PRACTICAL PIPING STRESS

HANDBOOK

Piya Kittitanesuan, B.Eng., Mech. ( ปยะ กตตธเนศวร )

Piping Engineer

Pöyry Energy Ltd Bangkok, Thailand

First Issued : January 1998

Last Update : February 2008

1

เกยวกบผเขยน

ปยะ กตตธเนศวร ปจจบนทางานเปนวศวกรใหกบบรษทเพอรเอนเนอจ (ประเทศไทย) จากด ตาแหนงหวหนาฝายออกแบบวศวกรรมระบบทออตสาหกรรม สาเรจการศกษาชนมธยมจากโรงเรยนปทมคงคา ในป2534 และ สาเรจวศวกรรมศาสตรบณฑต(วศวกรรมเครองกล) จากมหาวทยาลยเชยงใหม ในป พ.ศ.2538 ประวตการทางาน (Piping Experiences) 1995-2000 (over 4 years) Foster Wheeler International Corp. 2000-2002 (2 years) Toyo Engineering Ltd. 2002-2003 (1 year) NKK Engineering Ltd. 2003-2004 (6 month) Pro-En Technologies Ltd. 2004-2005 (1year 8 month) Chevron Offshore (Thailand) Ltd. 2005-Present Pöyry Energy Ltd.

2

สารบญ

Page คานา i คาศพท (Vocabulary) ii บทนา บทท 1 Basic Piping Stress Analysis และการใชโปรแกรม CAESAR II 1

1.1 Basic Piping Stress Analysis 1.2 Basic Stress Quantities 1.3 Code Compliance Basics 1.4 Code Stress Allowable 1.5 Checking Step for Stress Analysis 1.6 Piping Stress Analysis Method

บทท 2 Static Analysis x

2.1 Linear and Non-Linear Equation 2.2 CAESAR II Type Support 2.3 Linear and Non-Linear Restraint 2.4 Static Analysis

บทท 3 Piping on Rack x

3.1 Pipe Rack Design for Process Plants 3.2 Piping Layout on Pipe Rack 3.3 How to design pipe support for lines on pipe rack 3.4 How to design expansion loop

บทท 4 Pipe Support Design x

4.1 Introduction to pipe support design 4.2 Guideline for shoe selection 4.3 Guideline for Pipe Support 4.4 Minimum Leg Required 4.5 Pipe Support around Equipment

บทท 5 Spring Hanger Design x

5.1 Variable Spring Hanger 5.2 Constant Spring Hanger 5.3 Spring Function 5.4 When install spring support

บทท 6 Jacket Pipe x

- How to model and analysis jacket pipe - Model jacket pipe by equivalent method - Minimum leg require for jacket pipe - Critical Buckling Force for Jacket pipe

บทท 7 Dynamic x

- Introduction of Dynamic Theory - Characteristics of Dynamic Load - Dynamic analysis for reciprocating compressor line - How to solve static and dynamic problem - Impact load analysis - Water Hammer - Wind Load

3

บทท 8 Seismic Analysis x

- Seismic code - Using CAESAR II for seismic analysis - How to set up Caesar II for seismic load - Caesar II load case to be analyzed for seismic load - How to design pipe support for seismic load - How to reduce seismic load and stress

บทท 9 Stress Analysis for Underground Piping x บทท 10 โครงสราง file ของ Program CAESAR II x

- เจาะลกโครงสราง file ของ CAESAR II - ไฟล ควบคมการทางานของ CAESAR - Unit file ไฟลควบคมระบบหนวย - ไฟล อนๆ

บทท 11 3D CAD and CAESAR II x

- Introduction to PDMS 3D and STRESS -C - การใช STRESS-C สรางไฟลกลาง (neutral file) สาหรบ มาใชกบ CAESAR II - การนา neutral file มา สราง piping input file - Introduction to PDS and PD-Stress

บทท 12 CAESAR II Structural Model x

- How to use CAESAR II model the structure - How to include structure model to piping model

บทท 13 How to develop online piping calculation on web site x

- Develop web programming for online calculation - pipe wall thickness - maximum pipe span - pipe branch reinforcement - pressure drop calculation - trunnion arm loading calculation - flange leakage calculation - cantilever bracket calculation

