 7000 รอบความรอน ยกตัวอยางเชนทอ relief valves เพราะการทํางาน ของ relief valve คงไมเกิด ขึ้นบอยมาก การนับรอบความรอน ก็ใหนับทอ ที่มีของไหลทํางานอยูภายใต operating condition เมื่อ operate จนกระทั่ง shut down ครั้งหนึ่งก็ถือวาเปน 1 รอบความรอน
THE OCCASIONAL STRESS คือ stress ที่เกิดขึ้นแบบชั่วขณะ หรือ เกิดขึ้นเปนบางครั้งบางคราว ไมแนไมนอน อาจจะมีหรือไมมีก็ได เชน แผนดินไหว(seismic ) wind load, water hammer เหลานี้ยากตอการ คาดเดาวาจะเกิดเมื่อไร อยางไร รายละเอียดเกี่ยวกับ การวิเคราะหระบบ ทอเมื่อเกิดแผนดินไหว ผมจะกลาวอีกทีในบทที่ 7 Allowable stress สําหรับกรณีนี้ ASME Code ไดกําหนดใหมีคามากขึ้น กวา Sh ประมาณ 10 ถึง 30 % หรือ 1.1Sh – 1.33Sh ขึ้นอยูกับเราใช code ไหนในการออกแบบ เชน B31.1 ใช 1.15Sh -1.2 Sh สวน B31.3 ใช 1.3 Sh เปนตน จะเห็นวา B31.1 Power Piping คอนขาง ใช safety factor สูงกวา B31.3 Process Piping
9
1.5 ขั้นตอนการ Check Piping Stress ขั้นตอนการตรวจสอบความแข็งแรง ของระบบทอ มีขั้นตอน ดังนี้ 1. คํานวณหา sustained stress (SL) ที่เกิดจาก primary load ปกติก็ คือ weight และ pressure 2. คํานวณหา expansion stress (SE) ที่มีสาเหตุมาจาก ความแตกตาง ของอุณหภูมิ 3. เปรียบเทียบ Sustained Stress ที่คํานวณไดในขอ 1 กับ allowable stress : Sh โดยที่ SL ตองนอยกวา Sh 4. เปรียบเทียบ Expansion Stress (SE) ที่คํานวณไดตามขอ 2 กับ คา allowable ดังนี้ a. B31.3 SA = f (1.25Sc + 0.25Sh) ___ (B31.3 Eq.1a) โดยถา SL นอยกวา Sh คา SA จะเทากับสูตร ดังนี้ SA = f (1.25Sc + 1.25Sh – SL ) ___ (B31.3 Eq.1b) ดังนั้น SE < f (1.25Sc + 1.25Sh – SL ) b. B31.1 SA = f (1.25Sc + 0.25Sh) _____(B31.1 Eq.1) แต B31.1 ยังบอกวา ถากรณี SL นอยกวา Sh คา allowable นี้จะ เพิ่มขึ้นเปน SA + f (Sh - Sc) คานี้ถือวาเปนคา SA ตัวใหม ดังนั้น SE < SA + f (Sh - Sc)
___ (B31.1 Eq.13b)
จากที่บอกไวในกฏเกณฑขอ 3 วา SL ตองนอยกวา Sh ถึงจะ ยอมรับได ดังนั้นในความเปนไปได สําหรับ Code B31.3 เราก็จะ ได CAESAR II report ที่ใชแตสมการ Eq.1b แทนที่จะเปน Eq.1a สวน Code B31.1 เราก็จะใช Eq.13b แทนที่จะเปน Eq.1 มา ใชงาน เดี๋ยวในหัวขอถัดไปเราจะไดลองคํานวณกันดู 5. หากมีกรณี occasional load เกิดขึ้น stress ที่เกิดขึ้นจะตองนอยกวา kSh โดยที่ k อยูระหวาง 1.1 ถึง 1.3
10
วิธีการขางตน จะทําเฉพาะ ทอที่เปน Critical line เทานั้น สวนทอ ที่ไม critical เชน ทอน้ําประปา ทอดับเพลิง พวกนี้อุณหภูมิ ความดันไมสูงเทาไร เราจึงจัดวา เปน Non critical line แลวทอเซอรวิส อื่นๆ หละ เราจะรูได อยางไร วาทอไหนเปน critical line อันนี้ เราจะใชหลักการในหัวขอ ถัดไป CAESAR II Output Stress Analysis Report เรามาดูกันวา CAESAR II แสดงผลการคํานวณ SL กับ Sh และ SE กับ SA อยางไร ตัวอยางนี้เปนทอ Carbon Steel ASTM A106 Grade B ใช Code B31.1 ในการออกแบบ เราจะมาพิจารณา stress ที่เกิดขึ้นทั้งระบบ และ เฉพาะจุด นอกจากนั้นผมจะยกตัวอยางแนะนําการหา Stress ที่เกิดขึ้น เฉพาะที่จุด Node 40 และ 120 เพื่อใหเขาใจ วิธีการในหัวขอ 1.5 มากขึน ้
รูปที่ 5 รูปรางหนาตา ตัวอยางระบบทอทั้งระบบ ที่ทําการวิเคราะหความยืดหยุน
11
รูปที่ 5 ตัวอยางนี้เนนความสนใจมาที่ node 120 ซึ่งเปนจุดที่เกิด stress สูงสุดสําหรับระบบทอนี้
12
แคเห็นตรงนี้อยานึกวาผานจริงๆนะ มันอาจสับขาหลอกเราได คา Sh คือคาสูงสุดที่ยอมรับได
รูปที่ 6 รูปที่ 6 แสดง Stress report หลังจากที่ run static analysis แลว maximum stress สูงสุดเกิดขึ้นในระบบทอนี้ กรณี sustained load อยูที่ node 120 มีคาเทากับ 7971.7 lb/sq.in (หรือ psi) คา allowable hot stress (Sh) เทากับ 17100 psi. สัดสวน stress ที่เกิดขึ้นจริง (SL) เทียบกับคาสูงสุดที่ยอมรับได (Sh) คิดเปน 46.6 % สรุปวาผานดาน step 3 ในหัวขอ 1.5 ไปไดสบายๆ แลวถาเกิดวา SL เทากับ 16000 psi ถือวาผาน หรือเปลาครับ ถาเรา ดูจาก report ตรงนี้ ผานแนนอน ครับ ทําไม ถึงจะไมผานหละครับเพเวบ มาสเตอร อืมม เฉลย เลยหละกันครับ ผมตรวจสอบจาก ASME B31.1 แลว ไม ผานเกณฑของ ASME ครับ โปรแกรม CAESAR II ทําฐานขอมูลมาผิด ทํา ใหไดคา Sh ที่ผิดไปเยอะเลย ที่จริงควรจะเปน 15000 psi ดังนั้น ผม อยากจะใหคาถากันพลาดไวสักอันหนึ่ง ซี่งอาจารยจอหน เอ็ม เนโดวิช วิศวกรชาวอังกฤษ ผมเดานะเชื้อสายแกคงมาจากเชคโกสโลวาเกียอะ เพราะผมเคยดูบอลอะ พวกชื่อลงทายดวย วิชๆ เชน มิโลสเลียวิช ผมเดา เอานะ นอกเรื่องแลวเรา เอา เขาเรื่องดีกวา อาจารยจอหนผมไดมอบ คาถา สําคัญมาวา “What do you expect to see?” คือแบบนี้ เราไมควรจะเชื่อ 13
โปรแกรม เพราะมันอาจผิดพลาดได โดยเฉพาะ CAESAR II ผม feedback พวก error ตางๆใหกับทางผูผลิต มาตั้งแตเวอรชั่นดอสแลวครับ เจอทุก เวอรชั่น นั่นเปนเหตุให ผมถายทอดใหนองๆ โดยไมเนนที่การใชโปรแกรม แตเนนไปที่หลักการ เพราะถาสอนการใชโปรแกรม เราจะไมรูเลยวามัน คํานวณ มาถูกหรือผิด ลองผิดลองถูก เห็น คําวา stress check passed ผานก็โอเค แบบนี้เสี่ยงกับระบบทอจะพังไดครับ เรื่องการใชโปรแกรมเรา คอยวากันทีหลัง เรากินกบตัวใหญกอน ใหเขาใจหลักการกอน การใช โปรแกรมใหใครสอนที่บริษัทแปปเดียวก็เปนแลว สามารถโมเดล input run output check stress ผาน ไดสบายๆ แตกับผิด ไมมีประโยชน ดังนั้นในฐานะที่เราเปนมือใหมทางดาน piping stress กันควรทอง คาถาของอาจารย จอหน เอ็ม เนโดวิช ไวตลอดขณะที่ทํา piping stress analysis ดูวาเราคาดหวังที่จะเห็นผลเชนไร เชนทอควรจะตกทองชาง ตรง นี้ แตทําไม ทอกับโกงตัวขึ้น อะไรแบบนี้ ถามันไมเปนไปตามที่เราคาดหวัง แสดงวา มีบางอยางผิดพลาดแลว คาถานี้หละครับทําใหผมพบความ ผิดพลาดเกิดขึ้นกับโปรแกรมคอมพิวเตอรที่มนุษยสรางขึ้นมาโดยตลอด ไม วาจะเปน CAESAR II หรือ AUTOPIPE นอกจากนีย ้ ังใชตรวจสอบพวกขอมูลตางๆ ที่ไมใชซอฟแวร ดวยนะ ครับ เชนขอมูล nozzle load allowable ที่มาจาก vendor ตอนนั้นผมทําอยู โตโยไทย โปรเจคโรงไฟฟา TLP 110 MW ที่ระยอง vendor steam turbine ไมไดใหคา nozzle load allowable มา จึงเปนหนาที่ของเราที่ จะตองขอไป นองๆ จําไวนิดหนึ่งนะครับเวลาทํางาน เขาไมให เราก็ขอไป อยานั่งหงิก รอขอมูล พอไดขอมูลมา ปรากฏวา ไมอยากเชื่อ nozzle load ที่ยอมรับไดสูงสุดของเขามีคา กระจึ๋งเดียว ผมจําตัวเลขไมไดแลว รูสึกรับ แรงแนวตั้งฉากพื้นโลก จากทอไดประมาณ 150 N. พระเจาจอด ผมไม อยากเชื่อ ผมเอา 9.81 หาร ไดมวล เทากับ 15.3 kg. นี่ถาผมทะลึ่งเอา ถัง น้ําดื่มโพลาลิสขนาด 20 ลิตร (ผมไมไดโฆษณาใหโพลาลิสนะ แตนึกยี่หอ อื่นไมออก) ผมเอามันไปวางบน nozzle มันก็พังแลวสิครับ steam turbine ตัวเบอเริ่ม ขี้โรคสะขนาดนี้ ผมจึงตองบอกโปรเจคเอ็นจิเนียรไปฝากบอก vendorฝรั่งวา ใหเขากลับไปคิดมาใหม สุดทายเขาก็แกไขกลับมาเพิ่มขึ้น ใหเรา นี่ฮะ ประโยชน ของคาถานี้ ไมงั้นเราตายแน แคประกอบ ทอไปที่ nozzle มันก็เกิน 150 N. แลวหละ ยังไมรวมน้ําหนัก valve กับ ของไหล เลยนะ เซียน.