Translation Of Stress Analysis

‫آناليز تنش براي فرآيند لوله‌كشي‬ ‫مفاهيم‪:‬‬ ‫‪‬مقدمه‌اي براي رابطه تنش‪ -‬كرنش‬ ‫‪‬آناليز تنش چيست‬ ‫‪‬هدف آناليز تنش لوله‌‬ ‫‪‬چطور لوله‌كشي و اجزاء آن شكست مي‌خورد‬ ‫‪‬شكست لوله‌كشي و اجزاء آن چيست‬ ‫‪‬دسته‌بندي تنش‬ ‫‪‬طبقه‌بندي بارها (‪)Load‬‬ ‫‪‬شرايط (ملزومات) ‪( ASME B31.1‬كد فرآيند لوله‌كشي)‬ ‫مقدمه‌ رابط تنش‪ -‬كرنش‬ ‫تنش‪ :‬تنش مواد مقاومت داخلي بر واحد سطح است‪ ،‬كه بر اساس اين مقاومت‬ ‫تغيير شكل در اثر بار (‪ )Load‬يا نيروي به كار گرفته شده ايجاد مي‌شود‪.‬‬ ‫كرنش‪ :‬كرنش واحد تغييرات بر اساس نيروي به كار رفته است‪.‬‬ ‫منحني تنش‪ -‬كرنش‪ :‬در اين منحني واحد بار يا تنش بر خلف واحد كشيدگي رسم‬ ‫شده است‪ ،‬بر اساس اصول فني به عنوان كرنش شناخته شده است‪.‬‬ ‫‪ O-A‬نشان‌دهنده تنشي است كه به طور نسبي متناسب با كرنش است و‬ ‫نقطه ‪ A‬به عنوان محدوده نسبي (‪ )Proportional Limit‬شناخته شده است‪.‬‬ ‫‪‬نقطه ‪ B‬نشان دهنده محدوده الستيك (‪ )Elastic limit‬كه بعد از اين نقطه‬ ‫زماني كه حتي باري وجود نداشته باشد ماده نخواهد توانست به شكل‬ ‫اصلي بازگردد اما در تغيير شكل دائمي باقي خواهد ماند كه به اين حالت‬ ‫پايا گفته مي‌شود‪.‬‬ ‫‪‬نقطه ‪ C‬كه نقطه تسليم (‪ )Yield‬ناميده‪ ،‬نقطه‌ايست در آنجا دراز شدگي‬ ‫قابل محسوس يا تسليم ماده بدون هيچ‌گونه بار اضافي صورت مي‌گيرد‪.‬‬ ‫‪‬نقطه ‪ D‬تنش نهايي يا استحكام نهايي (‪ )Ultimate Strength‬ماده است‪.‬‬ ‫‪‬نقطه ‪ E‬تنش در شكست (خرابي) كه به عنوان گسيختگي استحكام (‬ ‫‪ )Rupture Strength‬شناخته شده است‪.‬‬ ‫تجزيه و تحليل تنش چيست؟‬ ‫تحليل تنش لوله يك قسمتي كه محاسبات در آن كاربرد دارد‪ ،‬اين مبحث بار پايا‬ ‫(استاتيك) و پويا (ديناميك) حاصل شده از تاثير گرانش (‪ ،)Gravity‬تغييرات دما‪،‬‬ ‫فشارهاي داخلي و خارجي‪ ‌،‬تغييرات در سرعت جريان سيال و فعاليت لرزش (‬ ‫‪ )Seismic Activity‬را مورد بررسي قرار مي‌دهد‪ .‬استانداردها و كدهايي براي كمينه (‬ ‫‪ )Minimum‬تنش مجاز وجود دارد‪.‬‬ ‫اهداف تحليل تنش لوله‬ ‫تحليل تنش لوله اهداف زير را تامين مي‌كند‪.