เอกสารอางอง (REFERENCES) x APPENDIX A: Equipment Allowable Nozzle Loads x APPENDIX B: CODE stress x APPENDIX C: Stress Analysis Check List x APPENDIX D: CAESAR II Load Case to be Analysed x APPENDIX E: Pipe Span Calculation x APPENDIX F: Piping Program develop by using Visual Basic x APPENDIX G: How to include piping input file x APPENDIX H: Hot Sustain and Cold Sustained Stress x APPENDIX I: Unix and Apache Server, PHP, Mysql Database and PHPMyadmin x

4

คานา ตงแต สาเรจการศกษาจากมหาวทยาลยใน ปพ.ศ 2538 ผเขยนไดเรมงานทางดานวศวกรรมระบบทออตสหากรรม (Piping Engineering) กบบรษทอเมรกาแหงหนง โชคดมโอกาสเรยนรทางานดาน Piping Stress Analysis โดยเฉพาะ กบวศวกรผเชยวชาญเฉพาะดานชาวตางประเทศจากหลายสญชาต เนองจากศาสตรทางดานนเรมพฒนามาไดไมกสบป ดงนนวศวกรไทยทเชยวชาญทางดานน จงมจานวนนอยอย สวนตาราภาษาไทยทเกยวกบ Piping Stress กยงไมมผใดถายทอดเอาไวใหจนกระทงปจจบน

หนงสอเลมนมวตถประสงค เพอรวบรวมความร ประสบการณ ในการวเคราะหและแกปญหาความเคนในระบบทอ และนามาถายทอด ใหกบวศวกรไทยรนใหมและ นกศกษาทมความสนใจในงานทางดานวศวกรรมระบบทอ โดยหวงวาเราจะตอยอดพฒนาความรในศาสตรน ไดอยางรวดเรวและไมแพชาตใดในโลก

ผเขยนตองการแสดงใหเหนวา ความรพนฐานทางวศวกรรม ทเราเรยนกนมาในโรงเรยนและมหาวทยาลยนน นนมคณคาในวชาชพอยางมาก เชน กฏฟสกค ขอท 1 ของทานเซอรไอแซคนวตน มาประยกตใชงาน ควบคกบการนาเสนอซอฟแวรสมยใหมทางดาน piping stress analysis อยาง CAESAR II จะทาใหศาสตรนไมไดยากเหนอความเขาใจแตอยางใด และชวยใหลดเวลาในการทางาน ทสญเสยไปกบการหาผลลพธ โดยอาศยโปรแกรมคอมพวเตอร อยางลองผดลองถก หนงสอเลมนจะสาเรจลงไมไดเลย หากขาดความรเมอหลายรอยปกอน จากทานปรมาจารย เซอรไอแซค นวตน ครบาอาจารยทประสทธประสาทวชาการดานวศวกรรมจากมหาวทยาลยเชยงใหม และรนพวศวกรทงชาวไทย พสมภพ พนทรพย ทชวยเหลอผมเขาสวงการ piping engineering และวศวกรชาวตางประเทศทเปนหวหนาและอาจารยผม อยาง Mr.John M Nedovich, Mr. David Maloney, Mr. Brian Hutchison และ Mr.Steve Holdaway ทใหความเมตตา มอบโอกาสในการงาน และถายทอดประสบการณ ความรจากการทางานจรง และทสาคญ ขอขอบคณอยางสงสาหรบบรษทเพอร เอนเนอย (ประเทศไทย) จากด โดยเฉพาะนายใหญ ชาวสเปน และ ดร.อเลกซ พ ST พ SA และพ SU ทใหโอกาสรบผมไดทางานทบรษทเพอร ทนเปดโอกาสใหผมไดทาเวบไซต pipingengineer.com ในเวลาเลกงาน ยามวาง เปนงานอดเรก แตงตารา เขยนบทความ ถายทอดความรใหกบสงคมและรนนองวศวกรไทย หากมกศล ผลบญทไดจากการถายทอดความรนทงหมด ผมขอมอบกศล ผลบญนนทงหมด แดทานผมบญคณทกทานทกลาวมาและบคคลอนๆทไมสามารถกลาวไดหมดในทน แลวดวยเทอญ

