پایپینگ

پایپینگ یا همان لوله کشی

پایپینگ یا لوله کشی صنعتی، سیستمی متشکل از چندین لوله و اتصالات مختلف است که به منظور انتقال یا پالایش سیالات مورد استفاده قرار می‌گیرد. پایپینگ به عنوان یکی از حساس‌ترین و مهم‌ترین بخش‌های پروژه‌های صنعتی و عمرانی است. در این مقاله، به آموزش پایپینگ در سطح مقدماتی می‌پردازیم. اجزای مورد استفاده در سیستم‌های لوله کشی (لوله، فیتینگ، ولو، ساپورت، پایپ رک) و انواع آن‌ها، اصول طراحی، مدارک مورد نیاز، اصول تحلیل تنش مبانی ساپورت گذاری و مقدمات متریال شناسی، موضوعاتی هستند که در این آموزش پوشش داده می‌شوند.

پایپینگ یا لوله کشی چیست؟

لوله کشی یا پایپینگ، سیستمی متشکل از چندین لوله، اتصالات، نگهدارنده و قطعات مخصوص دیگر است که به منظور انتقال، توزیع، اختلاط، جداسازی، تخلیه، اندازه‌گیری و کنترل سیالات (مایع، گاز یا دوغاب) مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف اصلی طراحی و اجرای پایپینگ، انجام مناسب فعالیت‌های مذکور با راندمان بالا است.

کاربردهای پایپینگ چه هستند؟

سیستم‌های لوله کشی در پتروشیمی، شهرسازی، صنایع غذایی، گاز، نفت، نیروگاه، ابزار دقیق، کاغذسازی، ساخت مواد نیمه رسانا، سازه‌های دریایی، لایروبی، تصفیه فاضلاب، کشاورزی، ساختمان‌‌سازی، راه‌سازی، تهویه و غیره کاربرد دارد. در تمام کاربردهای پایپینگ، مواد مایع، گاز، دوغاب و دیگر سیالات، برای مقاصد متفاوت از محلی به محل دیگر انتقال داده می‌شوند. نوع تجهیزات و سیستم لوله کشی مورد استفاده برای هر کاربرد به هدف کاربری وابسته است.

اجزای پایپینگ چه هستند؟

سیستم‌های لوله کشی از اجزای مکانیکی نظیر لوله، تیوب، فیتینگ (اتصالات)، فلنج، گسکت (واشر آب‌بندی)، پیچ، مهره، ولو (شیرآلات) و تجهیزاتی مانند اتصالات انبساطی، اتصالات انعطاف‌پذیر، شلنگ فشار قوی، صافی، گیره، ابزار دقیق و جدا کننده تشکیل می‌شود. استفاده از این اجزا و تجهیزات مکانیکی، امکان انتقال مناسب سیالات در سیستم‌های لوله‌کشی را فراهم می‌کند. در بخش‌های بعدی، به طور مفصل در مورد اجزای مورد استفاده در پایپینگ و انواع آن‌ها بحث خواهیم کرد.

تاریخچه پایپینگ و استانداردهای آن

استفاده از سیستم‌های لوله کشی به ۲۷۰۰ سال قبل از میلاد (حدود 4700 سال پیش) باز می‌گردد. در آن دوران، آب حاصل از بارندگی توسط لوله‌کشی به مناطق شهری منتقل می‌شد. لوله‌های مورد استفاده برای این کاربری از جنس چوب بودند. این لوله‌ها توسط حفر حفره‌های طولی در کنده‌های چوبی ساخته می‌شدند. ۳۰۰ سال بعد، مصریان باستان، اولین لوله‌های فلزی از جنس مس را معرفی کردند. پیشرفت اصلی سیستم‌های لوله کشی، در دوران روم باستان آغاز شد. سیستم‌های معرفی شده در آن دوران با بهره‌گیری از شیرآلات مخصوص قادر بودند جریان آب را تا فاصله ۴۰۰ کیلومتر انتقال دهند.

در سال 1926 میلادی (1305 شمسی)، انجمن استانداردهای آمریکا، پروژه B31 را به منظور توسعه استاندارد برای سیستم‌های پایپینگ شروع کرد. «انجمن مهندسان مکانیک آمریکا» (American Society of Mechanical Engineers) یا ASME، تنها موسسه‌ای بود که در این پروژه شرکت کرد. اولین نشریه پروژه B31، در سال 1935 میلادی (1314 شمسی) برای لوله کشی فشاری منتشر شد. در بین سال‌های 1942 تا 1955 میلادی (1321 تا 1334 شمسی)، استاندارد کامل لوله کشی فشاری با عنوان عنوان ASA B31.1 به انتشار رسید. هر بخش از این استاندارد، به ارائه دستورالعمل‌های پایپینگ در صنایع مختلف می‌پرداخت.