โคตรเซียนก็แกปญหาไมไดหรอกแบบนี้ อะไรกันแทงคน้ํา พลาสติกบานเราเมดอินไทยแลนด ยังแข็งแรงกวา steam turbine ที่ฝรั่ง มันทําเลย ผมเอาน้ําดื่ม สองสามถังไปวางมันก็ไมพังหรอก ใหตายสิจอรด ผมนอกเรื่องไปเยอะเลย แตมันจะเปนไอเดีย ที่มีประโยชนมาก เลย อยากเสริมให หวังวา เราพอดู คา SL และ Sh เปนกันแลวนะครับ เหลือ SE กับ SA ยังไมไดเลา มาตอกันเลย
14
SE =11034.5
Allowable Stress กรณี Expansion Case
รูปที่ 7 แสดงผล stress กรณี expansion case รูปที่ 7 รูปรางหนาตาคลายๆ กับ report กรณี sustained เลยนะครับ ก็ คลายกันนะสิเพ ตางกันตรงประเภท stress เทานั้น อันนี้มันเปน Expansion stress ผลคํานวณ บอกวา stress ที่เกิดขึ้นจริงๆ สูงสุด อยูที่ node 50 มีคา SE = 11034.5 psi สวนคายอมรับไดมีคา SA = 39632.2 psi ที่มาเปนอยางนี้ครับ จาก ASME Code B31.1 SA = f(1.25Sc+0.25Sh) แทนคา Sc=17100 psi และ Sh =17100 psi SA = 1(1.25x17100+0.25x17100) SA = 25650 psi แตวา SL < Sh ดังนั้น คํานวณหา allowable ตัวใหม ได ดังนี้ Allowable = SA + f(Sh – SL) Allowable = 25650+ 1x(17100-3117.8) Allowable = 39632.2 psi 15
ไมตอง งง นะครับ ที่ node 50 เนี้ยะ ผม เอาคา SL =3117.8 psi มาจาก ไหน เราตองไปดูที่ sustain stress report นะครับ ผมเอามาใหดูแลวดังรูป Figure 8
SL = 3117.8 psi
รูปที่ 8 คา SL ที่ node 50 เทากับ 3117.8 psi
16
SE = 11034.5 psi
รูปที่ 9 คา SE ที่ node 50 เทากับ 11034.5 psi รูปที่ 9 นีค ่ ือ คา expansion stress (SE) ที่เกิดขึ้นจริงที่แตหละ node สําหรับ node 50 มีคา SE เทากับ 11034.5 psi เพราะฉะนั้นจากกฏเกณฑ ในขอ 4 ที่วา SE จะตอง ไมเกิน คา allowable 39632.2 psi ก็เปนอันวาที่ node 50 นี้ expansion stress ผานแลวครับ กลับมาดูที่ node 120 อีกครั้งกันใหม ครับ คราวนี้ จะลองคํานวณ ดูวา allowable expansion stress range มีคาเทาไร จาก ASME Code B31.1 SA = f(1.25Sc+0.25Sh) แทนคา Sc=17100 psi และ Sh =17100 psi SA = 1(1.25x17100+0.25x17100) SA = 25650 psi แตวา SL < Sh ดังนั้น คํานวณหา allowable ตัวใหม ได ดังนี้ Allowable = SA + f(Sh – SL) Allowable = 25650+ 1x(17100-7971.7) Allowable = 34778.3 psi
17
ลองดู CAESAR II report ดูครับ วาตรงกับที่เราเพิ่งคํานวณไปหรือเปลา ดู รูปที่ 11 อีกวิธี ที่จะคํานวณ หาคา allowable stress range งายกวาวิธีการ ขางบนคือใชสูตรเดียวกับ ASME B31.3 เลยครับ ที่วา SA = f (1.25Sc + 1.25Sh – SL ) ___ (B31.3 Eq.1b) ลองแทนคาดูครับ เทากันไหม SA = 1(1.25x17100+1.25x17100-7971.7) SA = 34778.3 psi เพราะฉะนั้นตอไป เราสามารถใช สูตรนี้หา คา Allowable Expansion Stress Range ไดทั้ง งานออกแบบที่เปน power plant (B31.1) หรือ process plant (B31.3) เลยนะครับ
คา SL
คา SH
รูปที่ 10 Stress report sustained stress case
SL=7971.7 psi ที่ node 120 ซึ่งจะถูก นําไปคํานวณหา SA กรณี Expansion Stress
18
คา SA =f[1.25(Sc+Sh)-SL]
รูปที่ 11 Stress report expansion stress case
SA=34778.3 psi ที่ node 120
1.6 วิธีการวิเคราะหความเคนในระบบทอ (Piping Stress Analysis Method) ตามหลักเกณฑของ ASME B31.3 ไดกําหนดไว 3 วิธีดังนี้ 1. By Visual Inspection หรือ His pass experience วิธีการนี้ก็คือใช ตรวจสอบโดยใชประสบการณของวิศวกรผูเชี่ยวชาญเฉพาะดาน ความเคนในระบบทอ 2. Approximate Method วิธีโดยประมาณ วิธีนี้ไมมีการคํานวณโดยใช โปรแกรมคอมพิวเตอร อาจจะใช Table ,Chart สูตรคํานวณดวยมือ คราวๆ ในการวิเคราะห
19
3. Comprehensive Analysis วิธีนี้ คือวิธีที่คํานวณคา stress ที่เกิดขึ้น ทุกจุดบนระบบทอ ในสมัยยุคแลกๆ ที่โปรแกรมคอมพิวเตอรยัง ไมไดเขามามีบทบาท piping stress engineer ตองนั่งคํานวณกัน ใชเวลาเปนเดือน สําหรับทอระบบทอระบบเดียว แตปจจุบันเรามี โปรแกรมคอมพิวเตอรเขามาชวยงานมากมายหลายตัว เชน CAESAR II, Autopipe และ Editpipe ซึ่งพัฒนาโดยบริษัท Tractebel, etc. สวนโปรแกรมที่แพรหลายและนิยมใชที่สุดใน ปจจุบัน ก็คือ CAESAR II จะเห็น Code เองกําหนดวิธีการกวางมาก ไมไดเจาะจงลงไปวา ทอ ขนาดเทานี้ อุณหภูมิเทานี้ จะใชวิธีไหนในการวิเคราะห ดังนั้น บริษัท วิศวกรรมตางๆ จึงไดสรางตาราง หรือ อาจจะเปนแผนภาพ Chart ขึ้นมา เพื่อเปนหลักเกณฑที่ชัดเจนขึ้น เพื่อที่จะสะดวกในการกําหนดวิธีการ วิเคราะหความเคนในระบบทอ และเปนหนาที่ของ piping stress engineer ที่จะตองจัดทํา critical line list ขึ้นมา เพื่อที่จะกําหนดลงไป วาทอเสนไหน ใชวิธีไหนในการ วิเคราะห ตัวอยาง Chart Stress Method ขางลางนี้ผมเอามาจากหนังสือ Process Plant Layout and Piping Design ของทานปรมาจารย Ed Bausbacher & roger Hunt
10” NPS Pipe with 400 F ตัวอยางนี้จัดวา ทอเขาขายเปน critical line จะตองทํา comprehensive หรือ computer analysis
400 F
คํานวณดวยคอมพิวเตอร (computer analysis) Visual Analysis or judgement Manual 10
20
มาดูตัวอยาง Computer Analysis Criteria ที่เปนแบบตารางบาง