ปยะ กตตธเนศวร

ศรราชา ประเทศไทย กมภาพนธ 2550

5

6

คาศพท (Vocabulary)

Anchor จดยดตรงทอ ณ จดนนทอไมสามารถขยบเขยนไปไหนได

B Corrosion Allowance คาเผอการสกกรอน D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

บทท 1 BASIC PIPING STRESS และ การใช โปรแกรม CAESAR II

By Piya Kittitanesuan (ปยะ กตตธเนศวร)

Lead Piping Engineer

Poyry Energy Ltd. (Thailand) (update 29 February 2008)

พนฐานการวเคราะหความเคนในระบบทอ (Basic Piping Stress Analysis) ระบบทอทมอณหภมปฏบตการ (Operating Temperature) สงกวาอณหภมบรรยากาศ(Ambient Temperature) จะทาใหทอ เกดการขยายตว สวนระบบทอทมอณหภมตากวาอณหภม ambient จะทาใหทอเกดการหดตว ทงสองระบบนนไมเพยงทาใหเกดปญหา การขยายหรอหดตวของระบบทอ ยงจะทาใหเกดปญหาความเคนในระบบทออกดวย ระบบทอจะพงเสยหายหรอไมพงขนอยกบความเคนมมากนอยเพยงใด ถาคาความเคนทเกดขนอยในขอบเขตท code จากดไว ระบบทอกคงอยได แตการวเคราะหหาคาความเคนในระบบทอเพยงอยางเดยวยงไมเพยงพอ วศวกรระบบทอ(Piping Engineer) จะตองคานวณหาแรงและโมเมนต ทกระทา ณ จดตางๆ เชน ทจดรองรบทอ(pipe support ) ซงจดรองรบทอ ทเจอในงานทอ กไดแก line stop, guide หรอวา จะเปน nozzle ของอปกรณ (Equipment) กได แรงทเกดจากระบบทอ จะตองมคาไมมากเกนไป ไมเชนนนจะทาให โครงสรางหรออปกรณตางๆ พงเสยหายได

วธการคอเราจะนาคาแรงและโมเมนต ทคานวณไดนมาเปรยบเทยบกบคา Allowable Forces และ Moments โดยคาแรงและโมเมนตทคานวณไดนนจะตองไมเกนคา Allowable วศวกรทคานวณความเคนในระบบทอ สามารถทราบคา Allowable Load ไดจาก โรงงานผผลตอปกรณนนๆ หรอไดจาก code ทใชกบอปกรณตางๆ เชน ถาเปน pump กอาจจะใช code API 610 ถาเปน steam turbine กอาจใช code ของ NEMA SM23 แตถาเปน Tank ขนาดใหญ กอาจใช code API650 เหลานเปนตน จะใช code ไหน แตละโครงการ(project) กไมเหมอนกน แตโดยทวไปในงาน ออกแบบโรงงานปโตรเคมและโรงกลนนามนทวโลก กนยมใช code ทกลาวมานทงนน

หนงสอเลมนจะสอนใหทานทราบถง วธการออกแบบทอใหมความปลอดภย โดยเราจะยกหลกการพนทวา ระบบทอจะตองถกออกแบบใหมความยดหยน(Flexibility) โดยใชจานวนขอตอ(Fitting) ใหนอยทสด เพอความประหยดเงนของนกลงทน และ ลด pressure drop ทเกดขนใหนอยทสด

1

1.1 BASIC STRESS QUANTITIES กอนทเราจะเรมทาการคานวณ pipe stress ใหเราทบทวนเกยวกบ

ปรมาณ stress พนฐานตอไปนกอน ซงสวนใหญเรากเรยนรกนมาในโรงเรยนวศวกรรมเรยบรอยแลว ผมจงไมอธบายมนมาก

AXIAL STRESS (ความเคนตามแนวแกน)

Axial Stress = Force Area

SHEAR STRESS (ความเคนเฉอน)

Shear Stress = Force in Shear Shear Area

BENDING STRESS (ความเคนดด)

