لوله کشی برودتی به شبکه لوله کشی اطلاق می شود که زیر 290- درجه سانتیگراد کار می کند. این دما نشان دهنده مرزبندی شکنندگی برای مواد فولاد کربنی است. با این حال، ادبیات مختلف، سیستم‌های لوله‌کشی را که کمتر از -1500 درجه سانتیگراد (-3000F) کار می‌کنند، به‌عنوان سیستم‌های لوله‌کشی برودتی به معنای واقعی در نظر می‌گیرند. پردازش و حمل و نقل صنعتی پروپان، بوتان (LPG)، متان (LNG)، اتیلن، نیتروژن، آمونیاک، اکسیژن و غیره نیاز به استفاده گسترده از سیستم لوله کشی برودتی دارد. این سیستم های لوله کشی باید با دقت خاصی طراحی شوند تا در چنین دماهای پایینی کار کنند. در این مقاله، جزئیات بیشتری در مورد لوله کشی برودتی بررسی خواهیم کرد.
خواص مواد برودتی رایج
مواد برودتی به صورت تبخیر بی بو، بی مزه و بی رنگ هستند. مایعات برودتی باید به دقت مورد استفاده قرار گیرند زیرا ممکن است باعث سوختگی پوست و سرمازدگی شوند. جدول 1 زیر دمای مایع و نسبت انبساط مایع به گاز برخی از مواد برودتی رایج را فهرست می کند:
جدول-1: خواص مواد برودتی رایج
چرا لوله کشی کرایوژنیک چالش برانگیز است؟
از آنجایی که دما در طول شرایط عملیاتی بسیار کم می شود، مواد لوله با انواع مختلفی از خوردگی و مسائل زوال مواجه می شود زیرا خواص شیمیایی و فیزیکی مواد تغییر می کند. سیستم های لوله کشی معمولی نمی توانند گاز پردازش را به شکل مایع نگه دارند. همچنین، همانطور که از جدول 1 مشاهده می شود، مایعات برودتی هنگام تبخیر حجم زیادی از گازها تولید می کنند. بنابراین، اگر آنها در داخل یک ظرف دربسته تبخیر شوند، ظرف ممکن است به دلیل فشار بسیار زیاد ترکیده شود. در نتیجه، این لوله‌کشی برودتی به نوع خاصی از مواد، تکیه‌گاه‌ها و دریچه‌های متفاوت از سیستم‌های لوله‌کشی معمولی نیاز دارد که طراحی سیستم‌های لوله‌کشی برودتی را بسیار حیاتی و چالش‌برانگیز می‌کند. برخی از الزامات سیستم لوله کشی برودتی عبارتند از:
- انعطاف پذیری کافی زیرا با دمای پایین تر، مواد منقبض می شوند و تنش های حرارتی زیادی ایجاد می کنند که باید با انعطاف پذیری مناسب جبران شود.
- تمام خطوط برودتی برای جلوگیری از افزایش گرما از محیط و برای ایمنی عایق بندی شده اند. همه اینها وزن لوله را افزایش می دهد و سیستم های برودتی را سفت تر می کند.
- دریچه‌های با ساقه بلند با طراحی ویژه به عنوان شیرهای برودتی استفاده می‌شوند.
- استفاده از مصالح گران قیمت هزینه پروژه را افزایش می دهد. بنابراین، از هر شانس بهینه سازی باید برای به حداقل رساندن هزینه پروژه استفاده شود.
مواد لوله کشی برودتی
با کاهش دما، مواد شکننده می شوند و طبق کد نیاز به تست ضربه ایجاد می شود. برای انتخاب مواد لوله کشی برودتی مانند پارامترهای مختلفی باید در نظر گرفته شود.
- مناسب بودن برای تکنیک های مختلف ساخت
- مقاومت در برابر خوردگی
- مقاومت در برابر اکسیداسیون و سولفیداسیون
- استحکام و شکل پذیری
- مناسب برای فرآیند تمیز کردن
- چقرمگی، مقاومت در برابر سایش، فرسایش، ضایعات و اندازه.
- خصوصیات خصوصیات فیزیکی
- سختی
- مقاومت در برابر ضربه و غیره
موادی که خود را به عنوان مواد لوله کشی برودتی مناسب معرفی کرده اند در جدول 2 در زیر ارائه شده است:
جدول-2: مواد لوله کشی متداول برودتی
چندین ماده غیر فلزی مانند گرافول، پشم معدنی، فایبرگلاس، پلی یورتان، پلی اورتان، استایروفوم، پرلیت، ویتون، تفلون تقویت شده با شیشه و غیره به عنوان اجزای مختلف در کاربردهای لوله کشی برودتی عمل می کنند.