เชน ทอที่ตอเขากับ อุปกรณ พวก rotating equipment ที่มีขนาด pipe size ใหญกวา หรือเทากับ 3 นิ้ว จัดวาเปน critical line ควรที่จะทํา stress ดวยวิธี comprehensive analysis ซึ่งบริษัทในประเทศไทย แทบทั้งหมด นิยมใช โปรแกรม CAESAR II จะมีบางบริษัทที่ใชทั้งสองโปรแกรม คือ Poyry Energy Ltd. (Thailand). บางบริษัทเชน Technip เคยใช Simflex บางบริษัท เชน Tractebel ก็ใชโปรแกรม Edit Pipe ซึ่งพัฒนาขึ้น มาเอง เนื่องจากบริษัทนั้นขาดการตอยอดความรูใหกับวิศวกรรุนหลังในการ ใชโปรแกรมพวกนี้ วิศวกรรุนหลังที่เขาไปทํางานจึงไมถนัดที่จะใชโปรแกรม ที่ไมเปนที่นิยมพวกนี้ จึงไดเสนอบริษัทเหลานั้นเปลี่ยนมาใช โปรแกรม CAESAR II กันหมด ดังนั้นเรื่องโปรแกรมที่เราศึกษาใชงาน ก็มีสวนในการ หางานวิชาชีพนี้เหมือนกัน chart และ ตาราง ที่ใหมาหรือของบริษัทตางๆ เปนเพียงแค guide line บางที ทอขนาด 10 นิ้ว มีอุณหภูมิ 400 องศาฟาเรนไฮท ก็อาจจะใชวิธี by visual analysis ก็ได ฝากนองๆ young piping stress engineer ไว เปน การบานไปคิดกันตอวา เปนไปไดไหม และผมจะมาเฉลยในโอกาสตอไป การพังเสียหายของทอ การพังเสียหาย เหตุการณไฟไหม บอยครั้งมีสาเหตุมาจากระบบทอ สูญเสียความสามารถในการเก็บของไหลไวไฟที่อยูในระบบทอ (loss containment) ทั้งนี้ตนเหตุอาจมาจากเรื่องความเคนในระบบทอ ดังนั้นหาก เราไมมั่นใจ ประสบการณเรายังไมเขาขั้นเทพ เราก็ใชวิธี computer analysis ใหหมดเลย จะเซฟ กวา … จริงไหมครับ แมวา ทอนั้นจะมี อุณหภูมิ รอนเพียงแค 21 ถึง 80 องศาเซลเซียส ก็ตามเถอะ แตในฐานะ 21
คนออกแบบทอมือใหมหัดขับอยางเรา ก็ตองทําใหมันแข็งแรง ไมเชนนั้น ขาขางหนึ่งของเราอาจจะไปอยูในคุก แลวก็ได
ทุกทอ
22
บทที่ 2 STATIC ANALYSIS By Piya Kittitanesuan Piping Engineer PÖYRY ENERGY LTD. (Thailand)
(update 23 January 2007) สมการเชิงเสน (LINEARIZATION EQUATION) สมการ Linear คือ สมการที่มีฟงคชั่นเสนตรง เชน Y=2X+1
(1)
สมการ non-linear คือสมการ ที่ไมเปนเสนตรง เชน Y=2X2 +1
(2)
เมื่อ X = 1 , Y จะเทากับ 3 ทั้งสองสมการ ถาหาก X = -1 สมการ 1 จะได Y = -1 แต สมการ 2 Y จะเทากับ 3 ที่ตองทําความเขาใจเรื่องนี้กอนเพราะโปรแกรม CAESAR II จะคํานวณโดยใชสมการ ทั้งสองแบบโดยขึ้นอยูกับวิธีการโมเดล pipe support พิจารณา สมการ 1 และ 2 ตัวแปรตน X เหมือนกัน แตผลลัพธ Y สามารถ ออกมาตางกันได การใช โปรแกรม CAESAR II คํานวณ ก็จะเปนลักษณะแบบนี้ เชนกัน เราจึงตองมาทําความเขาใจเรื่องนี้ใหดีกอน Support Type ใน CAESAR II CAESAR II จะเรียก support วา Restraint ซึ่งจะมีอยูหลายชนิดดังนี้ Restraint Type
Abbreviation
Anchor
ANC
Translational Double Acting
X, Y, or Z
Rotational Double Acting
RX, RY, or RZ
Guide, Double Acting
GUIDE
Double Acting Limit Stop
LIM
Translational Double Acting Snubber
XSNB, YSNB, ZSNB
Translational Directional
+X, -X, +Y, -Y, +Z, -Z
Rotational Directional
+RX, -RX, +RY, etc.
Directional Limit Stop
+LIM, -LIM
Large Rotation Rod
XROD, YROD, ZROD
1
Restraint Type
Abbreviation
Translational Double Acting Bilinear
X2, Y2, Z2
Rotational Double Acting Bilinear
RX2, RY2, RZ2
Translational Directional Bilinear
-X2, +X2, -Y2, etc.
Rotational Directional Bilinear
+RX2, -RX2, +RY2, etc.
Bottom Out Spring
XSPR, YSPR, ZSPR
Directional Snubber
+XSNB, -XSNB, +YSNB, etc.
Linear Restraint และ Non-linear restraint - ระบบ Non-Linear Restraint ถาเรากําหนด restraint ใหเปนดังตอไปนี้ - มีคา friction - โมเดล Support รับแรง ทิศทางเดียว (Translation Directional) เชน +Y , +X , +Z, และ -Y เปนตน - ใส guide มี gap CAESAR II จะใชสมการแบบ non-linear equation มากขึน ้ ในการคํานวณ ซึ่งจะใช เวลาในการคํานวณนานขึ้น บางครั้ง ก็ไมสามารถ run ผลออกมาได สาเหตุเกิดจากการ มีสมการ non-linear มากไปทําใหการคํานวณใชเวลานานจนกระทั่ง CAESAR II run ผลไมออก ในกรณีเชนนี้ เราตอง พยายามลดสมการ non-linear equation ใหนอ ยลง เชน ใส guide ไมตองมี gap หรือ ในกรณีที่ support รองรับน้ําหนักทออยางเดียว แทนที่จะ โมเดล +Y ก็เปน Y (Translational Double Acting) - ระบบ Linear Restraint ถาเรากําหนด restraint เปน Y , ไมใสคา friction , ไม ใส gap เหลานี้ถือวาเปน ระบบ linear ซึ่งจะทําใหใชจํานวนสมการนอยลง เนื่องจาก จํานวนสมการมีไมมากและไมซับซอน เทากับ กรณี non-linear จึงทําให CAESAR II คํานวณไดงายขึ้นและเร็วขึ้น เราจะโมเดล support แบบไหนขึ้นอยูกับวาเราได ออกแบบ support ทําหนาที่เปนแบบ ไหน เชน ใหรับน้ําหนักทอ ก็โมเดลเปน +Y แตบางครั้งเราก็ไมสามารถโมเดลเสมือน จริงได เนื่องจากความสามารถของคอมพิวเตอรในปจจุบันยังจํากัด เราจึงไมสามารถ โมเดลระบบเปน non-linear ไดทั้งหมด ดังนั้นเราอาจตองโมเดล support บางจุด ให เปน linear restraint เชนที่จุดนั้น รับน้ําหนักทออยางเดียว ก็ โมเดล เปน Y ตัวอยางศึกษา รูปที่ 1 ทอที่วางบน pipe rack เฉยๆ กรณีแบบนี้ น้ําหนักทอจะตกถาย ลงสู pipe rack การโมเดล restraint ใน CAESAR II ที่เสมือนจริง ก็คือ กําหนด Restraint เปน +Y แตถา run CAESAR II แลว มีอาการ run ไมออก เราสามารถ เปลี่ยนโมเดล Restraint มาเปน Y เฉยๆ แทนได โดยที่ไมสงผลตอการคํานวณแต อยางไร แตก็มีบางระบบเหมือนกันที่การโมเดลที่แตกตางกันจะใหผลการคํานวณตางกัน แตถาบางจุดเราตองการทราบผลคํานวณที่แมนยํามาก ซึ่งจะกลาวถึงในหัวขอถัดไป เชนsupport บริเวณ nozzle ของ equipment เราก็ควรโมเดลเปนแบบเสมือนจริง
2
รูปที่ 1 ทอขนาดใหญสีเขียว คือทอที่เรากําลังทํา piping stress analysis
รูปที่ 2 การโมเดล restraint ที่ node 60 เปนแบบ non-linear restraint
3
รูปที่ 3 การโมเดล restraint support ที่ node 60 เปน แบบ linear restraint
รูปที่ 4 ผลการคํานวณโหลด กรณี โมเดล support ที่ node 60 เปน non-linear restraint
4
รูปที่ 5 ผลการคํานวณโหลด กรณี โมเดล support ที่ node 60 เปน linear restraint
จากรูปที่ 4 และ 5 จะเห็นวา ทั้งสองกรณีใหผลการคํานวณเหมือนกัน เพราะฉะนั้น บาง ระบบเราสามารถโมเดล support เปนแบบ linear ได บางกรณี ผลการคํานวณ ทั้งสองกรณี ก็แตกตางกัน โดยเฉพาะเมื่อทอยกตัวลอยออก จาก pipe support หรือที่เราเรียกกันวา Lift Off ดังตัวอยาง ระบบทอตอไปนี้ พิจารณา รูปที่ 6 กับ 7 ตางกันที่ support type ที่ node 740
5
รูปที่ 6 ที่ node 740 โมเดล Support เปน แบบ +Y (Non-Linear Restraint) รูปที่ 6 นี้ ณ จุด support node ที่ 740 เราทําการโมเดล เปนแบบ +Y ซึ่งใหผล คํานวณ ออกมา ดังรูปที่ 7
รูปที่ 7 ผลลัพธจากการ run result ที่ node 740 เปน แบบ +Y (Non-Linear Restraint)
6
รูปที่ 8 ที่ node 740 โมเดล Support เปน แบบ Y (Linear Restraint) รูปที่ 8 นี้ ณ จุด support node ที่ 740 เราทําการโมเดล support เปนแบบ double acting Y ซึ่งใหผลคํานวณ ออกมา ดังรูปที่ 9
