การขยายตัวของท่อเนื่องจากความร้อน: การวางแผนตำแหน่งจุดยึด ตัวนำทาง และข้อต่อแบบยืดหยุ่น

การออกแบบระบบท่อสำหรับความร้อนจะประสบผลสำเร็จเมื่อวางแผนการเคลื่อนตัวและการยึดรั้งไปพร้อมกัน จุดยึดกำหนดตำแหน่งที่อยู่กับที่ ไกด์ควบคุมทิศทางการเคลื่อนตัว และข้อต่ออ่อนรองรับเฉพาะการเคลื่อนตัวที่โครงสร้างของข้อต่อเอื้ออำนวย ข้อต่อที่ยอมให้เบี่ยงเบนเชิงมุมได้ไม่ได้หมายความว่าจะเป็นข้อต่อชดเชยการขยายตัวตามแนวแกนโดยอัตโนมัติ และข้อต่อซีลยางก็ไม่ได้หมายความว่าจะสามารถต้านแรงดันดันตามแนวแกนได้โดยอัตโนมัติ

สำหรับระบบท่อเหล็กหล่อเหนียว ความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะการซีล ความยืดหยุ่น และการยึดรั้งตามแนวแกนเป็นหน้าที่คนละอย่าง ผังระบบต้องจัดให้มีเส้นทางถ่ายแรงที่ต่อเนื่อง พร้อมควบคุมการเคลื่อนตัวของท่อ การเลื่อนหลุดของข้อต่อ แรงปฏิกิริยาที่จุดยึด และสภาพของปะเก็นให้อยู่ภายในขีดจำกัดที่มีเอกสารรับรอง

คำนวณการเคลื่อนตัวจากสภาวะขณะติดตั้ง

สมการเริ่มต้นสำหรับท่อตรงที่ไม่มีการยึดรั้งคือ:

ΔL = α × L × ΔT

ในที่นี้ ΔL คือการเปลี่ยนแปลงความยาว α คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงความร้อนตามแนวยาวของวัสดุ L คือความยาวใช้งานระหว่างจุดควบคุมการเคลื่อนตัว และ ΔT คือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิผนังท่อ ให้ใช้ค่าสัมประสิทธิ์ที่ระบุสำหรับวัสดุที่จัดส่ง แทนการถือว่าท่อโลหะทุกชนิดมีคุณสมบัติเหมือนกัน

ตัวอย่างเช่น ท่อช่วงยาว 60 m ซึ่งสมมติให้มีค่าสัมประสิทธิ์ 11 × 10⁻⁶/K และอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 50°C จะขยายตัวประมาณ 33 mm หากไม่มีการยึดรั้ง นี่เป็นเพียงตัวอย่างการคำนวณ ไม่ใช่ข้อกำหนดวัสดุหรือค่าการเคลื่อนตัวที่ข้อต่อรองรับได้

อุณหภูมิอ้างอิงควรเป็นอุณหภูมิท่อขณะยึดจุดยึดและกำหนดตำแหน่งสอดข้อต่อแล้ว ท่อที่ติดตั้งใกล้เคียงกับอุณหภูมิใช้งานสูงสุดอาจต้องรองรับการหดตัวอย่างมาก แทนที่จะต้องรองรับการอัดเพิ่ม ให้ประเมินอุณหภูมิต่ำสุดและสูงสุดของผนังท่อ รวมถึงสภาวะหยุดเดินระบบ ท่อเปล่าที่ได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์ การทำความสะอาด และการทดสอบเดินระบบ หากเกี่ยวข้อง

ท่อฝังดินและท่อที่ติดตั้งกลางแจ้งมีพฤติกรรมแตกต่างกันเช่นกัน ปฏิสัมพันธ์กับดินช่วยกระจายแรงยึดรั้งตลอดแนวท่อฝังดิน แต่ไม่ได้ทำให้ความเครียดจากความร้อนหมดไป บริเวณเปลี่ยนผ่านไปยังห้องวาล์ว สะพาน อาคาร หรือชั้นวางท่อกลางแจ้ง การเปลี่ยนแปลงของการยึดรั้งอาจทำให้การเคลื่อนตัวและแรงกระจุกตัว การคำนวณการขยายตัวอย่างอิสระเพียงอย่างเดียวไม่สามารถระบุแรงที่จุดต่อระหว่างส่วนเหล่านี้ได้

