Wyjaśnienie Wspornika Sprężynowego Zmiennoprężnego

Czym są podpory rurociągów?

Systemy rurociągów muszą być w stanie poradzić sobie z siłami wewnętrznymi i zewnętrznymi, które na nie działają, bez wycieku płynu procesowego z systemu. Aby to umożliwić, stosuje się podpory rurociągów. Ten artykuł omawia typowe projekty podpór rurociągów, ich rodzaje, sposób działania, cel podpór rurociągów oraz typowe problemy z podporami rurociągów.

Wieszak Wspornika Rurociągu Zmiennoprężnego

Do czego służą podpory rurociągów?

Podpory rurociągów są używane do:

• Podtrzymywania ciężaru sekcji rurociągu.
• Uwzględniania rozszerzalności cieplnej.
• Uwzględniania obciążeń udarowych (uderzenia wodnego i siły hydraulicznej).
• Uwzględniania aktywności sejsmicznej (trzęsienia ziemi itp.).
• Uwzględniania obciążeń wiatrowych (gdzie ma to zastosowanie).

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat inżynierii energetycznej, koniecznie sprawdź nasz Kurs Wideo z Podstaw Inżynierii Energetycznej. Możesz również uzyskać dostęp do pobieralnych artykułów inżynierskich (takich jak ten) i podręczników dołączając do naszego newslettera.

Jak działają sprężynowe podpory rurociągów?

Ogólna zasada działania dotycząca wieszaków sprężynowych opiera się na prawie Hooke'a, które zostało stworzone przez angielskiego naukowca Roberta Hooke'a. Odkształcenie materiału mierzy się w kategoriach elastyczności i plastyczności.

• Elastyczność – gdy materiał odkształca się pod wpływem przyłożonego naprężenia i wraca do pierwotnej formy po usunięciu naprężenia.
• Plastyczność - gdy materiał odkształca się pod wpływem przyłożonego naprężenia i nie wraca do pierwotnej formy po usunięciu naprężenia.

W zakresie elastyczności materiału, ilość odkształcenia w stosunku do przyłożonego naprężenia opisuje prawo Hooke'a. Relacja między naprężeniem a odkształceniem jest lepiej opisana jako relacja między naprężeniem a odkształceniem. Odkształcenie wyrażane jest jako stosunek porównujący zmianę długości do pierwotnej długości; ten stosunek jest bezwymiarowy, tj. nie jest ograniczony do metrycznych, imperialnych ani żadnych innych jednostek miary odległości.

Prawo Hooke'a

Znając cztery zmienne, można określić, jak daleko materiał się rozciągnie po przyłożeniu określonego ciśnienia. Równanie to:

Ta prosta liniowa zależność między naprężeniem (siłą) a odkształceniem (wydłużeniem) została sformułowana przy użyciu następującej notacji.

P = siła powodująca wydłużenie pręta (lbf dla jednostek imperialnych, Newton metry dla jednostek metrycznych)

 = długość pręta (cale imperialne, lub milimetry, centymetry, lub metry dla jednostek metrycznych)

A = pole przekroju poprzecznego pręta (cale kwadratowe imperialne, lub milimetry, centymetry, lub metry kwadratowe metryczne)

δ = całkowite wydłużenie pręta (cale imperialne, lub milimetry, centymetry, lub metry dla jednostek metrycznych)

E = stała elastyczności materiału, zwana Modułem Younga (lbf/in.² imperialne, lub Paskale (Pa) metryczne)

Zauważ, że jeden paskal jest równy jednemu Newtonowi na metr kwadratowy.

Wielkość E, stosunek jednostkowego naprężenia do jednostkowego odkształcenia, jest modułem elastyczności materiału w stanie rozciągania lub ściskania i jest często nazywana Modułem Younga.

Znając powyższe równanie i związane z nim cztery zmienne, inżynierowie mogą obliczyć, jak długo sprężyna będzie się rozciągać po przyłożeniu określonej siły. Oznacza to, że inżynierowie mogą również obliczyć, jak daleko sprężyna w wieszaku sprężynowym będzie się rozciągać po przyłożeniu określonej siły/obciążenia.