σ = M c M I

โดยท M- Moment @ cross section c- Distance from neutral axis to outer surface I – cross section moment of inertia = Π (do

4 – di4)

64

2

LONGITUDINAL PRESSURE STRESS

σPL = F / A = Pd/4t

HOOP PRESSURE STRESS

σPH = F = P d

A 2 t

ทางยโรปนยมใช คา d เปน outside diameter มากกวาทจะใชเปน inside จากกฏขอท 1 ของนวตน [ Σ F = 0 ] 2 F = Pdi L σPH = Pdi L = Pdi 2t L 2t

จรงๆ แลว สมการ hoop pressure stress ทใชกลาวถงขางบนน เปนสมการ ทใหคาประมาณ สมการทใหคาไดแมนยา นน ถกกาหนดโดย สมการของ LAME ดงตอไปน

σPH = Pri2 + L ri

2 ro2 P / r2

ro2 - ri

2

r = position thru the thickness

3

รปท 1 คอการการกาหนดคาใหกบ program CAESAR II ม 4 option ใหเลอก คอ ID, OD, MEAN และ LAMES_EQ ถาเราตองการคาท conservative ทสดใหเลอกใช base hoop stress on เปน OD แตโดยทวไป นยมใช ID ทเปนเชนน คงเปนเพราะตองการใหแกปญหาความเคนผานไปไดโดยงาย

ดงนนกอนทจะเรมตน ทา piping stress analysis โดยใช CAESAR II กควรจะตงคาตรงนกอน โดยไปท TOOL บน main menu ของ CAESAR II Version 5.00 และ Configures/Setup กจะได dialog box ดงรปท 1

รปท 1 การกาหนด diameter ทใชในการคานวณ hoop stress ใหกบ CAESAR II

กอนอนผมอยากใหเราตดความกงวลในการใชโปรแกรมไปกอน ผมยงคงไมถายทอดตอนน เพราะนนไมใชประเดนสาคญทสดในตอนน อยากใหเราเขาใจพนฐานกอน แมจะไมม โปรแกรมกสามารถเขาใจหลกการได

Longitudinal Stress ทเกดขนบนผนงทอ โดยทวไป หนาตดของทอจะเกดปญหา longitudinal stress หลกๆ ได

4

สามรปแบบคอจาก bending , axial และ pressure ดงนนสมการในการ คานวณหาคา longitudinal stress ทหนาตดทอจะเปนดงน

ซงโดยทวไปแลว U.S Code กจะใชรปแบบสมการขางบนในการหา longitudinal stress

สาหรบ ASME B31.3 stress ทเกดขนขางบน เรยกวา Sustained Stress ซงเกดจากการ combine stress ทเกดจาก ความเคนเนองจากโมเมนตดด ความเคนตามแนวแกน และ ความเคนทเกดจากความดน แต สาหรบ B31.1 Sustained Stress ทเกดขนจะพจารณา มาจาก ความเคนเนองจากโมเมนตดด และ ความเคนทเกดจากความดน เทานน เขยนเปนสตร งายๆ ไดดงน

ASME Code ไดบอกวา Sustained Load เกดจากผลกระทบของ ความดน นาหนก ทเกดขนบนทอ ดงนนจะเหนวา longitudinal stress ทกลาวมาแลวขางตน กคอ ความเคนทเกดจาก Sustained load นนเอง ซงตอไปเรากจะเรยก กนเทหๆ แบบภาษาเทพ วา Sustained Stress (SL) 1.3 CODE COMPLIANCE BASICS : ASME CODE ไดกาหนด รปแบบการเสยหายพนฐานสองแบบ ดงน

1. Sustained ( or Primary ) Stress Failure 2. Expansion (or Secondary ) Stress Failure

ซงแตละ แบบ กมลกษณะเฉพาะไมเหมอนกน

Mc + Pd I 4t Bending pressure

Mc + F + Pd I A 4t Bending axial pressure

5

ลกษณะทเปน PRIMARY STRESS 1. primary stress สวนเกน มสาเหตมาจากการเกด plastic deformation และ rupture.