รูปที่ 9 ผลลัพธจากการ run result ที่ node 740 เปน แบบ Y (Linear Restraint) จะเห็นวา โหลดที่กระทํา ตอ support ที่จุด 740 ไมเทากัน ซึ่งจะสงผลไปตอ โหลดที่กระทําตอ nozzle node number 3001 ดังรูปที่ 10 และ 11
7
รูปที่ 10 ผลลัพธโหลดที่กระทําตอ nozzle node 3001 เมื่อโมเดล support node 740 เปน แบบ +Y
รูปที่ 11 ผลลัพธโหลดที่กระทําตอ nozzle node 3001 เมื่อโมเดล support node 740 เปน แบบ Y จากผลลัพธของโหลดในรูปที่ 10 และ 11 เปรียบเทียบกันจะเห็นวา กรณี โมเดล support ที่ node 740 เปนแบบ double acting จะสงผลให nozzle load ที่เกิดขึ้นสูง กวาปกติ ใน case 4(OPE) และ case 5(OPE) ดังนั้น บริเวณ ที่ใกล nozzle เราควร โมเดล support ใหเหมือนจริง เพื่อผลการคํานวณที่ถูกตอง
8
บทที่ 3 Pipe Rack and Expansion Loop By Piya Kittitanesuan Lead Piping Engineer
Pöyry Energy (Thailand) Ltd. (Rev1 : update 19 February 2007) Pipe Rack คือ โครงสราง (structure) ที่รับน้ําหนักทอที่ใชในการ ขนถาย (transport) ของไหล ที่เปน process และ utility จาก หนวยหนึ่งไปยังอีกหนอยหนึ่ง นอกจากนัน ้ ยังเปนโครงสรางที่รองรับน้ําหนักสายเคเบิ้ลของไฟฟาและเครื่องมือวัดดวย
รูปที่ 1 Pipe Rack 3D Model Create by PDMS
ปญหาที่พบเห็นเมื่อเราออกแบบ support หรือ restraining lines บน pipe racks ก็คือ - ทอแตละเสน มีอุณหภูมิแตกตางกัน บางเสนเย็น บางเสนก็รอน เชน ทอไอน้ํา จะมีอุณหภูมิรอน แตทอ cooling จะเย็น - ความแตกตางของขนาดทอ เชน ทอ main cooling water supply and return line มีขนาดใหญ สวนพวก ทอลม เชน service air , instrument air มักมีขนาดเล็ก - ผลกระทบเนื่องจากทอยืดขยายตัวเนื่องจากความรอน ทอขนาดใหญและ รอน จะมีผลกระทบมาก - ทอแตละเสนขนถายของไหลตางชนิดกัน ของไหลมีความหนาแนแตกตางกัน
สิ่งสําคัญที่สุดที่ตองพิจารณา ในการออกแบบระบบหนุนรับทอ (support) บน pipe rack ก็คือ การควบคุมการขยายตัวของทอเนื่องจากความรอน ดังนั้นการออกแบบ ที่ดี จะทําใหภาระโหลดกระทําตอโครงสราง pipe rack นอยที่สุด นั่นคือความประหยัด ทางดานโครงสราง pipe rack หลังจากที่ศึกษาบทนี้จบ ผูเขียนหวังวา เราจะบรรลุวัตถุประสงคตอไปนี้ 1 ออกแบบระบบ support บน pipe rack ได optimize ดังนี้ ทําให pressure drop นอยที่สุด และ ทําให ภาระโหลด ที่กระทําตอโครงสรางนอยที่สุด 2 รูวา จะสงขอมูลอะไรแก วิศวกรโครงสราง (Structure Engineer) เพื่อ ออกแบบ pipe rack ใหแข็งแรงรับภาระโหลดของทอได
กอนที่ Piping Stress Engineer จะวิเคราะหปญหาความเคน ควรเขาใจพื้นฐาน การออกแบบทอบน Pipe Rack ใหดีกอน จึงสามารถวิเคราะหและ แกปญหาความเคน ไดอยางเหมาะสม ซึ่งหลักการออกแบบพื้นฐานที่ควรรูมีดังตอไปนี้ 3.1 Pipe rack design for process plants กอนที่เราจะออกแบบจัดทอบน piperack เราตองมีขอมูลตอไปนี้กอน • Flow diagram • Plot plan • Specification • Project-design data 3.2 ตําแหนงการจัดวางทอ บน Pipe Rack (Line Location In The Pipe Rack) โดยทั่วไปทอที่วางอยูบน pipe rack สามารถจัดแบง ไดดังนี้ • Process lines • Utility lines เชน plant air, instrument air,fuel oil, fuel gas, chemical treating, boiler feed water เปนตน
หลักการ design
“CHANGE ELEVATION WHEN CHANGING DIRECTION”
ซึ่งมีหลักการพื้นฐานจัดวางทอบน Rack ดังนี้ • LINE ใดเลี้ยวลงซาย ก็ใหวางไวอยูดานซายของ pipe rack สวน line ไหนหัก ลงขวาก็ใหอยูดานขวา • เมื่อมีการเปลี่ยนทิศทางเดินของทอควรใหมีการเปลี่ยนระดับเพื่อหลีกเลี่ยงการ ขวางทางเดินของทออื่นๆ
• ถา rack มีหลายชั้น ควรกําหนดให rack ชั้นบนเปน ทอบริการ (utilities line) เชน Instrument Air, Service Air, Service Water, Fire Water Line เปนตน และ rack ชั้นลางเปน ทอ process • โดย ทั่วไป line utility จะวางไวตลอดทั้งแนว piperack เพื่อคอยบริการหนวย ตางๆ ไดอยางทั่วถึง
รูปที่ 2
• ถาเราสามารถวางทอบน Rack เพียงชั้นเดียว เราอาจจัดทอ ไดตามรูปที่ 2 แต ถาจํานวนทอมีมากจนไมสามารถจัด Rack ไดเพียงชั้นเดียวเราสามารถจัดทอเปน สองชั้น ไดดังรูปที่ 3
รูปที่ 3
เมื่อ Piping Designer ออกแบบทอบน Rack ขั้นตนแลว จึงสงแบบใหกับ Piping Stress Engineer เพื่อทําการกําหนดชนิดหนาที่การทํางานของ pipe support วาเปน อะไร เชน Line Stop, Guide and Resting Support และหากพบวา Piping Designer จัดวางทอยังไมดีพอตามหลัก pipe stress ก็ตองแนะนําการจัดวางทอที่ดีที่สุดกลับไป ยัง Piping Designer ความรูที่จะถายทอดตอไปนี้ เนนใหผูศึกษาลดการพึ่งพาการใชโปรแกรม คอมพิวเตอรโดยไมจําเปน วิธีการตางๆ นํามาจากประสบการณจริงในการทํางาน ซึ่งถือ เปนทักษะขั้นสูงที่จะตองทําใหเกิดขึ้นใหได ดูไดอยางไรวาทักษะเราสูงแลวหรือยัง หากวิศวกรยังพึ่งพาการใชโปรแกรมคอมพิวเตอรชวยทํางานอยู นั่นก็แสดงวาทักษะเรา ยังพัฒนาไปไดอีก ยังถือวาอยูในระดับปานกลาง ระดับเซียนแลวจะแกปญหาเรื่องนี้โดย ไมใช โปรแกรมสําเร็จรูปอยาง CAESAR II หรือ AUTOPIPE เลย 3.3 ขั้นตอน การเลือกใส ชนิดของ restraint สําหรับ line บน pipe rack 1. หาอุณหภูมิการออกแบบ (design temperature) ของทอแตละเสน จากเอกสารที่ เกี่ยวของ เชน Line List, P&ID’s 2. คํานวณหา ระยะการขยายตัวมากที่สุดทอแตละเสน โดยการคูณ ความยาว ดวย อัตราการขยายตัว ( thermal expansion rate ) อาจใชเกณฑดังนี้ • โรงงานที่กอ สรางใหม เราสามารถเผื่อทอขยายตัว ไดมากถึง 300 มม. • โรงงานเกา (existing plant) และมีพื้นที่ไมมาก อาจเผื่อไวไดถึง 200 mm. ซึ่ง ตองดูพื้นที่จริงอีกที 3. เราจะควบคุมการขยายตัวของทอ ดวยการใส line stop และ เพิ่ม expansion loop 4. การพิจารณาเพิ่ม expansion loop นั้นเราจะควบคุมดวยการขยายตัว (thermal expansion) ดวยหลักการสี่อยางตอไปนี้ a) การชนกัน (pipe clash)
รูปที่ 4
b) ระยะยืดขยายตัวที่จุด Branch connection
รูปที่ 5
c) ความยาวของ Shoe ความยาวของ shoe จะตองยาวเพียงพอเพื่อไมใหตกจากคาน(beam) ผูออกแบบมักจะลืมหรือไมรูตรงจุดนี้อยูบอยๆ ทําใหเกิดปญหา เมื่อทอเกิดการ ขยายตัวยืดจน shoe ตกลงมาแลวไมสามารถกลับสูตําแหนงติดตั้งไดเมื่อทอเย็น ตัวลง
รูปที่ 6
d) pipe space เนื้อที่ชองวางระหวางทอ
รูปที่ 7