استانداردهای لوله کشی برودتی و راهنمای طراحی لوله کشی برودتی
ASME B31.3 استاندارد اصلی برای طراحی سیستم های لوله کشی برودتی است. ملاحظات معمول طراحی لوله های برودتی عبارتند از:
اندازه لوله با استفاده از معیارهای افت فشار معمولی انجام می شود. افت فشار می تواند باعث چشمک زدن بخشی از مایع شود که ممکن است منجر به جریان دو فازی شود. بنابراین، اگر وضعیت مشابهی ایجاد شود، جریان دو فازی باید برای اندازه‌گیری در نظر گرفته شود. با این حال، برای لوله کشی گاز اکسیژن، سرعت سیال نیز در حین اندازه گیری لوله در نظر گرفته می شود.
از آنجایی که دمای محیط گرمتر از دمای مایع برودتی است، نشت حرارت مداوم به خط لوله و سیستم لوله کشی برودتی وجود خواهد داشت که باید در طول طراحی در نظر گرفته شود.
برای نگه داشتن اپراتور در دمای محیط از شیرهای ساقه بلند استفاده می شود.
عایق لوله کشی برودتی
تمام سیستم های لوله کشی و خط لوله برودتی با استفاده مکرر با استفاده از هر یک از انواع عایق های برودتی زیر عایق بندی می شوند:
- فوم های منبسط شده (به عنوان مثال، شیشه فوم، پلی اورتان)
- عایق پودری (به عنوان مثال، پرلیت)
- عایق خلاء
- پودر تخلیه شده و عایق فیبری
- عایق پودری مات شده
هدف اصلی سیستم عایق لوله کشی برودتی ایجاد یک سد بخار برای جلوگیری از نشت رطوبت اتمسفر به فضای عایق است. این رطوبت به عایق نفوذ کرده و سپس متراکم می شود. که تغییرات خوردگی در خطوط را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. همچنین، تجمع آب یا یخ ممکن است رخ دهد که به نوبه خود باعث کاهش عملکرد می شود. هر زمان که عایق به خطر بیفتد، راندمان حرارتی از بین رفته و مصرف انرژی افزایش می یابد. بنابراین با استفاده از مواد عایق کافی می توان مصرف انرژی بالا را کاهش داد. سیستم سد بخار باید رطوبت اتمسفر را از ورود به فضای عایق و یخ زدن در برابر خطوط برودتی جلوگیری کند.
هر زمان که یک سیستم سرد مورد نیاز باشد، کل سیستم باید به طور کامل عایق بندی شود که شامل اجزای لوله کشی، لوله/لوله ابزار، زهکشی، نازل تجهیزات و تکیه گاه ها می شود. عایق برودتی در چندین لایه اعمال می شود.
پشتیبانی از لوله های برودتی
به دلیل دمای بسیار پایین آنها، خاصیت عایق بسیار عالی، دوام و عملکرد پایدار برای دستگاه های پشتیبان لوله برودتی مورد نیاز است. هنگام طراحی تکیه گاه های برودتی، ما باید ویژگی های ساختاری، بار طراحی، سایر الزامات، و جنبه های اقتصادی را برای هر کفش، راهنما، استاپ و تراننیون در نظر بگیریم. ما باید رفتار لوله کشی برودتی از جمله پشتیبانی لوله را روشن کنیم، در طول عملیات عادی آنها باید شرایط گرم کردن و خنک شدن را نیز در نظر بگیرند. مشکلاتی مانند جابجایی بیشتر در اثر انبساط و انقباض حرارتی، عایق بودن لوله ها، شکنندگی مواد، یخ زدن در اطراف یا بین تکیه گاه ها، تغییرات سریع فاز به دلیل شارهای حرارتی زیاد در سیستم وجود دارد.
تکیه گاه های لوله برودتی باید شرایط زیر را برآورده کند:
- وزن سبک تر
- قابلیت اطمینان بالا در آب و مقاومت در برابر روغن و خوردگی
- تنگی هوای بالا
- آنها باید قدرت بدنی در برابر فشار، خمش و برش داشته باشند
- مناسب برای تولید انبوه
- جذب آب کم
- مقاومت در برابر حرارت و شعله
- باید دارای یک لایه چگالی سنگین قالب‌گیری شده با فولاد ضد زنگ باشد.