แยกความยืดหยุ่นของข้อต่อออกจากระยะเคลื่อนตัวตามแนวแกนที่ใช้งานได้

ข้อต่อแบบสวมอัดของท่อเหล็กหล่อเหนียวอาจทำหน้าที่ซีลและรองรับการเบี่ยงเบนเชิงมุมได้ โดยไม่ได้ออกแบบให้เป็นอุปกรณ์ชดเชยการขยายตัวแบบยืดหดได้ การเบี่ยงเบนที่อนุญาต ข้อกำหนดการสอด และความสามารถในการต้านการแยกตัวขึ้นอยู่กับการออกแบบข้อต่อแต่ละแบบ ข้อต่อแบบมีการยึดรั้งเพิ่มความสามารถในการถ่ายแรงตามแนวแกน แต่ไม่ควรถือว่าเป็นทั้งข้อต่อที่แข็งเกร็งอย่างสมบูรณ์หรือข้อต่อที่เลื่อนตัวได้อย่างอิสระ

การประเมินการเคลื่อนตัวต้องแยกความสามารถต่อไปนี้ออกจากกัน:

• การเบี่ยงเบนเชิงมุม: การหมุนระหว่างท่อที่เชื่อมต่อกัน โดยต้องไม่เกินมุมข้อต่อที่อนุญาต
• การเคลื่อนตัวตามแนวแกน: การสอดเข้าหรือเลื่อนออกที่ควบคุมให้อยู่ภายในขีดจำกัดการใช้งานที่มีเอกสารรับรอง
• การยึดรั้งตามแนวแกน: การต้านการแยกตัวด้วยชิ้นส่วนล็อก ก้านรั้ง จุดยึด หรือกลไกอื่นที่ผ่านการออกแบบทางวิศวกรรม

ความสามารถเหล่านี้ใช้แทนกันไม่ได้ อย่าคำนวณระยะเคลื่อนตัวจากความร้อนที่ใช้ได้โดยนำจำนวนข้อต่อที่มีปะเก็นคูณกับระยะห่างที่สมมติขึ้นของเบ้าสวม แรงเสียดทาน ความแปรผันจากการติดตั้ง การทำงานของระบบยึดรั้ง และแนวการติดตั้ง อาจทำให้การเคลื่อนตัวกระจุกอยู่ที่ข้อต่อเพียงไม่กี่จุด

หากเลือกใช้ข้อต่อชดเชยการขยายตัวหรือชุดประกอบยืดหยุ่นที่ออกแบบมาเพื่อวัตถุประสงค์ดังกล่าว ให้ขอข้อมูลขอบเขตการเคลื่อนตัวที่ผ่านการจัดอันดับความดัน ยืนยันว่าความสามารถในการเคลื่อนตัวตามแนวแกน เชิงมุม และด้านข้างสามารถใช้พร้อมกันได้หรือไม่ เนื่องจากค่าระยะสูงสุดในแต่ละทิศทางอาจไม่สามารถใช้ร่วมกันได้ และให้แยกการเคลื่อนตัวขณะใช้งานออกจากการปรับระหว่างติดตั้งด้วย

จัดวางจุดยึดตามเส้นทางถ่ายแรงที่กำหนดไว้

จุดยึดจะตรึงท่อไว้ ณ ตำแหน่งที่กำหนดและถ่ายแรงที่เกิดขึ้นไปยังโครงสร้างรองรับหรือฐานราก ตำแหน่งของจุดยึดกำหนดว่าความยาวท่อส่วนใดจะส่งการเคลื่อนตัวจากความร้อนไปยังส่วนยืดหยุ่นแต่ละส่วน การเพิ่มจุดยึดโดยไม่ตรวจสอบความเข้ากันได้ อาจทำให้ส่วนท่อถูกตรึงโดยไม่มีวิธีรองรับความเครียดที่เพียงพอ

เขตการเคลื่อนตัวในแนวตรงอาจประกอบด้วยจุดยึดตายตัว ท่อที่มีไกด์ ชุดประกอบชดเชยการขยายตัว และจุดยึดตายตัวอีกจุดหนึ่ง การจัดวางจริงต้องสอดคล้องกับการออกแบบชุดประกอบ อุปกรณ์บางชนิดต้องใช้จุดยึดหลักที่ต้านแรงดันดันตามแนวแกน ขณะที่แบบมีค้ำยึดหรือแบบปรับสมดุลแรงดันจะเปลี่ยนแรงปฏิกิริยาภายนอกและระยะเคลื่อนตัวที่อนุญาต

การออกแบบจุดยึดควรพิจารณาแรงดันดัน แรงเสียดทานที่จุดรองรับ แรงต้านจากส่วนยืดหยุ่น การทำงานของระบบยึดรั้ง และแรงที่เกิดขึ้นชั่วคราวหรือเป็นครั้งคราวตามที่เกี่ยวข้อง ผลกระทบเหล่านี้ต้องนำมารวมกันตามทิศทางและกรณีภาระที่ใช้ควบคุม ไม่ใช่นำค่าสูงสุดที่ไม่เกี่ยวข้องกันมาบวกตรง ๆ

