Sistem de conducte

Sistem de conducte utilizat pentru manipularea hidrocarburilor.

Un sistem de conducte (în engleză piping ), în inginerie , indică ansamblul mai mult sau mai puțin complex de conducte care conectează diferitele echipamente ale unei instalații (de exemplu hidraulice , chimice sau petrochimice ). Sistemul de conducte permite interceptarea, transportul și acumularea de lichide (lichide sau gazoase) destinate diferiților utilizatori.

Elemente

Elemente ale sistemului de conducte din oțel.

Țevi

Același subiect în detaliu: Pipe .

Țeava este o secțiune cilindrică de metal formată dintr-o singură foaie de metal (de exemplu, oțel , cupru). Țevile de oțel sunt utilizate pe scară largă în industria chimică și în multe aplicații, dar este, de asemenea, posibil să existe țevi din alte materiale decât oțelul și cu cele mai variate aplicații; în special:

oțeluri slab aliate
oțeluri acoperite ( acoperite cu teflon , vitrificate )
oțeluri foarte aliate (de exemplu: oțeluri inoxidabile )
diferite aliaje metalice ( crom , nichel , titan , molibden , vanadiu etc.)
fontă
materiale plastice
beton
cupru
sticlă ^[1]
mai multe materiale strâns legate între ele (așa-numitele țevi multistrat , având un miez de aluminiu acoperit, extern și intern, de materiale plastice)

Diferitele materiale utilizate pentru construcția conductelor sunt legate de starea și condițiile fluidului transportat; parametrii fundamentali pentru alegerea materialului sunt:

agresivitatea fluidului transportat (corozivitate, capacitate oxidativă / reductivă, abrazivitate mecanică);
Temperatura de Operare;
presiune.

Costul unor țevi, de exemplu, în special aliajele metalice, poate fi enorm mai mare decât cel al țevilor metalice obișnuite; în mai multe cazuri, însă, datorită naturii fluidelor transportate, alegerea materialului este foarte limitată și adesea aproape obligatorie.

Conducte

Țevi de diferite dimensiuni depozitate într-un depozit

Țevile, fiecare cu funcția sa specifică, dimensiunea și caracteristica materialului, se combină pentru a forma un sistem complex (tocmai „conducta”) care permite transferul de fluide în interiorul unei instalații. Transferul poate avea loc între o fază de procesare și alta sau de la materia primă care intră în fabrică la produsul final.

În plus față de țevile rigide, există o gamă largă de țevi flexibile, în materiale variind de la diferiți compuși din cauciuc, până la PTFE, până la silicon. În termeni generali, toate aceste articole au caracteristica de a putea lucra cu presiuni ridicate și temperaturi relativ scăzute.

Trebuie să funcționeze în intervalul de temperatură ridicat sau pentru transferul de gaz acolo unde este necesară etanșarea ermetică, sunt utilizate tuburi metalice flexibile.

Articulații

Îmbinarea flanșei între două țevi.

Țevile pot fi unite între ele prin diferite tipuri de îmbinări , care pot fi:

sudare
cu cupe sudate
cu cupe nesudate
cu flanse
special
mânecă
uniune
rapid

Pentru îmbinarea țevilor din fontă, se folosește plumb topit la care se suprapune frânghia asfaltată. Pentru furtunurile de cauciuc, se folosesc lipici sau inele de cauciuc.

Flanse

Același subiect în detaliu: Flanșă .

Flansele sunt plăci metalice perforate în jurul perimetrului și sudate la capătul unei țevi pentru a permite îmbinarea acesteia cu alte țevi echipate cu flanșe sau cu alte echipamente. Flanșele sunt ținute împreună de piulițe și „tiranți” (sau „știfturi”). Tirantele sunt tije metalice filetate introduse între două găuri ale două flanșe. Piulițele, inelele metalice care blochează tirantul și asigură cuplarea permanentă a celor două flanșe sunt înșurubate la cele două capete ale fiecărui tirant.

Fitinguri sau piese speciale

Cot 90 °.

Fitingurile au sarcina de a uni două sau mai multe țevi împreună (sau de a închide o țeavă), chiar și de diametre diferite. Unele tipuri de fitinguri sunt:

Cot 90 °
90 ° îndoire
Cot de 45 °
cot cu unire
Tee 90 °
O singură curbă
reducere și creștere
traversa
biberon
coajă
Plută
distribuția cotului
distribuție încrucișată
flexibil
comprimare
inel de tăiere

În corespondență cu armăturile există pierderi semnificative de presiune , care trebuie luate în considerare în timpul proiectării.

Supape

Același subiect în detaliu: Supapă (hidraulică) .

Supapele aparțin, de asemenea, conductelor, împreună cu celelalte dispozitive de reglare și oprire.

