معرفی علم پایپینگ

پایپینگ (Piping) یا لوله کشی صنعتی یک زیر شاخه از انواع لوله کشی است که به جای منازل، اکثراً در پالایشگاه ها، کارخانه ها، نیروگاه ها و … به کار گرفته می شود. در واقع در صنعت پایپینگ هدف مهندسان جا به جایی سیالات از مبدا به مقصد نهایی یا از یک واحد به یک واحد دیگر در یک نیروگاه، یک کارخانه یا … به مطلوب ترین روش ممکن است. همچنین مواردی مانند کنترل و تشخیص دما، فشار و دبی جریان که بر عهده ی تجهیزاتی مانند شیرها، فیتینگ ها و اجزای دیگر است نیز در حوزه ی صنعت پایپینگ قرار می گیرد اما باید به این موضوع توجه داشت که فرآیندی روی سیال مورد نظر انجام نمی شود زیرا این مورد مربوط به دستگاه های مکانیکی مثل مبدل ها، پمپ و … است. به طور کلی می توان گفت که پایپینگ یکی از مهم ترین و پر کاربرد ترین انواع لوله کشی است پس باید در طراحی لوله کشی صنعتی نکاتی را رعایت کرد که مهم ترین آنها در سه دسته خلاصه می شوند:

• طراحی مسیر لوله ها
• انتخاب متریال مناسب
• تحلیل و محاسبه تنش

در ادامه ی این مقاله به تشریح انواع مختلف متریال و آلیاژهای مورد استفاده در صنعت پایپینگ می پردازیم.

انواع متریال ها

هنگام انجام لوله کشی صنعتی از اتصالات و لوله هایی با جنس های گوناگون استفاده می شود اما سوال اصلی که در اینجا به وجود می آید این است که متریال لوله ها بر چه اساسی انتخاب می شوند؟ در حقیقت، میزان خورندگی، دما، فشار، میزان حساسیت و البته نوع سیال، اصلی ترین موارد مورد توجه در این امر هستند پس باید از متریال هایی بهره ببریم که بهترین عملکرد را با توجه به شرایط ذکر شده ی سیال داشته باشند. متریال هایی که در پایپینگ استفاده می شوند دو دسته ی عمده دارند که حال به معرفی کلی هر یک خواهیم پرداخت:

• غیر فلزات: متریال های غیر فلزی معمولاً از جنس پلاستیک، سرامیک، بتن، چوب، فایبر گلس و انواع پلیمرها هستند.
• فلزات: این دسته شامل انواع آلیاژهای مختلف فلزی می شود که خود، با توجه به نوع فلز موجود در آلیاژ به دو دسته ی کلی دیگر یعنی فلزات آهنی و غیر آهنی تقسیم می شود که در ادامه به طور کامل هر یک را شرح می دهیم.

فلزات آهنی

فلزات آهنی همان طور که از نامشان پیداست، فلز مبنای آنها آهن است و این دسته از فلزات به دلیل استحکام و دوام بالا ارزشمند به حساب می آیند. همان طور که کمی پیش تر اشاره کردیم، آهن صرفاً فلز پایه است پس باید با اضافه کردن عناصر دیگری انواع آنها را بسازیم که چدن ها (Cast Irons) و فولادها (Steels)، دو دسته ی اصلی فلزات آهنی هستند که در صنعت پایپینگ بسیار استفاده می شوند.

