Guia de classificació de pressió de canonades - Fórmula i gràfics de Barlow

La pressió nominal de la canonada, coneguda formalment com a pressió de treball màxima permesa (MAWP), és la pressió interna màxima que una canonada pot contenir de manera segura a una temperatura especificada. Això és fonamentalment diferent de la pressió d'esclat, que és la pressió a la qual es trencaria la canonada. MAWP incorpora un factor de seguretat important (normalment 3,5x en la resistència a la tracció màxima segons ASME B31.3), assegurant que la canonada funcioni bé dins dels seus límits estructurals durant tota la seva vida útil. La selecció de canonades amb una pressió nominal inadequada és una de les causes arrels més comunes de fallades de canonades industrials, que condueixen a fuites, ruptures catastròfiques i incidents de seguretat.

Les conseqüències d'una selecció incorrecta de la classificació de pressió poden ser greus. Una canonada que funciona per sobre del seu MAWP pot experimentar cediments (deformació permanent), fluïdesa a temperatures elevades o fractura sobtada i trencadissa. A les instal·lacions petroquímiques, les fallades de les canonades han provocat incendis, explosions i emissions tòxiques. La sèrie de codis ASME B31 estableix requisits mínims per al disseny de la pressió de canonades en diferents aplicacions: B31.1 per a canonades d'alimentació, B31.3 per a canonades de procés, B31.4 per al transport de canonades i B31.8 per a la transmissió de gas. Entendre aquests requisits del codi és essencial per al disseny de sistemes de canonades segurs i compatibles.

La fórmula de Barlow és l'equació fonamental per calcular la pressió d'esclat teòrica d'una canonada:P=2St/D, on P és la pressió interna (MPa), S és la tensió admissible (MPa), t és el gruix nominal de la paret (mm) i D és el diàmetre exterior (mm). Per al càlcul de MAWP, la tensió permesa S es pren de la part D de la secció ASME II a la temperatura de disseny, i el gruix de la paret t és el gruix nominal menys la tolerància de fabricació menys la tolerancia a la corrosió. La fórmula assumeix condicions de paret prim-(D/t > 10), que s'aplica a la gran majoria de programes estàndard de canonades.

Exemple de càlcul (Fórmula de Barlow - MAWP teòric):Per a una canonada SCH 40 A106 Gr.B de 4 polzades a temperatura ambient:
DE=114.3 mm, paret=6.02 mm, S=137.9 MPa (A106 Gr.B a 38 graus)
P=2 x 137,9 x 6,02 / 114.3=14.5 MPa (~2100 psi)

Tingueu en compte que la fórmula del codi ASME B31.3 (t=PD / 2(SE + PY)) produeix un MAWP inferior d'aproximadament 10,9 MPa per a la mateixa canonada a causa de la inclusió del factor d'eficiència de la junta E i el coeficient de temperatura Y. La taula següent utilitza la fórmula ASME B31.3 i representa la pressió de treball conforme al codi{{7}. Per comparació, la pressió d'explosió (utilitzant la resistència a la tracció mínima S=415 MPa per a A106 Gr.B) seria d'aproximadament 43,7 MPa, donant un factor de seguretat d'aproximadament 3,0 contra l'esclat. Això il·lustra la naturalesa conservadora dels càlculs de MAWP. La pressió de treball real sempre ha d'estar per sota del MAWP, i la majoria dels codis de disseny requereixen un marge més per sobre de la pressió de funcionament normal.

Els valors de tensió admissibles són la base dels càlculs de la classificació de pressió. Aquests valors es mostren a la part D de la secció II d'ASME per a milers de combinacions de temperatura de material-grau-. La tensió admissible es deriva del mínim de: un-terç de la resistència a la tracció mínima a temperatura ambient, dos-terços de la resistència mínima elàstica a temperatura ambient o la resistència mitjana a la ruptura per fluència durant 100.000 hores dividida per 1,5 a temperatures elevades.

Material	Grau	Tensió permesa a 38 graus (MPa)	Tensió permesa a 400 graus (MPa)	Temperatura màxima (graus)
A106	Gr.B	137.9	82.7	538
A335 P11	1,25Cr-0,5Mo	137.9	96.5	593
A335 P22	2,25Cr-1Mo	137.9	96.5	593
A335 P91	9Cr-1Mo-V	172.4	103.4	649
TP304 SS	304	117.2	79.3	816
TP316 SS	316	117.2	82.7	816

Tingueu en compte que la tensió admissible disminueix significativament a temperatures elevades. Aquest efecte de reducció de la temperatura és més pronunciat per a l'acer al carboni, que experimenta una reducció del 40% entre la temperatura ambient i els 400 graus. Els acers d'aliatge com el P91 mantenen una proporció més alta de la seva resistència a la temperatura ambient-a temperatures elevades, cosa que els converteix en l'opció preferida per al servei d'alta-temperatura. Els acers inoxidables, tot i que tenen tensions permeses a la temperatura ambient-menys, mantenen millor la seva resistència a temperatures molt elevades per sobre dels 600 graus.

La taula següent mostra les pressions de treball aproximades per a la canonada d'acer al carboni A106 Gr.B a temperatura ambient. Aquests valors es basen en el gruix nominal de la paret i no inclouen el marge de corrosió. Les pressions de treball reals variaran en funció de les condicions de funcionament específiques i dels requisits del codi aplicables.

