Piping Stress Hand Book 4 Mar 08

PRACTICAL PIPING STRESS HANDBOOK Piya Kittitanesuan, B.Eng., Mech. ( ปยะ กิตติธเนศวร ) Piping Engineer Pöyry Energy Ltd Bangkok, Thailand First Issued : January 1998 Last Update : February 2008 1 เก่ียวกับผูเขียน ปยะ กิตติธเนศวร ปจจุบันทํางานเปนวิศวกรใหกับบริษัทเพอรี่เอ็น เนอจี่ (ประเทศไทย) จํากัด ตําแหนงหัวหนาฝายออกแบบวิศวกรรมระบบ ทออุตสาหกรรม สาํเร็จการศึกษาชั้นมัธยมจากโรงเรียนปทุมคงคา ในป 2534 และ สําเร็จวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต(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 Page คํานํา i คําศัพท (Vocabulary) ii บทนํา บทที่ 1 Basic Piping Stress Analysis และการใชโปรแกรม CAESAR II 1 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 บทที่ 2 Static Analysis x 2.1 Linear and Non-Linear Equation 2.2 CAESAR II Type Support 2.3 Linear and Non-Linear Restraint 2.4 Static Analysis บทที่ 3 Piping on Rack x 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 บทที่ 4 Pipe Support Design x 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 บทที่ 5 Spring Hanger Design x 5.1 Variable Spring Hanger 5.2 Constant Spring Hanger 5.3 Spring Function 5.4 When install spring support บทที่ 6 Jacket Pipe x - 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 บทที่ 7 Dynamic x - 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 3 บทที่ 8 Seismic Analysis x - 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 บทที่ 9 Stress Analysis for Underground Piping x บทที่ 10 โครงสราง file ของ Program CAESAR II x - เจาะลึกโครงสราง file ของ CAESAR II - ไฟล ควบคุมการทาํงานของ CAESAR - Unit file ไฟลควบคุมระบบหนวย - ไฟล อ่ืนๆ บทที่ 11 3D CAD and CAESAR II x - Introduction to PDMS 3D and STRESS -C - การใช STRESS-C สรางไฟลกลาง (neutral file) สําหรบั มาใชกับ CAESAR II - การนํา neutral file มา สราง piping input file - Introduction to PDS and PD-Stress บทที่ 12 CAESAR II Structural Model x - How to use CAESAR II model the structure - How to include structure model to piping model บทที ่13 How to develop online piping calculation on web site x - 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 เอกสารอางอิง (REFERENCES) x APPENDIX A: Equipment Allowable Nozzle Loads x APPENDIX B: CODE stress x APPENDIX C: Stress Analysis Check List x APPENDIX D: CAESAR II Load Case to be Analysed x APPENDIX E: Pipe Span Calculation x APPENDIX F: Piping Program develop by using Visual Basic x APPENDIX G: How to include piping input file x APPENDIX H: Hot Sustain and Cold Sustained Stress x APPENDIX I: Unix and Apache Server, PHP, Mysql Database and PHPMyadmin x 4 คํานํา ตั้งแต สําเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยใน ปพ.ศ 2538 ผูเขียนไดเริ่มงานทางดาน วิศวกรรมระบบทออุตสหากรรม (Piping Engineering) กับบริษัทอเมริกาแหงหน่ึง โชค ดีมีโอกาสเรียนรูทํางานดาน Piping Stress Analysis โดยเฉพาะ กับวิศวกรผูเช่ียวชาญ เฉพาะดานชาวตางประเทศจากหลายสัญชาติ เน่ืองจากศาสตรทางดานน้ีเริ่มพัฒนามา ไดไมกี่สิบป ดังน้ันวิศวกรไทยท่ีเชียวชาญทางดานน้ี จึงมีจํานวนนอยอยู สวนตํารา ภาษาไทยท่ีเกี่ยวกับ Piping Stress กย็ังไมมีผูใดถายทอดเอาไวใหจนกระท่ังปจจุบัน หนังสือเลมน้ีมีวัตถุประสงค เพื่อรวบรวมความรู ประสบการณ ในการวิเคราะห และแกปญหาความเคนในระบบทอ และนํามาถายทอด ใหกับวิศวกรไทยรุนใหมและ นักศึกษาท่ีมีความสนใจในงานทางดานวิศวกรรมระบบทอ โดยหวังวาเราจะตอยอด พัฒนาความรูในศาสตรน้ี ไดอยางรวดเร็วและไมแพชาติใดในโลก ผูเขียนตองการแสดงใหเห็นวา ความรูพื้นฐานทางวิศวกรรม ท่ีเราเรียนกันมาใน โรงเรียนและมหาวิทยาลัยน้ัน น้ันมีคุณคาในวิชาชีพอยางมาก เชน กฏฟสิกค ขอท่ี 1 ของทานเซอรไอแซคนิวตัน มาประยุกตใชงาน ควบคูกับการนําเสนอซอฟแวรสมัยใหม ทางดาน piping stress analysis อยาง CAESAR II จะทําใหศาสตรน้ีไมไดยากเหนือ ความเขาใจแตอยางใด และชวยใหลดเวลาในการทํางาน ท่ีสูญเสียไปกับการหาผลลัพธ โดยอาศัยโปรแกรมคอมพิวเตอร อยางลองผิดลองถูก หนังสือเลมน้ีจะสําเร็จลงไมไดเลย หากขาดความรูเมื่อหลายรอยปกอน จากทาน ปรมาจารย เซอรไอแซค นิวตัน ครูบาอาจารยท่ีประสิทธประสาทวิชาการดานวิศวกรรม จากมหาวิทยาลัยเชียงใหม และรุนพี่วิศวกรท้ังชาวไทย พี่สมภพ พูนทรัพย ท่ีชวยเหลือ ผมเขาสูวงการ piping engineering และวิศวกรชาวตางประเทศท่ีเปนหัวหนาและ อาจารยผม อยาง Mr.John M Nedovich, Mr. David Maloney, Mr. Brian Hutchison และ Mr.Steve Holdaway ท่ีใหความเมตตา มอบโอกาสในการงาน และถายทอด ประสบการณ ความรูจากการทํางานจริง และท่ีสําคัญ ขอขอบคุณอยางสูงสําหรับบริษทั เพอรี่ เอ็นเนอยี่ (ประเทศไทย) จํากัด โดยเฉพาะนายใหญ ชาวสเปน และ ดร.อเล็กซ พี่ ST พี่ SA และพี่ SU ท่ีใหโอกาสรับผมไดทํางานท่ีบริษัทเพอรี่ ท่ีน่ีเปดโอกาสใหผมได ทําเวบไซต pipingengineer.com ในเวลาเลิกงาน ยามวาง เปนงานอดิเรก แตงตํารา เขียนบทความ ถายทอดความรูใหกับสังคมและรุนนองวิศวกรไทย หากมีกุศล ผลบุญท่ี ไดจากการถายทอดความรูน้ีท้ังหมด ผมขอมอบกุศล ผลบุญน้ันท้ังหมด แดทานผูมี บุญคุณทุกทานท่ีกลาวมาและบุคคลอื่นๆท่ีไมสามารถกลาวไดหมดในที่น้ี แลวดวย เทอญ ปยะ กิตติธเนศวร ศรีราชา ประเทศไทย กุมภาพันธ 2550 5 6 คําศัพท (Vocabulary) Anchor จุดยึดตรึงทอ ณ จุดน้ันทอไมสามารถขยับเขย่ืนไป ไหนได B Corrosion Allowance คาเผ่ือการสึกกรอน D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z บทท่ี 1 BASIC PIPING STRESS และ การใช โปรแกรม CAESAR II By Piya Kittitanesuan (ปยะ กิตตธเนศวร) Lead Piping Engineer Poyry Energy Ltd. (Thailand) (update 29 February 2008) พื้นฐานการวิเคราะหความเคนในระบบทอ (Basic Piping Stress Analysis) ระบบทอที่มีอุณหภูมิปฏิบัติการ (Operating Temperature) สูงกวา อุณหภูมิบรรยากาศ(Ambient Temperature) จะทําใหทอ เกิดการขยายตัว สวนระบบทอที่มีอุณหภูมิตํ่ากวาอุณหภูมิ ambient จะทําใหทอเกิดการหด ตัว ทั้งสองระบบนั้นไมเพียงทําใหเกิดปญหา การขยายหรือหดตัวของระบบ ทอ ยังจะทําใหเกิดปญหาความเคนในระบบทออีกดวย ระบบทอจะพัง เสียหายหรือไมพังขึ้นอยูกับความเคนมีมากนอยเพียงใด ถาคาความเคนที่ เกิดขึ้นอยูในขอบเขตที่ code จาํกัดไว ระบบทอก็คงอยูได แตการวิเคราะห หาคาความเคนในระบบทอเพียงอยางเดียวยังไมเพียงพอ วิศวกรระบบทอ (Piping Engineer) จะตองคํานวณหาแรงและโมเมนต ที่กระทํา ณ จุด ตางๆ เชน ที่จุดรองรับทอ(pipe support ) ซ่ึงจุดรองรับทอ ที่เจอในงาน ทอ ก็ไดแก line stop, guide หรือวา จะเปน nozzle ของอุปกรณ (Equipment) ก็ได แรงที่เกิดจากระบบทอ จะตองมีคาไมมากเกินไป ไมเชนนั้นจะทําให โครงสรางหรืออุปกรณตางๆ พังเสียหายได วิธีการคือเราจะนําคาแรงและโมเมนต ที่คํานวณไดนี้มาเปรียบเทียบ กับคา Allowable Forces และ Moments โดยคาแรงและโมเมนตที่คํานวณ ไดนั้นจะตองไมเกินคา Allowable วิศวกรที่คํานวณความเคนในระบบทอ สามารถทราบคา Allowable Load ไดจาก โรงงานผูผลิตอุปกรณนั้นๆ หรือ ไดจาก code ที่ใชกับอุปกรณตางๆ เชน ถาเปน pump ก็อาจจะใช code API 610 ถาเปน steam turbine ก็อาจใช code ของ NEMA SM23 แตถา เปน Tank ขนาดใหญ ก็อาจใช code API650 เหลานี้เปนตน จะใช code ไหน แตละโครงการ(project) ก็ไมเหมือนกัน แตโดยทั่วไปในงาน ออกแบบโรงงานปโตรเคมีและโรงกลั่นน้ํามันทั่วโลก ก็นิยมใช code ที่ กลาวมานี้ทั้งนั้น หนังสือเลมนี้จะสอนใหทานทราบถึง วิธีการออกแบบทอใหมีความ ปลอดภัย โดยเราจะยึกหลักการพื้นที่วา ระบบทอจะตองถูกออกแบบใหมี ความยืดหยุน(Flexibility) โดยใชจํานวนขอตอ(Fitting) ใหนอยที่สุด เพื่อ ความประหยัดเงินของนักลงทุน และ ลด pressure drop ที่เกิดขึ้นใหนอย ที่สุด 1 1.1 BASIC STRESS QUANTITIES กอนที่เราจะเริ่มทําการคํานวณ pipe stress ใหเราทบทวนเกี่ยวกับ ปริมาณ stress พื้นฐานตอไปนี้กอน ซ่ึงสวนใหญเราก็เรียนรูกันมาใน โรงเรียนวิศวกรรมเรียบรอยแลว ผมจึงไมอธิบายมันมาก AXIAL STRESS (ความเคนตามแนวแกน) Axial Stress = Force Area SHEAR STRESS (ความเคนเฉือน) Shear Stress = Force in Shear Shear Area BENDING STRESS (ความเคนดัด) σ = M c M I โดยที่ M- Moment @ cross section c- Distance from neutral axis to outer surface I – cross section moment of inertia = Π (do4 – di4) 64 2 LONGITUDINAL PRESSURE STRESS σPL = F / A = Pd/4t HOOP PRESSURE STRESS σPH = F = P d A 2 t ทางยุโรปนิยมใช คา d เปน outside diameter มากกวาที่จะใชเปน inside จากกฏขอที่ 1 ของนวิตัน [ Σ F = 0 ] 2 F = Pdi L σPH = Pdi L = Pdi 2t L 2t จริงๆ แลว สมการ hoop pressure stress ที่ใชกลาวถึงขางบนนี้ เปน สมการ ที่ใหคาประมาณ สมการที่ใหคาไดแมนยํา นั้น ถูกกําหนดโดย สมการของ LAME ดังตอไปนี้ σPH = Pri2 + L ri2 ro2 P / r2 ro2 - ri2 r = position