در سال 1955 میلادی، بخش سیستم‌های پایپینگ انتقال و توزیع سوخت گازی ASA B31.1، به یک دستورالعمل مستقل با عنوان ASA B31.8 تبدیل شد. با گذشت زمان، بخش‌های دیگر نیز به شکل دستورالعمل‌های مستقل درآمدند. عنوان استاندارد ASA نیز ابتدا به ANSI و سپس به ASME تغییر یافت. امروزه بیش از 10 دستورالعمل جداگانه از مجموعه استاندارهای ASA B31 وجود دارند که به عنوان مرجع اصلی طراحی سیستم‌های لوله کشی در کشورهای مختلف دنیا و برای صنایع متفاوت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع سیستم های پایپینگ چه هستند؟

سیستم‌های لوله کشی در اکثر صنایع کاربرد دارند. این سیستم‌ها با توجه به کاربری به انواع مختلفی نظیر لوله کشی نیروگاهی، فرآیندی، انتقالی، تبرید، تاسیسات ساختمان، خدماتی، انتقال دوغاب و غیره تقسیم‌بندی می‌شوند. با وجود تنوع و کاربری‌های گسترده لوله کشی، اصطلاح پایپینگ در اغلب موارد برای اشاره به لوله کشی فرآیندی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

لوله کشی فرآیندی چیست؟

«لوله کشی فرآیندی» (Process Piping)، یکی از انواع سیستم‌های پایپینگ است که مایعات، مواد شیمیایی، سوخت، گاز و دیگر مواد اولیه خام را طی فرآیندهای مختلف به محصولات قابل استفاده تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، انتقال آب درون مجموعه‌ای از لوله‌ها را در نظر بگیرید. سیستم لوله‌های مورد استفاده برای انتقال آب به منظور خنک کردن تجهیزات، لوله‌کشی فرآیندی نیست. با این وجود، در صورت انتقال آب توسط لوله‌ها به درون فرآیندهای مختلف و تبدیل آن به تمیزکننده‌های شیمیایی، نوشیدنی‌های گازدار یا محصولات دیگر، سیستم پایپینگ به عنوان لوله کشی فرآیندی در نظر گرفته می‌شود. به طور کلی، لوله کشی فرآیندی، یک روش منحصر به فرد برای تبدیل مواد خام به مواد با ارزش است.

لوله کشی نیروگاهی چیست؟

لوله کشی نیروگاهی یا «پاور پایپینگ» (Power Piping)، سیستمی است که معمولا در نیروگاه‌های تولید برق، کارخانه‌های صنعتی، سیستم‌های زمین گرمایی و سیستم‌های گرمایش/سرمایش مرکزی در مقیاس بزرگ اجرا می‌شود. این سیستم بیشتر با انرژی حاصل از گردش بخار و آب سر و کار دارد. طبق تعریف استاندارد ASME، سیستم‌های لوله کشی غیر خدماتی را می‌توان به عنوان لوله کشی نیروگاهی در نظر گرفت.

انواع دیگر سیستم‌های پایپینگ چه هستند؟

اصطلاح پایپینگ معمولا به منظور اشاره به سیستم‌های لوله کشی فرآیندی یا نیروگاهی (لوله کشی صنعتی) مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این وجود، تمام سیستم‌های لوله‌کشی مورد استفاده برای انتقال سیالات جهت کاربری‌های مختلف، از انواع پایپینگ به حساب می‌آیند. برخی دیگر از این سیستم‌ها عبارت هستند از:

«لوله کشی تاسیسات ساختمان» (Plumping): سیستم انتقال سیالات مختلف درون ساختمان به منظور تامین آب آشامیدنی، تهویه، گرمایش/سرمایش، تخلیه فاضلاب، زهکشی، انتقال گاز و غیره است. لوله کشی ساختمان برای تاسیسات مکانیکی (مانند تاسیسات بهداشتی) و تاسیسات الکتریکی انجام می‌گیرد.

«لوله کشی شهری» (Civil Piping): اکثر خدمات شهرداری به ساختمان‌های مسکونی، تجاری، صنعتی و عمومی با استفاده از لوله کشی شهری به محل مورد نظر انتقال داده می‌شوند.

«لوله کشی خدماتی» (Service Piping): امکان اتصال سیستم لوله کشی ساختمان به خدمات شهری نظیر آب، گاز و فاضلاب را فراهم می‌کند.