รปท 2

2. สวนใหญเกดจากการรบภาระเนองจาก นาหนก(weight) และ ความดน(pressure) Allowable limits สาหรบ sustained stresses นน จะสมพนธกบ คา yield stress ของ material

3. การพงเสยหายจะเกดขนแบบทนททนใด จะไมมอาการเตอนใหเราเหนลวงหนา เหมอนกบการพงเนองจากการลาของวสด (fatigue)

4. โดยปกตจะไมเกยวกบ cyclic

ลกษณะทเปน SECONDARY STRESS 1. เกดเนองจากการขยายตวของทอ เนองจากการเปลยนแปลงอณหภม

(thermal expansion) 2. การพงเสยหายอาจจะเกดการ crack เปนจดเลกๆ ตามผวดานใน หรอ ดานนอกของทอกอน

รปท 3

ลกษณะของ OCCASIONAL STRESS กรณทวไป ระบบทอจะเกดความเคนทงสองแบบขางตน แตกยงมเหมอนกนทจะเกดการเสยหายเนองจากเกดเหตการณตามโอกาส เชน แรงลม (wind), เกดแผนดนไหว (earthquakes), เกดฆอนนา เชน steam หรอ

6

water hammer, Pressure Safety Valve (PSV) ทางาน เนองจากเหตการณขางตน อาจจะเกดขนหรอไมเกดขนกได การพจารณาการเสยหายแบบนจงขนอยกบวศวกรผทาการออกแบบอกท หรอไมกมการกาหนดจากขอกาหนดในการออกแบบจากลกคา

1.4 CODE STRESS ALLOWABLE : เกณฑคาความเคนสงสดท ยอมรบได ซงแตละประเทศจะมขอกาหนดเปนของตวเอง สาหรบประเทศไทยยงไมมขอกาหนดนใหใช โดยมากโรงงานในประเทศไทยใช หลกเกณฑของอเมรกา ในแตละประเภทของโรงงาน กยงกาหนดแตกตางกนไปอก เชน โรงงานประเภท Power Plant ไดกาหนดใช Code B31.1 สวนโรงงานประเภท Process Plant ไดกาหนดใช Code B31.3 เนองจากสวนใหญเราจะทาโรงงานประเภท Process Plant และ Power Plant กน ดงนนขอยกตวอยางของ ทง Code B31.1 และ B31.3 ซง code B31.3 ไดกาหนด Code stress allowable ไวดงตอไปน

THE SUSTAIN ALLOWABLE STRESS คอการเอาคา hot yield stress มาคณดวยคา factor ซง sustained

stresses ไมควรจะเกนคา materials elastic limit ณ อณหภม ท operating หรอ อณหภมทใชในการ design ถาเขยนเปนสมการจะไดดงน

โดยท SL = Stress ทเกดขนเนองจาก sustained load Sh = Hot Allowable stress มคาไมเกน 0.666 Sy หรอ 0.25 Su คา Sh นเราสามารถเปดหาคาไดจาก table A-1 ใน ASME B31.3 เชน ทอ carbon steel A53 Gr.B ทอณหภม 200 องศาฟาเรนไฮต จะไดคา Sh = 20000 psi. หรอ จะแปลงเปนหนวย SI กหารดวย 145 จะไดเทากบ 137.93 N/mm2 ตวเลข 145 นเปนตวเลขใชประมาณในการแปลงหนวย ซง จางาย และ ใชบอย แตถาตองการจะเอาตวเลขแปลงหนวยจรง กตองหารดวย 145.037743897 สาหรบวศวกรแลว ผมรวาพวกเราคงไมชอบกนเทาไร การใชโปรแกรม piping stress package ตางๆ บางทเราอาจเปดวสดทตองการหาไมเจอ เปนเพราะวา วสดตวนนไมมใชใน ASME Code ASME B31.1 , B31.3 กได ตรงนเราควรตรวจสอบดใหแนชด

SL < Sh

7

THE EXPANSION ALLOWABLE STRESS RANGE

คานจะตองไมเกน สองเทาของ yield stress คณกบ safety factor , cyclic reduction factor ลบ ดวยคา mean stress ซง total stress range ( expansion บวกกบ sustained) ถก set ไวเทากบ สองเทาของ yield stress