thru the thickness 3 รูปที่ 1 คือการการกําหนดคาใหกับ program CAESAR II มี 4 option ใหเลือก คือ ID, OD, MEAN และ LAMES_EQ ถาเราตองการคาที่ conservative ที่สุดใหเลือกใช base hoop stress on เปน OD แต โดยทั่วไป นิยมใช ID ที่เปนเชนนี้ คงเปนเพราะตองการใหแกปญหาความ เคนผานไปไดโดยงาย ดังนั้นกอนที่จะเริ่มตน ทํา piping stress analysis โดยใช CAESAR II ก็ควรจะตั้งคาตรงนี้กอน โดยไปที่ TOOL บน main menu ของ CAESAR II Version 5.00 และ Configures/Setup ก็จะได dialog box ดัง รูปที่ 1 รูปที่ 1 การกําหนด diameter ที่ใชในการคํานวณ hoop stress ใหกับ CAESAR II กอนอื่นผมอยากใหเราตัดความกังวลในการใชโปรแกรมไปกอน ผมยังคงไม ถายทอดตอนนี้ เพราะนั่นไมใชประเด็นสําคัญที่สุดในตอนนี้ อยากใหเรา เขาใจพ้ืนฐานกอน แมจะไมมี โปรแกรมก็สามารถเขาใจหลักการได Longitudinal Stress ที่เกิดขึ้นบนผนังทอ โดยทั่วไป หนาตัดของทอจะเกิดปญหา longitudinal stress หลักๆ ได 4 สามรูปแบบคือจาก bending , axial และ pressure ดังนั้นสมการในการ คํานวณหาคา longitudinal stress ที่หนาตัดทอจะเปนดังนี้ ซ่ึงโดยทั่วไปแลว U.S Code ก็จะใชรูปแบบสมการขางบนในการหา longitudinal stress สําหรับ ASME B31.3 stress ที่เกิดขึ้นขางบน เรียกวา Sustained Stress ซ่ึงเกิดจากการ combine stress ที่เกิดจาก ความเคนเนื่องจาก โมเมนตดัด ความเคนตามแนวแกน และ ความเคนที่เกิดจากความดัน แต สําหรับ B31.1 Sustained Stress ที่เกิดขึ้นจะพิจารณา มาจาก ความเคน เนื่องจากโมเมนตดัด และ ความเคนที่เกิดจากความดัน เทานั้น เขียนเปน สูตร งายๆ ไดดังนี้ ASME Code ไดบอกวา Sustained Load เกิดจากผลกระทบของ ความดัน น้ําหนัก ที่เกิดขึ้นบนทอ ดังนั้นจะเห็นวา longitudinal stress ที่กลาว มาแลวขางตน ก็คือ ความเคนที่เกิดจาก Sustained load นั่นเอง ซ่ึงตอไป เราก็จะเรียก กันเทหๆ แบบภาษาเทพ วา Sustained Stress (SL) 1.3 CODE COMPLIANCE BASICS : ASME CODE ไดกําหนด รูปแบบการเสียหายพื้นฐานสองแบบ ดังนี้ 1. Sustained ( or Primary ) Stress Failure 2. Expansion (or Secondary ) Stress Failure ซ่ึงแตละ แบบ ก็มีลักษณะเฉพาะไมเหมือนกัน Mc + Pd I 4t Bending pressure Mc + F + Pd I A 4t Bending axial pressure 5 ลักษณะที่เปน PRIMARY STRESS 1. primary stress สวนเกิน มีสาเหตุมาจากการเกิด plastic deformation และ rupture. รูปที่ 2 2. สวนใหญเกิดจากการรับภาระเนื่องจาก น้ําหนัก(weight) และ ความดัน (pressure) Allowable limits สําหรับ sustained stresses นั้น จะ สัมพันธกับ คา yield stress ของ material 3. การพังเสียหายจะเกิดขึ้นแบบทันทีทันใด จะไมมีอาการเตือนใหเราเห็น ลวงหนา เหมือนกับการพังเนื่องจากการลาของวัสดุ (fatigue) 4. โดยปกติจะไมเกี่ยวกับ cyclic ลักษณะที่เปน SECONDARY STRESS 1. เกิดเนื่องจากการขยายตัวของทอ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (thermal expansion) 2. การพังเสียหายอาจจะเกิดการ crack เปนจุดเล็กๆ ตามผิวดานใน หรือ ดานนอกของทอกอน รูปที่ 3 ลักษณะของ OCCASIONAL STRESS กรณีทั่วไป ระบบทอจะเกิดความเคนทั้งสองแบบขางตน แตก็ยังมีเหมือนกัน ที่จะเกิดการเสียหายเนื่องจากเกดิเหตุการณตามโอกาส เชน แรงลม (wind), เกิดแผนดินไหว (earthquakes), เกิดฆอนน้ํา เชน steam หรือ 6 water hammer, Pressure Safety Valve (PSV) ทํางาน เนื่องจาก เหตุการณขางตน อาจจะเกิดขึ้นหรือไมเกิดขึ้นก็ได การพิจารณาการ เสียหายแบบนี้จึงขึ้นอยูกับวิศวกรผูทําการออกแบบอกีที หรือไมก็มีการ กําหนดจากขอกําหนดในการออกแบบจากลูกคา 1.4 CODE STRESS ALLOWABLE : เกณฑคาความเคนสูงสุดที่ ยอมรับได ซ่ึงแตละประเทศจะมี ขอกําหนดเปนของตัวเอง สําหรับประเทศไทยยังไมมีขอกําหนดนี้ใหใช โดยมากโรงงานในประเทศไทยใช หลักเกณฑของอเมริกา ในแตละ ประเภทของโรงงาน ก็ยังกําหนดแตกตางกันไปอีก เชน โรงงานประเภท Power Plant ไดกําหนดใช Code B31.1 สวนโรงงานประเภท Process Plant ไดกําหนดใช Code B31.3 เนื่องจากสวนใหญเราจะทําโรงงานประเภท Process Plant และ Power Plant กัน ดังนั้นขอยกตัวอยางของ ทั้ง Code B31.1 และ B31.3 ซ่ึง code B31.3 ไดกําหนด Code stress allowable ไวดังตอไปนี้ THE SUSTAIN ALLOWABLE STRESS คือการเอาคา hot yield stress มาคูณดวยคา factor ซ่ึง sustained stresses ไมควรจะเกินคา materials elastic limit ณ อุณหภูมิ ที ่ operating หรือ อุณหภูมิที่ใชในการ design ถาเขียนเปนสมการจะไดดังนี้ โดยที่ SL = Stress ที่เกิดขึ้นเนื่องจาก sustained load Sh = Hot Allowable stress มีคาไมเกิน 0.666 Sy หรือ 0.25 Su คา Sh นี้เราสามารถเปดหาคาไดจาก table A-1 ใน ASME B31.3 เชน ทอ carbon steel A53 Gr.B ที่อุณหภูมิ 200 องศาฟาเรนไฮต จะได คา Sh = 20000 psi. หรือ จะแปลงเปนหนวย SI ก็หารดวย 145 จะได เทากับ 137.93 N/mm2 ตัวเลข 145 นี้เปนตัวเลขใชประมาณในการแปลง หนวย ซ่ึง จํางาย และ ใชบอย แตถาตองการจะเอาตัวเลขแปลงหนวยจริง ก็ตองหารดวย 145.037743897 สําหรับวิศวกรแลว ผมรูวาพวกเราคงไม ชอบกันเทาไร การใชโปรแกรม piping stress package ตางๆ บางทีเราอาจเปดวัสดุที่ ตองการหาไมเจอ เปนเพราะวา วัสดุตัวนั้นไมมีใชใน ASME Code ASME B31.1 , B31.3 ก็ได ตรงนี้เราควรตรวจสอบดูใหแนชัด SL < Sh 7 THE EXPANSION ALLOWABLE STRESS RANGE คานี้จะตองไมเกิน สองเทาของ yield stress คูณกับ safety factor , cyclic reduction factor ลบ ดวยคา mean stress ซ่ึง total stress range ( expansion บวกกับ sustained) ถูก set ไวเทากับ สองเทาของ yield stress SA = f ( 1.25 Sc + 1.25 Sh – SL ) โดยที่ SA = Allowable Displacement Stress Range f = Cyclic reduction factor for fatigue from Table 302.3.5 (B31.3 edition 2002) Sc = Cold allowable stress Sh = Hot allowable stress SL = Longitudinal Stress คา f นั้น ขึ้นอยูกับ จํานวนรอบความรอนที่ทอจะไดรับ ซ่ึงกําหนดไวใน code B31.1-2004 table 102.3.2 ดังนี้ f = 1.0 สําหรับ 7000 รอบ หรือตํ่ากวา 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 มากกวา 100000 รอบ สวน B31.3-2002 ใหคาไวดัง table 302.3.5 ซ่ีงก็ไมแตกตางจาก B31.1 เทาไรนัก แตพอมา Edition B31.3-2004 เปลี่ยนมาเปน plot graph แทน ดัง Fig. 302.3.5 สังเกตุใหดี B31.3 Edition 2004 มีบางชวงคา f มากกวา 1 ซ่ึงคือชวงที่เปนเสนประ อันนี้สําหรับทอที่ทําจาก Ferrous material ซ่ึงมี คา minimum tensile strength เทากับหรือไมเกิน 75000 psi (517 MPa) และ อุณหภูมิออกแบบทอ ไมเกิน 371 องศาเซลเซียส 8 รูปที่ 4 คา f จาก ASME Code B31.3 Edition 2004 สวนใหญแลวระบบทอในโรงงานที่เราออกแบบ จะอยูในชวงไมเกิน 7000 รอบความรอน ยกตัวอยางเชนทอ relief valves เพราะการทํางาน ของ relief valve คงไมเกิด ขึ้นบอยมาก การนับรอบความรอน ก็ใหนับทอ ที่มีของไหลทํางานอยูภายใต operating condition เมื่อ operate จนกระทั่ง shut down ครั้งหนึ่งก็ถือวาเปน 1 รอบความรอน THE OCCASIONAL STRESS คือ stress ที่เกิดขึ้นแบบช่ัวขณะ หรือ เกิดขึ้นเปนบางครั้งบางคราว ไมแนไมนอน อาจจะมีหรือไมมีก็ได เชน แผนดินไหว(seismic ) wind load, water hammer เหลานี้ยากตอการ คาดเดาวาจะเกิดเมื่อไร อยางไร รายละเอียดเกี่ยวกับ การวิเคราะหระบบ ทอเมื่อเกิดแผนดินไหว ผมจะกลาวอีกทีในบทที่ 7 Allowable stress สาํหรับกรณีนี้ ASME Code ไดกําหนดใหมีคามากขึ้น กวา Sh ประมาณ 10 ถึง 30 % หรือ 1.1Sh – 1.33Sh ขึ้นอยูกับเราใช code ไหนในการออกแบบ เชน B31.1 ใช 1.15Sh -1.2 Sh สวน B31.3 ใช 1.3 Sh เปนตน จะเห็นวา B31.1 Power Piping คอนขาง ใช safety factor สูงกวา B31.3 Process Piping 9 1.5 ขั้นตอนการ Check Piping Stress ขั้นตอนการตรวจสอบความแข็งแรง ของระบบทอ มีขั้นตอน ดังนี้ 1. คํานวณหา sustained stress (SL) ที่เกิดจาก primary load ปกติก็ คือ weight และ pressure 2. คํานวณหา expansion stress (SE) ที่มีสาเหตุมาจาก ความแตกตาง ของอุณหภูมิ 3. เปรียบเทียบ Sustained Stress ที่คํานวณไดในขอ 1 กับ allowable stress : Sh โดยที่ SL ตองนอยกวา Sh 4. เปรียบเทียบ Expansion Stress (SE) ที่คํานวณไดตามขอ 2 กบั คา allowable ดังนี้ a. B31.3 SA = f (1.25Sc + 0.25Sh) ___ (B31.3 Eq.1a) โดยถา SL นอยกวา Sh คา SA จะเทากับสูตร 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 ยังบอกวา ถากรณี SL นอยกวา Sh คา allowable นี้จะ เพิ่มขึ้นเปน SA + f (Sh - Sc) คานี้ถือวาเปนคา SA ตัวใหม ดังนั้น SE < SA + f (Sh - Sc) ___ (B31.1 Eq.13b) จากที่บอกไวในกฏเกณฑขอ 3 วา SL ตองนอยกวา Sh ถึงจะ ยอมรับได ดังนั้นในความเปนไปได สําหรับ Code B31.3 เราก็จะ ได CAESAR II report ที่ใชแตสมการ Eq.1b แทนที่จะเปน Eq.1a สวน Code B31.1 เราก็จะใช Eq.13b แทนที่จะเปน Eq.1 มา ใชงาน เด๋ียวในหัวขอถัดไปเราจะไดลองคํานวณกันดู 5. หากมีกรณี occasional load เกิดขึ้น stress ที่เกิดขึ้นจะตองนอยกวา kSh โดยที่ k อยูระหวาง 1.1 ถึง 1.3 10 วิธีการขางตน จะทําเฉพาะ ทอที่เปน Critical line เทานั้น สวนทอ ที่ไม critical เชน ทอน้ําประปา ทอดับเพลิง พวกนี้อุณหภูมิ ความดันไมสูงเทาไร เราจึงจัดวา เปน Non