تکیه گاه های عایق سرد معمولاً از موارد زیر ساخته می شوند:
- فوم پلی اورتان با چگالی بالا
- عایق فوم فنولیک
- پلی ایزوسیانورات یا PIR
تکیه گاه ها باید الزامات طراحی را از نظر مقاومت فشاری تحت بار پایدار، ضریب هدایت حرارتی دمای سرویس اصطکاک و اشتعال پذیری برآورده کنند. حتی با در نظر گرفتن خم شدن حرارتی غیرمنتظره و نوسانات سرعت جریان لوله، دهانه پشتیبانی برای لوله کشی برودتی باید بسیار کوتاهتر از لوله کشی عایق گرم باشد، تکیه گاه باید بلافاصله در مجاورت هر تغییر جهت لوله کشی باشد.
پشتیبانی لوله کشی برودتی معمولی
تکیه گاه های کرایوژنیک مجهز به فناوری پیشرفته مقاوم در برابر دما خواهند بود که از لوله ها در سرمای شدید محافظت می کند. آب و هوای سرد برای تکیه گاه های لوله که برای مقاومت در برابر عناصر ساخته نشده اند، حیاتی هستند. بدتر از آن، لوله‌ها در محیط‌های سرد شکننده هستند و تشکیل یخ می‌تواند هم لوله‌ها و هم تکیه‌گاه‌ها را فرسوده کند، همچنین باید برای پشتیبانی از لوله‌ها در دمای -۳۲۰- درجه فارنهایت طراحی شود. آنها عایق شکننده مورد استفاده در این سیستم های لوله کشی را محصور می کنند.
برای جلوگیری از انتقال حرارت از داخل لوله ها به سازه های اطراف باید نارسانا باشند. هسته های عایق فوم به برخی از کفش ها داده می شود تا به طور طبیعی لوله ها را از تغییرات دمایی ناگهانی ناشی از انتقال حرارت حفظ کند. با حفظ گرما در داخل لوله ها، می توان در مصرف انرژی صرفه جویی کرد و تشکیل یخ را که می تواند لوله ها را از بین ببرد، متوقف کرد. کفش سرد یک تکیه گاه است که برای کاربردهای برودتی استفاده می شود که در آن گرمای منتقل شده به سطح مربوطه نیست و می تواند برای دماهای تا -300 درجه فارنهایت استفاده شود.
تجزیه و تحلیل استرس لوله کشی برودتی
خطوط لوله برودتی یک مورد خاص است که دمای عملیاتی مورد استفاده بسیار کمتر از دمای محیط نصب شده است. باید درجه ای از دقت وجود داشته باشد که برای ایمنی عملیات و خطرات احتمالی مرتبط باشد و بنابراین تجزیه و تحلیل دقیق انعطاف پذیری برای مدیریت نیروهای حرارتی، تنش ها و جابجایی ها بسیار مهم است. برخی از ملاحظات تحلیل تنش لوله کشی برودتی در زیر ارائه شده است:
- سیستم‌های لوله‌کشی برودتی ممکن است اثر کمان حرارتی داشته باشند. پس باید در نظر گرفته شود. برای اطلاعات بیشتر در مورد استفاده از افکت کمان حرارتی لوله اینجا را کلیک کنید.
- اگر لوله عایق خلاء باشد، دو لوله با جابجایی های متفاوت باید در نظر گرفته شده و متصل شوند. لوله اصلی که در دمای برودتی قرار دارد منقبض می شود و لوله ژاکتی معمولاً در دمای کمی بالاتر از محیط منبسط می شود.
- بارهای نازل تجهیزات معمولاً با استفاده از تحلیل المان محدود یا FEA قابل ارزیابی هستند.
- ممکن است در تجزیه و تحلیل به شیلنگ‌های منعطف یا زیر انبساط نیاز داشته باشد.
- سیستم‌های لوله‌های برودتی کاملاً برخلاف سیستم‌های لوله‌کشی با دمای بالا عمل می‌کنند. به دلیل انقباض سیستم لوله کشی برودتی، تکیه گاه هایی که معمولاً در لوله کشی با دمای بالا بلند می شوند، بار را در لوله کشی دمای برودتی حمل می کنند.
سیستم‌های لوله‌کشی LNG و سیستم‌های لوله‌کشی جعبه سرد نمونه‌های معمولی از سیستم‌های لوله‌کشی برودتی هستند.