แรงดันดันที่กระทำต่อชุดประกอบชดเชยการขยายตัวซึ่งไม่มีการยึดรั้งอาจเป็นแรงปฏิกิริยาหลักที่ต้องพิจารณา:

F = P × A_effective

ที่ความดัน 1 MPa และเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงผลของพื้นที่รับแรงดันที่ยกตัวอย่างไว้เท่ากับ 400 mm จะเกิดแรงดันดันประมาณ 126 kN สำหรับเบลโลว์ พื้นที่เชิงผลกำหนดจากรูปทรงและข้อมูลของผู้ผลิต จึงไม่ควรใช้พื้นที่หน้าตัดภายในท่อแทนโดยอัตโนมัติ

แรงดันดันยังเกิดที่ข้องอ สามทาง ข้อลด และปลายท่อปิดด้วย การติดตั้งข้อต่ออ่อนใกล้ข้องอไม่ได้ทำให้ไม่ต้องจัดการกับแรงเหล่านั้น เช่นเดียวกัน ไม่ควรถือว่าบล็อกรับแรงดันที่ออกแบบมาเพื่อต้านแรงไฮดรอลิกเหมาะเป็นจุดยึดสำหรับแรงจากความร้อน เว้นแต่จะตรวจสอบความแข็ง ความสามารถในการรับน้ำหนักของฐาน และทิศทางแรงแล้ว

ใช้ไกด์เพื่อรักษาทิศทางการเคลื่อนตัวตามที่ออกแบบไว้

ไกด์ช่วยให้ท่อเคลื่อนตัวไปตามแกนที่กำหนด พร้อมจำกัดการเคลื่อนตัวด้านข้าง ส่วนรองรับแบบเลื่อนรับน้ำหนักท่อและยังเปิดให้ท่อเคลื่อนตัวได้ จุดยึดจะยับยั้งการเคลื่อนตัวที่กำหนด การสับสนระหว่างหน้าที่เหล่านี้อาจทำให้ระบบที่ดูเหมือนยืดหยุ่นกลายเป็นระบบที่ถูกจำกัดการเคลื่อนตัวมากเกินไป

ไกด์มีความสำคัญเป็นพิเศษเมื่ออยู่ติดกับอุปกรณ์ชดเชยการขยายตัวตามแนวแกน เนื่องจากความไม่เสถียรด้านข้างหรือแนวที่ไม่ตรงกันอาจทำให้อุปกรณ์เสียหาย ตำแหน่งและระยะห่างของไกด์ควรเป็นไปตามคำแนะนำของอุปกรณ์ที่เลือกและการประเมินเสถียรภาพของระบบท่อ กฎระยะห่างที่พัฒนาสำหรับชุดเบลโลว์โลหะรูปแบบหนึ่ง ไม่สามารถใช้กับข้อต่อแบบยืดหดได้หรือท่อเหล็กหล่อเหนียวที่มีปะเก็นโดยอัตโนมัติ

ตรวจสอบระยะห่างให้รองรับทั้งการเคลื่อนตัวที่คำนวณได้และค่าความคลาดเคลื่อนจากการก่อสร้าง ระยะห่างมากเกินไปอาจทำให้ท่อเคลื่อนตัวด้านข้างจนเกิดความเสียหาย ส่วนระยะห่างน้อยเกินไปอาจทำให้ติดขัด แรงเสียดทานขณะเลื่อนยังเพิ่มแรงที่จุดยึดและอาจเปลี่ยนแปลงตามการกัดกร่อน การปนเปื้อน การสึกหรอ หรือสภาพของแผ่นรองรับ

ส่วนรองรับต้องรับน้ำหนักขณะใช้งานได้ทั้งหมด โดยไม่ถ่ายโมเมนต์ดัดที่ไม่พึงประสงค์ไปยังข้อต่ออ่อน กรณีท่อเชื่อมต่อกับปั๊ม ภาชนะรับแรงดัน หรือช่องทะลุผนัง ให้ยืนยันว่าการจัดวางระบบยึดรั้งที่เสนอช่วยปกป้องจุดเชื่อมต่อนั้น ไม่ใช่เพียงย้ายตำแหน่งการเคลื่อนตัวไปไว้บริเวณใกล้เคียง