WAŻNE

Prawo Hooke'a jest istotne tylko dla obliczeń w zakresie elastyczności materiału! Gdy obciążenie przekracza zakres elastyczności materiału, wchodzi w zakres plastyczności, co prowadzi do trwałego odkształcenia materiału. Prawo Hooke'a nie jest prawdziwe w zakresie plastyczności materiału. 

Jaka jest różnica między podporami pierwotnymi a wtórnymi?

Podpora pierwotna jest bezpośrednio przymocowana do części i/lub komponentów systemu rurociągów, podczas gdy podpora wtórna jest połączona tylko z podporą pierwotną. System rurociągów jest zazwyczaj klasyfikowany jako każdy element, który wspiera lub jest przymocowany do systemu. W związku z tym podpory wtórne są zazwyczaj uważane za część systemu rurociągów.

Podpory Pierwotne i Wtórne Rurociągów

Klasyfikacje Podpór Rurociągów

Istnieje wiele sposobów kategoryzowania podpór rurociągów, choć jednym z najczęstszych jest projekt konstrukcyjny. Podpory rurociągów mogą być sztywne, elastyczne lub regulowane.

Konstrukcja Sztywna

Sztywne podpory rurociągów są przymocowane do systemu poprzez spawanie lub zaciskanie. Ten typ podpory rurociągów jest bardzo powszechny, ma prostą konstrukcję i nie ulega zginaniu ani regulacji po zainstalowaniu. Buty spawane, buty zaciskowe, uchwyty wspierające, uchwyty zaworów i trunniony to wszystkie rodzaje sztywnych podpór rurociągów.

Konstrukcja Elastyczna

Elastyczne podpory rurociągów uwzględniają ruch systemu rurociągów. Systemy wysokotemperaturowe zawsze używają elastycznych podpór, aby uwzględnić rozszerzalność cieplną w systemie. Istnieją dwa główne typy elastycznych podpór, są to typy zmienne i stałe (omówione później w tym artykule).

Konstrukcja Regulowana

Regulowane podpory rurociągów są podobne do sztywnych podpór rurociągów, ale pozwalają na pewną regulację podczas instalacji. Regulacja zazwyczaj polega na możliwości obrócenia podpory w celu jej wyrównania z rurą i/lub zwiększenia lub zmniejszenia jej wysokości w celu lepszego podparcia rury.

Złącza Rozszerzalne i Pętle Rozszerzalne

Złącza rozszerzalne i pętle rozszerzalne są również używane do uwzględniania rozszerzalności cieplnej w systemach rurociągów. Wymagania dotyczące konserwacji związane z pętlami rozszerzalnymi są znacznie mniejsze niż w przypadku złączy rozszerzalnych. Złącza rozszerzalne mają tendencję do pękania lub łamania się z czasem, zwłaszcza gdy są narażone na trudne warunki, np. regiony przybrzeżne z zasolonym, korozyjnym środowiskiem. Z tego powodu pętle rozszerzalne stały się bardziej popularnym wyborem wśród projektantów systemów rurociągów w ostatnich latach.

Pętla Rurociągu

Co powoduje rozszerzalność cieplną w systemach rurociągów?

Rozszerzalność cieplna w materiale rurociągu występuje, gdy temperatura materiału wzrasta. Gdy materiały są podgrzewane, rozszerzają się z powodu energii kinetycznej, którą pochłaniają z ciepła. Gdy materiał jest schładzany, materiał kurczy się/zmniejsza.

Rurociągi, które działają w szerokim zakresie temperatur, np. systemy parowe, będą się rozszerzać i kurczyć, gdy temperatura wzrasta i maleje odpowiednio. Ilość rozszerzalności lub kurczenia się zależy od rodzaju materiału rury, długości rury oraz minimalnego i maksymalnego zakresu temperatury (delta T).

Rozszerzalność Cieplna Rury

Przykład

50-metrowa długość rury doświadcza wzrostu temperatury o 50⁰C. Wpływ na długość rury będzie następujący:

• 175mm wydłużenia, jeśli wykonana z PVC.
• 40mm wydłużenia, jeśli wykonana z miedzi.
• 25mm wydłużenia, jeśli wykonana ze stali nierdzewnej.