critical line แลวทอเซอรวิส อื่นๆ หละ เราจะรูได อยางไร วาทอไหนเปน critical line อันนี้ เราจะใชหลักการในหัวขอ ถัดไป CAESAR II Output Stress Analysis Report เรามาดูกันวา CAESAR II แสดงผลการคํานวณ SL กับ Sh และ SE กับ SA อยางไร ตัวอยางนี้เปนทอ Carbon Steel ASTM A106 Grade B ใช Code B31.1 ในการออกแบบ เราจะมาพิจารณา stress ที่เกิดขึ้นทั้งระบบ และ เฉพาะจุด นอกจากนั้นผมจะยกตัวอยางแนะนําการหา Stress ที่เกิดขึ้น เฉพาะที่จุด Node 40 และ 120 เพื่อใหเขาใจ วิธีการในหัวขอ 1.5 มากขึน้ รูปที่ 5 รูปรางหนาตา ตัวอยางระบบทอทั้งระบบ ที่ทําการวิเคราะหความยืดหยุน 11 รูปที่ 5 ตัวอยางน้ีเนนความสนใจมาท่ี node 120 ซึ่งเปนจุดที่เกิด stress สูงสุดสําหรับระบบทอน้ี 12 คา Sh คือคาสูงสุดที่ยอมรับได แคเห็นตรงน้ีอยานึกวาผานจริงๆนะ มันอาจสับขาหลอกเราได รูปที่ 6 รูปที่ 6 แสดง Stress report หลังจากที่ run static analysis แลว maximum stress สูงสุดเกิดขึ้นในระบบทอนี้ กรณี sustained load อยูที่ node 120 มีคาเทากับ 7971.7 lb/sq.in (หรือ psi) คา allowable hot stress (Sh) เทากับ 17100 psi. สัดสวน stress ที่เกิดขึ้นจริง (SL) เทียบกับคาสูงสุดที่ยอมรับได (Sh) คิดเปน 46.6 % สรุปวาผานดาน step 3 ในหัวขอ 1.5 ไปไดสบายๆ แลวถาเกิดวา SL เทากับ 16000 psi ถือวาผาน หรือเปลาครับ ถาเรา ดูจาก report ตรงนี้ ผานแนนอน ครับ ทําไม ถึงจะไมผานหละครับเพเวบ มาสเตอร อืมม เฉลย เลยหละกันครับ ผมตรวจสอบจาก ASME B31.1 แลว ไม ผานเกณฑของ ASME ครับ โปรแกรม CAESAR II ทําฐานขอมูลมาผิด ทํา ใหไดคา Sh ที่ผิดไปเยอะเลย ที่จริงควรจะเปน 15000 psi ดังนั้น ผม อยากจะใหคาถากันพลาดไวสักอันหนึ่ง ซ่ีงอาจารยจอหน เอ็ม เนโดวิช วิศวกรชาวอังกฤษ ผมเดานะเชื้อสายแกคงมาจากเชคโกสโลวาเกียอะ เพราะผมเคยดูบอลอะ พวกช่ือลงทายดวย วิชๆ เชน มิโลสเลยีวิช ผมเดา เอานะ นอกเรื่องแลวเรา เอา เขาเรื่องดีกวา อาจารยจอหนผมไดมอบ คาถา สําคัญมาวา “What do you expect to see?” คือแบบนี้ เราไมควรจะเชื่อ 13 โปรแกรม เพราะมันอาจผิดพลาดได โดยเฉพาะ CAESAR II ผม feedback พวก error ตางๆใหกับทางผูผลิต มาต้ังแตเวอรชั่นดอสแลวครับ เจอทุก เวอรชั่น นั่นเปนเหตุให ผมถายทอดใหนองๆ โดยไมเนนที่การใชโปรแกรม แตเนนไปท่ีหลักการ เพราะถาสอนการใชโปรแกรม เราจะไมรูเลยวามัน คํานวณ มาถูกหรือผิด ลองผิดลองถูก เห็น คําวา stress check passed ผานก็โอเค แบบนี้เสี่ยงกับระบบทอจะพังไดครับ เรื่องการใชโปรแกรมเรา คอยวากันทีหลัง เรากินกบตัวใหญกอน ใหเขาใจหลักการกอน การใช โปรแกรมใหใครสอนที่บริษัทแปปเดียวก็เปนแลว สามารถโมเดล input run output check stress ผาน ไดสบายๆ แตกับผิด ไมมีประโยชน ดังนั้นในฐานะที่เราเปนมือใหมทางดาน piping stress กันควรทอง คาถาของอาจารย จอหน เอ็ม เนโดวิช ไวตลอดขณะที่ทํา piping stress analysis ดูวาเราคาดหวังที่จะเห็นผลเชนไร เชนทอควรจะตกทองชาง ตรง นี้ แตทําไม ทอกับโกงตัวขึ้น อะไรแบบน้ี ถามันไมเปนไปตามที่เราคาดหวัง แสดงวา มีบางอยางผิดพลาดแลว คาถานี้หละครับทําใหผมพบความ ผิดพลาดเกิดขึ้นกับโปรแกรมคอมพิวเตอรที่มนุษยสรางขึ้นมาโดยตลอด ไม วาจะเปน CAESAR II หรือ AUTOPIPE นอกจากนีย้ังใชตรวจสอบพวกขอมูลตางๆ ที่ไมใชซอฟแวร ดวยนะ ครับ เชนขอมูล nozzle load allowable ที่มาจาก vendor ตอนนั้นผมทําอยู โตโยไทย โปรเจคโรงไฟฟา TLP 110 MW ที่ระยอง vendor steam turbine ไมไดใหคา nozzle load allowable มา จึงเปนหนาที่ของเราที่ จะตองขอไป นองๆ จําไวนิดหนึ่งนะครับเวลาทํางาน เขาไมให เราก็ขอไป อยานั่งหงิก รอขอมลู พอไดขอมูลมา ปรากฏวา ไมอยากเชื่อ nozzle load ที่ยอมรับไดสูงสุดของเขามีคา กระจึ๋งเดียว ผมจําตัวเลขไมไดแลว รูสึกรับ แรงแนวต้ังฉากพื้นโลก จากทอไดประมาณ 150 N. พระเจาจอด ผมไม อยากเชื่อ ผมเอา 9.81 หาร ไดมวล เทากับ 15.3 kg. นี่ถาผมทะลึ่งเอา ถัง น้ําด่ืมโพลาลิสขนาด 20 ลิตร (ผมไมไดโฆษณาใหโพลาลิสนะ แตนึกยี่หอ อื่นไมออก) ผมเอามันไปวางบน nozzle มันก็พังแลวสิครับ steam turbine ตัวเบอเร่ิม ขี้โรคสะขนาดนี้ ผมจึงตองบอกโปรเจคเอ็นจิเนียรไปฝากบอก vendorฝร่ังวา ใหเขากลับไปคิดมาใหม สุดทายเขาก็แกไขกลับมาเพิ่มขึ้น ใหเรา นี่ฮะ ประโยชน ของคาถานี้ ไมงั้นเราตายแน แคประกอบ ทอไปที่ nozzle มันก็เกิน 150 N. แลวหละ ยังไมรวมน้ําหนัก valve กับ ของไหล เลยนะ เซียน.โคตรเซียนก็แกปญหาไมไดหรอกแบบนี้ อะไรกันแทงคน้ํา พลาสติกบานเราเมดอินไทยแลนด ยังแข็งแรงกวา steam turbine ที่ฝร่ัง มันทําเลย ผมเอาน้ําด่ืม สองสามถังไปวางมันก็ไมพังหรอก ใหตายสิจอรด ผมนอกเร่ืองไปเยอะเลย แตมันจะเปนไอเดีย ที่มีประโยชนมาก เลย อยากเสริมให หวังวา เราพอดู คา SL และ Sh เปนกันแลวนะครับ เหลือ SE กับ SA ยังไมไดเลา มาตอกันเลย 14 Allowable Stress กรณี Expansion Case SE =11034.5 รูปที่ 7 แสดงผล stress กรณี expansion case รูปที่ 7 รูปรางหนาตาคลายๆ กับ report กรณี sustained เลยนะครับ ก็ คลายกันนะสิเพ ตางกันตรงประเภท stress เทานั้น อันนี้มันเปน Expansion stress ผลคํานวณ บอกวา stress ที่เกิดขึ้นจริงๆ สูงสุด อยูที่ node 50 มีคา SE = 11034.5 psi สวนคายอมรับไดมีคา SA = 39632.2 psi ที่มาเปนอยางนี้ครับ จาก ASME Code B31.1 SA = f(1.25Sc+0.25Sh) แทนคา Sc=17100 psi และ Sh =17100 psi SA = 1(1.25x17100+0.25x17100) SA = 25650 psi แตวา SL < Sh ดังนั้น คํานวณหา allowable ตัวใหม ได ดังนี้ Allowable = SA + f(Sh – SL) Allowable = 25650+ 1x(17100-3117.8) Allowable = 39632.2 psi 15 ไมตอง งง นะครับ ที่ node 50 เนี้ยะ ผม เอาคา SL =3117.8 psi มาจาก ไหน เราตองไปดูที่ sustain stress report นะครับ ผมเอามาใหดูแลวดังรูป Figure 8 SL = 3117.8 psi รูปที่ 8 คา SL ที่ node 50 เทากับ 3117.8 psi 16 SE = 11034.5 psi รูปที่ 9 คา SE ที่ node 50 เทากับ 11034.5 psi รูปที่ 9 นีคื่อ คา expansion stress (SE) ที่เกิดขึ้นจริงที่แตหละ node สําหรับ node 50 มีคา SE เทากับ 11034.5 psi เพราะฉะนั้นจากกฏเกณฑ ในขอ 4 ที่วา SE จะตอง ไมเกิน คา allowable 39632.2 psi ก็เปนอันวาที่ node 50 นี้ expansion stress ผานแลวครับ กลับมาดูที่ node 120 อีกครั้งกันใหม ครับ คราวนี้ จะลองคํานวณ ดูวา allowable expansion stress range มีคาเทาไร จาก ASME Code B31.1 SA = f(1.25Sc+0.25Sh) แทนคา Sc=17100 psi และ Sh =17100 psi SA = 1(1.25x17100+0.25x17100) SA = 25650 psi แตวา 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 วาตรงกับที่เราเพิ่งคํานวณไปหรือเปลา ดู รูปที่ 11 อีกวิธี ที่จะคํานวณ หาคา allowable stress range งายกวาวิธีการ ขางบนคือใชสูตรเดียวกับ ASME B31.3 เลยครับ ที่วา SA = f (1.25Sc + 1.25Sh – SL ) ___ (B31.3 Eq.1b) ลองแทนคาดูครับ เทากันไหม SA = 1(1.25x17100+1.25x17100-7971.7) SA = 34778.3 psi เพราะฉะนั้นตอไป เราสามารถใช สูตรนี้หา คา Allowable Expansion Stress Range ไดทั้ง งานออกแบบที่เปน power plant (B31.1) หรือ process plant (B31.3) เลยนะครับ รูปที่ 10 Stress report sustained stress case คา SL คา SH SL=7971.7 psi ที่ node 120 ซึ่งจะถูก นําไปคํานวณหา SA กรณี Expansion Stress 18 SA=34778.3 psi ที่ node 120 คา SA =f[1.25(Sc+Sh)-SL] รูปที่ 11 Stress report expansion stress case 1.6 วิธีการวิเคราะหความเคนในระบบทอ (Piping Stress Analysis Method) ตามหลักเกณฑของ ASME B31.3 ไดกําหนดไว 3 วิธีดังนี้ 1. By Visual Inspection หรือ His pass experience วิธีการนี้ก็คือใช ตรวจสอบโดยใชประสบการณของวิศวกรผูเช่ียวชาญเฉพาะดาน ความเคนในระบบทอ 2. Approximate Method วิธีโดยประมาณ วิธีนี้ไมมีการคํานวณโดยใช โปรแกรมคอมพิวเตอร อาจจะใช Table ,Chart สูตรคํานวณดวยมือ คราวๆ ในการวิเคราะห 19 3. Comprehensive Analysis วิธีนี้ คือวิธีที่คํานวณคา stress ที่เกิดขึ้น ทุกจุดบนระบบทอ ในสมัยยุคแลกๆ ที่โปรแกรมคอมพิวเตอรยัง ไมไดเขามามีบทบาท piping stress engineer ตองนั่งคํานวณกัน ใชเวลาเปนเดือน สําหรับทอระบบทอระบบเดียว แตปจจุบันเรามี โปรแกรมคอมพิวเตอรเขามาชวยงานมากมายหลายตัว เชน CAESAR II, Autopipe และ Editpipe ซ่ึงพัฒนาโดยบริษัท Tractebel, etc. สวนโปรแกรมที่แพรหลายและนิยมใชที่สุดใน ปจจุบัน กคื็อ CAESAR II จะเห็น Code เองกําหนดวิธีการกวางมาก ไมไดเจาะจงลงไปวา ทอ ขนาดเทานี้ อุณหภูมิเทานี้ จะใชวิธีไหนในการวิเคราะห ดังนั้น บริษัท วิศวกรรมตางๆ จึงไดสรางตาราง หรือ อาจจะเปนแผนภาพ Chart ขึ้นมา เพื่อเปนหลักเกณฑที่ชัดเจนขึ้น เพื่อที่จะสะดวกในการกําหนดวิธีการ วิเคราะหความเคนในระบบทอ และเปนหนาที่ของ piping stress engineer ที่จะตองจัดทํา critical line list ขึ้นมา เพื่อที่จะกําหนดลงไป วาทอเสนไหน ใชวิธีไหนในการ วิเคราะห ตัวอยาง Chart Stress Method ขางลางนี้ผมเอามาจากหนังสือ Process Plant Layout and Piping Design ของทานปรมาจารย Ed Bausbacher & roger Hunt คํานวณดวยคอมพิวเตอร (computer analysis) Visual Analysis or judgement Manual 10” NPS Pipe with 400 F ตัวอยางน้ีจัดวา ทอเขาขายเปน critical line จะตองทํา comprehensive หรือ computer analysis 400 F 10 20 ดูตัวอยาง Computer A