«لوله کشی انتقالی» (Transportation Piping): مجموعه‌ای از لوله‌های بلند است که به منظور انتقال سیالات مختلف در فواصل کم یا زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

«لوله کشی تبرید» (Refrigeration Piping): سیستمی است که با استفاده از رابطه پیچیده بین جریان مبرد و روغن، دمای محیط را کاهش می‌دهد.

«لوله کشی دریایی» (Marine Piping): سیستم ویژه‌ای برای انتقال سیالات در سازه‌های آبی یا زیرآبی است.

تجهیزات یا اقلام پایپینگ چه هستند؟

قلام پایپینگ، مجموعه‌ای از قطعات مورد نیاز برای اجرای سیستم‌های لوله کشی هستند. از اقلام اصلی سیستم‌های پایپینگ می‌توان به لوله، ساپورت، پایپ رک، فیتینگ، فلنج و ولو اشاره کرد. با توجه به کاربری مورد نظر، امکان استفاده از تجهیزات و ابزار دیگر نیز وجود دارد. در ادامه به معرفی اقلام اصلی پایپینگ و انواع مختلف آن‌ها می‌پردازیم.

لوله چیست؟

لوله، اصلی‌ترین تجهیزات مورد استفاده در سیستم‌های انتقال سیالات است. سیالات مختلف معمولا از درون لوله‌هایی با مقطع دایره‌ای به محل مورد نظر انتقال داده می‌شوند. ابعاد و مشخصات مکانیکی لوله از مهم‌ترین پارامترهای انتخاب این تجهیزات برای سیستم‌های لوله‌کشی مختلف هستند. در کارخانه‌های فرآیندی، معمولا لوله‌هایی از جنس فولاد، چدن، برنج و مس مورد استفاده قرار می‌گیرند. به منظور نمایش ابعاد لوله، از حروف اختصاری زیر استفاده می‌شود:

NPS: اندازه اسمی لوله

DN: قطر اسمی لوله

ID: قطر داخلی لوله

OD: قطر خارجی لوله

SCH: عدد اسکجول یا ضخامت دیواره لوله

STD: ضخامت دیواره استاندارد یا لوله با وزن استاندارد

XS: لوله سنگین

Xxs:لوله فوق سنگین

نمایش ابعاد لوله‌ها معمولا با دو عدد قطر و ضخامت انجام می‌گیرد. سیستم‌های لوله کشی بر اساس ابعاد لوله‌ها به دو گروه با «مقطع کوچک» (Small Bore) و «مقطع بزرگ» (Large Bore) تقسیم‌بندی می‌شوند. به طور کلی، لوله‌هایی با قطر اسمی کوچکتر یا برابر 50 میلی‌متر در سیستم مقطع کوچک و لوله‌هایی با قطر اسمی بزرگتر از 50 میلی‌متر در سیستم مقطع بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

یکی دیگر از معیارهای تقسیم‌بندی لوله‌های مورد استفاده در سیستم‌های پایپینگ، شکل انتهای آن‌ها است. بر این اساس می‌توان لوله‌ها را به انواع صاف، پخ‌خورده و رزوه شده تقسیم‌بندی کرد. برخی از لوله‌های پرکاربرد و علائم اختصاری مورد استفاده برای نمایش آن‌ها در سیستم پایپینگ عبارت هستند از:

BBE: دو انتهای پخ خورده

TBE: دو انتهای رزوه شده

PBE: دو انتهای صاف

‌‌BLE/TSE: انتهای بزرگ پخ خورده و انتهای کوچک رزوه شده

تفاوت pipe با tube چیست؟

«تیوب» (Tube)، یکی دیگر از تجهیزات پرکاربرد برای انتقال سیالات است. به دلیل شباهت‌های زیاد، عبارت‌های لوله و تیوب در اغلب موارد به جای یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این وجود، تعریف دقیق این دو می‌تواند تفاوت‌های اصلی آن‌ها را مشخص کند:

لوله: مقطع توخالی دایره‌ای شکل مورد استفاده برای انتقال مایعات، گازها و غیره است که توسط ابعاد اسمی نمایش داده می‌شود.

تیوب: مقطع توخالی دایره‌ای، مستطیلی، مربعی و بیضوی که توسط قطر خارجی و ضخامت دیواره مشخص می‌شود.