Compensatoare și suporturi

Compensator burduf

Schema unui compensator de lire "omega"

Compensatoarele sunt plasate în punctele cruciale ale sistemului de conducte. Compensatoarele sunt elemente flexibile care deformează contracarează efectul dilatărilor termice suferite de conducte. Câteva exemple de compensatoare sunt „compensatoare lire” (sau „omega”) și „compensatoare burduf”. Acestea sunt cuplate cu „suporturi”, care acționează ca constrângeri mobile.

Proiecta

Un sistem de conducte.

La momentul proiectării, un sistem de conducte necesită studii atente care, pornind de la definirea traseului în interiorul sistemului fiecărei conducte , rezolvă toate dificultățile legate de conexiuni, armături , suduri , suport, împingeri și deformări pentru a ajunge la buna funcționare. teste (teste hidraulice și de etanșare), vopsire și izolare .

În domeniul sistemelor de conducte, proiectantul și proiectantul sunt persoana principală de contact, trebuind să cunoască toate problemele inerente materialelor care alcătuiesc țevile, spațiile minime necesare pentru realizarea instalației, care sunt cele mai potrivite fitinguri pentru scopul, modul de conectare a oricărei conducte la echipamentele din aval și din amonte. Știe și are abilitățile necesare pentru a rezolva problemele cauzate de greutatea, temperatura și presiunea la care sunt supuse conductele.

Verificarea funcționării unui sistem de conducte

Unul dintre cele mai practice exemple care pot fi găsite este conexiunea dintre mai multe bazine de apă pentru a permite întotdeauna alimentarea continuă a unei rețele, cum ar fi cea a unui oraș. Pentru a evalua pe deplin operațiunea, ar trebui să se cunoască dimensiunile firelor libere ale rezervoarelor, lungimile și diametrele conductelor și rugozitatea acestora, dimensiunile prevăzute în nodurile de rețea individuale, definind nodul oricărui punct în care converg mai mult de două conducte, sau unde putem găsi o schimbare în diametru sau rugozitate. Necunoscutele unui sistem de conducte știu care va fi debitul fiecărei părți a rețelei de încărcare.

Pentru fiecare nod, ecuația de continuitate poate fi scrisă:

\mathrm {T} Q_{i}-\mathrm {T} Q_{j}=0

{\ displaystyle \ mathrm {T} Q_ {i} - \ mathrm {T} Q_ {j} = 0}

{\ displaystyle \ mathrm {T} Q_ {i} - \ mathrm {T} Q_ {j} = 0}

Suma este considerată extinsă la toate laturile care converg în nod, iar fluxul de intrare este considerat pozitiv și fluxul de ieșire negativ. Această formulă trebuie aplicată tuturor nodurilor. Pentru a cunoaște debitele ar trebui să cunoaștem pierderile de cap de-a lungul fiecărei părți, pe care le putem scrie în ecuația generală:

H_{j}-H_{j+1}=L_{i}\cdot k_{i}\cdot Q_{i}^{2}\cdot D_{i}^{-n_{i}}=\beta _{i}\cdot Q_{i}^{2}

{\ displaystyle H_ {j} -H_ {j + 1} = L_ {i} \ cdot k_ {i} \ cdot Q_ {i} ^ {2} \ cdot D_ {i} ^ {- n_ {i}} = \ beta _ {i} \ cdot Q_ {i} ^ {2}}

{\ displaystyle H_ {j} -H_ {j + 1} = L_ {i} \ cdot k_ {i} \ cdot Q_ {i} ^ {2} \ cdot D_ {i} ^ {- n_ {i}} = \ beta _ {i} \ cdot Q_ {i} ^ {2}}

Unde este:

H sunt sarcinile
L lungimile laturilor
Îi iau
D diametrul

Această ecuație va trebui scrisă de mai multe ori pentru fiecare parte. Ecuațiile m și n pe care le putem scrie cu privire la prima și a doua ecuații descriu întreaga problemă.

Exemplu de două tancuri

Cel mai simplu exemplu este cel al a două rezervoare, A și B care alimentează o rețea de oraș cu un debit Q _g , fiecare ramură a celor două rezervoare conectate la nod are o lungime L cu un coeficient Strickler-Manning relativ la rugozitatea cunoscută, astfel ca diametrul celor două conducte. Cele două tancuri sunt poziționate la o diferență de înălțime Δz . Cele două țevi care pleacă de la rezervoare sunt conectate în nodul N.