NB (polzades)	SCH 40 (MPa)	SCH 80 (MPa)	SCH 160 (MPa)
1/2"	24.8	34.1	44.8
1"	20.9	28.5	40.5
2"	13.5	19.4	31.6
4"	10.9	15.6	25.2
6"	8.8	13.8	18.1
8"	7.8	12.3	14.7

La reducció de la temperatura és la reducció de l'estrès admissible a mesura que augmenta la temperatura de funcionament. Aquest fenomen es produeix perquè els metalls perden resistència a temperatures elevades. Per a l'acer al carboni, la tensió permesa es manté relativament constant fins a uns 200 graus, després comença a disminuir linealment. A 400 graus, la tensió permesa d'A106 Gr.B és aproximadament el 60% del seu valor de temperatura ambient-. A 500 graus, baixa fins al 40% aproximadament.

L'acer inoxidable té un avantatge a temperatures molt elevades a causa de la seva superior resistència a l'oxidació i resistència a la fluència. Tot i que l'acer inoxidable 304 té una tensió permesa a la temperatura ambient-més baixa que l'acer al carboni (117,2 MPa vs 137,9 MPa), la seva tensió permesa a 600 graus és d'aproximadament 48 MPa en comparació amb zero per a l'acer al carboni (que no es permet per sobre de 538 graus per codi ASME). Per a aplicacions d'ultra-alta-temperatura per sobre dels 600 graus , s'utilitzen aliatges basats en níquel-com ara l'aliatge 617 (UNS N06617), amb tensions permeses de 20-30 MPa a 900 graus .

Cada secció de codi ASME B31 té requisits específics per a la determinació de la classificació de pressió. ASME B31.1 (Power Piping) regula les canonades en centrals de generació d'energia elèctrica i plantes industrials. Requereix un disseny de pressió d'acord amb les regles de la secció I d'ASME per a la canonada externa de la caldera i proporciona equacions específiques per a canonades rectes, corbes i connexions de derivació. ASME B31.3 (Process Piping) és el codi més utilitzat per a plantes químiques i petroquímiques. Utilitza l'enfocament basat en la fórmula de Barlow- amb el gruix del disseny de pressió determinat per: t=(P x D) / (2(SE + PY)), on E és el factor de qualitat de la junta longitudinal i Y és un coeficient depenent de la temperatura-.

ASME B31.4 (Transport per canonades) s'aplica als sistemes de canonades líquids i d'hidrocarburs líquids. Utilitza un enfocament de factor de disseny en el qual la tensió del cèrcol a la pressió de disseny no ha de superar un percentatge especificat de la resistència mínima elàstica (SMYS) especificada del material. Per exemple, un factor de disseny típic de 0,72 significa que la tensió del cèrcol està limitada al 72% de SMYS. ASME B31.8 (Transmissió de gas) utilitza un enfocament de factors de disseny similar, però amb factors específics d'ubicació-basats en la densitat de població a prop del gasoducte, que oscil·len entre 0,72 (rural) i 0,40 (àrees urbanes d'alta-densitat).

Les proves hidrostàtiques són el mètode estàndard per verificar la integritat de la pressió dels sistemes de canonades fabricats. La pressió de prova és normalment 1,5 vegades la pressió de disseny a la temperatura de disseny, però no menys d'1,5 vegades la MAWP a la temperatura de prova. La pressió de prova s'ha de mantenir durant una durada mínima (normalment 10 minuts per a sistemes petits, més llarg per a sistemes grans) mentre s'inspeccionen totes les juntes i connexions per detectar fuites. Les proves pneumàtiques s'utilitzen quan les proves hidrostàtiques no són pràctiques (per exemple, sistemes que no toleren l'aigua, com l'oxigen o el servei criogènic). Tanmateix, les proves pneumàtiques comporten majors riscos de seguretat a causa de l'energia emmagatzemada en el gas comprimit i requereixen precaucions addicionals. Veure el nostreGuia de proves hidrostàtiques i pneumàtiques(54) per als procediments detallats.

La indústria química normalment opera a classes de pressió de 150 # a 600 #, amb la majoria de canonades de procés generals a 150 # o 300 #. Els processos de pressió més alta com l'hidrocraqueig i la síntesi d'amoníac funcionen entre 900 # i 2500 #. La indústria elèctrica utilitza els nivells de pressió més alts, amb cicles de vapor ultra-supercrítics que funcionen entre 2500# i 4000# i temperatures de fins a 620 graus. Aquestes condicions extremes requereixen materials d'alt-aliatge com ara P92 i superaliatges-de níquel. Les pressions dels gasoductes de petroli i gas solen estar en el rang de classe ANSI 300 a 900, tot i que les línies de transmissió principals poden funcionar a pressions superiors a 2000 psi.

Quan sol·liciteu una canonada per a una aplicació de pressió específica, proporcioneu els paràmetres següents per garantir la selecció correcta: la pressió i la temperatura de disseny, el medi fluid (inclosa la corrosivitat), el codi aplicable (ASME B31.3, B31.1, etc.), la tolerancia de corrosió requerida i qualsevol requisit especial (servei agre, compliment NACE, etc.). L'equip d'enginyers de ManufacturerPipe pot ajudar a seleccionar el material, el programa i el procés de fabricació òptims per als vostres requisits de pressió específics. També oferim personalització no-estàndard del gruix de la paret per a aplicacions on els horaris estàndard són insuficients o sobre-especificats.

Poseu-vos en contacte amb el nostre equip d'enginyeria per obtenir orientació experta i preus competitius sobre canonades per als vostres requisits de pressió específics.

Obteniu un pressupost