ساپورت چیست؟

«تکیه گاه لوله» (Pipe Support) یا ساپورت، المانی برای انتقال بارهای اعمال شده از طرف لوله به سازه‌های نگهدارنده است. وزن لوله، فیتینگ، سیال عبوری و پوشش‌ها (نظیر مواد عایق) از بارهای اعمال شده به ساپورت هستند. از عمکلردهای اصلی ساپورت لوله می‌توان به مهار، هدایت، جذب ضربه و نگهداری از یک بار مشخص اشاره کرد. در صورت به کارگیری ساپورت در شرایط دمایی بسیار بالا یا بسیار پایین، از مواد عایق در ساخت این المان استفاده می‌شود.

پیکربندی تکیه گاه لوله به شرایط بارگذاری و عملیاتی سیستم پایپینگ بستگی دارد. بر این اساس، ساپورت لوله به انواع صلب، فنری و جاذب ضربه تقسیم می‌شود.

فیتینگ یا اتصالات پایپینگ چیست؟

اتصالات یا اصطلاحا «فیتینگ» (Fitting)، المان‌هایی هستند که به منظور اتصال لوله‌ها به یکدیگر و پوشش دهانه لوله‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. استفاده از فیتینگ، امکان تغییر مسیر، ایجاد انشعاب و تغییر ابعاد لوله‌ها را فراهم می‌کند. نحوه اجرای اتصالات فیتینگ برای لوله با NPS بزرگتر از 75 میلی‌متر معمولا توسط جوش لب به لب و برای لوله با NPS کوچکتر از 75 میلی‌متر توسط ساکت ولد (اتصال فشار قوی) یا پیچ و مهره صورت می‌گیرد. تصویر زیر، کاربرد فیتینگ در لوله کشی را نمایش می‌دهد.

برخی از المان‌های پرکاربرد اتصالات پایپینگ عبارت هستند از:

زانویی

سه راهی یا اتصال T شکل

انشعاب گیری لوله به لوله

کپ یا کلاهک

پلاگ یا درپوش

سوئیچ نیپل

پیچ و ساکت ولد

زانویی چیست و چه کاربردی دارد؟

زانویی، یکی از پرکاربردترین و مهم‌ترین اتصالات فیتینگ است که به منظور تغییر جهت لوله‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. متداول‌ترین نوع این اتصالات، زانویی ۴۵ تا ۹۰ درجه‌ است. با توجه به شعاع گردش، زانویی‌ها به کلاس‌های LR (شعاع بلند) و SR (شعاع کوتاه) تقسیم‌بندی می‌شوند. در فیتینگ جوشی، فاصله مرکز تا انتهای زانویی LR، برابر با 1.5NPS و برای زانویی SR، برابر با NPS است. در صورتی که کلاس زانویی مشخص نشده باشد، نوع LR به صورت پیش فرض در نظر گرفته می‌شود.

زانویی‌ها انواع مختلفی دارند. یکی از پرکاربردترین انواع این اتصالات، مایتر است. این زانویی با پخ کردن انتهای چندین لوله‌‌ها و اتصال آن‌ها به یکدیگر تشکیل می‌شود. زانویی مایتر اغلب برای پایپینگ داکت‌های تهویه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سه راهی چیست و چه کاربردی دارد؟

اتصال T شکل یا سه راهی، اتصالی است که برای ایجاد انشعاب در مسیر لوله‌ها به کار برده می‌شود. از انواع سه راهی می‌توان به سه راهی مستقیم و کاهنده اشاره کرد. به لوله‌ای که از آن انشعاب گرفته می‌شود، لوله اصلی یا «هدر» (Header) و به دیگر لوله‌های متصل به سه‌راهی، لوله‌های فرعی می‌گویند.

انشعاب گیری لوله به لوله چیست و چه کاربردی دارد؟

انشعاب گیری لوله به لوله یا اتصال Stub-In، یکی دیگر از روش‌های ایجاد انشعاب در سیستم‌های پایپینگ است. این روش، با حفر حفره در بدنه لوله اصلی و جوش دادن لوله‌های فرعی بر روی حفره انجام می‌گیرد. سپس، از چندین پد تقویتی برای افزایش استحکام اطراف ناحیه اتصال و حفره استفاده می‌شود. تصویر زیر، نمونه‌ای از طرح اجرای Stub-in با فواصل مجاز را نمایش می‌دهد.

کپ چیست و چه کاربردی دارد؟

کلاهک یا کپ، ابزاری است که به منظور بستن انتهای باز لوله مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف اصلی این وسیله، محافظت از انتهای لوله‌هایی با شکل‌های مختلف و جلوگیری از نشت سیالات است. کپ‌ها در شکل‌ها (دایره‌ای، گرد، مستطیلی، U شکل، I شکل، شش ضلعی)، جنس‌ها (آلومینیوم، پلی‌اتیلن، فولاد ضد زنگ) و ابعاد مختلف ارائه می‌شوند.