‬‬ ‫‪‬ايمني لوله‌كشي و اجزاء به كار رفته در سيستم لوله‌كشي‬ ‫‪‬ايمني تجهيزات اتصالي و ساختارهاي نگهدارنده‬ ‫‪‬انحراف‌هاي (‪ )DEFLECTION‬سيستم لوله‌كشي كه محدوديت هستند‬ ‫چگونه سيستم لوله‌كشي و اجزاء آن درست عمل نمي‌كند ( روش‌هاي‬ ‫خرابي)‬ ‫در اينجا روش‌هاي خرابي متفاوتي وجود دارد كه بر روي سيستم لوله‌كشي مي‌تواند‬ ‫تاثير بگذارد‪ .‬مهندس لوله‌كشي با انجام تحليل تنش بر اساس كدهاي لوله‌كشي‪،‬‬ ‫مي‌تواند تدابير حفاظتي بر ضد اين خرابي تدارك ببيند‪.‬‬ ‫‪ ‬خرابي به وسيله تسليم كلي (‪)General Yielding‬‬ ‫‪o‬تسليم تحت تاثير افزايش دما (‪Yielding at Sub‬‬ ‫‪ :)Elevated Temperature‬جسمي كه تغيير يا دگرگوني‬ ‫پلستيك تحت عمل لغزش دانه‌ها پيداكرده كرده است‪.‬‬

‫‪o‬تسليم در دماي بال (‪Yielding at Elevated‬‬ ‫‪ :)Temperature‬بعد از لرزش‪ ،‬كريستال‌هاي تشكيل دهنده‬ ‫ماده مجدد آرايش مي‌يابند (‪ ،)Re-crystallizes‬بنابراين تسليم‬ ‫بدون افزايش بار (‪ )Load‬همچنان ادامه مي‌يابد‪ .‬اين پديده‬ ‫را خزش يا ‪ Creep‬مي‌شناسند‪.‬‬ ‫‪‬تسليم به وسيله شكست‪ :‬جسم بدون ‪ Undergoes Yielding‬شكست‬ ‫مي‌خورد‪.‬‬ ‫‪o‬ترك شكننده (‪ :)Brittle Fracture‬اين پديده در مواد شكننده‬ ‫اتفاق مي‌افتد‪.‬‬ ‫‪o‬خستگي (‪ :)Fatigue‬بار متناوب در ابتداي يك ترك كوچك‬ ‫باعث رشد آن بعد از هر تناوب مي‌شود (ترك گسترش مي‌يابد)‬ ‫و در نتيجه آن گسيختگي نهائي (‪ )Sudden Failure‬است‪.‬‬ ‫چه‌زماني سيستم لوله‌كشي و اجزاء آن شكست مي‌خورد (تئوري‌هاي‬ ‫شكست)‬ ‫تئوري‌هاي متفاوتي براي شكست پيشنهاد شده است‪ ،‬كه هدف آنها تعيين نقطه‌ايست‬ ‫كه در آن شكست تحت هر نوع بار تركيب شده اتفاق خواهد افتاد‪.‬‬ ‫تئوري‌هاي شكست كه معمول ً براي تشريح استحكام سيستم‌هاي لوله‌كشي بيان‬ ‫مي‌شود به قرار زير است‪:‬‬ ‫‪‬تئوري حداكثر تنش اصلي‬ ‫اين تئوري بيان مي‌كند كه تسليم در اجزاء سيستم لوله‌كشي زماني اتفاق مي‌‌افتد‬ ‫كه شدت هر سه تنش‌هاي اصلي‪ ،‬عمودي و دوسره بيش از استحكام نقطه‬ ‫شكست مواد باشد‪.‬‬ ‫‪‬تئوري حداكثر تنش برشي‬ ‫اين تئوري بيان مي‌كند كه شكست در اجزاء يك سيستم لوله‌كشي زماني اتفاق‬ ‫مي‌افتد ماكزيمم تنش برشي بيش از تنش برشي در نقطه شكست‪ ،‬در يك‬ ‫آزمايش كشش (‪ )Tensile Test‬باشد‪.‬‬ ‫در يك آزمايش كشش (‪ ،)Tensile Test‬در نقطه تسليم‪( S1=Sy ،‬تنش تسليم)‪S2=S ،‬‬ ‫‪ .3=0‬بنابراين تسليم در اجزاء زماني اتفاق مي‌افتد كه‬ ‫‪=τmax=S1-S2/2=Sy/2‬حداكثر تنش برشي‬ ‫تئوري حداكثر تنش اصلي يكي از مبناي سيستم لوله‌كشي كه به وسيله ‪ASME‬‬ ‫‪ B31.3‬مقرر شده است‪.