Putem scrie sistemul de ecuații:

{\begin{cases}Q_{NU}=Q_{AN}+Q_{BN}\\J_{AN}\cdot l=J_{BN}\cdot l+\Delta z_{AB}\end{cases}}

{\ displaystyle {\ begin {cases} Q_ {NU} = Q_ {AN} + Q_ {BN} \\ J_ {AN} \ cdot l = J_ {BN} \ cdot l + \ Delta z_ {AB} \ end { cazuri}}}

{\ displaystyle {\ begin {cases} Q_ {NU} = Q_ {AN} + Q_ {BN} \\ J_ {AN} \ cdot l = J_ {BN} \ cdot l + \ Delta z_ {AB} \ end { cazuri}}}

Q=v\cdot \Omega =\Omega \cdot k_{s}\cdot R^{\frac {2}{3}}\cdot J^{\frac {1}{2}}\Rightarrow J={\frac {Q^{2}}{k_{s}^{2}\cdot R^{\frac {4}{3}}\cdot \Omega ^{2}}}

{\ displaystyle Q = v \ cdot \ Omega = \ Omega \ cdot k_ {s} \ cdot R ^ {\ frac {2} {3}} \ cdot J ^ {\ frac {1} {2}} \ Rightarrow J = {\ frac {Q ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ {2}}}}

{\ displaystyle Q = v \ cdot \ Omega = \ Omega \ cdot k_ {s} \ cdot R ^ {\ frac {2} {3}} \ cdot J ^ {\ frac {1} {2}} \ Rightarrow J = {\ frac {Q ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ {2}}}}

Unde este:

J sunt căderile de presiune
R este raza hidraulică

Care devine apoi:

J_{AN}={\frac {Q_{AN}^{2}}{k_{s}^{2}\cdot R^{\frac {4}{3}}\cdot \Omega ^{2}}}

{\ displaystyle J_ {AN} = {\ frac {Q_ {AN} ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ { 2}}}}

{\ displaystyle J_ {AN} = {\ frac {Q_ {AN} ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ { 2}}}}

J_{BN}={\frac {Q_{BN}^{2}}{k_{s}^{2}\cdot R^{\frac {4}{3}}\cdot \Omega ^{2}}}

{\ displaystyle J_ {BN} = {\ frac {Q_ {BN} ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ { 2}}}}

{\ displaystyle J_ {BN} = {\ frac {Q_ {BN} ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ { 2}}}}

Care devine apoi:

{\frac {Q_{AN}^{2}}{k_{s}^{2}\cdot R^{\frac {4}{3}}\cdot \Omega ^{2}}}\cdot l={\frac {Q_{BN}^{2}}{k_{s}^{2}\cdot R^{\frac {4}{3}}\cdot \Omega ^{2}}}\cdot l-\Delta z_{AB}

{\ displaystyle {\ frac {Q_ {AN} ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ {2}}} \ cdot l = {\ frac {Q_ {BN} ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ {2}}} \ cdot l- \ Delta z_ {AB}}

{\ displaystyle {\ frac {Q_ {AN} ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ {2}}} \ cdot l = {\ frac {Q_ {BN} ^ {2}} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ {2}}} \ cdot l- \ Delta z_ {AB}}

Să punem coeficientul α :

\alpha ={\frac {l}{k_{s}^{2}\cdot R^{\frac {4}{3}}\cdot \Omega ^{2}}}

{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {l} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ {2}}}}

{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {l} {k_ {s} ^ {2} \ cdot R ^ {\ frac {4} {3}} \ cdot \ Omega ^ {2}}}}

Deci putem scrie:

{\begin{cases}Q_{AN}=Q_{NU}-Q_{BN}\Rightarrow Q_{AN}^{2}=(Q_{NU}-Q_{BN})^{2}=Q_{NU}^{2}-2Q_{NU}Q_{BN}+Q_{BN}^{2}\\Q_{AN}^{2}={\frac {Q_{BN}^{2}\cdot \alpha -\Delta z_{AB}}{\alpha }}\end{cases}}

{\ displaystyle {\ begin {cases} Q_ {AN} = Q_ {NU} -Q_ {BN} \ Rightarrow Q_ {AN} ^ {2} = (Q_ {NU} -Q_ {BN}) ^ {2} = Q_ {NU} ^ {2} -2Q_ {NU} Q_ {BN} + Q_ {BN} ^ {2} \\ Q_ {AN} ^ {2} = {\ frac {Q_ {BN} ^ {2} \ cdot \ alpha - \ Delta z_ {AB}} {\ alpha}} \ end {cases}}}

{\ displaystyle {\ begin {cases} Q_ {AN} = Q_ {NU} -Q_ {BN} \ Rightarrow Q_ {AN} ^ {2} = (Q_ {NU} -Q_ {BN}) ^ {2} = Q_ {NU} ^ {2} -2Q_ {NU} Q_ {BN} + Q_ {BN} ^ {2} \\ Q_ {AN} ^ {2} = {\ frac {Q_ {BN} ^ {2} \ cdot \ alpha - \ Delta z_ {AB}} {\ alpha}} \ end {cases}}}