riteria บาง มา ที่เปนแบบตารางnalysis C เชน ทอที่ตอเขากับ อุปกรณ พวก rotating equipment ที่มีขนาด pipe size ใหญกวา หรือเทากับ 3 นิ้ว จัดวาเปน critical line ควรที่จะทํา stress ดวยวิธี comprehensive analysis ซ่ึงบริษัทในประเทศไทย แทบทั้งหมด นิยมใช โปรแกรม CAESAR II จะมีบางบริษัทที่ใชทั้งสองโปรแกรม คือ Poyry Energy Ltd. (Thailand). บางบริษัทเชน Technip เคยใช Simflex บางบริษัท เชน Tractebel ก็ใชโปรแกรม Edit Pipe ซ่ึงพัฒนาขึ้น มาเอง เนื่องจากบรษัิทนั้นขาดการตอยอดความรูใหกับวิศวกรรุนหลังในการ ใชโปรแกรมพวกนี้ วิศวกรรุนหลังที่เขาไปทํางานจึงไมถนัดที่จะใชโปรแกรม ที่ไมเปนที่นิยมพวกนี้ จึงไดเสนอบริษัทเหลานั้นเปลี่ยนมาใช โปรแกรม CAESAR II กันหมด ดังนั้นเรื่องโปรแกรมที่เราศึกษาใชงาน ก็มีสวนในการ หางานวิชาชีพนี้เหมือนกัน chart และ ตาราง ที่ใหมาหรือของบริษัทตางๆ เปนเพียงแค guide line บางที ทอขนาด 10 นิ้ว มีอุณหภูมิ 400 องศาฟาเรนไฮท ก็อาจจะใชวิธี by visual analysis ก็ได ฝากนองๆ young piping stress engineer ไว เปน การบานไปคิดกันตอวา เปนไปไดไหม และผมจะมาเฉลยในโอกาสตอไป การพังเสียหายของทอ การพังเสียหาย เหตุการณไฟไหม บอยครั้งมีสาเหตุมาจากระบบทอ สูญเสียความสามารถในการเก็บของไหลไวไฟที่อยูในระบบทอ (loss containment) ทั้งนี้ตนเหตุอาจมาจากเรื่องความเคนในระบบทอ ดังนั้นหาก เราไมมั่นใจ ประสบการณเรายังไมเขาขั้นเทพ เราก็ใชวิธี omputer analysis ใหหมดเลย จะเซฟ กวา … จริงไหมครับ แมวา ทอนั้นจะมี อุณหภูมิ รอนเพียงแค 21 ถึง c 80 องศาเซลเซียส ก็ตามเถอะ แตในฐานะ 21 22 คนออกแบบทอมือใหมหัดขับอยางเรา ก็ตองทําใหมันแข็งแรง ทุกทอ ไมเชนนั้น ขาขางหนึ่งของเราอาจจะไปอยูในคุก แลวก็ได บทที่ 2 STATIC ANALYSIS By Piya Kittitanesuan Piping Engineer PÖYRY ENERGY LTD. (Thailand) (update 23 January 2007) สมการเชิงเสน (LINEARIZATION EQUATION) สมการ Linear คือ สมการที่มีฟงคช่ันเสนตรง เชน Y=2X+1 (1) สมการ non-linear คือสมการ ที่ไมเปนเสนตรง เชน Y=2X2 +1 (2) เมื่อ X = 1 , Y จะเทากับ 3 ทั้งสองสมการ ถาหาก X = -1 สมการ 1 จะได Y = -1 แต สมการ 2 Y จะเทากับ 3 ที่ตองทําความเขาใจเรื่องน้ีกอนเพราะโปรแกรม CAESAR II จะคํานวณโดยใชสมการ ทั้งสองแบบโดยขึ้นอยูกับวิธีการโมเดล pipe support พิจารณา สมการ 1 และ 2 ตัวแปรตน X เหมือนกัน แตผลลัพธ Y สามารถ ออกมาตางกันได การใช โปรแกรม CAESAR II คํานวณ ก็จะเปนลักษณะแบบนี้ เชนกัน เราจึงตองมาทําความเขาใจเรื่องน้ีใหดีกอน Support Type ใน CAESAR II CAESAR II จะเรียก support วา Restraint ซึ่งจะมีอยูหลายชนิดดังน้ี 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 ถาเรากําหนด restraint ใหเปนดังตอไปนี้ - มีคา friction - โมเดล Support รับแรง ทิศทางเดียว (Translation Directional) เชน +Y , +X , +Z, และ -Y เปนตน - ใส guide มี gap CAESAR II จะใชสมการแบบ non-linear equation มากขึน้ในการคํานวณ ซึ่งจะใช เวลาในการคํานวณนานขึ้น บางครั้ง ก็ไมสามารถ run ผลออกมาได สาเหตุเกิดจากการ มีสมการ non-linear มากไปทําใหการคํานวณใชเวลานานจนกระทั่ง CAESAR II run ผลไมออก ในกรณีเชนนี้ เราตอง พยายามลดสมการ non-linear equation ใหนอยลง เชน ใส guide ไมตองมี gap หรือ ในกรณีที่ support รองรับน้ําหนักทออยางเดียว แทนที่จะ โมเดล +Y ก็เปน Y (Translational Double Acting) - ระบบ Linear Restraint ถาเรากําหนด restraint เปน Y , ไมใสคา friction , ไม ใส gap เหลานี้ถือวาเปน ระบบ linear ซึ่งจะทําใหใชจํานวนสมการนอยลง เน่ืองจาก จํานวนสมการมีไมมากและไมซับซอน เทากับ กรณี non-linear จึงทําให CAESAR II คํานวณไดงายขึ้นและเร็วขึ้น เราจะโมเดล support แบบไหนขึ้นอยูกับวาเราได ออกแบบ support ทําหนาที่เปนแบบ ไหน เชน ใหรับน้ําหนักทอ ก็โมเดลเปน +Y แตบางครั้งเราก็ไมสามารถโมเดลเสมือน จริงได เน่ืองจากความสามารถของคอมพิวเตอรในปจจุบันยังจํากัด เราจึงไมสามารถ โมเดลระบบเปน non-linear ไดทั้งหมด ดังน้ันเราอาจตองโมเดล support บางจุด ให เปน linear restraint เชนที่จุดน้ัน รับน้ําหนักทออยางเดียว ก็ โมเดล เปน Y ตัวอยางศึกษา รูปที่ 1 ทอที่วางบน pipe rack เฉยๆ กรณีแบบนี้ นํ้าหนักทอจะตกถาย ลงสู pipe rack การโมเดล restraint ใน CAESAR II ที่เสมือนจริง ก็คือ กําหนด Restraint เปน +Y แตถา run CAESAR II แลว มีอาการ run ไมออก เราสามารถ เปลี่ยนโมเดล Restraint มาเปน Y เฉยๆ แทนได โดยท่ีไมสงผลตอการคํานวณแต อยางไร แตก็มีบางระบบเหมือนกันที่การโมเดลที่แตกตางกันจะใหผลการคํานวณตางกัน ซึ่งจะกลาวถึงในหัวขอถัดไป แตถาบางจุดเราตองการทราบผลคํานวณที่แมนยํามาก เชนsupport บริเวณ nozzle ของ equipment เราก็ควรโมเดลเปนแบบเสมือนจริง 2 รูปที่ 1 ทอขนาดใหญสีเขียว คอืทอที่เรากําลังทํา piping stress analysis รูปที่ 2 การโมเดล restraint ที่ node 60 เปนแบบ non-linear restraint 3 รูปที่ 3 การโมเดล restraint support ที่ node 60 เปน แบบ linear restraint รูปที่ 4 ผลการคํานวณโหลด กรณี โมเดล support ที่ node 60 เปน non-linear restraint 4 รูปที่ 5 ผลการคํานวณโหลด กรณี โมเดล support ที่ node 60 เปน linear restraint จากรูปที่ 4 และ 5 จะเห็นวา ทั้งสองกรณีใหผลการคํานวณเหมือนกัน เพราะฉะนั้น บาง ระบบเราสามารถโมเดล support เปนแบบ linear ได บางกรณี ผลการคํานวณ ทั้งสองกรณี ก็แตกตางกัน โดยเฉพาะเมื่อทอยกตัวลอยออก จาก pipe support หรือที่เราเรียกกันวา Lift Off ดังตัวอยาง ระบบทอตอไปนี้ พิจารณา รูปที่ 6 กับ 7 ตางกันที่ support type ที่ node 740 5 รูปที่ 6 ที่ node 740 โมเดล Support เปน แบบ +Y (Non-Linear Restraint) รูปที่ 6 น้ี ณ จุด support node ที่ 740 เราทําการโมเดล เปนแบบ +Y ซึ่งใหผล คํานวณ ออกมา ดังรูปที่ 7 รูปที่ 7 ผลลัพธจากการ run result ที่ node 740 เปน แบบ +Y (Non-Linear Restraint) 6 รูปที่ 8 ที่ node 740 โมเดล Support เปน แบบ Y (Linear Restraint) รูปที่ 8 น้ี ณ จุด support node ที่ 740 เราทําการโมเดล support เปนแบบ double acting Y ซึ่งใหผลคํานวณ ออกมา ดังรูปที่ 9 รูปที่ 9 ผลลัพธจากการ run result ที่ node 740 เปน แบบ Y (Linear Restraint) จะเห็นวา โหลดที่กระทํา ตอ support ที่จุด 740 ไมเทากัน ซึ่งจะสงผลไปตอ โหลดที่กระทําตอ nozzle node number 3001 ดังรูปที่ 10 และ 11 7 รูปที่ 10 ผลลัพธโหลดที่กระทําตอ nozzle node 3001 เมื่อโมเดล support node 740 เปน แบบ +Y รูปที่ 11 ผลลัพธโหลดที่กระทําตอ nozzle node 3001 เมื่อโมเดล support node 740 เปน แบบ Y จากผลลัพธของโหลดในรูปที่ 10 และ 11 เปรียบเทียบกันจะเห็นวา กรณี โมเดล support ที่ node 740 เปนแบบ double acting จะสงผลให nozzle load ที่เกิดขึ้นสูง กวาปกติ ใน case 4(OPE) และ case 5(OPE) ดังน้ัน บริเวณ ที่ใกล nozzle เราควร โมเดล support ใหเหมือนจริง เพื่อผลการคํานวณที่ถูกตอง 8 บทท่ี 3 Pipe Rack and Expansion Loop By Piya Kittitanesuan Lead Piping Engineer Pöyry Energy (Thailand) Ltd. (Rev1 : update 19 February 2007) Pipe Rack คือ โครงสราง (structure) ที่รับน้ําหนักทอที่ใชในการ ขนถาย (transport) ของไหล ที่เปน process และ utility จาก หนวยหนึ่งไปยังอีกหนอยหนึ่ง นอกจากนัน้ยังเปนโครงสรางที่รองรับน้ําหนักสายเคเบิ้ลของไฟฟาและเครื่องมือวัดดวย รูปที่ 1 Pipe Rack 3D Model Create by PDMS ปญหาที่พบเห็นเมื่อเราออกแบบ support หรือ restraining lines บน pipe racks ก็คือ - ทอแตละเสน มีอุณหภูมิแตกตางกัน บางเสนเย็น บางเสนก็รอน เชน ทอไอน้ํา จะมีอุณหภูมิรอน แตทอ cooling จะเย็น - ความแตกตางของขนาดทอ เชน ทอ main cooling water supply and return line มีขนาดใหญ สวนพวก ทอลม เชน service air , instrument air มักมีขนาดเล็ก - ผลกระทบเนื่องจากทอยืดขยายตัวเนื่องจากความรอน ทอขนาดใหญและ รอน จะมีผลกระทบมาก - ทอแตละเสนขนถายของไหลตางชนิดกัน ของไหลมีความหนาแนแตกตางกัน สิ่งสําคัญที่สุดที่ตองพิจารณา ในการออกแบบระบบหนุนรับทอ (support) บน pipe rack ก็คือ การควบคุมการขยายตัวของทอเนื่องจากความรอน ดังนั้นการออกแบบ ที่ดี จะทําใหภาระโหลดกระทําตอโครงสราง pipe rack นอยที่สุด นั่นคือความประหยัด ทางดานโครงสราง pipe rack หลังจากที่ศึกษาบทนี้จบ ผูเขียนหวังวา เราจะบรรลุวัตถุประสงคตอไปนี้ 1 ออกแบบระบบ support บน pipe rack ได optimize ดังนี้ ทําให pressure drop นอยที่สุด และ ทําให ภาระโหลด ที่กระทําตอโครงสรางนอยที่สุด 2 รูวา จะสงขอมูลอะไรแก วิศวกรโครงสราง (Structure Engineer) เพื่อ ออกแบบ pipe rack ใหแข็งแรงรับภาระโหลดของทอได กอนที่ Piping Stress Engineer จะวิเคราะหปญหาความเคน ควรเขาใจพื้นฐาน การออกแบบทอบน Pipe Rack ใหดีกอน จึงสามารถวิเคราะหและ แกปญหาความเคน ไดอยางเหมาะสม ซ่ึงหลักการออกแบบพื้นฐานที่ควรรูมีดังตอไปนี้ 3.1 Pipe rack design for process plants กอนที่เราจะออกแบบจัดทอบน piperack เราตองมีขอมูลตอไปนี้กอน • Flow diagram • Plot plan • Specification • Project-design data 3.2 ตําแหนงการจัดวางทอ บน Pipe Rack (Line Location In The Pipe Rack) โดยทั่วไปทอที่วางอยูบน pipe rack