หลักการทั้งสี่นี้จะกลาวถึงอยางละเอียดในหัวขอถัดไป 5. เพื่อความรวดเร็วในการทํางาน เราจะใช charts มาชวยในการหาขนาดของ loop แต ถาบริษัทของทาน ไมมี chart เอาไวใช ทานก็ตองคํานวณหาขนาด loop เอาเอง ซึ่งวิธีการคํานวณ จะไดกลาวถึงตอไป แตโดยทางปฏิบัติแลวเราไมนิยมการคํานวณ เพราะทําใหเราทํางานไดชา ไมทันการ 6. ในการตัดสินใจวาทอเสนใดตองการ line stops และจะใสไวที่ตําแหนงไหน ให พิจารณาดังตอไปนี้ • สําหรับทอที่ไมจําเปนตองมี expansion loop ใหใส line stop ไวตรงกลาง ทอมากที่สุดเทาที่จะทําได เพื่อใหเกิดการ balance friction force ซึ่งจะชวย ใหแรงที่กระทําที่จุด stop มีคานอยที่สุด • ทอเสนใดที่ตองมี expansion loop จะตองมี line stop อยูทั้งสองขาง ของ expansion loop ดังรูปตัวอยาง ซึ่งระยะที่จะใส line stop จะกลาวถึงในตอน ตอไป
รูปที่ 8 ตัวอยาง ตําแหนงการติดตั้ง line stop and guide สําหรับ expansion loop
3.4 How to Design Expansion Loop ในระบบทอที่มีอุณหภูมิสูง อยางเชนทอไอน้ําความดันสูง จะมีการยืดตัวของทอ สูงมาก แรงและโมเมนต ก็สูงมากเชนกัน ถาหากระบบทอไมไดออกแบบใหมีความ ยืดหยุนดีพอ จะทําใหเกิดการพังเสียหายอยางใดอยางหนึ่งเกิดขึ้นแนนอน เชน • • • •
ทอ บิดโคงงอ เห็นไดอยางชัดเจน ฉนวนทอพัง ยุบ หรือ ฉีกขาด ผนังกําแพงคอนกรีตถูกทอขยายตัวดัน จนแตก Support พัง เชน รอยเชื่อมขาด หรือ อาจจะโกงงอ เสียรูป เปนตน
• มีกาซ หรือของเหลว รั่วไหลออกมาจากหนาแปลนทอ หรือ หนา แปลน อุปกรณตางๆ เชน equipment , valve • Pipe rack ลมพังทั้งแถบ ปญหาเหลานี้ มีใหเห็นมากในเมืองไทย รายแรงสุดก็โรงงานระเบิด ไฟไหม ปญหาสวนหนึ่ง มาจากเรื่อง piping stress แตเวลาทําการพิสูจน หาสาเหตุ เชื่อวา เจาของงานอีกมากทีไ ่ มทราบวาปญหาเหลานี้เกิดจากบริษัท รับเหมา ออกแบบระบบ ทอมาไมไดมาตรฐานดี ดังนั้นวิศวกรเจาของโรงงานควรจะมีความรูจริง ในเรื่องการ ออกแบบอยูบาง โดยเฉพาะเรื่อง piping stress analysis ตางประเทศเขาให ความสําคัญกับเรื่อง stress analysis มาก เพราะเปนสวนหนึ่งของ เรื่องความปลอดภัย หากเจาของงานไมมท ี ีมวิศวกรคอยตรวจสอบการออกแบบเอง ก็สามารถวาจางบริษัทที่ ปรึกษามาเปนผูตรวจสอบงานบริษัทรับเหมาอีกที การที่จะทําใหระบบทอมีความยืดหยุน (flexiblility) เพียงพอ มีหลักการอยู สอง ประการ คือ 1. เปลี่ยนทิศทางการเดินของทอ เชน ทํา expansion loop 2. ถาไมเปลี่ยนทิศทางการเดินของทอ ตองติดอุปกรณชวย เชน expansion joint หรือบางคนจะติด spring support ก็ยังชวยใหทอ ยืดหยุนไดเลย แตวา spring ชวยเฉพาะ ในแนวตั้งฉากกับพื้นโลกเทานั้น เนื้อหาบทนี้ผูแตงจะกลาวถึง เรื่อง expansion loop เพียงอยางเดียว สวนเรื่อง ของ expansion joint ไมขอกลาวถึงในบทนี้ What are important basic for design expansion loop ? ตามที่เคยกลาวไปแลว สิ่งที่สาํ คัญในการพิจารณา ออกแบบ expansion loop มี 4 ประการ ดังตอไปนี้ 1 การชนกัน (Pipe Crash) การยืดขยายตัวของทอ ทําใหเกิดปญหาตางๆ มากมาย เชน • ทอยืดไปชน กับทออืน ่ • เกิดแรงเสียดทาน (friction force) กระทําตอโครงสราง Pipe Rack ถาออกแบบ ไมดีจะเกิดการสะสมกันของแรงเสียดทาน ขนาดเปนตันๆ เลยทีเดียว เราสามารถควบคุมการชนกันของทอได โดยหาระยะหางระหวางทอที่เหลือ แลวจึง ไปกําหนด จุด stopper หรือ anchor ซึ่งควรจะออกแบบใหวางอยูบน main column เพราะ โหลดที่กระทําบนจุด fixed point นั้นจะสูงมาก เนื่องจากมันเปนจุดรับแรงสะสม ของแรงเสียดทาน ถาโหลดสูงเกินขนาด 10 kN ควรจะ แจงใหทาง CIVIL ทราบ เพื่อที่ สามารถออกแบบ pipe rack ไดแข็งแรงเพียงพอกับโหลดจากระบบทอได แรงเสียด ทานขนาด 10 kN หรือ 1 ton ก็ประมาณรถกระบะหนึ่งคัน ทอทําใหเกิดแรงในแนวราบ ไดขนาดนี้เลยทีเดียว สิ่งที่วศ ิ วกรใหมควรระวัง คือการใชโปรแกรมคอมพิวเตอร แกปญหา โดยสนใจแตผลของความเคนใหผาน แตละเลยแรงเสียดทาน ซึ่งจะมีคา มากมายมหาศาล หากออกแบบผิดหลัก ก็จะเกิดการสะสมกันของแรงเสียดทานขนาด
เกิน 100 ตัน เลยทีเดียว ซึ่งอาจทําให Pipe Rack ลมพังทั้งแถบ ก็เปนได หากวา Piping Stress Engineer ไมไดสงผลโหลดให Structural Engineer
รูปที่ 9 ตัวอยางการคํานวณหา ระยะหางที่เหลือระหวางทอ และการบอกโหลดที่ line stop ใหทาง Structural Engineer
2 ระยะยืดตัวที่จุด branch connection ของทอ ใชหลักการ เหมือนขอหนึ่ง คือตอง หาระยะ X กอนแลว จึง ไปกําหนด จุดที่จะใส stopper
รูปที่ 10
3. ความยาว ของ shoe (Shoe Length) เราจะเห็นบอยในโรงงาน นั่น ทําไม ทอมัน ยืดขยายจนตก support หรือ beam ก็เพราะไมมีการคํานวณ การยืดขยายตัว ของทอ เมื่อทอเย็นตัว ระยะที่ยืดไปมันก็จะหด ตัวกลับสูปกติ ทีนี้มันก็จะดึงงัดตัว support หรือ beam จน พัง ได ทุกวันนี้ปญหานี้ก็ ยังมีใหเห็นอยูนะครับไมใช วาจะหมดไป ตราบใดที่ บริษัท contractor ยังขาดแคลน piping engineer ที่มีความเขาใจ เรื่อง piping stress analysis จากรูปที่ 11 เราตองพิจารณา อะไรบาง 1. ออกแบบให มีระยะ Shoe วางอยูบน Beam อยางนอย 50 mm. ก็จะทําใหทอ วางอยูบน beam ไดอยางมั่นคง 2. หา ระยะยืดตัวสูงสุด ที่ยอมรับได (allow thermal movement) กรณี สมมติ เทากับ 250 mm. ทอจะไมยืดไปชน กับทออื่น และไมตก beam 3. เปรียบเทียบระยะยืดตัวจริงกับระยะสูงสุดที่ยอมรับได ถานอยกวา ทอก็จะไมตก หลนจาก beam ถามากกวา ตองออกแบบตําแหนง stopper ใหม ถาทําไมได อาจจะทํา expansion loop เพื่อเพิ่ม flexibility ใหกับระบบทอ
รูปที่ 11
4. Pipe Space ในกรณีที่เราออกแบบ existing plant ดังนั้น thermal ovement ก็จะถูกกําหนด โดย pipe space หลักการออกแบบก็ใช หลักเดียวกับ ขอ 1 การ design expansion loop การออกแบบ expansion loop ที่เหมาะสม จะทําให ภาระโหลดทอนอยที่สุด และ ไมสูญเสียความดันในระบบทอ(pressure drop) มากเกินไป ซึ่งมีวิธีการดังนี้ พิจารณาจากรูปขางลาง ทอ 6” มีฉนวนหนา 50 มม. และทอ 10” มีฉนวนหนา 70 มม. คํานวณระยะที่เหลือ ที่พอจะใหทอยืด ได X = 150 mm.
รูปที่ 12 ระยะหางระหวางทอทีเ่ หลือ X = 150 mm.
• หากทอยืดขยายตัวเกินคาจํากัด (150 มม.) ใหเราใส expansion loop ไวตรงกลาง ซึ่งจะทําใหทอขยายตัวไปสองฝงเทาๆกัน ดังรูปที่ 13
รูปที่ 13
• ในกรณียืดตัวอยูในคาจํากัด 150 มม. เราสามารถใส Line Stop ตรงกลาง ไดเลย ดังรูปที่ 14 ปลายทอทั้งสองดาน ก็จะยืดออกไปทั้งสองดานเทาๆ กัน ดานหละ 75 มม.