اجزای چدنی صنعت پایپینگ

چدن یکی از آلیاژهای آهن است که در زمان های قدیم نیز در لوله کشی مورد استفاده بوده و شامل عناصر دیگری مانند سیلیسیم، کربن، گوگرد، منگنز و فسفر نیز می شود اما چون بخش زیادی از این آلیاژ از کربن است، چدن های مختلف بر حسب چگونگی تشکیل کربن آزاد هنگام انجماد تقسیم بندی می شوند:

• چدن خاکستری (Gray Iron): در صورت رسوب کربن اضافی به صورت گرافیت ورقه، آن را چدن خاکستری می نامیم.
• چدن سفید (White Iron): اگر کربن اضافی به صورت سمنتیت (کاربید آهن) باشد، چدن سفید خواهیم داشت.
• چدن چکش خوار (Malleable Iron): در حالتی که با انجام عملیات حرارتی مناسب چدن سفید، کاربید آهن تجزیه شود و کربن آزاد را به شکل توده های متراکم برفکی از خوشه های گرافیت کربن تمپر شده در ریز ساختار رسوب دهد، چدن مالیبل به دست می آید.
• چدن داکتیل (Ductile Iron): اگر رسوب کربن اضافی را به شکل گرافیت کروی داشته باشیم، به آن چدن، چدن داکتیل می گویند.

حال که انواع چدن ها را شناختیم به بررسی کاربردهای این آلیاژ در صنعت پایپینگ می پردازیم:

اتصالات و لوله های چدنی با روش‌های گوناگون اتصال موجود هستند و نصب کم هزینه ی آنها هم روی زمین و هم در زیر زمین انجام شدنی است. لوله های چدنی به عنوان لوله های تحت فشار برای انتقال آب، فاضلاب و گاز استفاده می شوند. این نوع لوله ها معمولاً رنگ خاکستری دارند و بدون روکش هستند، البته روکش و پوشش‌ها باعث کاهش احتمال خوردگی در و بهبود هیدرولیک در این لوله‌ها می گردد. از برتری های این لوله ها این است که با همه ی ساختارهای ساختمانی سازگاری دارند. در بین انواع چدن هایی که نام بردیم، چدن داکتیل برای لوله های صنعت پایپینگ محبوبیت بیشتری دارند. لوله های چدن داکتیل، دوام لوله های چدنی خاکستری و استحکام لوله های فولادی را به صورت همزمان دارا هستند اما دیگر مزایای این لوله ها نسبت به سایرین عبارت اند از:

• خوردگی پایین
• نصب راحت
• صرفه جویی در هزینه و انرژی هنگام پمپاژ
• مقاومت در برابر انفجار
• قابلیت کارکرد طولانی مدت در جریان هیدرولیک
• دارای ظرفیت های فشاری متنوع
• تنوع اندازه

اجزای فولادی صنعت پایپینگ

فولاد نیز یکی از آلیاژهای آهن است که با اضافه شدن کربن به سنگ آهن ذوب شده در کوره به وجود می آید و به همین دلیل از بسیاری از دیگر آلیاژها مقاومت بیشتری دارد. از لوله های فولادی برای سیالاتی که دارای دما و فشار زیادی هستند و برای نفت، گاز و مواد پتروشیمی استفاده می شود. فولاد نیز مانند چدن دارای انواع مختلفی است که آنها را به طور کلی معرفی و بررسی خواهیم کرد:

• استنلس استیل (Stainless Steel): به این آلیاژ فولادی به علت افزایش مقاومت در برابر خورندگی عناصر کروم و نیکل افزوده می شود و همین امر سبب می گردد که لوله هایی از این جنس برای سیالات خورنده ای مانند آب دریا که کلر زیادی دارد استفاده شود. بر اساس درصد عناصری که نام بردیم، استنلس استیل به پنج دسته تقسیم می گردد:

1- Duplex با درصد کربن کمتر از 0.08 و نیکل بین 4 تا 7 و کروم بین 18 تا 27.

2- Martensitic با درصد کربن کمتر از 0.1 و نیکل کمتر از 6 و کروم بین 11 تا 18.

3- Ferritic با درصد کربن کمتر از 0.1 و نیکل کمتر از 4 و کروم بین 11 تا 30.

4- Precipitation hardening با درصد کربن کمتر از 0.15 و نیکل بین 3 تا 27 و کروم بین 12 تا 28.

5- Austenitic با درصد کربن کمتر از 0.15 و نیکل بین 8 تا 20 و کروم بین 15 تا 27.

