วิธีคำนวณค่าอัตราแรงดันสำหรับท่อโลหะผสมนิกเกิล 825 แบบผนังบาง

วิธีคำนวณค่าอัตราแรงดันสำหรับท่อโลหะผสมนิกเกิล 825 แบบผนังบาง

สำหรับผู้จัดการโครงการและวิศวกร การเลือกความหนาของผนังท่อที่เหมาะสมเป็นงานพื้นฐานอย่างหนึ่ง เมื่อใช้งานโลหะผสมทนการกัดกร่อน เช่น โลหะผสมนิกเกิล 825 (UNS N08825) ในรูปแบบผนังบาง—ซึ่งมักใช้เพื่อลดต้นทุนและน้ำหนัก—การคำนวณค่าความดันสูงสุดที่ยอมรับได้ให้ถูกต้องไม่ใช่เพียงแค่การคำนวณเท่านั้น แต่ยังเป็นกิจกรรมสำคัญในการจัดการความเสี่ยงอีกด้วย

การใช้ท่อที่มีค่าอัตราความดันไม่เหมาะสมอาจก่อให้เกิดการรั่วซึม การแตกหัก และความล้มเหลวของระบบอย่างรุนแรง คู่มือนี้จะช่วยแนะนำคุณผ่านสูตรทางวิศวกรรมที่เชื่อถือได้และข้อพิจารณาเชิงปฏิบัติที่จำเป็น เพื่อกำหนดความดันในการทำงานอย่างปลอดภัยสำหรับการใช้งานของคุณ

สูตรหลัก: สูตรบาร์โลว์ (Barlow's Formula)

สำหรับท่อแบบผนังบาง (โดยที่ความหนาของผนังน้อยกว่าประมาณ 1/10 ของรัศมี) มาตรฐานอุตสาหกรรมคือ สูตรบาร์โลว์ (Barlow's Formula) สูตรนี้เรียบง่ายและเป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปในอุตสาหกรรมเพื่อการกำหนดขนาดเบื้องต้นและการประเมินค่าความดันที่กำหนดไว้

สูตรคือ:

P = (2 * S * t) / D

ที่ไหน:

• P = ค่าความดันภายในที่กำหนด (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว หรือ เมกะพาสคาล)

• S = ค่าความเครียดที่ยอมรับได้ของวัสดุ (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว หรือ เมกะพาสคาล)

• t = ความหนาของผนังต่ำสุด (นิ้ว หรือ มิลลิเมตร)

• D = เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ (หน่วยเป็นนิ้วหรือมิลลิเมตร)

หมายเหตุสำคัญ: การใช้ค่า เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (OD) ในสูตรบาร์โลว์นั้นเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากสูตรนี้ออกแบบมาเพื่อใช้กับมิติมาตรฐานของท่อ และให้ผลแม่นยำที่สุดเมื่อใช้กับมิติดังกล่าว

คู่มือการคำนวณแบบขั้นตอนต่อขั้นตอน

มาดูวิธีการประยุกต์ใช้สูตรนี้กับโลหะผสมนิกเกิลเกรด 825 กันทีละขั้นตอน

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดค่าความเค้นที่ยอมรับได้ (S)

นี่คือตัวแปรที่สำคัญที่สุด และไม่ใช่ค่าคงที่เพียงค่าเดียว ค่าความเค้นที่ยอมรับได้สำหรับโลหะผสมนิกเกิลเกรด 825 ขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิ ของสภาพแวดล้อมในการใช้งานของท่าน ค่าดังกล่าวถูกกำหนดไว้โดยรหัส ASME สำหรับหม้อไอน้ำและภาชนะรับแรงดัน (BPVC) ส่วนที่ II ภาค D

ท่านต้องค้นหาค่า 'S' ที่ถูกต้องตามอุณหภูมิในการทำงานสูงสุดของท่าน ตัวอย่างด้านล่างแสดงค่าที่พบได้บ่อยตามอุณหภูมิที่ใช้งานทั่วไป:

• ที่อุณหภูมิ 100°F (38°C): S ≈ 20,000 psi (138 MPa)

• ที่อุณหภูมิ 500°F (260°C): S ≈ 18,700 psi (129 MPa)

• ที่อุณหภูมิ 800°F (427°C): S ≈ 14,800 psi (102 MPa)

โปรดใช้มาตรฐาน ASME BPVC เสมอเพื่อค้นหาค่าที่แน่นอนและเป็นปัจจุบันสำหรับโครงการเฉพาะของท่าน

ขั้นตอนที่ 2: ยืนยันขนาดของท่อ (t และ D)

สำหรับท่อแบบผนังบาง ความแม่นยำมีความสำคัญยิ่ง ท่านต้องทราบค่าที่แน่นอนดังนี้:

• ขนาดท่อตามมาตรฐาน (NPS) และ ตารางเวลา (เช่น NPS 6, Schedule 5S)

• เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกจริง (D): ตัวอย่างเช่น ท่อขนาด NPS 6 มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกคงที่ที่ 6.625 นิ้ว ไม่ว่าจะมีตารางความหนา (schedule) ใดก็ตาม

• ความหนาของผนังขั้นต่ำ (t): ห้ามใช้ความหนาของผนังแบบชื่อเรียก (nominal) หรือค่าเฉลี่ย ท่านต้องใช้ น้อยที่สุด ความหนาของผนังขั้นต่ำ ซึ่งคำนึงถึงความคลาดเคลื่อนในการผลิต ค่าดังกล่าวสามารถหาได้จากมาตรฐานต่าง ๆ เช่น ASME B36.19M (ท่อสแตนเลสและท่อโลหะผสมนิกเกิล) สำหรับท่อ NPS 6 แบบบางผนัง ตารางความหนา 5S ความหนาของผนังแบบชื่อเรียกคือ 0.109 นิ้ว แต่ความหนาขั้นต่ำอาจอยู่ที่ประมาณ 0.095 นิ้ว การใช้ความหนาแบบชื่อเรียกในการคำนวณจะทำให้เกิดค่าประมาณที่สูงเกินจริง ซึ่งอาจเป็นอันตราย

ขั้นตอนที่ 3: นำสูตรไปใช้และพิจารณาปัจจัยด้านความปลอดภัย

มาพิจารณาตัวอย่างจากสถานการณ์จริงกัน

• ท่อ: NPS 6, Schedule 5S, Nickel Alloy 825

• เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (D): 6.625 นิ้ว

• ความหนาขั้นต่ำของผนัง (t): 0.095 นิ้ว

• อุณหภูมิการใช้งานสูงสุด: 500°F

• แรงเครียดที่ยอมรับได้ (S): 18,700 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว

การคำนวณ:
P = (2 × 18,700 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว × 0.095 นิ้ว) ÷ 6.625 นิ้ว
P = 3,553 ÷ 6.625
P ≈ 536 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว

ผลลัพธ์นี้ (536 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) คือ ความดันสูงสุดเชิงทฤษฎี ที่ท่อสามารถรับได้ที่อุณหภูมินั้นก่อนเกิดการเปลี่ยนรูปพลาสติก

ขั้นตอนที่ 4: กำหนดความดันในการทำงานอย่างปลอดภัย

ความดันที่คำนวณได้คือ ไม่ ความดันในการทำงานอย่างปลอดภัยของท่าน รหัสวิศวกรรมกำหนดให้ใช้ ปัจจัยความปลอดภัยในการออกแบบ สำหรับระบบท่อที่อ้างอิงตามมาตรฐาน ASME B31.3 (ท่อสำหรับกระบวนการผลิต) รหัสมักจะใช้ปัจจัยหนึ่งกับความเค้นที่ยอมรับได้โดยตรง แต่สำหรับการตรวจสอบแบบง่าย ๆ ท่านจำเป็นต้องกำหนดความดันในการดำเนินงานอย่างปลอดภัย

วิธีการทั่วไปคือการหารความดันที่คำนวณได้ด้วยปัจจัยความปลอดภัย (เช่น 1.5 หรือ 4:1 ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งานและมาตรฐานของบริษัท)

• การใช้ปัจจัยความปลอดภัยแบบ 4:1 (ซึ่งพบได้ทั่วไปสำหรับความดันไฮดรอลิก):
  ความดันในการทำงานอย่างปลอดภัย = 536 psi ÷ 4 = 134 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi)

• แนวทางที่ระมัดระวังมากขึ้น (เช่น สำหรับการใช้งานที่มีรอบการโหลดสูงหรือมีความเสี่ยงอันตราย):
  แรงดันใช้งานอย่างปลอดภัย = 536 psi ÷ 1.5 = 357 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi)

การเลือกค่าสัมประสิทธิ์ความปลอดภัยสุดท้ายจะต้องอิงตามมาตรฐานวิศวกรรมของบริษัทท่าน รหัสมาตรฐานเฉพาะที่ท่านปฏิบัติตาม (เช่น ASME B31.3) และระดับความสำคัญของการใช้งาน

พิจารณาประเด็นสำคัญที่เกินกว่าสูตรคำนวณ

การคำนวณเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ ผู้จัดการโครงการที่มีความสามารถต้องพิจารณาปัจจัยในโลกจริงเหล่านี้:

1. ค่าเผื่อการกัดกร่อน: ของไหลที่ท่านใช้งานมีฤทธิ์กัดกร่อนหรือไม่? หากท่านคาดการณ์อัตราการกัดกร่อนที่ 0.01 นิ้วต่อปี สำหรับอายุการใช้งานตามแบบออกแบบ 10 ปี ท่านจำเป็นต้องเพิ่มความหนาของผนังขั้นต่ำอีก 0.1 นิ้ว ก่อนหน้านี้ ก่อนที่ท่านจะเริ่มการคำนวณใดๆ ทั้งสิ้น ท่อที่มีผนังบางอาจไม่เหมาะสมหากจำเป็นต้องมีค่าเผื่อการกัดกร่อนที่มีนัยสำคัญ

2. การตัดเกลียวและการเจาะร่อง: หากคุณทำการตัดเกลียวหรือเจาะร่องที่ท่อเพื่อใช้กับข้อต่อแบบกลไก ความหนาของผนังท่อจะลดลงอย่างมีประสิทธิภาพบริเวณจุดที่มีความสำคัญมากที่สุดในการรับแรง ดังนั้น การคำนวณของคุณต้องใช้ความหนาของผนังที่รากของเกลียวหรือร่อง ไม่ใช่ความหนาของผนังตามค่าที่ระบุไว้ (nominal wall)

3. โหลดภายนอก: สูตรนี้พิจารณาเฉพาะแรงดันภายในเท่านั้น แต่ไม่ได้คำนึงถึงแรงดัด แรงกระแทกจากน้ำ (water hammer) การสั่นสะเทือน น้ำหนักของของไหล หรือโหลดภายนอกอื่นๆ ปัจจัยเหล่านี้อาจจำเป็นต้องใช้ผนังที่หนากว่าเดิม หรือต้องมีการเสริมโครงสร้างเพิ่มเติม

4. การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและแรงดันแบบเป็นรอบ: หากระบบของคุณทำงานภายใต้สภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและแรงดันระหว่างค่าสูงกับค่าต่ำอย่างต่อเนื่อง ความทนทานต่อการเหนื่อยล้า (fatigue life) จะกลายเป็นประเด็นที่ต้องพิจารณาอย่างละเอียด การระบุค่าแรงดันสูงสุดแบบสถิต (static pressure rating) เพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอ และจำเป็นต้องดำเนินการวิเคราะห์ความเหนื่อยล้าอย่างละเอียดยิ่งขึ้น

5. คุณภาพและการรับรอง: สำหรับโลหะผสมชนิดสำคัญ เช่น โลหะผสมเกรด 825 คุณควรตรวจสอบให้แน่ใจเสมอว่าท่อที่จัดหาเข้ามาพร้อมด้วยรายงานผลการทดสอบวัสดุที่มีการรับรอง (Material Test Report: MTR 3.1) และดำเนินการตรวจสอบยืนยันชนิดวัสดุโดยวิธี Positive Material Identification (PMI) ทันทีหลังจากได้รับสินค้า เพื่อยืนยันองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ

สรุป: แผนปฏิบัติงานของคุณ

1. รวบรวมข้อมูล: ยืนยันของเหลว มากที่สุด อุณหภูมิในการทำงาน และ มากที่สุด ความดันในการทำงาน

2. เลือกท่อ: เลือกขนาดนอมินัลและมาตราส่วน (Schedule)

3. ค้นหาค่าต่าง ๆ: หาระดับความเครียดที่ยอมรับได้ (S) จากรหัส ASME BPVC สำหรับอุณหภูมิของท่าน และ น้อยที่สุด ความหนาของผนังท่อ (t) จากมาตรฐานท่อ

4. ขั้นตอนการคำนวณ: นำสูตรแบร์โลว์ (P = 2St/D) ไปใช้เพื่อคำนวณความดันระเบิดเชิงทฤษฎี

5. ใช้ปัจจัยความปลอดภัย: หารด้วยปัจจัยความปลอดภัยที่เหมาะสม (เช่น 1.5 ถึง 4) เพื่อกำหนดความดันการทำงานที่ปลอดภัย

6. ตรวจสอบ: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าความดันในการทำงานที่ปลอดภัยนี้สูงกว่าความดันในการใช้งานสูงสุดของคุณอย่างมีนัยสำคัญ และคุณได้พิจารณาปัจจัยลดทอนต่าง ๆ เช่น การกัดกร่อน การเกลียว และปัจจัยอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง

หากไม่แน่ใจ โปรดปรึกษาวิศวกรภาชนะรับแรงดันหรือท่อที่มีคุณสมบัติเหมาะสม ค่าใช้จ่ายในการทบทวนโดยผู้เชี่ยวชาญนั้นต่ำมากเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายที่เกิดจากความล้มเหลว วิธีการนี้จะมอบความรู้ที่จำเป็นเพื่อจัดการกระบวนการได้อย่างมีประสิทธิภาพ และตั้งคำถามที่เหมาะสม