รูปที่ 14
• ถาตองการ Loop เพียง 1 Loop สามารถจัดสัดสวนตางๆ ออกเปน 4 สวน ดังรูปที่ 15
รูปที่ 15
• ถาหากตองมี Loop มากกวา 1 Loop สามารถจัดสัดสวนออกเปน 6 สวน ดังรูปที่ 16
รูปที่ 16 การกําหนดระยะ anchor point เมื่อมี expansion loop จํานวน 2 loop
การทํางานเราไมควรจําวาจะแบงสัดสวนเปนเทาไร แตใหจําเฉพาะหลักการ ดังนี้ Step 1 วาดรูป ทอที่มี Loop ตามจํานวนที่ตองการ Step 2 กําหนด ตําแหนง Line Stop สองดานของ Loop Step 3 แบงสัดสวน ไดดังนี้ ระยะจาก Line Stop ถึง Line Stop ที่ครอม Loop แบงได สองสวนเทาๆกัน และ ระยะ Line Stop ถึง มุมปลายทอดานนอก เปน 1 สวน Step 4 นับทั้งหมดมีกี่สวน ลองดูนะวา Loop 4 Loop จะแบงไดเปนกี่สวน ถาไมได 10 ดังรูปที่ 17 ก็แสดงวาผูแตง ยังถายทอดไมดี
รูปที่ 17 การกําหนดระยะ anchor point เมื่อมี expansion loop จํานวน 4 loop
คําถามทายบท 1. ถาตองการ Loop 3 Loop จะแบง เปนกี่สวน ตอบ (8 สวน) 2. ทําไมถึงพยายามแบงสัดสวนใหเทาๆกัน ตอบ (การแบงสัดสวนเทาๆ กันจะมีผลทําให แรงที่ Line Stop นอยที่สุด) 3. จงคํานวณหา Friction Loads ดังรูปขางลาง
ตอบ (ศูนย)
บทที่ 4 Pipe Support Design (last update 20 March 2002) Stress analysis work is the Piping Engineer ‘s role to solve thermal, dead weight and vibration problems in piping and equipment. Key ♥:
1. Thermal 2. Dead Weight 3. Vibration
Now we are going to learn about how to solve the problem. One thing important to understand for Piping Engineer is Pipe Support Design. Introduction to Pipe Support Design Definition 1) Anchors is a mechanical connection (welded and/or bolted) between a pipe (or Exchanger,etc.) and a structure.
Key : a structure or Pipe Support must be strong enough so that it cannot bend excessively under large forces.
Example : Let’s Trainee See TTCL Pipe Support Standards 2) Full Anchors will not allow the pipe to move or twist in any direction at the point it is anchored.
1
3) Directional Anchors stops movement parallel to the center line of the pipe, but permits sideways pipe motion sideways motion is allowed
4) Guide stop sideways movement of a pipe , but allows movement parallel to the pipe’s centerline
movement permitted
5) Rest Supports prevents downward motion of a pipe. If the weight of the pipe acting down on the support is great enouh, upward motion of the pipe may not be possible.
Restraint Equipment Most equipment is anchored to a foundation. Therefore equipment nozzles are also anchors. Generally they are full anchors. The anchors are mechanically rigid but may have additional expansion when the equipment is hot. Even if the equipment. Is not bolted down, the weight may be great enough to make the equipment an anchor point.
2
I would say the greatest thing for you as in box below :
♥ Greatest Thing “ The free thermal expansion does not depend on the piping arrangement but depends only on the relative locations of the anchor points.” I show you how it ‘s come. Please see the example below. Example 1 Find the thermal expansion between the tower and the drum. pipe carbon steel A106 Gr.B at 200 °C (coefficient of expansion = 2.2 mm/m.) N 20 m. ∆1=44 mm.
∆2 = 33 mm.
15 m
Anchor Point Answer In the E-W Direction the expansion to be absorbed is : =αL ∆1 = 2.20 x 20 = 44 mm In the N-S Direction the expansion to be absorbed is : =αL ∆2 = 2.20 x 15 = 33 mm
3
Example 2 Same as before , except change the anchor end of the drum. N 20 m.
∆1= 22 mm.
∆2 = 33 mm.
15 m
Anchor Point
10 m.
Answer In the E-W Direction the expansion to be absorbed is : ∆1 =αL = 2.20 x 10 = 22 mm In the N-S Direction the expansion to be absorbed is : ∆2 =αL = 2.20 x 15 = 33 mm The N-S expansion of example1 have not been changed from the example 2. The E-W expansion was reduced considerably by just shifting the anchor end of the drum.
“ Did you see the free thermal expansion does not depend on the piping arrangement.”
4
Pipe Support Design – Rest Support
5
บทที่ 5 SPRING HANGER DESIGN By Piya Kittitanesuan Lead Piping Engineer
Pöyry Energy (Thailand) Ltd. ( update 22 January 2007) Spring ที่ใชในงานออกแบบระบบทอ มี อยู 2 ชนิด ดวยกัน คือ 1. Variable Spring spring ชนิดนี้ spring load จะมีการเปลี่ยนแปลง โดยขึ้นอยูกับระยะ vertical movement ของ spring จึงเรียกกันวา variable spring
รูปที่ 1 ตัวอยาง variable spring support (ที่มา บริษท ั Pipe Supports Limited)
2. Constant Spring Spring ชนิดนี้ถูกออกแบบมาให spring load ไมมีการเปลี่ยนแปลง ไปตามระยะ vertical movement ไมวา movement จะเกิดขึ้นเทาไรก็ตาม load ยังคงเดิม จึงเรียกกัน constant spring
รูปที่ 2 ตัวอยาง constant spring support (ที่มา บริษท ั Pipe Supports Limited)
1
จะเห็นไดวา spring ถูกเรียกตามการเปลี่ยนแปลงของโหลด ถาโหลดไมเปลี่ยนแปลงก็เรียก constant ถาโหลดเปลี่ยนก็เรียก variable คราวนี้มาดูหนาที่ของ spring ในบทนี้ จะกลาวถึงเฉพาะ variable เพียงอยางเดียว หนาที่ของ spring 1. เพื่อรักษา สมดุล ของระบบทอ หลังจากที่ทอมีการขยายตัว จากตําแหนงติดตั้ง (installed) ไปยัง operating หรือ บางที ก็เรียกวา จากตําแหนง Cold ไปยังตําแหนง Hot 2. อนุญาติใหมีการเคลื่อนที่ของทอ จากตําแหนง cold ไป hot ได ตางจาก rigid support ตรงที่ไมยอมใหทอ ขยายตัว เคลื่อนที่ไดงายๆ ดวยเหตุนี้นี่เอง stress 3. spring สามารถทําให stress range ลดลงในระบบทอได engineer ที่ประสบการณในการแกปญหา stress ยังไมมากพอ มักเลือกติด spring เพื่อ ทําให expansion stress ที่เกิดขึ้น ไมเกินคา allowable limit ซึ่งยังเปนเทคนิคทาง วิศวกรรมที่ไมดีนัก เมื่อไรเราจึงติดตัง ้ สปริง (WHEN WE INSTALL A SPRING) -
-
เราสามารถ นํา spring มา ลด Forces & Moment ที่ กระทําตอ Nozzle ลงได จึง นํา spring มาติดดั้ง ใกลๆ nozzle ของ equipment เพื่อ จํากัด load ไมใหเกินคา limit ยกเวน equipment นั้นเปน พวก rotating equipment เชน pump, steam turbine driven ไมควรจะติดตั้ง spring ใกลๆ มัน เพราะจะทําให equipment สั่นสะเทือนไดงาย เราสามารถ นํา spring มาชวยแกปญหา settlement ได เชน ถัง (Tank) ที่ไมไดตอก เสาเข็ม (piling) นานๆ ไปหลายปอาจเกิดการทรุดตัวของดิน (settlement) ถาหากเราติด rigid support เพื่อรองรับน้ําหนักทอกอนเขา tank อาจทําให flexibility ไมเพียงพอ
มีวิธีการเลือกใช VARIABLE and CONSTANT กันอยางไร -
ถา vertical movement ไมเกิน 70 mm ใหเราเลือกใช variable spring ถา vertical movement เกิน 70 mm ให เราใช constant spring แทน variable spring
Spring ไมควรติดตัง ้ ทีใ่ ด -