البته ممکن است عناصر دیگری مانند آلومینیوم، سیلیکون و مولیبیدن نیز برای بهبود خواص مکانیکی به این آلیاژ اضافه شوند.

• کربن استیل (Plain Carbon Steel): فولاد کربنی بیشترین مصرف فولاد در صنعت پایپینگ را دارد و بیش از 90 درصد از کل تولید فولاد را تشکیل می دهد. بر اساس مقدار کربن که هر چه درصد آن کمتر باشد قابلیت شکل پذیری و هر چه درصدش بالاتر باشد استحکام را افزایش می دهد، فولادهای کربنی در چهار گروه طبقه بندی می شوند:

1- Low Carbon Steel با کمتر از 0.1 درصد کربن.

2- Mild Steel با درصد کربن بین 0.1 تا 0.3.

3- Medium Carbon Steel با درصد کربن بین 0.3 تا 0.6.

4- High Carbon Steel با درصد کربن بین 0.6 تا 1.5.

• استیل آلیاژی (Alloy Steel): متریال آلوی استیل تشابه زیادی به کربن استیل دارد اما قیمتش از آن بالاتر است. این مدل فولاد برای لوله هایی با سیالات جاری در صنعت پایپینگ کاربرد دارد و با توجه به عناصر دیگری که در آن به کار رفته به دو گروه تقسیم می شود:

1- Ni Steel با 3 درصد نیکل که برای سیالات با دماهای پایین مناسب است.

2- Cr-Mo Steel با 1.3 درصد کروم و 0.5 درصد مولیبیدن که بر خلاف قبلی برای سیالات با دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

مزایای لوله های فولادی برای به کارگیری در صنعت پایپینگ عبارت اند از:

• مقاومت فشاری زیاد
• مقاومت بالا در برابر خوردگی
• مقاومت کششی زیاد
• تنوع بالا بر اساس قطر دهانه لوله و ضخامت دیواره

فلزات غیر آهنی

همان طور که در ابتدای مقاله گفتیم، متریال های فلزی که در صنعت پایپینگ استفاده می شوند دو دسته ی فلزات آهنی و غیر آهنی دارند که حال بعد از توضیح جامع دسته ی اول به بررسی فلزات غیر آهنی می پردازیم.

فلزات غیر آهنی همان طور که از نامشان پیداست، فلزاتی هستند که آهن عنصر اصلی تشکیل شان نیست و با توجه به عناصر مبنای مختلفی که دارند طبقه بندی می شوند و در انتهای این مقاله می خواهیم آنها را بررسی کنیم:

• Nickel Base: آلیاژهای فلزی غیر آهنی با فلز مبنای نیکل هستند که عناصر دیگری علاوه بر نیکل در آنها وجود دارد و چهار نوع متفاوتش را نام خواهیم برد:

1- Incoloy شامل نیکل، کروم و آهن

2- Monel شامل نیکل و مس

3- Hastellay شامل نیکل، کبالت، کروم، مولیبیدن، آهن و تنگستن

4- Inconel شامل نیکل و کروم

• Copper Base: آلیاژهای فلزی غیر آهنی که فلز پایه ی آنها مس است و مانند نیکل بیس به دسته های مختلفی تقسیم می گردد:

1- Bronze شامل مس و قلع

2- Brass شامل مس و روی

3- Copper Nickel مس و نیکل

• Titanium Base: آلیاژهای فلزی غیر آهنی که فلز مبنای تیتانیوم دارند و دو دسته دارند:

1- Titanium Alloy شامل تیتانیوم، آلومینیوم و وانادیوم

2- Unalloyed Titanium تیتانیوم خالص با 4درجه مختلف

پس باید با در نظر گرفتن ویژگی های هر متریال انتخابی مناسب برای لوله ها و قطعات مورد نظر برای صنعت پایپینگ را داشت تا به بهترین نتیجه برسیم.

منبع : https://kpsgroup.ir/materials-and-alloys-used-in-piping-industry