Că putem dezvolta și scrie cele două rapoarte:

{\begin{cases}Q_{BN}={\frac {\alpha \cdot Q_{NU}^{2}+\Delta z_{AB}}{2\alpha Q_{NU}}}\\Q_{AN}=Q_{NU}-Q_{BN}\end{cases}}

{\ displaystyle {\ begin {cases} Q_ {BN} = {\ frac {\ alpha \ cdot Q_ {NU} ^ {2} + \ Delta z_ {AB}} {2 \ alpha Q_ {NU}}} \\ Q_ {AN} = Q_ {NU} -Q_ {BN} \ end {cases}}}

{\ displaystyle {\ begin {cases} Q_ {BN} = {\ frac {\ alpha \ cdot Q_ {NU} ^ {2} + \ Delta z_ {AB}} {2 \ alpha Q_ {NU}}} \\ Q_ {AN} = Q_ {NU} -Q_ {BN} \ end {cases}}}

Analiza stresului

Stivuirea unei conducte conectate pentru transportul produselor petroliere

Strict în aval de o setare corectă a diagramelor structurale ale unei țevi proiectate (care este un set compozit dintr-un domeniu structural specific) există posibilitatea de a efectua, înainte de finalizarea proiectării, o verificare de calcul numită analiza de solicitare (în engleză analiza tensiunii ), care permite pe baza datelor conexe (constrângeri mecanice, presiune, temperatură, materiale, componente) să prezică tensiunile (eforturile) care ar insista asupra părților conductei, permițând astfel să se cunoască în prealabil siguranța operațională marjele conductei în sine (adică dacă conducta este potrivită pentru a rezista condițiilor) sau depășirea acestor marje (adică dacă conducta nu este potrivită pentru a rezista condițiilor), așa cum este de înțeles, calculul este fundamental înainte de construire conducta, mai ales atunci când există condiții periculoase de presiune și temperatură (în special variază temperatura, cu expansiunea diferențială consecventă), solicitări dinamice și oboseală.

Prin urmare, schema propusă poate fi recunoscută prin calcul ca fiind corectă sau poate fi considerată deficitară, incorectă sau inadecvată și poate fi modificată în consecință. În acest moment, schema modificată va fi supusă din nou calculului de control.

Într-o mare măsură, analiza este, prin urmare, prezicerea a ceea ce s-ar întâmpla dacă s-ar crea o schemă propusă și, foarte important, evidențierea punctelor critice, cu indicarea posibilității de a o realiza într-un alt mod în cazul în care este greșit sau inadecvat.

Analiza poate fi preventivă (înainte de efectuarea lucrării), dar și de control sau verificare, (pentru a ști în ce stare de funcționare a „eforturilor” este o lucrare deja finalizată).

Procedurile de calcul se efectuează de obicei cu programe de calculator specifice, deoarece calculul, în structuri foarte complexe, depășește cu ușurință posibilitățile practice normale ale calculului manual individual.

Cunoașterea bună (preliminară) a bazelor teoretice ale constituirii schemelor și (în orice caz) a calculului analizei, de către operator în momentul introducerii datelor în sistemul de calcul, permite o utilizare virtuoasă a programului de calculator în sine, care la rândul său se limitează la a da răspunsuri la datele de intrare. În rezumat (ca întotdeauna cu programele de calcul), criteriul este că, dacă introduceți condiții și date discutabile sau incorecte, veți avea răspunsuri în consecință.

Pentru o schemă bine definită, analiza stresului are scopul principal de a controla siguranța optimă, pe baza condițiilor admisibile; în al doilea rând, analiza stresului este un mijloc excelent de optimizare a costurilor, permițând identificarea schemelor care, în conformitate cu aceste condiții, permit realizări mai puțin împovărătoare, simplificate și, prin urmare, intrinsec mai sigure și mai puțin costisitoare.

Notă

^ Tuburile de sticlă sunt utilizate în aplicații speciale, de exemplu pentru manipularea substanțelor puternic acide.

Bibliografie

( EN ) John J. McKetta, Piping Design Handbook , Marcel Dekker, Inc., 1992, ISBN 0-8247-8570-3 .
( EN ) Mohinder L. Nayyar, Piping Handbook , ediția a VII-a, McGraw-Hill, 2000, ISBN 0-07-047106-1 .
(EN) Robert H. Perry , Don W. Green, James O. Maloney, Perry's Chemical Engineers 'Handbook , ediția a VII-a, McGraw-Hill, 1997, ISBN 0-07-049841-5 .