-
ที่ rotating equipment เชน pump เพราะวาจะทําให pump สั่นได บางทานอาจเลือก ติด spring ใกลๆ หนา pump เพื่อหวังทําให ระบบทอยืดหยุน โหลดที่กระทําลดลง ซึ่งดู เหมือนจะดี แตที่จริงแลว เปนวิธีที่ไมดี เพราะมันจะทําให ทอสั่นสะเทือนไดงายขึ้น เนื่องจากปกติปม ก็เปนแหลงกําเนิดการสั่นสะเทือนอยูแลว ยิ่งติด spring เขาไป ยิ่งไปทํา ใหขนาดการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้น ถาหากสั่นจนกระทั่งถึงความถี่ธรรมชาติ ของระบบ ก็จะทํา ใหระบบทอสั่นสะเทือนอยางรุนแรงและพังเสียหายไดทั้งทอและ pump reciprocating compressor เหตุผล ที่ไมควรติด ก็เชนเดียวกับ พวก rotating equipment เชนกัน บน pipe rack ไมควรจะติด spring เลย จากประสบการณที่ทํางานมา เคยเห็น piping engineer ชาวตางประเทศ หลายสัญชาติ ทําการติดตั้ง spring บน pipe rack มากมาย ถาหากเราพบเห็นการ หลายบริษัท แมกระทั่ง ที่ expansion loop ก็ยังมีเห็นติดตั้ง ติดตั้ง spring บน pipe rack แลว พอจะคาดเดาไดเลยวา ผูออกแบบระบบทอขาดความรู เรื่อง piping stress อยางมาก เราอาจจะเคยคิดวาชาวตางประเทศ นั้นเกง โดยเฉพาะ
2
-
ฝรั่ง แตความจริงแลว ชาวตางชาตินั้นมาเรียนรู know how ทางดานนี้กับคนไทยนาน หลายปแลว จุดที่ มีการแปลงเปลี่ยนการเคลื่อนที่ในแนว vertical เล็กนอยมาก นี่ก็เห็นประจํา ทอ ขยายตัว move แค 1 mm ก็ติด spring แลว เห็นบอย จริงๆ ไมไดพด ู เลน โดยเฉพาะ พวกฝรั่งนั่นหละ เขาชอบติดกันจัง
การติด spring ควรติดตั้งเมื่อจําเปนเทานั้น ยิ่งติดนอย เทาไร ยิ่งเปนการออกแบบที่ประหยัด แลว ยังลดการซอมบํารุง ลงดวย นอกจากนั้นแลว ไมตองเสี่ยงตอการที่ load เปลี่ยนไป เนื่องจากการลาของ coil spring อีกดวย ดีไปหมดเลย สูตรที่ใช คํานวณ แรงสปริง การคํานวณหา Installed Load (Cold Load) Cold Load = Hot Load + ( movement x spring rate ) a) ถา spring movement up ( เชน y=+10 mm. ) จะได สูตร เหมือนเดิม เปน Cold Load =Hot Load + (movement x spring rate) b) แตถา spring movement down ( เชน y = -10 mm. ) จะไดสูตร ดังนี้ Cold Load =Hot Load - (movement x spring rate) หมายเหตุ
Hot Load หรือ Operating load คือ load ที่เกิดขึ้น ขณะ operating Cold Load หรือ Installed load คือ load ที่เกิดขึ้น ขณะ installation
การคํานวณหา Load Variation Load Variation = |Hot Load - Cold Load| = |spring rate x movement| Hot Load Hot Load
ในการเลือก spring ไมควรให load เปลี่ยนแปลงเกิน 25 เปอรเซ็นต หาก Load variation เกิน 25 % ควรกลับไปทําการแกปญหา stress ใหมอีกครั้ง การเลือก Spring จาก Table (ยกตัวอยาง ตารางของ comet spring) ตารางที่ 1 เปน ตาราง คาโหลด สปริง ขนาดตางๆ ของยี่หอ pipe supports ( แตเดิมชื่อ ยี่หอ comet ) ซึ่งเปนผูผลิตสปริง รายใหญแหงหนึ่งของโลก และ มีโรงงานอยูที่ไทยดวย ดังนั้นผูแตงจึง ไดนํา สปริงยี่หอนี้ มาใหไดศึกษากัน กอนที่ จะเลือกใชขนาดเบอรสปริงใหเหมาะสม เราตองรูคา Hot Load, movement และ load variation (load variation นั้นเราจะเปนผูกําหนด วาจะใหไดมากที่สุดเทาไร ปกติ ผูผลิต แนะนําไมควร ใชเกิน 25 %)
3
Step 1 – คํานวณหา คา maximum spring rate จากสูตร Max. spring rate = Variation x Hot Load Movement Step 2 – นําคา hot load ที่ได มากําหนดหา ขนาดของ load โดยหาจาก column ในตาราง Step 3 – สําหรับขนาด size spring, เลือก series ของ spring ดวย spring rate ที่ต่ํากวา ที่คํานวณไดใน step ที่ 1 Step 4 – คํานวณหา cold load จาก สูตร CL = HL + kx แลวก็ดูดวยวา cold load ที่ได ตกลงอยูใน working range ของ spring size นั้นหรือปลาว Step 5 - ถา cold load ไมอยูใน range ใหเราพยายาม หา spring size อื่นใหม ตัวอยาง สมมติ hot load = 5316 N และ travel จาก ตําแหนง cold ไปยัง hot = 37.3 mm up, กําหนดให load variation = 25 % วิธีทํา Step 1 – max. spring rate = (0.25 x 5316) /37.3 = 35.6 N/mm Step 2,3 – คา hot load เราเทากับ 5316 ดังนั้นลอง เลือก spring size V3-16 ซึ่ง spring rate =18.2 N/mm. Step 4 – cold load = 5316 + 18.2 x 37.3 = 5995 N. Step 5 – จะเห็นวา cold load เกินคา max จนตก อยูในชวงที่เรียกวา over travel นั่นหมายความวา spring ที่เราเลือกนั้น ออนไป เพราะฉะนั้น ตองเลือก size ใหม ใหเหมาะสม กวานี้
4
ตาราง 1. ตารางสปริงโหลด (ที่มา Pipe Support Ltd.)
5
ลองเลือกใช size V3-17 ซึ่ง มี spring rate = 22.6 N/mm (ตัวนี้ spring แข็งกวา) Step 3 – cold load = 5316 + 22.6 x 37.3 = 6158 N (OK load ไมเกินคา maximum) Check load variation = | 5316 –6158| / 5316 = 0.158 or 15.8 % OK เลือก อันนี้แหละครับ การเตรียม Spring Data Sheet ขั้นตอนตอไปคือการจัดเตรียม spring data sheet เพื่อที่เราจะไดทําใบ ขอราคา จากทาง vendor เพื่อที่จะใหเขา เสนอราคามาใหกับเรา กอนที่เราจะทําการ สั่งซื้อ คาตางๆ ที่จะตองกรอกใส data sheet คือตัวที่อยูภายใน เครื่องหมายวงเล็บ ( ) ดังตาราง ที่ 2 คาเหลานี้เราไดมาจากโปรแกรม CAESAR II โดยไปที่ Static Output Report ดังรูปที่ 1 ซึ่งเรา สามารถสั่งโปรแกรมใหแสดงผานหนาจอคอมพิวเตอรแบบ Text ธรรมดา หรือจะใหแสดงผาน โปรแกรม MS Word ก็ได ดังรูปที่ 2 และ 3
รูปที่ 1
6
รูปที่ 2
รูปที่ 3
ขอสังเกตุ Spring Output Report ที่ CAESAR II แสดงออกมา ดังรูป 2 และ 3 ไมได แสดง Movement ครบทั้ง แกน X และ Z เพราะวามันไมไดใชในการคํานวณแตอยางใด แตวา piping stress engineer จะตองเช็คคานี้ สําหรับการออกแบบขนาดฐาน support ใหมีขนาดใหญพอ เพื่อ ไมใหเกิดปญหาทอเคลื่อนที่ตกจาก spring ซึ่งเราสามารถทราบคา movement ในแนว horizontal ไดจาก Displacement report ดังรูปที่ 4 และจะปรากฏผลลัพธดังรูปที่ 5
7
รูปที่ 4
รูปที่ 5
8
PROJECT NO. 300760
SPRING NO. SH-001
CLIENT :
REQUISITION NO. :
Calc No.
Calc008
Node No.
LOCATION :
CHONBURI ,THAILAND
TOTAL QUANTITY REQ'D :
1
REF. P&ID No. :
2006-001-003
PREPARED :
N.Pimnatchaya
DATE : 3 July 06
SERVICE :
High Pressure Steam
CHECKED :
K.Piya
DATE : 4 July 06
(1100)
ISO METRIC NO. : 2006-074-074 Rev.1
TYPE :
CONSTANT
ASME CODE
YES
VARIABLE
GRAPHITE
ANSI CODE
SUPPORT INSULATION
YES
PROCESS DESIGN NAME OF FLUID :
HPS (High Pressure Steam)
OPERATING PRESSURE :
bar g 61
SPRING SUPPORT TYPE : SUPPORT SERIAL :
( SPRING SUPPORT No. V1-17 ) By Vendor
PIPE NOMINAL SIZE :
200
OPERATING TEMPERATURE :
528
C
PIPE INSULATION THICKNESS :
170
mm
mm o
SUPPORT INSULATION THICKNESS :
mm
PERCENTAGE LOAD CHANGE :
(7)
%
% RECOMMENDED W/RANGE :
25
%
HYDROSTATIC TEST LOAD :
( 5282 )
N
OPERATING LOAD :
( 6088 )
N
PRE-SET LOAD :
( 5685 )
N
SPRING RATE :
( 904 )
N/cm
CONNECTIONS ( FILL BY VENDOR ) DESCRIPTION OPERATING LOAD
N
MOVEMENT (+)
mm
MOVEMENT (-)
mm
X
Y
Z
A
B
C
D
E
0
( 6088 )
0
**
**
**
**
**
( 4.152 )
( 4.454 )
( 37.18 )
REMARK 1 ** By Vendor
ตาราง 2. ตัวอยางการจัดเตรียม spring data sheet
9
บทที่ 7 Seismic Analysis By Piya K.