SA = f ( 1.25 Sc + 1.25 Sh – SL )

โดยท SA = Allowable Displacement Stress Range

f = Cyclic reduction factor for fatigue from Table 302.3.5 (B31.3 edition 2002)

Sc = Cold allowable stress Sh = Hot allowable stress SL = Longitudinal Stress คา f นน ขนอยกบ จานวนรอบความรอนททอจะไดรบ ซงกาหนดไวใน code B31.1-2004 table 102.3.2 ดงน

f = 1.0 สาหรบ 7000 รอบ หรอตากวา f = 0.9 สาหรบ 7000 – 14000 รอบ f = 0.8 สาหรบ 14000 – 22000 รอบ f = 0.7 สาหรบ 22000 – 45000 รอบ f = 0.6 สาหรบ 45000 – 100000 รอบ f = 0.5 สาหรบ มากกวา 100000 รอบ

สวน B31.3-2002 ใหคาไวดง table 302.3.5 ซงกไมแตกตางจาก B31.1 เทาไรนก แตพอมา Edition B31.3-2004 เปลยนมาเปน plot graph แทน ดง Fig. 302.3.5 สงเกตใหด B31.3 Edition 2004 มบางชวงคา f มากกวา 1 ซงคอชวงทเปนเสนประ อนนสาหรบทอททาจาก Ferrous material ซงมคา minimum tensile strength เทากบหรอไมเกน 75000 psi (517 MPa) และ อณหภมออกแบบทอ ไมเกน 371 องศาเซลเซยส

8

รปท 4 คา f จาก ASME Code B31.3 Edition 2004

สวนใหญแลวระบบทอในโรงงานทเราออกแบบ จะอยในชวงไมเกน7000 รอบความรอน ยกตวอยางเชนทอ relief valves เพราะการทางานของ relief valve คงไมเกด ขนบอยมาก การนบรอบความรอน กใหนบทอทมของไหลทางานอยภายใต operating condition เมอ operate จนกระทง shut down ครงหนงกถอวาเปน 1 รอบความรอน

THE OCCASIONAL STRESS คอ stress ทเกดขนแบบชวขณะ หรอเกดขนเปนบางครงบางคราว ไมแนไมนอน อาจจะมหรอไมมกได เชน แผนดนไหว(seismic ) wind load, water hammer เหลานยากตอการคาดเดาวาจะเกดเมอไร อยางไร รายละเอยดเกยวกบ การวเคราะหระบบทอเมอเกดแผนดนไหว ผมจะกลาวอกทในบทท 7 Allowable stress สาหรบกรณน ASME Code ไดกาหนดใหมคามากขนกวา Sh ประมาณ 10 ถง 30 % หรอ 1.1Sh – 1.33Sh ขนอยกบเราใช code ไหนในการออกแบบ เชน B31.1 ใช 1.15Sh -1.2 Sh สวน B31.3 ใช 1.3 Sh เปนตน จะเหนวา B31.1 Power Piping คอนขาง ใช safety factor สงกวา B31.3 Process Piping

9

1.5 ขนตอนการ Check Piping Stress

ขนตอนการตรวจสอบความแขงแรง ของระบบทอ มขนตอน ดงน

1. คานวณหา sustained stress (SL) ทเกดจาก primary load ปกตกคอ weight และ pressure

2. คานวณหา expansion stress (SE) ทมสาเหตมาจาก ความแตกตางของอณหภม

3. เปรยบเทยบ Sustained Stress ทคานวณไดในขอ 1 กบ allowable stress : Sh โดยท SL ตองนอยกวา Sh

4. เปรยบเทยบ Expansion Stress (SE) ทคานวณไดตามขอ 2 กบ คา allowable ดงน

a. B31.3 SA = f (1.25Sc + 0.25Sh) ___ (B31.3 Eq.1a)

โดยถา SL นอยกวา Sh คา SA จะเทากบสตร ดงน

SA = f (1.25Sc + 1.25Sh – SL ) ___ (B31.3 Eq.1b)