‬‬ ‫نكته‪ :‬حداكثر و حداقل تنش عادي‪ ،‬تنش اصلي ناميده مي‌شود‪.‬‬ ‫دسته‌بندي تنش‬ ‫دسته بندي اصلي تنش شامل اوليه (‪ ،)Primary‬ثانويه (‪ )Secondary‬و پيك (‪.)Peak‬‬ ‫تنش‌هاي اوليه‪:‬‬ ‫اين موارد به وسيله بار تحميلي (‪ )Imposed Load‬توسعه يافته است و آنها براي‬ ‫برقراري تعادل بين نيروهاي داخلي و خارجي و گشتاورهاي (‪ )Moment‬سيستم‬ ‫لوله‌كشي ضرورت دارد‪ .‬تنش‌هاي اوليه خود محدود كننده (‪)Self- Limiting‬‬ ‫نيستند‪.‬‬ ‫تنش‌هاي ثانويه‪:‬‬ ‫اين‌ها بر اساس محدوديت جابه‌جايي ساختار توسعه يافته است‪ .‬اين جابه‌جاي‌ها‬ ‫مي‌تواند باعث يكي از موارد‪ ،‬انبساط حرارتي يا جابه‌جايي نقطه مهار و نگهدارنده‌ها‬ ‫شود‪ .‬تنش‌هاي ثانويه خود محدود كننده (‪ )Self- Limiting‬هستند‪.‬‬ ‫تنش‌هاي پيك (‪:)Peak‬‬ ‫شرايط بار‌هاي نا مطلوب تنش‌هاي ثانويه باعث كرنش زاويه‌اي (‪ )Distortion‬مي‌شود‪،‬‬ ‫تنش‌هاي پيك باعث هيچ تنش زاويه‌اي مهمي نمي‌شود‪ .‬تنش‌هاي پيك بالترين‬ ‫تنش‌هاي در منطقه تحت نظارت است و آنها مسئول به وجود آمدن شكست خستگي‬ ‫(‪ )Fatigue Failure‬مي‌شوند‪.‬‬ ‫تقسيم‌بندي بارها (‪)Loads‬‬

‫‪‬بارهاي اوليه‪:‬‬ ‫اين‌ها را مي‌توان به دو دسته بر اساس استمرار مدت بار وارد طبقه‌بندي كرد‪.‬‬ ‫‪o‬بارهاي پايدار (‪:)Sustained Loads‬‬ ‫اين بارها در حال حاضر در سراسر واحد عملياتي قابل پيش‌بيني است‪،‬‬ ‫مثل فشار و وزن‬ ‫‪o‬بارهاي ضمني (‪:)Occasional Loads‬‬ ‫اين بارها در فواصل زماني نادر در يك واحد عملياتي حضور خواهند داشت‪،‬‬ ‫مثل زمين‌لرزه و باد و ‪...‬‬ ‫‪‬بارهاي انبساطي‪:‬‬ ‫اين بارها ناشي از جابه‌جايي سيستم لوله‌كشي هستند‪ .‬مثل انبساط حرارتي‪،‬‬ ‫ارتعاش جنبش نگهدارنده (‪ )Seismic anchor movement‬و سازه‌هاي كلنگي‬ ‫الزامات ‪( ASME B31.3‬كد فرآيند لوله‌كشي)‬ ‫اين كد بر روي همه سيستم‌هاي لوله‌كشي در فرآيندهاي شيميايي‪ ،‬نفتي و محصولت‬ ‫مرتبط نظارت دارد‪ .‬مثال‌هاي همچون كارخانه‌هاي شيميايي‪ ،‬پاليشگاه‌هاي نفتي‪،‬‬ ‫پايانه‌هاي افزايش فشار (‪ ،)Loading Terminal‬كارخانه فرآوري گاز طبيعي‪ ،‬كارخانه‬ ‫‪ ،Bulk‬كارخانه تركيبي و مجموعه مخازن را شامل مي‌شود‪.