فیتینگ پیچی و ساکت ولد چه هستند؟

فیتینگ پیچی و «ساکت ولد» (Socket Weld)، روش‌هایی هستند که معمولا برای اتصال لوله‌هایی با قطر اسمی کوچک‌تر یا برابر 75 میلی‌متر (3 اینچ) به کار برده می‌شوند. در اتصال ساکت ولد، قطعه فیتینگ درون لوله فرو می‌رود. سپس، ناحیه بین لوله و فیتینگ جوش داده می‌شود.

نیپل چیست و چه کاربردی دارد؟

«نیپل» (Nipple) یا «سوئیچ نیپل» (Swage Nipple)، یکی از انواع کاهنده‌ها است که به منظور اتصال لوله‌هایی با فیتینگ پیچی و ساکت ولد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

درپوش چیست و چه کاربردی دارد؟

درپوش یا «پلاگ» (Plug)، وسیله‌ای با عملکرد مشابه با کپ است. با این تفاوت که کپ‌ها با پوشاندن انتهای لوله و پلاگ‌ها با فرو رفتن در بخش انتهایی لوله از خروج سیالات جلوگیری می‌کنند.

اتصال انبساطی چیست و چه کاربردی دارد؟

لوله‌ها بر اثر تغییر دما منبسط یا منقبض می‌شوند. در سیستم‌هایی با تغییرات دمایی زیاد، عدم توجه به این نکته می‌تواند خراب شدن لوله کشی و نیاز به تعمیر را در پی داشته باشد. «اتصال انبساطی» (Expansion Joint)، راه‌حل مناسبی برای مقابله با تغییر شکل ناشی از تغییرات دمایی است. این نوع اتصال از مواد انعطاف‌پذیر مانند لاستیک و اجزایی نظیر سیلندر، میله، فلنج و غیره ساخته می‌شود.

روش اتصال فیتینگ در پایپینگ چگونه است؟

روش‌های مختلفی برای اتصال فیتیگ وجود دارند. این روش‌ها با توجه به شکل انتهای لوله و فیتینگ اجرا می‌شوند. از پرکاربردترین روش‌های اتصال فیتینگ می‌توان به اتصال پیچی، جوشی، فلنجی، رزوه دار و تیوبینگ اشاره کرد.

فلنج در پایپینگ چیست؟

«فلنج» (Flange)، قطعه‌ای دایره‌ای شکل به همراه چندین حفره است که برای اتصال لوله‌ها، نازل‌ها، شیرآلات، پمپ‌ها و دیگر تجهیزات مورد استفاده قرار می‌گیرد. فلنج‌ها، امکان دسترسی آسان برای تمیزکاری، بازرسی و اصلاح سیستم‌های پایپینگ را فراهم می‌کنند. باز کردن ساده برای تعمیر، نگهداری و بازرسی، این تجهیزات را به جایگزین مناسب و کارآمدی برای اتصالات جوشی و پیچی تبدیل کرده است.

از ابزارهای مورد استفاده برای اتصال فلنجی می‌توان به پیچ، مهره و واشر یا اصطلاحا «گاسکت» (Gasket) اشاره کرد. واشر برای درزبندی و اطمینان از عدم نشت سیالات در بین دو سطح تجهیزات اتصالی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کلاس فلنج چیست؟

کلاس فلنج، سیستم کدگذاری برای تشخیص انواع فلنج‌ها بر اساس مشخصات فیزیکی است. کلاس فلنج، با عنوان رده‌بندی فشار نیز شناخته می‌شوند. این رده‌بندی، حداکثر فشار مجاز در دمای مشخص را نمایش می‌دهد. فلنج‌های فولادی در کلاس‌های 150، 300، 400، 600، 900، 1500 و 2500 در دسترس هستند. فلنج کلاس 150 می‌تواند در حداکثر فشار 150 پوند بر اینچ مربع (psi) یا 10.3 بار و دمای 500 درجه فارنهایت یا 260 درجه سانتی‌گراد مورد استفاده قرار گیرد.

در صورت افزایش دمای سیستم، باید از فلنج با کلاس بالاتر استفاده کرد. به عنوان مثال، در سیستمی با دمای عملیاتی 750 درجه فارنهایت (399 درجه سانتی‌گراد)، حداکثر فشار مجاز برابر با 100 پوند بر اینج مربع (6.9 بار) است. در این سیستم، فلنج کلاس 150 جوابگو نخواهد بود. به همین دلیل باید از فلنج کلاس 300 استفاده کرد. هر چه کلاس فلنج بالاتر باشد، قطر و ضخامت آن نیز بیشتر خواهد بود.