Jeśli podpory rurociągów nie uwzględniają tego rozszerzenia, rozszerzenie stworzy siłę działającą na każdy stały element, do którego system rurociągów jest przymocowany. Siła ta znacznie przekroczy jakiekolwiek ograniczenie na systemie rurociągów, co prawdopodobnie spowoduje uszkodzenie systemu rurociągów i otoczenia.

Podpory Sprężynowe

Podpory sprężynowe używają sprężyn do uwzględniania rozszerzalności cieplnej w systemie rurociągów i są rodzajem elastycznej podpory. Podpora sprężynowa zawiera sprężynę, która jest ściskana, gdy jest obciążona. Gdy nie jest obciążona, sprężyna powraca/rozszerza się do pierwotnego kształtu.

Sprężyny mogą być instalowane indywidualnie lub w serii (ułożone jedna na drugiej). Ruch jest kategoryzowany pod względem kierunku (góra i dół) oraz wielkości (odległość ruchu).

Każda sprężyna ma określoną liczbę zwojów (liczba obrotów), a te zwoje są wykonane z ‘drutu’. Zwoje są nawijane, aby mieć różne średnice w zależności od ich projektu i przeznaczenia; różnica między każdym zwojem jest mierzona przez skok. Duża średnica zwoju jest określana jako ‘luźna’, podczas gdy mniejsza średnica zwoju jest określana jako ‘ciasna’. Druty są zazwyczaj produkowane do standardowych średnic drutów przy użyciu standardowych zatwierdzonych materiałów.

Nomenklatura Sprężyn

Jak Dostosować Sztywność Sprężyny

Dostosowanie grubości drutu sprężyny lub ciasności zwoju sprężyny dostosuje jej sztywność (odporność na zmianę geometryczną pod obciążeniem). Na przykład, gruba sprężyna drutowa będzie wymagała większej siły do ściskania niż cienka sprężyna drutowa. Podobnie, ‘ciaśniej’ nawinięta sprężyna będzie wymagała większej siły do ściskania niż ‘luźniej’ nawinięta sprężyna. Zmiana materiału drutu również zmieni jego sztywność, ponieważ gęstość i struktura materiałów różnią się.

Sztywność Sprężyny

Rodzaje Podpór Sprężynowych

Istnieją dwa rodzaje podpór sprężynowych, typy zmienne i stałe. Oba typy mogą być dalej klasyfikowane jako podpory dolne lub górne. Podpory dolne wspierają rurociągi od dołu, podczas gdy podpory górne wspierają rurociągi od góry. Wieszaki są rodzajem podpory górnej. Podpory dolne są rodzajem podpory dolnej.

Podpora Dolna Rurociągu (podpora dolna)

Podpora Sprężynowa Stała

Podpora sprężynowa stała jest również znana jako ‘podpora sprężynowa o stałym wysiłku’. Ten typ podpory jest zaprojektowany tak, aby niezależnie od obciążenia (z systemu rurociągów) na podporze, obciążenie wspierające pozostawało stałe. Obciążenie wspierające również nie zmienia się niezależnie od pozycji rury (pod warunkiem, że rura znajduje się w zaprojektowanym zakresie roboczym podpory).

Podpory sprężynowe stałe są droższe niż podpory sprężynowe zmienne i są również niezdolne do samodzielnego dostosowania obciążenia; to są dwa główne powody, dla których nie są tak powszechne jak podpory sprężynowe zmienne. Inną wadą jest to, że czas realizacji (czas dostawy) jest dłuższy w porównaniu do podpór sprężynowych zmiennych; jest to problem, jeśli potrzebna jest szybko zapasowa część.

Podpora Sprężynowa Zmienna

Gdy sprężyna jest ściskana, jej odporność na dalsze ściskanie wzrasta, dlatego termin ‘podpora sprężynowa zmienna’ jest często używany do opisania tego typu podpory (siła wspierająca się zmienia). Podpory sprężynowe zmienne nie oferują stałego wsparcia, ale są preferowane, ponieważ są tańsze niż ich odpowiedniki o stałym wsparciu. Zasadniczo, nie więcej niż 25% maksymalnego obciążenia roboczego (zwykle obciążenie, gdy system rurociągów jest w stanie operacyjnym lub ‘gorącym’) powinno być przenoszone na podporę sprężynową zmienną.