‬‬ ‫بارهاي مورد توجه شامل فشار‪ ،‬وزن (بارهاي زنده و مرده‪،)live & dead loads -‬‬ ‫برخورد‪ ،‬باد‪ ،‬زمين‌لرزه‪ -‬نيروهاي ‪ ،induced horizontal‬ارتعاش ناشي از واكنش‌ها‪،‬‬ ‫انبساط و انقباض حرارتي‪ ،‬تغييرات دما و تحرك نگهدارنده مي‌شود‪.‬‬ ‫معادلت حاكم بر مبناي زير است‪:‬‬ ‫‪-1‬تنش‌هاي ناشي از بار پايدار‪.‬‬ ‫‪SL≤Sh‬‬ ‫‪SL=(PD/4t)+Sb‬‬ ‫پايه مجاز تنش در حداكثر دماي فلز=‪Sh‬‬ ‫ضخامت لوله در محاسبه ‪ SL‬مورد استفاده قرار مي‌گيرد‪ .‬در اين حالت خواهيم داشت‬ ‫ضخامت اسمي منهاي حد مجاز مكانيكي‪ ،‬خوردگي و فرسايش است‪.‬‬ ‫‪-2‬تنش‌هاي ناشي از بار ضمني (‪.)Occasional Loads‬‬ ‫مقدار بارهاي طولي (‪ )Longitudinal Loads‬ناشي از فشار‪ ،‬وزن و ديگر بارهاي پايدار‬ ‫مي‌باشد و تنش‌هاي توليد شده ناشي از بار ضمني مثل زمين‌لرزه يا باد نبايد از‬ ‫‪ 1.33Sh‬متجاوز باشد‪.‬‬ ‫‪-3‬دامنه تنش ناشي از بارهاي انبساطي (‪.)Expansion Loads‬‬ ‫دامنه تنش حاصل از جابه‌جايي ‪ SE‬نبايد از ‪ SA‬متجاوز شود‪:‬‬ ‫‪SE≤SA‬‬ ‫جاييكه‬ ‫‪SE=(Sb2+4St2)1/2‬‬ ‫‪Sb = resultant bending stress,psi‬‬ ‫‪= [(IiMi)2 + (IoMo)2] / Z‬‬ ‫‪Mi = in-plane bending moment, in.lb‬‬ ‫‪Mo = out-plane bending moment, in.lb‬‬ ‫‪Ii = in- plane stress intensification factor obtained from appendix of B31.3‬‬ ‫‪Io = out- plane stress intensification factor obtained from appendix of B31.3‬‬ ‫‪St = Torsional stress ,psi‬‬ ‫)‪= Mt / (2Z‬‬ ‫‪Mt = Torsional moment, in.lb‬‬ ‫‪SA = Allowable displacement stress range:‬‬ ‫‪(Allowable stress) cold = Sc = (2 / 3) Syc ⇒ Syc = (3/2)Sc‬‬ ‫‪(Allowable stress) hot = Sh = (2 / 3) Syh ⇒ Syh = (3/2) Sh‬‬ ‫‪Syc = yield point stress at cold temperature‬‬ ‫‪Syh = yield point stress at hot temperature‬‬

Allowable stress =Syc + Syh =3/2 (Sc + Sh ) = 1.5 (Sc + Sh ) = 1.25(Sc + Sh )---- after dividing with F.O.S Final allowable stress = [(1.25(Sc + Sh) – SL] SA = f [(1.25(Sc + Sh) – SL] Sc = basic allowable stress at minimum metal temperature f = stress range reduction factor from table 302.2.5 of B31.3 :‫پديده‌آورنده‬ ‫ مهندس لوله‌كشي‬،‫مهندس هننان آزم‬ E-mail: [email protected], [email protected] :‫مترجم‬ ‫ مهندس شيمي‬،‫مهندس مجتبي كفاش‬ E-mail:[email protected]