สามารถจัดแบง ไดดังนี้ • Process lines • Utility lines เชน plant air, instrument air,fuel oil, fuel gas, chemical treating, boiler feed water เปนตน หลักการ design “CHANGE ELEVATION WHEN CHANGING DIRECTION” ซ่ึงมีหลักการพื้นฐานจัดวางทอบน Rack ดังนี้ • LINE ใดเลี้ยวลงซาย ก็ใหวางไวอยูดานซายของ pipe rack สวน line ไหนหัก ลงขวาก็ใหอยูดานขวา • เมื่อมีการเปลี่ยนทิศทางเดินของทอควรใหมีการเปลี่ยนระดับเพื่อหลีกเลี่ยงการ ขวางทางเดินของทออื่นๆ • ถา rack มีหลายชั้น ควรกําหนดให rack ชั้นบนเปน ทอบริการ (utilities line) เชน Instrument Air, Service Air, Service Water, Fire Water Line เปนตน และ rack ชั้นลางเปน ทอ process • โดย ทั่วไป line utility จะวางไวตลอดทั้งแนว piperack เพื่อคอยบริการหนวย ตางๆ ไดอยางทั่วถึง รูปที่ 2 • ถาเราสามารถวางทอบน Rack เพียงชั้นเดียว เราอาจจัดทอ ไดตามรูปที่ 2 แต ถาจํานวนทอมีมากจนไมสามารถจัด Rack ไดเพียงชั้นเดียวเราสามารถจัดทอเปน สองชั้น ไดดังรูปที่ 3 รูปที่ 3 เมื่อ Piping Designer ออกแบบทอบน Rack ขั้นตนแลว จึงสงแบบใหกับ Piping Stress Engineer เพื่อทําการกําหนดชนิดหนาที่การทํางานของ pipe support วาเปน อะไร เชน Line Stop, Guide and Resting Support และหากพบวา Piping Designer จัดวางทอยังไมดีพอตามหลัก pipe stress ก็ตองแนะนําการจัดวางทอที่ดีที่สุดกลับไป ยัง Piping Designer ความรูที่จะถายทอดตอไปนี้ เนนใหผูศึกษาลดการพึ่งพาการใชโปรแกรม คอมพิวเตอรโดยไมจําเปน วิธีการตางๆ นํามาจากประสบการณจริงในการทํางาน ซ่ึงถือ เปนทักษะขั้นสูงที่จะตองทําใหเกิดขึ้นใหได ดูไดอยางไรวาทักษะเราสูงแลวหรือยัง หากวิศวกรยังพึ่งพาการใชโปรแกรมคอมพิวเตอรชวยทํางานอยู นั่นก็แสดงวาทักษะเรา ยังพัฒนาไปไดอีก ยังถือวาอยูในระดับปานกลาง ระดับเซียนแลวจะแกปญหาเรื่องนี้โดย ไมใช โปรแกรมสําเร็จรูปอยาง CAESAR II หรือ AUTOPIPE เลย 3.3 ขั้นตอน การเลือกใส ชนิดของ restraint สําหรับ line บน pipe rack 1. หาอุณหภูมิการออกแบบ (design temperature) ของทอแตละเสน จากเอกสารที่ เกี่ยวของ เชน Line List, P&ID’s 2. คํานวณหา ระยะการขยายตัวมากที่สุดทอแตละเสน โดยการคูณ ความยาว ดวย อัตราการขยายตัว ( thermal expansion rate ) อาจใชเกณฑดังนี้ • โรงงานที่กอสรางใหม เราสามารถเผื่อทอขยายตัว ไดมากถึง 300 มม. • โรงงานเกา (existing plant) และมีพื้นที่ไมมาก อาจเผื่อไวไดถึง 200 mm. ซ่ึง ตองดูพื้นที่จริงอีกท ี 3. เราจะควบคุมการขยายตัวของทอ ดวยการใส line stop และ เพิ่ม expansion loop 4. การพิจารณาเพิ่ม expansion loop นั้นเราจะควบคุมดวยการขยายตัว (thermal expansion) ดวยหลักการสี่อยางตอไปนี้ a) การชนกัน (pipe clash) รูปที่ 4 b) ระยะยืดขยายตัวที่จุด Branch connection รูปที่ 5 c) ความยาวของ Shoe ความยาวของ shoe จะตองยาวเพียงพอเพื่อไมใหตกจากคาน(beam) ผูออกแบบมักจะลืมหรือไมรูตรงจุดนี้อยูบอยๆ ทําใหเกิดปญหา เมื่อทอเกิดการ ขยายตัวยืดจน shoe ตกลงมาแลวไมสามารถกลับสูตําแหนงติดต้ังไดเมื่อทอเย็น ตัวลง รูปที่ 6 d) pipe space เนื้อที่ชองวางระหวางทอ รูปที่ 7 หลักการทั้งสี่นี้จะกลาวถึงอยางละเอียดในหัวขอถัดไป 5. เพื่อความรวดเร็วในการทํางาน เราจะใช charts มาชวยในการหาขนาดของ loop แต ถาบริษัทของทาน ไมมี chart เอาไวใช ทานก็ตองคํานวณหาขนาด loop เอาเอง ซ่ึงวิธีการคํานวณ จะไดกลาวถึงตอไป แตโดยทางปฏิบัติแลวเราไมนิยมการคํานวณ เพราะทําใหเราทํางานไดชา ไมทันการ 6. ในการตัดสินใจวาทอเสนใดตองการ line stops และจะใสไวที่ตําแหนงไหน ให พิจารณาดังตอไปนี้ • สําหรับทอที่ไมจําเปนตองมี expansion loop ใหใส line stop ไวตรงกลาง ทอมากที่สุดเทาที่จะทําได เพื่อใหเกิดการ balance friction force ซ่ึงจะชวย ใหแรงที่กระทําที่จุด stop มีคานอยที่สุด • ทอเสนใดที่ตองมี expansion loop จะตองมี line stop อยูทั้งสองขาง ของ expansion loop ดังรูปตัวอยาง ซึ่งระยะที่จะใส line stop จะกลาวถึงในตอน ตอไป รูปที่ 8 ตวัอยาง ตําแหนงการติดตั้ง line stop and guide สําหรับ expansion loop 3.4 How to Design Expansion Loop ในระบบทอที่มีอุณหภูมิสูง อยางเชนทอไอน้ําความดันสูง จะมีการยืดตัวของทอ สูงมาก แรงและโมเมนต ก็สูงมากเชนกัน ถาหากระบบทอไมไดออกแบบใหมีความ ยืดหยุนดีพอ จะทําใหเกิดการพังเสียหายอยางใดอยางหนึ่งเกิดขึ้นแนนอน เชน • ทอ บิดโคงงอ เห็นไดอยางชัดเจน • ฉนวนทอพัง ยุบ หรือ ฉีกขาด • ผนังกําแพงคอนกรีตถูกทอขยายตัวดัน จนแตก • Support พัง เชน รอยเชื่อมขาด หรือ อาจจะโกงงอ เสียรูป เปนตน • มีกาซ หรือของเหลว รั่วไหลออกมาจากหนาแปลนทอ หรือ หนา แปลน อุปกรณตางๆ เชน equipment , valve • Pipe rack ลมพังทั้งแถบ ปญหาเหลานี้ มีใหเห็นมากในเมืองไทย รายแรงสุดก็โรงงานระเบิด ไฟไหม ปญหาสวนหนึ่ง มาจากเรื่อง piping stress แตเวลาทําการพิสูจน หาสาเหตุ เชื่อวา เจาของงานอีกมากทีไ่มทราบวาปญหาเหลานี้เกิดจากบริษัท รับเหมา ออกแบบระบบ ทอมาไมไดมาตรฐานดี ดังนั้นวิศวกรเจาของโรงงานควรจะมีความรูจริง ในเรื่องการ ออกแบบอยูบาง โดยเฉพาะเรื่อง piping stress analysis ตางประเทศเขาให ความสําคัญกับเรื่อง stress analysis มาก เพราะเปนสวนหนึ่งของ เรื่องความปลอดภัย หากเจาของงานไมมทีีมวิศวกรคอยตรวจสอบการออกแบบเอง ก็สามารถวาจางบริษัทที่ ปรึกษามาเปนผูตรวจสอบงานบริษัทรับเหมาอีกที การที่จะทําใหระบบทอมีความยืดหยุน (flexiblility) เพียงพอ มีหลักการอยู สอง ประการ คือ 1. เปลี่ยนทิศทางการเดินของทอ เชน ทํา expansion loop 2. ถาไมเปลี่ยนทิศทางการเดินของทอ ตองติดอุปกรณชวย เชน expansion joint หรือบางคนจะติด spring support ก็ยังชวยใหทอ ยืดหยุนไดเลย แตวา spring ชวยเฉพาะ ในแนวตั้งฉากกับพื้นโลกเทานั้น เนื้อหาบทนี้ผูแตงจะกลาวถึง เรื่อง expansion loop เพียงอยางเดียว สวนเรื่อง ของ expansion joint ไมขอกลาวถึงในบทนี้ What are important basic for design expansion loop ? ตามที่เคยกลาวไปแลว สิ่งที่สาํคัญในการพิจารณา ออกแบบ expansion loop มี 4 ประการ ดังตอไปนี้ 1 การชนกัน (Pipe Crash) การยืดขยายตัวของทอ ทําใหเกิดปญหาตางๆ มากมาย เชน • ทอยืดไปชน กับทออืน่ • เกิดแรงเสียดทาน (friction force) กระทําตอโครงสราง Pipe Rack ถาออกแบบ ไมดีจะเกิดการสะสมกันของแรงเสียดทาน ขนาดเปนตันๆ เลยทีเดียว เราสามารถควบคุมการชนกันของทอได โดยหาระยะหางระหวางทอที่เหลือ แลวจงึ ไปกําหนด จุด stopper หรือ anchor ซึ่งควรจะออกแบบใหวางอยูบน main column เพราะ โหลดที่กระทําบนจุด fixed point นั้นจะสูงมาก เนื่องจากมันเปนจุดรับแรงสะสม ของแรงเสียดทาน ถาโหลดสูงเกินขนาด 10 kN ควรจะ แจงใหทาง CIVIL ทราบ เพื่อที่ สามารถออกแบบ pipe rack ไดแข็งแรงเพียงพอกับโหลดจากระบบทอได แรงเสียด ทานขนาด 10 kN หรือ 1 ton ก็ประมาณรถกระบะหนึ่งคัน ทอทําใหเกิดแรงในแนวราบ ไดขนาดนี้เลยทีเดียว สิ่งที่วศิวกรใหมควรระวัง คือการใชโปรแกรมคอมพิวเตอร แกปญหา โดยสนใจแตผลของความเคนใหผาน แตละเลยแรงเสียดทาน ซึ่งจะมีคา มากมายมหาศาล หากออกแบบผิดหลัก ก็จะเกิดการสะสมกันของแรงเสียดทานขนาด เกิน 100 ตัน เลยทีเดียว ซ่ึงอาจทําให Pipe Rack ลมพังทั้งแถบ ก็เปนได หากวา Piping Stress Engineer ไมไดสงผลโหลดให Structural Engineer รูปที่ 9 ตัวอยางการคํานวณหา ระยะหางที่เหลือระหวางทอ และการบอกโหลดที่ line stop ใหทาง Structural Engineer 2 ระยะยืดตัวที่จุด branch connection ของทอ ใชหลักการ เหมือนขอหนึ่ง คือตอง หาระยะ X กอนแลว จึง ไปกําหนด จุดที่จะใส stopper รูปที่ 10 3. ความยาว ของ shoe (Shoe Length) เราจะเห็นบอยในโรงงาน นั่น ทาํไม ทอมัน ยืดขยายจนตก support หรือ beam ก็เพราะไมมีการคํานวณ การยืดขยายตัว ของทอ เมื่อทอเย็นตัว ระยะที่ยืดไปมันก็จะหด ตัวกลับสูปกติ ทีนี้มันก็จะดึงงัดตัว support หรือ beam จน พัง ได ทุกวันนี้ปญหานี้ก็ ยังมีใหเห็นอยูนะครับไมใช วาจะหมดไป ตราบใดที่ บริษัท contractor ยังขาดแคลน piping engineer ที่มีความเขาใจ เรื่อง piping stress analysis จากรูปที่ 11 เราตองพิจารณา อะไรบาง 1. ออกแบบให มีระยะ Shoe วางอยูบน Beam อยางนอย 50 mm. ก็จะทําใหทอ วางอยูบน beam ไดอยางมั่นคง 2. หา ระยะยืดตัวสูงสุด ที่ยอมรับได (allow thermal movement) กรณี สมมติ เทากับ 250 mm. ทอจะไมยืดไปชน กับทออื่น และไมตก beam 3. เปรียบเทียบระยะยืดตัวจริงกับระยะสูงสุดที่ยอมรับได ถานอยกวา ทอก็จะไมตก หลนจาก beam ถามากกวา ตองออกแบบตําแหนง stopper ใหม ถาทําไมได อาจจะทํา expansion loop เพื่อเพิ่ม flexibility ใหกับระบบทอ รูปที่ 11 4. Pipe Space ในกรณีที่เราออกแบบ existing plant ดังนั้น thermal ovement ก็จะถูกกําหนด โดย pipe space หลักการออกแบบก็ใช หลักเดียวกับ ขอ 1 การ design expansion loop การออกแบบ expansion loop ที่เหมาะสม จะทําให ภาระโหลดทอนอยที่สุด และ ไมสูญเสียความดันในระบบทอ(pressure drop) มากเกินไป ซ่ึงมีวิธีการดังนี้ พิจารณาจากรูปขางลาง ทอ 6” มีฉนวนหนา 50 มม. และทอ 10” มีฉนวนหนา 70 มม. คํานวณระยะที่เหลือ ที่พอจะใหทอยืด ได X = 150 mm. รูปที่ 12 ระยะหางระหวางทอทีเ่หลือ X = 150 mm. • หากทอยืดขยายตัวเกินคาจํากัด (150 มม.) ใหเราใส expansion loop ไวตรงกลาง