Last Update 23 Sep 01 Seismic Analysis ก็คอื การวิเคราะหแผนดินไหว (Earthquake) Piping Engineer ไมสามารถ คาด เดาลวงหนาไดเลยวาจะเกิด แผนดินไหวเมือ่ ไร และ สงผลกระทบรุนแรงตอระบบทอมากนอยเพียงไร ดังนั้นใน เขตพืน้ ทีม่ โี อกาสเกิดแผนดินไหวบอยๆ ควรจะออกแบบระบบทอให แข็งแรง มั่นคง เพียงพอที่จะรองรับเหตุ การณที่จะเกิดขึ้น อยางนอยๆ ก็ใหสามารถ operate ได ไมตํ่ากวา หนึง่ รอยป ในประเทศไทย Plant สวนใหญตง้ั อยูใ นเขตปลอดแผนดินไหว เชน โรงกลัน่ นํามั ้ นเอสโซ , โรงกลัน่ นํา้ มันไทยออยล ที่ อําเภอศรีราชา ดังนัน้ โรงกลัน่ นํามั ้ นทัง้ สองโรงนีก้ ไ็ มตอ งออกแบบเผือ่ สําหรับแผนดินไหว ก็จะทํา ใหประหยัดงบประมาณในการออกแบบ ไดมากมาย ตัวอยางที่จะตองมีการทํา seismic analysis ก็เชนโรงแยก กาซ ของ shell ที่ ประเทศ Philliplines เพราะวาตั้งอยูใน โซน แผนดินไหว ในบทนีเ้ ราจะเรียนรูว ธิ กี ารใช CAESAR II วิเคราะห ระบบทอวา สามารถ รองรับกับเหตุการณแผนดินไหวไดหรือไม CAESAR II สามารถทําการวิเคราะห seismic ได 2 แบบ คือ แบบ seismic และ แบบ static equivalent method แบบ แรกนั้นคอนขางยากและซับซอนเกินไป ในทางปฏับตั ิ piping engineer มักเลือกใชวิธี static equivalent method แทน โดยการนํา UBC Code มาใชรวมกับ ASME Code การวิเคราะห ( Analysis ) ดังทีเ่ คยกลาวมาแลววา seismic นัน้ เปน occasional case ดังนั้นใน CAESAR II เราตองแยก case ตางหากออกมาจากการทํา static analysis โดยเราจะใชวิธีการแบบ equivalent ใหเราทํา static load case รวมกับคา horizontal g force. ซึง่ จะสามารถคํานวณไดจาก UBC code section 1632 – Lateral Force on Elements of Structures, Nonstructural Components and Equipment Supported by Structures โดยกลาวไววา สวน (element) ของโครงสราง (structure) ใดๆ และ สวนที่ไมใช โครงสราง(nonstructural) ทีถ่ ูกรองรับโดยโครง สราง ควรจะถูกออกแบบใหตา นทานแรงจากแผนดินไหว (seismic forces) ซึง่ UBC Code กําหนดวิธคี านวณไว ํ ใน Section 1632.2 แตสําหรับ attachment ทีม่ ขี นาดนําหนั ้ กเบากวา 181 kg ไมจาเป ํ นตอง ถูกนํามาออกแบบ เชน furniture ในตัวโครงอาคาร nonstructural ในที่นี้ก็คือ piping ของเราที่ ถูก support ไวกับ Structure หรือวา pipe rack ดังนั้นเพื่อ ใหเปนไปตามเงือ่ นไขที่ code วางเอาไว เราจะนํา code มาประยุกตใชไดดังนี้
1
วิธีการ หา Earthquake Load Derivation on the Piping: อันดับแรกศึกษา Project Specification Requirement กอน DATA : Design Code ใหใช code UBC 1997 (ตาม Project Spec) Seismic Zone 1 ,2,3 or 4 แลวแต วา Plant อยูท ไ่ี หน เปด table 16-K Importance Factor (UBC category 3), Ip 1.0 Maximum Design Lateral Seismic Force (32-3) Fpmax= 4.0 Ca Ip Wp (32-3) Minimun total Design Lateral Seismic Force Fpmin = 0.7 Ca Ip Wp คา Fp จะคํานวณโดยใชสูตร (32-2) Total Design Lateral Seismic Force, Fp
Fp = ap Ca Ip 1 + 3hx Rp hr
Wp
(32-2)
โดยที่ ap = in-structure Component Amplification Factor that varies from 1.0 to 2.5. (เปด Table 16-O) Ca = seismic coefficient, as set forth in table 16-Q hr = the structure roof elevation with respect to grade. hx = the element or component attachment elevation with respect to grade. คานีไ้ มควรตํากว ่ า 0.0. Ip = importance factor specified in table 16-K Rp = Component Response Modification Factor that shall be taken from Table 16-O Wp = The weigth of an element or component
ทําความเขาใจระยะ hx and hr ที่ apply ใชสําหรับงาน piping
hr hx
hx hx = hr
hr
hr ก็คอื ระยะความสูงของหลังคา structural โดยเทียบกับ ระดับพืน้ ดิน hx ก็คอื ระยะความสูงของ piping โดยเทียบกับระดับพื้นดิน
2
สําหรับ seismic loading แลว friction ทีเ่ กิดขึน้ ที่ supports เชน rest and guide ไมตองนํามาพิจารณา สําหรับ ตานทานแรงแผนดินไหว(seismic forces) ดังนั้นใน CAESAR II เราตอง เอา คา ส.ป.ส แรงเสียดทานออกให หมด กอนที่จะ run analysis การ Design Piping เปนเรื่องที่ตองควรระวัง และ support ให ดีอยางเหมาะสม โดยเฉพาะจุดที่ไมคอยมั่นคงและออนแอ เชน ทอที่วางอยูบน cantilever beam ถาเรา support ไมดี ในขณะทีเ่ กิดแผนดินไหว ทออาจจะตกลงมาจาก cantilever beam ก็ได ยกตัวอยางอีกสักกรณีหนึ่ง line 2” branch มาจาก header 10” ในสภาวะ ปกติ แลว case นีไ้ มมีปญหาเลย
support support ไมวา sustain case หรือ expansion case แตมนั จะพังในกรณีที่เกิดแผนดินไหวไดตรงบริเวณ branch connection เพราะวาทอ header ไมไดถูก support ไวกับ pipe rack อยางดีเพียงพอ มันเกิด seismic forces ในแนวแกน horizontal ทําให force ที่ branch connection สูงเกินไปจนทําให branch พังเสียหายได Piping Stress Analysis For Seismic Case by Using CAESAR II ตองแยก model ในการประเมิณ seismic effects ตาม load case ตอไปนี้ U1 (OCC) Nozzle and restraint loads U2 (OCC) W + P1 + U1 (OCC) B31.1 Code Compliance W + P1 + U2 (OCC) ใหเราแยก case ออกมาพิจารณาใหมเลย อาจจะ save file name เปนชื่อใหม เลย และ case นีใ้ ห พิจารณา เฉพาะ operating condition เทานั้น design condition ไมตองพิจารณา อยาลืมนะ friction ไมนามาใช ํ สําหรับการ seismic model ดังนั้นใน CAESAR II piping input model ตอง เอา คา ส.ป.ส ความเสียดทานออกใหหมด (เตือนบอยจังเลย สงสัยคนแตงเปนโรคยําคิ ้ ดยําทํ ้ า) รายละเอียด ,วิธกี ารตั้งคา และ เทคนิคในการ model piping input บนโปรแกรม CAESAR II ผมจะนํา มาเสนอคราวหลังที่มีการปรับปรุงเนื้อหาใหมนะครับ เพราะผมไมมีเวลามาจัดทําเลย ในตอนนี้ ใน sheet นี้จึง รวบรวมใหเฉพาะสิ่งที่สาคั ํ ญๆ
3
หนาที่ ของ Piping Engineer 1. Piping Engineer จะตองออกแบบ ตรวจสอบ ระบบทอ ไมใหพังเสียหายในกรณี sustain case (primary) และ expansion case (secondary) แลวยังตอง ออกแบบระบบทอใหปอ งกันการพังเสียหายจาก seismic (occasional) ดวย 2. Piping Engineer ตองสง piping loads ใหทาง Civil Engineer ออกแบบ Structural สําหรับตาน ทาน แรงแผนดินไหว(seismic loads) ดวย 3. Piping Engineer ตอง design support ใหแข็งแรง สามารถตานทานแรงแผนดินไหวได
4
การใชงานโปรแกรม STRESS-C Version 2.5 By Piya K (8 Feb 2006) Aim : to convert PDMS file to CAESAR II เพื่อประหยัดเวลาในการ model CAESAR II
เปนการ work smart ไมได work hard Run program stressc.exe ใน folder C:\AVEVA\STRESSC2.5
ปอนขอมูลตาม step ดังนี้ Project Name = AMA Username/Pass =PPMANA/PPMANB Enter MDB Base Name = AMAPROJ Enter Pipe Name = 23LCA12BR010
หลังจากนั้น Enter โปรแกรม จะใหตั้งชื่อ CAESAR input ไฟล STRESS-C จะ generate neutral file มาสอง ไฟล คือ *.cii และ *.dat
แลว STRESS-C เก็บไว convert ไวที่ไหนหละ? Folder ที่ใช convert file ถูกเก็บไวคือ C:\AVEVA\STRESSC2.5\
มาดูผลจากตัวอยางจริงกันดีกวา รูปขางลางนี้คือ PDMS model line number 23LBA15BR010 กอนที่จะทําการ convert ไป CAESAR II
พอconvert ดวย STRESS-C แลวเขาโปรแกรม CAESAR II convert อีกตอหนึ่งจะได ดังนี้
หนาตาเหมือนกันเปะ เลย สังเกตุ ตัว valve จะไมมีมา ดังนั้นเราตองมาแกไข ใน CAESAR ดวยตัวเอง