แยกการรับรองปะเก็นออกจากการรับรองการเคลื่อนตัว

ซีลยางต้องเข้ากันได้กับของไหลที่ลำเลียง อุณหภูมิผนังท่อ ความดัน และการสัมผัสสารทำความสะอาดหรือสารฆ่าเชื้อ อุณหภูมิสูงส่งผลมากกว่าการขยายตัว เพราะอาจเปลี่ยนแปลงการเสื่อมสภาพของอีลาสโตเมอร์ การเสียรูปถาวรจากแรงอัด และระยะเผื่อการซีลที่มีอยู่ขณะข้อต่อเคลื่อนตัว

ชื่อผลิตภัณฑ์ เช่น Rubber Ring3 ไม่ได้ระบุชนิดสารประกอบ ระดับอุณหภูมิ หรือความเข้ากันได้กับข้อต่อที่ได้รับอนุมัติ คุณสมบัติเหล่านั้นต้องมีข้อกำหนดวัสดุและเอกสารประกอบที่รองรับการใช้งานกับข้อต่อที่ต้องการ ห้ามนับว่าซีลสามารถรองรับการเคลื่อนตัวตามแนวแกนหรือต้านแรงดันดันได้ เพียงเพราะซีลนั้นใส่เข้ากับเบ้าสวมได้

หากคาดว่าจะมีการเคลื่อนตัวซ้ำ ๆ ให้ขอหลักฐานที่ครอบคลุมข้อต่อทั้งชุดภายใต้สภาวะความดัน อุณหภูมิ การเคลื่อนตัว และการทำงานเป็นรอบที่เกี่ยวข้อง การรับรองคุณสมบัติของวัสดุอีลาสโตเมอร์เพียงอย่างเดียวไม่ได้แสดงสมรรถนะของชุดข้อต่อที่มีการเคลื่อนตัว

ใช้มาตรฐานให้ตรงกับส่วนที่ต้องประเมิน

สำหรับท่อส่งน้ำเหล็กหล่อเหนียว มาตรฐานอ้างอิงที่เกี่ยวข้องอาจรวมถึง ISO 2531 หรือ EN 545 สำหรับท่อ ข้อต่อ อุปกรณ์ประกอบ และข้อกำหนดของข้อต่อที่เกี่ยวข้อง โดยขึ้นอยู่กับระบบที่ระบุ ANSI/AWWA C111/A21.11 ครอบคลุมข้อต่อปะเก็นยางสำหรับท่อและข้อต่อแรงดันเหล็กหล่อเหนียว ขณะที่ ANSI/AWWA C600 ครอบคลุมการติดตั้งท่อประธานน้ำเหล็กหล่อเหนียวและอุปกรณ์ประกอบ ส่วน EN 681-1 ครอบคลุมซีลยางวัลคาไนซ์สำหรับงานน้ำและระบายน้ำ

เอกสารเหล่านี้มีขอบเขตการใช้งานต่างกัน การปฏิบัติตามมาตรฐานท่อหรือปะเก็นไม่ได้หมายความว่าได้รับอนุมัติการจัดวางข้อต่อชดเชยการขยายตัวหรือผังจุดยึดแบบใดแบบหนึ่งโดยตัวมันเอง ให้ยืนยันฉบับมาตรฐานที่ใช้ตามสัญญา ข้อจำกัดการใช้งาน ข้อกำหนดท้องถิ่น และคำแนะนำการติดตั้งของผู้ผลิต กรณีใช้เบลโลว์โลหะ แนวทางของ EJMA อาจช่วยในการประเมินได้ แต่ไม่ใช่วิธีการออกแบบที่ใช้ได้กับข้อต่ออ่อนทุกชนิดโดยทั่วไป

การออกแบบที่ตรวจสอบทบทวนได้ควรเชื่อมโยงกรณีอุณหภูมิเข้ากับการเคลื่อนตัวที่คำนวณได้ เชื่อมโยงการเคลื่อนตัวเข้ากับขีดความสามารถของข้อต่อที่มีเอกสารรับรอง และเชื่อมโยงแรงที่เกิดขึ้นเข้ากับส่วนรองรับและฐานรากที่ผ่านการตรวจสอบ แบบติดตั้งควรระบุหน้าที่ของจุดยึดและไกด์ ขนาดการตั้งข้อต่อ อุณหภูมิอ้างอิง และค่าความคลาดเคลื่อนที่อนุญาต จากนั้นการตรวจสอบระหว่างทดสอบเดินระบบควรยืนยันเงื่อนไขเหล่านี้ รวมถึงการถอดอุปกรณ์ยึดชั่วคราวออกตามที่กำหนด ก่อนที่การเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิจะทดสอบเส้นทางถ่ายแรงที่ออกแบบไว้