ซ่ึงจะทําใหทอขยายตัวไปสองฝงเทาๆกัน ดังรูปที่ 13 รูปที่ 13 • ในกรณียืดตัวอยูในคาจํากัด 150 มม. เราสามารถใส Line Stop ตรงกลาง ไดเลย ดังรูปที่ 14 ปลายทอทั้งสองดาน ก็จะยืดออกไปทั้งสองดานเทาๆ กัน ดานหละ 75 มม. รูปที่ 14 • ถาตองการ Loop เพียง 1 Loop สามารถจัดสัดสวนตางๆ ออกเปน 4 สวน ดังรูปที่ 15 รูปที่ 15 • ถาหากตองมี Loop มากกวา 1 Loop สามารถจัดสัดสวนออกเปน 6 สวน ดังรูปที่ 16 รูปที่ 16 การกําหนดระยะ anchor point เมื่อมี expansion loop จํานวน 2 loop การทํางานเราไมควรจําวาจะแบงสัดสวนเปนเทาไร แตใหจําเฉพาะหลักการ ดังนี้ Step 1 วาดรูป ทอที่มี Loop ตามจํานวนที่ตองการ Step 2 กําหนด ตําแหนง Line Stop สองดานของ Loop Step 3 แบงสัดสวน ไดดังนี้ ระยะจาก Line Stop ถึง Line Stop ที่ครอม Loop แบงได สองสวนเทาๆกัน และ ระยะ Line Stop ถึง มุมปลายทอดานนอก เปน 1 สวน Step 4 นับทั้งหมดมีกี่สวน ลองดูนะวา Loop 4 Loop จะแบงไดเปนกี่สวน ถาไมได 10 ดังรูปที่ 17 ก็แสดงวาผูแตง ยังถายทอดไมดี รูปที่ 17 การกําหนดระยะ anchor point เมื่อมี expansion loop จํานวน 4 loop คําถามทายบท 1. ถาตองการ Loop 3 Loop จะแบง เปนกี่สวน ตอบ (8 สวน) 2. ทําไมถึงพยายามแบงสัดสวนใหเทาๆกัน ตอบ (การแบงสัดสวนเทาๆ กันจะมีผลทําให แรงที่ Line Stop นอยที่สุด) 3. จงคํานวณหา Friction Loads ดังรูปขางลาง 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 : ∆1 = α L = 2.20 x 20 = 44 mm In the N-S Direction the expansion to be absorbed is : ∆2 = α L = 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 = α L = 2.20 x 10 = 22 mm In the N-S Direction the expansion to be absorbed is : ∆2 = α L = 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 บทท่ี 5 SPRING HANGER DESIGN By Piya Kittitanesuan Lead Piping Engineer Pöyry Energy (Thailand) Ltd. ( update 22 January 2007) Spring ที่ใชในงานออกแบบระบบทอ มี อยู 2 ชนิด ดวยกัน คือ 1. Variable Spring spring ชนิดน้ี spring load จะมีการเปลี่ยนแปลง โดยขึ้นอยูกับระยะ vertical movement ของ spring จึงเรียกกันวา variable spring รูปที่ 1 ตวัอยาง variable spring support (ที่มา บริษัท Pipe Supports Limited) 2. Constant Spring Spring ชนิดน้ีถูกออกแบบมาให spring load ไมมีการเปลี่ยนแปลง ไปตามระยะ vertical movement ไมวา movement จะเกิดขึ้นเทาไรก็ตาม load ยังคงเดิม จึงเรียกกัน constant spring รูปที่ 2 ตัวอยาง constant spring support (ที่มา บริษัท Pipe Supports Limited) 1 จะเห็นไดวา spring ถูกเรียกตามการเปลี่ยนแปลงของโหลด ถาโหลดไมเปลี่ยนแปลงก็เรียก constant ถาโหลดเปลี่ยนก็เรียก variable คราวนี้มาดูหนาที่ของ spring ในบทนี้ จะกลาวถึงเฉพาะ variable เพียงอยางเดียว หนาที่ของ spring 1. เพื่อรักษา สมดุล ของระบบทอ หลังจากที่ทอมีการขยายตัว จากตําแหนงติดตั้ง (installed) ไปยัง operating หรือ บางที ก็เรียกวา จากตําแหนง Cold ไปยังตําแหนง Hot 2. อนุญาติใหมีการเคลื่อนที่ของทอ จากตําแหนง cold ไป hot ได ตางจาก rigid support ตรงที่ไมยอมใหทอ ขยายตัว เคล่ือนที่ไดงายๆ 3. spring สามารถทําให stress range ลดลงในระบบทอได ดวยเหตุน้ีน่ีเอง stress engineer ที่ประสบการณในการแกปญหา stress ยังไมมากพอ มักเลือกติด spring เพื่อ ทําให expansion stress ที่เกิดขึ้น ไมเกินคา allowable limit ซึ่งยังเปนเทคนิคทาง วิศวกรรมที่ไมดีนัก เมื่อไรเราจงึติดตัง้สปรงิ (WHEN WE INSTALL A SPRING) - เราสามารถ นํา spring มา ลด Forces & Moment ที่ กระทําตอ Nozzle ลงได จึง นํา spring มาติดดั้ง ใกลๆ nozzle ของ equipment เพื่อ จํากดั load ไมใหเกินคา limit ยกเวน equipment น้ันเปน พวก rotating equipment เชน pump, steam turbine driven ไมควรจะติดตั้ง spring ใกลๆ มัน เพราะจะทําให equipment สั่นสะเทือนไดงาย - เราสามารถ นํา spring มาชวยแกปญหา settlement ได เชน ถัง (Tank) ที่ไมไดตอก เสาเข็ม (piling) นานๆ ไปหลายปอาจเกิดการทรุดตัวของดิน (settlement) ถาหากเราติด rigid support เพื่อรองรับน้ําหนักทอกอนเขา tank อาจทําให flexibility ไมเพียงพอ มีวิธีการเลือกใช VARIABLE and CONSTANT กันอยางไร - ถา vertical movement ไมเกิน 70 mm ใหเราเลือกใช variable spring - ถา vertical movement เกิน 70 mm ให เราใช constant spring แทน variable spring Spring ไมควรติดตัง้ทีใ่ด - ที่ rotating equipment เชน pump เพราะวาจะทําให pump สั่นได บางทานอาจเลือก ติด spring ใกลๆ หนา pump เพื่อหวังทําให ระบบทอยืดหยุน โหลดที่กระทําลดลง ซึ่งดู เหมือนจะดี แตที่จริงแลว เปนวิธีที่ไมดี เพราะมันจะทําให ทอสั่นสะเทือนไดงายขึ้น เน่ืองจากปกติปม ก็เปนแหลงกําเนิดการสั่นสะเทือนอยูแลว ยิ่งติด spring เขาไป ยิ่งไปทํา ใหขนาดการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้น ถาหากสั่นจนกระทั่งถึงความถี่ธรรมชาติ ของระบบ ก็จะทํา ใหระบบทอสั่นสะเทือนอยางรุนแรงและพังเสียหายไดทั้งทอและ pump - reciprocating compressor เหตุผล ที่ไมควรติด ก็เชนเดียวกับ พวก rotating equipment เชนกัน - บน pipe rack ไมควรจะติด spring เลย จากประสบการณที่ทํางานมา เคยเห็น piping engineer ชาวตางประเทศ หลายสัญชาติ ทําการติดตั้ง spring บน pipe rack มากมาย หลายบริษัท แมกระทั่ง ที่ expansion loop ก็ยังมีเห็นติดตั้ง ถาหากเราพบเห็นการ ติดตั้ง spring บน pipe rack แลว พอจะคาดเดาไดเลยวา ผูออกแบบระบบทอขาดความรู เรื่อง piping stress อยางมาก เราอาจจะเคยคิดวาชาวตางประเทศ น้ันเกง โดยเฉพาะ 2 ฝรั่ง แตความจริงแลว ชาวตางชาติน้ันมาเรียนรู know how ทางดานนี้กับคนไทยนาน หลายปแลว - จุดที่ มีการแปลงเปลี่ยนการเคลื่อนที่ในแนว vertical เล็กนอยมาก น่ีก็เห็นประจํา ทอ ขยายตัว move แค 1 mm ก็ติด spring แลว เห็นบอย จริงๆ ไมไดพดูเลน โดยเฉพาะ พวกฝรั่งน่ันหละ เขาชอบติดกันจัง การติด spring ควรติดตั้งเมื่อจําเปนเทานั้น ยิ่งตดินอย เทาไร ยิ่งเปนการออกแบบที่ประหยัด แลว ยังลดการซอมบํารุง ลงดวย นอกจากนั้นแลว ไมตองเสี่ยงตอการที่ load เปลี่ยนไป เน่ืองจากการลาของ coil spring อีกดวย ดีไปหมดเลย สูตรที่ใช คาํนวณ แรงสปริง การคํานวณหา Installed Load (Cold Load) Cold Load = Hot Load + ( movement x spring rate ) a) ถา spring movement up ( เชน y=+10 mm. ) จะได สูตร เหมือนเดิม เปน Cold Load =Hot Load + (movement x spring rate) b) แตถา spring movement down ( เชน y = -10 mm. ) จะไดสูตร ดังน้ี 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 ไมควรให load เปลี่ยนแปลงเกิน 25 เปอรเซ็นต หาก Load variation เกิน 25 % ควรกลับไปทําการแกปญหา stress ใหมอีกครั้ง การเลือก Spring จาก Table (ยกตัวอยาง ตารางของ comet spring) ตารางที่ 1 เปน ตาราง คาโหลด สปริง ขนาดตางๆ ของยี่หอ pipe supports ( แตเดิมช่ือ ยี่หอ comet ) ซึ่งเปนผูผลิตสปริง รายใหญแหงหนึ่งของโลก และ มีโรงงานอยูที่ไทยดวย ดังน้ันผูแตงจึง ไดนํา สปริงยี่หอน้ี มาใหไดศึกษากัน กอนที่ จะเลือกใชขนาดเบอรสปริงใหเหมาะสม เราตองรูคา Hot Load, movement และ load variation (load variation น้ันเราจะเปนผูกําหนด วาจะใหไดมากที่สุดเทาไร ปกติ ผูผลิต แนะนําไมควร ใชเกิน 25 %) 3 Step 1 – คํานวณหา คา maximum spring rate จากสูตร Max. spring rate = Variation x Hot Load Movement Step 2 – นําคา hot load ที่ได มากําหนดหา ขนาดของ load โดยหาจาก column ในตาราง Step 3 – สําหรับขนาด size spring, เลือก series ของ spring ดวย spring rate ที่ตํ่ากวา ที่คํานวณไดใน step ที่ 1 Step 4 – คํานวณหา cold load จาก สูตร CL = HL + kx แลวก็ดูดวยวา cold load ที่ได ตกลงอยูใน working range ของ spring size นั้นหรือปลาว Step 5 - ถา cold load ไมอยูใน range ใหเราพยายาม หา spring size อื่นใหม ตัวอยาง สมมติ hot load = 5316 N และ travel จาก ตําแหนง 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 – คา hot load เราเทากับ 5316 ดังน้ันลอง 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 – จะเห็นวา cold load เกินคา max จนตก อยูในชวงที่เรียกวา over travel น่ันหมายความวา spring ที่เราเลือกน้ัน ออนไป เพราะฉะนั้น ตองเลือก size ใหม ใหเหมาะสม กวานี ้ 4 ตาราง 1. ตารางสปริงโหลด (ที่มา Pipe Support Ltd.) 5 ลองเลือกใช size V3-17 ซึ่ง มี spring rate = 22.6 N/mm (ตัวนี้ spring แข็งกวา) Step 3 – cold load = 5316 + 22.6 x 37.3 = 6158 N (OK load ไมเกินคา maximum) Check load variation = | 5316 –6158| / 5316 = 0.158 or 15.8 % OK เลือก อันนี้แหละครับ การเตรียม Spring Data Sheet ขั้นตอนตอไปคือการจัดเตรียม spring data sheet เพื่อที่เราจะไดทําใบ ขอราคา จากทาง vendor เพื่อที่จะใหเขา เสนอราคามาใหกับเรา กอนที่เราจะทําการ สั่งซื้อ คาตางๆ ที่จะตองกรอกใส data sheet คือตัวที่อยูภายใน เครื่องหมายวงเล็บ ( ) ดังตาราง ที่ 2 คาเหลานี้เราไดมาจากโปรแกรม CAESAR II โดยไปที่ Static Output Report ดังรูปที่ 1 ซึ่งเรา สามารถสั่งโปรแกรมใหแสดงผานหนาจอคอมพิวเตอรแบบ Text ธรรมดา หรือจะใหแสดงผาน โปรแกรม MS Word ก็ได ดังรปูที่ 2 และ 3 รูปที่ 1 6 รูปที่ 2 รูปที่ 3 ขอสังเกตุ Spring Output Report ที่ CAESAR II แสดงออกมา ดังรูป 2 และ 3 ไมได แสดง Movement ครบทั้ง แกน X และ Z เพราะวามันไมไดใชในการคํานวณแตอยางใด แตวา piping stress engineer จะตองเช็คคานี้ สาํหรับการออกแบบขนาดฐาน support ใหมีขนาดใหญพอ เพื่อ ไมใหเกิดปญหาทอเคล่ือนที่ตกจาก spring ซึ่งเราสามารถทราบคา movement ในแนว horizontal ไดจาก Displacement report ดังรูปที่ 4 และจะปรากฏผลลัพธดังรูปที่ 5 7 รูปที่ 4 รูปที่ 5 8 PROJECT NO. 300760 SPRING NO. SH-001 Calc No. Calc008 Node No. (1100) CLIENT : REQUISITION 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 ISO METRIC NO. : 2006-074-074 Rev.1 TYPE : … CONSTANT ; VARIABLE ; GRAPHITE … SUPPORT INSULATION ASME CODE … YES ANSI CODE … YES PROCESS DESIGN NAME OF FLUID : HPS (High Pressure Steam) OPERATING PRESSURE : 61 bar g SPRING SUPPORT TYPE : ( SPRING SUPPORT No. V1-17 ) SUPPORT SERIAL : By Vendor PIPE NOMINAL SIZE : 200 mm OPERATING TEMPERATURE : 528 oC PIPE INSULATION THICKNESS : 170 mm 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 X Y Z A B C D E OPERATING LOAD N 0 ( 6088 ) 0 ** ** ** ** ** MOVEMENT (+) mm MOVEMENT (-) mm ( 4.152 ) ( 4.454 ) ( 37.18 ) REMARK 1 ** By Vendor ตาราง 2. ตัวอยางการจัดเตรยีม spring data sheet 9 1 บทท่ี 7 Seismic Analysis By Piya K. Last Update 23 Sep 01 Seismic Analysis กค็อืการวิเคราะหแผนดินไหว (Earthquake) Piping Engineer ไมสามารถ คาด เดาลวงหนาไดเลยวาจะเกิด แผนดินไหวเม่ือไร และ สงผลกระทบรุนแรงตอระบบทอมากนอยเพียงไร ดงันั้นใน เขตพ้ืนท่ีมโีอกาสเกิดแผนดินไหวบอยๆ ควรจะออกแบบระบบทอให แข็งแรง มั่นคง เพียงพอที่จะรองรับเหตุ การณท่ีจะเกิดขึ้น อยางนอยๆ ก็ใหสามารถ operate ได ไมตํ่ ากวา หน่ึงรอยป ในประเทศไทย Plant สวนใหญต้ังอยูในเขตปลอดแผนดินไหว เชน โรงกล่ันน้ํ ามันเอสโซ , โรงกล่ันน้ํ า มันไทยออยล ท่ี อํ าเภอศรีราชา ดังน้ันโรงกล่ันน้ํ ามันท้ังสองโรงน้ีก็ไมตองออกแบบเผ่ือสํ าหรับแผนดินไหว ก็จะทํ า ใหประหยดังบประมาณในการออกแบบ ไดมากมาย ตัวอยางที่จะตองมีการทํ า seismic analysis กเ็ชนโรงแยก กาซ ของ shell ท่ี ประเทศ Philliplines เพราะวาตั้งอยูใน โซน แผนดินไหว ในบทน้ีเราจะเรียนรูวธีิการใช CAESAR II วเิคราะห ระบบทอวา สามารถ รองรับกับเหตุการณแผนดินไหวไดหรือไม CAESAR II สามารถทํ าการวิเคราะห seismic ได 2 แบบ คือ แบบ seismic และ แบบ static equivalent method แบบ แรกนั้นคอนขางยากและซับซอนเกินไป ในทางปฏับัติ piping engineer มกัเลือกใชวิธี static equivalent method แทน โดยการน ํา UBC Code มาใชรวมกับ ASME Code การวิเคราะห ( Analysis ) ดงัทีเ่คยกลาวมาแลววา seismic น้ัน เปน occasional case ดงันั้นใน CAESAR II เราตองแยก case ตางหากออกมาจากการท ํา static analysis โดยเราจะใชวิธีการแบบ equivalent ใหเราทํ า static load case รวมกับคา horizontal g force. ซึง่จะสามารถค ํานวณไดจาก UBC code section 1632 – Lateral Force on Elements of Structures, Nonstructural Components and Equipment Supported by Structures โดยกลาวไววา สวน (element) ของโครงสราง (structure) ใดๆ และ สวนที่ไมใช โครงสราง(nonstructural) ทีถู่กรองรับโดยโครง สราง ควรจะถูกออกแบบใหตานทานแรงจากแผนดินไหว (seismic forces) ซึง่ UBC Code ก ําหนดวิธีคํ านวณไว ใน Section 1632.2 แตสํ าหรับ attachment ท่ีมขีนาดน้ํ าหนักเบากวา 181 kg ไมจ ําเปนตอง ถูกน ํามาออกแบบ เชน furniture ในตวัโครงอาคาร nonstructural ในที่นี้ก็คือ piping ของเราท่ี ถูก support ไวกับ Structure หรือวา pipe rack ดงันั้นเพื่อ ใหเปนไปตามเง่ือนไขท่ี code วางเอาไว เราจะน ํา code มาประยุกตใชไดดังนี้ 2 วิธีการ หา Earthquake Load Derivation on the Piping: อนัดับแรกศึกษา Project Specification Requirement กอน DATA : Design Code ใหใช code UBC 1997 (ตาม Project Spec) Seismic Zone 1 ,2,3 or 4 แลวแต วา Plant อยูท่ีไหน Importance Factor (UBC category 3), Ip 1.0 เปด table 16-K Maximum Design Lateral Seismic Force Fpmax= 4.0 Ca Ip Wp (32-3) Minimun total Design Lateral Seismic Force Fpmin = 0.7 Ca Ip Wp (32-3) คา Fp จะคํ านวณโดยใชสูตร (32-2) Total Design Lateral Seismic Force , Fp Fp = ap Ca Ip 1 + 3hx Wp (32-2) Rp hr โดยที่ ap = in-structure Component Amplification Factor that varies from 1.0 to 2.5. (เปด 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. คาน้ีไมควรต่ํ ากว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 ท ําความเขาใจระยะ hx and hr ที ่apply ใชสํ าหรับงาน piping hr hx hx hx = hr hr hr กค็อื ระยะความสูงของหลังคา structural โดยเทียบกับ ระดับพ้ืนดิน hx กค็อื ระยะความสูงของ piping โดยเทียบกับระดับพื้นดิน สํ าหรับ seismic loading แลว friction ท่ีเกิดข้ึนท่ี supports เชน rest and guide ไมตองน ํามาพิจารณา สํ าหรับ ตานทานแรงแผนดินไหว(seismic forces) ดงันั้นใน CAESAR II เราตอง เอา คา ส.ป.ส แรงเสียดทานออกให หมด กอนที่จะ run analysis การ Design Piping เปนเรื่องที่ตองควรระวัง และ support ให ดอียางเหมาะสม โดยเฉพาะจุดที่ไมคอยมั่นคงและออนแอ เชน ทอที่วางอยูบน cantilever beam ถาเรา support ไมด ี ในขณะท่ีเกิดแผนดินไหว ทออาจจะตกลงมาจาก cantilever beam กไ็ด ยกตัวอยางอีกสักกรณีหนึ่ง line 2” branch มาจาก header 10” ในสภาวะ ปกต ิแลว case นีไ้มมีปญหาเลย support support ไมวา sustain connection เพร ในแนวแกน horiz Piping Stress A ตองแย U1 (OCC) U2 (OCC) W + P1 + U1 (O W + P1 + U2 (O ใหเราแยก case เฉพาะ operating อยาลืมนะ frictio คา ส.ป.ส ความเ รายละเ มาเสนอคราวหลัง รวบรวมใหเฉพาะ case หรือ าะวาทอ hea ontal ทํ าให nalysis For ก model ในก CC) CC) ออกมาพิจาร condition เ n ไมนํ ามาใช สียดทานออก อียด ,วธิกีารต ที่มีการปรับป สิ่งที่ส ําคัญๆ Nozzle and 3 expansion case แตมนัจะพังในกรณีที่เกิดแผนดินไหวไดตรงบริเวณ branch der ไมไดถูก support ไวกับ pipe rack อยางดีเพียงพอ มันเกิด seismic forces force ท่ี branch connection สูงเกินไปจนทํ าให branch พังเสียหายได Seismic Case by Using CAESAR II ารประเมณิ seismic effects ตาม load case ตอไปน้ี ณาใหมเลย อาจจะ save file name เปนชื่อใหม เลย และ case น้ีให พิจารณา ทานั้น design condition ไมตองพิจารณา  สํ าหรับการ seismic model ดงันั้นใน CAESAR II piping input model ตอง เอา ใหหมด (เตือนบอยจังเลย สงสัยคนแตงเปนโรคยํ ้าคิดยํ ้าทํ า) ั ้งคา และ เทคนิคในการ model piping input บนโปรแกรม CAESAR II ผมจะนํ า รุงเนื้อหาใหมนะครับ เพราะผมไมมีเวลามาจัดทํ าเลย ในตอนน้ี ใน sheet นี้จึง restraint loads B31.1 Code Compliance 4 หนาที ่ของ Piping Engineer 1. Piping Engineer จะตองออกแบบ ตรวจสอบ ระบบทอ ไมใหพังเสียหายในกรณี sustain case (primary) และ expansion case (secondary) แลวยังตอง ออกแบบระบบทอใหปองกันการพังเสียหายจาก seismic (occasional) ดวย 2. Piping Engineer ตองสง piping loads ใหทาง Civil Engineer ออกแบบ Structural สํ าหรับตาน ทาน แรงแผนดินไหว(seismic loads) ดวย 3. Piping Engineer ตอง design support ใหแขง็แรง สามารถตานทานแรงแผนดินไหวได การใชงานโปรแกรม STRESS-C Version 2.5 By Piya K (8 Feb 2006) Aim : to convert PDMS file to CAESAR II เพื่อประหยัดเวลาในการ model CAESAR II เปนการ work smart ไมได work hard Run program stressc.exe ใน folder C:\AVEVA\STRESSC2.5 ปอนขอมูลตาม step ดังนี้ Project Name = AMA Username/Pass =PPMANA/PPMANB Enter MDB Base Name = AMAPROJ Enter Pipe Name = 23LCA12BR010 หลังจากนั้น Enter โปรแกรม จะใหต้ังช่ือ CAESAR input ไฟล STRESS-C จะ generate neutral file มาสอง ไฟล คือ *.cii และ *.dat แลว STRESS-C เก็บไว convert ไวที่ไหนหละ? Folder ที่ใช convert file ถูกเก็บไวคือ C:\AVEVA\STRESSC2.5\ มาดูผลจากตัวอยางจริงกันดีกวา รูปขางลางนี้คือ PDMS model line number 23LBA15BR010 กอนที่จะทําการ convert ไป CAESAR II พอconvert ดวย STRESS-C แลวเขาโปรแกรม CAESAR II convert อีกตอหนึ่งจะได ดังนี้ หนาตาเหมือนกันเปะ เลย สังเกตุ ตัว valve จะไมมีมา ดังนั้นเราตองมาแกไข ใน CAESAR ดวยตัวเอง บทที่ 1 LONGITUDINAL PRESSURE STRESS HOOP PRESSURE STRESS เกณฑ์ค่าความเค้นสูงสุดที่ ยอมรับได้ ซึ่งแต่ละประเทศจะมีข้อกำหนดเป็นของตัวเอง สำหรับประเทศไทยยังไม่มีข้อกำหนดนี้ให้ใช้ โดยมากโรงงานในประเทศไทยใช้ หลักเกณฑ์ของอเมริกา ในแต่ละประเภทของโรงงาน ก็ยังกำหนดแตกต่างกันไปอีก เช่น โรงงานประเภท Power Plant ได้กำหนดใช้ Code B31.1 ส่วนโรงงานประเภท Process Plant ได้กำหนดใช้ Code B31.3 เนื่องจากส่วนใหญ่เราจะทำโรงงานประเภท Process Plant กัน ดังนั้นขอยกตัวอย่างของ Code B31.3 ซึ่งได้กำหนด Code stress allowable ไว้ดังต่อไปนี้ THE SUSTAIN ALLOWABLE STRESS คือการเอาค่า hot yield stress มาคูณด้วยค่า factor ซึ่ง sustained stresses ไม่ควรจะเกินค่า materials elastic limit ณ อุณหภูมิ ที่ operating หรือ อุณหภูมิที่ใช้ในการ design ถ้าเขียนเป็นสมการจะได้ดังนี้ THE EXPANSION ALLOWABLE STRESS RANGE ค่านี้จะต้องไม่เกิน สองเท่าของ yield stress คูณกับ safety factor , cyclic reduction factor ลบ ด้วยค่า mean stress ซึ่ง total stress range ( expansion บวกกับ sustained) ถูก set ไว้เท่ากับ สองเท่าของ yield stress THE OCCASIONAL STRESS คือ stress ที่เกิดขึ้นแบบชั่วขณะ หรือเกิดขึ้นเป็นบางครั้งบางคราว ไม่แน่ไม่นอน อาจจะมีหรือไม่มีก็ได้ เช่น แผ่นดินไหว(seismic ) wind load, water hammer เหล่านี้ยากต่อการคาดเดาว่าจะเกิดเมื่อไร อย่างไร รายละเอียดเกี่ยวกับ การวิเคราะห์ระบบท่อเมื่อเกิดแผ่นดินไหว ผมจะกล่าวอีกทีในบทที่ 7 Allowable stress สำหรับกรณีนี้ ASME Code ได้กำหนดให้มีค่ามากขึ้นกว่า Sh ประมาณ 10 ถึง 30 % หรือ 1.1Sh – 1.33Sh ขึ้นอยู่กับเราใช้ code ไหนในการออกแบบ เช่น B31.1 ใช้ 1.15Sh -1.2 Sh ส่วน B31.3 ใช้ 1.3 Sh เป็นต้น จะเห็นว่า B31.1 Power Piping ค่อนข้าง ใช้ safety factor สูงกว่า B31.3 Process Piping content-27Feb08.pdf First Page Pöyry Energy Ltd เกี่ยวกับผู้เขียน Table of Content บทที่ 2 Static Analysis x บทที่ 5 Spring Hanger Design x บทที่ 6 Jacket Pipe x - Minimum leg require for jacket pipe บทที่ 7 Dynamic x บทที่ 8 Seismic Analysis x - Seismic code Chapter 2 Static update 23 Jan 2007.pdf บทที่ 2 chapter 3 Pipe Racks Rev 1(19 Feb 07).pdf บทที่ 3 Pipe Rack and Expansion Loop Pöyry Energy (Thailand) Ltd. 3.1 Pipe rack design for process plants 3.2 ตำแหน่งการจัดวางท่อ บน Pipe Rack (Line Location In The P Chapter 4 Introduction to Pipe Support.pdf Stress analysis work is the Piping Engineer ‘s role to solve Now we are going to learn about how to solve the problem. On 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. pipe carbon steel A106 Gr.B at 200 (C (coefficient of expansion = 2.2 mm/m.) N 20 m. (1=44 mm. Answer N 20 m. (1= 22 mm. Answer Pipe Support Design – Rest Support Chapter 5 SPRING HANGER DESIGN.pdf บทที่ 5 Pöyry Energy (Thailand) Ltd. ( update 22 January 2007) เมื่อไรเราจึงติดตั้งสปริง (WHEN WE INSTALL A SPRING) สูตรที่ใช้ คำนวณ แรงสปริง วิธีทำ Seismic Analysis.pdf º··Õè 7 Seismic Analysis Last Update 23 Sep 01 Chapter 1 basic piping stress 29 Feb 08.pdf 2Bบทที่ 1 0BULONGITUDINAL PRESSURE STRESS 1BUHOOP PRESSURE STRESS 3B เกณฑ์ค่าความเค้นสูงสุดที่ ยอมรับได้ ซึ่งแต่ละประเทศจะมีข้อกำหนดเป็นของตัวเอง สำหรับประเทศไทยยังไม่มีข้อกำหนดนี้ให้ใช้ โดยมากโรงงานในประเทศไทยใช้ หลักเกณฑ์ของอเมริกา ในแต่ละประเภทของโรงงาน ก็ยังกำหนดแตกต่างกันไปอีก เช่น โรงงานประเภท Power Plant ได้กำหนดใช้ Code B31.1 ส่วนโรงงานประเภท Process Plant ได้กำหนดใช้ Code B31.3 4B เนื่องจากส่วนใหญ่เราจะทำโรงงานประเภท Process Plant และ Power Plant กัน ดังนั้นขอยกตัวอย่างของ ทั้ง Code B31.1 และ B31.3 ซึ่ง code B31.3 ได้กำหนด Code stress allowable ไว้ดังต่อไปนี้ 5BUTHE SUSTAIN ALLOWABLE STRESS 6Bคือการเอาค่า hot yield stress มาคูณด้วยค่า factor ซึ่ง sustained stresses ไม่ควรจะเกินค่า materials elastic limit ณ อุณหภูมิ ที่ operating หรือ อุณหภูมิที่ใช้ในการ design ถ้าเขียนเป็นสมการจะได้ดังนี้ 7BUTHE EXPANSION ALLOWABLE STRESS RANGEU 8Bค่านี้จะต้องไม่เกิน สองเท่าของ yield stress คูณกับ safety factor , cyclic reduction factor ลบ ด้วยค่า mean stress ซึ่ง total stress range ( expansion บวกกับ sustained) ถูก set ไว้เท่ากับ สองเท่าของ yield stress 9BUTHE OCCASIONAL STRESSU คือ stress ที่เกิดขึ้นแบบชั่วขณะ หรือเกิดขึ้นเป็นบางครั้งบางคราว ไม่แน่ไม่นอน อาจจะมีหรือไม่มีก็ได้ เช่น แผ่นดินไหว(seismic ) wind load, water hammer เหล่านี้ยากต่อการคาดเดาว่าจะเกิดเมื่อไร อย่างไร รายละเอียดเกี่ยวกับ การวิเคราะห์ระบบท่อเมื่อเกิดแผ่นดินไหว ผมจะกล่าวอีกทีในบทที่ 7 10B Allowable stress สำหรับกรณีนี้ ASME Code ได้กำหนดให้มีค่ามากขึ้นกว่า Sh ประมาณ 10 ถึง 30 % หรือ 1.1Sh – 1.33Sh ขึ้นอยู่กับเราใช้ code ไหนในการออกแบบ เช่น B31.1 ใช้ 1.15Sh -1.2 Sh ส่วน B31.3 ใช้ 1.3 Sh เป็นต้น จะเห็นว่า B31.1 Power Piping ค่อนข้าง ใช้ safety factor สูงกว่า B31.3 Process Piping Chapter 1 basic piping stress 29 Feb 08.pdf 2Bบทที่ 1 0BULONGITUDINAL PRESSURE STRESS 1BUHOOP PRESSURE STRESS 3B เกณฑ์ค่าความเค้นสูงสุดที่ ยอมรับได้ ซึ่งแต่ละประเทศจะมีข้อกำหนดเป็นของตัวเอง สำหรับประเทศไทยยังไม่มีข้อกำหนดนี้ให้ใช้ โดยมากโรงงานในประเทศไทยใช้ หลักเกณฑ์ของอเมริกา ในแต่ละประเภทของโรงงาน ก็ยังกำหนดแตกต่างกันไปอีก เช่น โรงงานประเภท Power Plant ได้กำหนดใช้ Code B31.1 ส่วนโรงงานประเภท Process Plant ได้กำหนดใช้ Code B31.3 4B เนื่องจากส่วนใหญ่เราจะทำโรงงานประเภท Process Plant และ Power Plant กัน ดังนั้นขอยกตัวอย่างของ ทั้ง Code B31.1 และ B31.3 ซึ่ง code B31.3 ได้กำหนด Code stress allowable ไว้ดังต่อไปนี้ 5BUTHE SUSTAIN ALLOWABLE STRESS 6Bคือการเอาค่า hot yield stress มาคูณด้วยค่า factor ซึ่ง sustained stresses ไม่ควรจะเกินค่า materials elastic limit ณ อุณหภูมิ ที่ operating หรือ อุณหภูมิที่ใช้ในการ design ถ้าเขียนเป็นสมการจะได้ดังนี้ 7BUTHE EXPANSION ALLOWABLE STRESS RANGEU 8Bค่านี้จะต้องไม่เกิน สองเท่าของ yield stress คูณกับ safety factor , cyclic reduction factor ลบ ด้วยค่า mean stress ซึ่ง total stress range ( expansion บวกกับ sustained) ถูก set ไว้เท่ากับ สองเท่าของ yield stress 9BUTHE OCCASIONAL STRESSU คือ stress ที่เกิดขึ้นแบบชั่วขณะ หรือเกิดขึ้นเป็นบางครั้งบางคราว ไม่แน่ไม่นอน อาจจะมีหรือไม่มีก็ได้ เช่น แผ่นดินไหว(seismic ) wind load, water hammer เหล่านี้ยากต่อการคาดเดาว่าจะเกิดเมื่อไร อย่างไร รายละเอียดเกี่ยวกับ การวิเคราะห์ระบบท่อเมื่อเกิดแผ่นดินไหว ผมจะกล่าวอีกทีในบทที่ 7 10B Allowable stress สำหรับกรณีนี้ ASME Code ได้กำหนดให้มีค่ามากขึ้นกว่า Sh ประมาณ 10 ถึง 30 % หรือ 1.1Sh – 1.33Sh ขึ้นอยู่กับเราใช้ code ไหนในการออกแบบ เช่น B31.1 ใช้ 1.15Sh -1.2 Sh ส่วน B31.3 ใช้ 1.3 Sh เป็นต้น จะเห็นว่า B31.1 Power Piping ค่อนข้าง ใช้ safety factor สูงกว่า B31.3 Process Piping content-4Mar08.pdf PRACTICAL PIPING STRESS HANDBOOK Pöyry Energy Ltd เกี่ยวกับผู้เขียน Page บทที่ 2 Static Analysis x บทที่ 5 Spring Hanger Design x บทที่ 6 Jacket Pipe x - Minimum leg require for jacket pipe บทที่ 7 Dynamic x บทที่ 8 Seismic Analysis x - Seismic code Chapter 1 basic piping stress 29 Feb 08.pdf 2Bบทที่ 1 0BULONGITUDINAL PRESSURE STRESS 1BUHOOP PRESSURE STRESS 3B เกณฑ์ค่าความเค้นสูงสุดที่ ยอมรับได้ ซึ่งแต่ละประเทศจะมีข้อกำหนดเป็นของตัวเอง สำหรับประเทศไทยยังไม่มีข้อกำหนดนี้ให้ใช้ โดยมากโรงงานในประเทศไทยใช้ หลักเกณฑ์ของอเมริกา ในแต่ละประเภทของโรงงาน ก็ยังกำหนดแตกต่างกันไปอีก เช่น โรงงานประเภท Power Plant ได้กำหนดใช้ Code B31.1 ส่วนโรงงานประเภท Process Plant ได้กำหนดใช้ Code B31.3 4B เนื่องจากส่วนใหญ่เราจะทำโรงงานประเภท Process Plant และ Power Plant กัน ดังนั้นขอยกตัวอย่างของ ทั้ง Code B31.1 และ B31.3 ซึ่ง code B31.3 ได้กำหนด Code stress allowable ไว้ดังต่อไปนี้ 5BUTHE SUSTAIN ALLOWABLE STRESS 6Bคือการเอาค่า hot yield stress มาคูณด้วยค่า factor ซึ่ง sustained stresses ไม่ควรจะเกินค่า materials elastic limit ณ อุณหภูมิ ที่ operating หรือ อุณหภูมิที่ใช้ในการ design ถ้าเขียนเป็นสมการจะได้ดังนี้ 7BUTHE EXPANSION ALLOWABLE STRESS RANGEU 8Bค่านี้จะต้องไม่เกิน สองเท่าของ yield stress คูณกับ safety factor , cyclic reduction factor ลบ ด้วยค่า mean stress ซึ่ง total stress range ( expansion บวกกับ sustained) ถูก set ไว้เท่ากับ สองเท่าของ yield stress 9BUTHE OCCASIONAL STRESSU คือ stress ที่เกิดขึ้นแบบชั่วขณะ หรือเกิดขึ้นเป็นบางครั้งบางคราว ไม่แน่ไม่นอน อาจจะมีหรือไม่มีก็ได้ เช่น แผ่นดินไหว(seismic ) wind load, water hammer เหล่านี้ยากต่อการคาดเดาว่าจะเกิดเมื่อไร อย่างไร รายละเอียดเกี่ยวกับ การวิเคราะห์ระบบท่อเมื่อเกิดแผ่นดินไหว ผมจะกล่าวอีกทีในบทที่ 7 10B Allowable stress สำหรับกรณีนี้ ASME Code ได้กำหนดให้มีค่ามากขึ้นกว่า Sh ประมาณ 10 ถึง 30 % หรือ 1.1Sh – 1.33Sh ขึ้นอยู่กับเราใช้ code ไหนในการออกแบบ เช่น B31.1 ใช้ 1.15Sh -1.2 Sh ส่วน B31.3 ใช้ 1.3 Sh เป็นต้น จะเห็นว่า B31.1 Power Piping ค่อนข้าง ใช้ safety factor สูงกว่า B31.3 Process Piping