ดงนน SE < f (1.25Sc + 1.25Sh – SL )

b. B31.1 SA = f (1.25Sc + 0.25Sh) _____(B31.1 Eq.1) แต B31.1 ยงบอกวา ถากรณ SL นอยกวา Sh คา allowable นจะเพมขนเปน SA + f (Sh - Sc) คานถอวาเปนคา SA ตวใหม

ดงนน

SE < SA + f (Sh - Sc) ___ (B31.1 Eq.13b)

จากทบอกไวในกฏเกณฑขอ 3 วา SL ตองนอยกวา Sh ถงจะยอมรบได ดงนนในความเปนไปได สาหรบ Code B31.3 เรากจะได CAESAR II report ทใชแตสมการ Eq.1b แทนทจะเปน Eq.1a สวน Code B31.1 เรากจะใช Eq.13b แทนทจะเปน Eq.1 มา

ใชงาน เดยวในหวขอถดไปเราจะไดลองคานวณกนด

5. หากมกรณ occasional load เกดขน stress ทเกดขนจะตองนอยกวา kSh โดยท k อยระหวาง 1.1 ถง 1.3

10

วธการขางตน จะทาเฉพาะ ทอทเปน Critical line เทานน สวนทอ ทไม critical เชน ทอนาประปา ทอดบเพลง พวกนอณหภม ความดนไมสงเทาไร เราจงจดวา เปน Non critical line แลวทอเซอรวส อนๆ หละ เราจะรไดอยางไร วาทอไหนเปน critical line อนน เราจะใชหลกการในหวขอ ถดไป CAESAR II Output Stress Analysis Report

เรามาดกนวา CAESAR II แสดงผลการคานวณ SL กบ Sh และ SE กบ SA อยางไร

ตวอยางนเปนทอ Carbon Steel ASTM A106 Grade B ใช Code B31.1 ในการออกแบบ เราจะมาพจารณา stress ทเกดขนทงระบบ และ เฉพาะจด นอกจากนนผมจะยกตวอยางแนะนาการหา Stress ทเกดขน เฉพาะทจด Node 40 และ 120 เพอใหเขาใจ วธการในหวขอ 1.5 มากขน

รปท 5 รปรางหนาตา ตวอยางระบบทอทงระบบ ททาการวเคราะหความยดหยน

11

รปท 5 ตวอยางนเนนความสนใจมาท node 120 ซงเปนจดทเกด stress สงสดสาหรบระบบทอน

12

คา Sh คอคาสงสดทยอมรบได

แคเหนตรงนอยานกวาผานจรงๆนะ

มนอาจสบขาหลอกเราได

รปท 6

รปท 6 แสดง Stress report หลงจากท run static analysis แลว maximum stress สงสดเกดขนในระบบทอน กรณ sustained load อยท node 120 มคาเทากบ 7971.7 lb/sq.in (หรอ psi) คา allowable hot stress (Sh) เทากบ 17100 psi.

สดสวน stress ทเกดขนจรง (SL) เทยบกบคาสงสดทยอมรบได (Sh) คดเปน 46.6 % สรปวาผานดาน step 3 ในหวขอ 1.5 ไปไดสบายๆ

แลวถาเกดวา SL เทากบ 16000 psi ถอวาผาน หรอเปลาครบ ถาเราดจาก report ตรงน ผานแนนอน ครบ ทาไม ถงจะไมผานหละครบเพเวบมาสเตอร

อมม เฉลย เลยหละกนครบ ผมตรวจสอบจาก ASME B31.1 แลว ไมผานเกณฑของ ASME ครบ โปรแกรม CAESAR II ทาฐานขอมลมาผด ทาใหไดคา Sh ทผดไปเยอะเลย ทจรงควรจะเปน 15000 psi ดงนน ผมอยากจะใหคาถากนพลาดไวสกอนหนง ซงอาจารยจอหน เอม เนโดวช วศวกรชาวองกฤษ ผมเดานะเชอสายแกคงมาจากเชคโกสโลวาเกยอะ เพราะผมเคยดบอลอะ พวกชอลงทายดวย วชๆ เชน มโลสเลยวช ผมเดาเอานะ นอกเรองแลวเรา เอา เขาเรองดกวา อาจารยจอหนผมไดมอบ คาถาสาคญมาวา “What do you expect to see?” คอแบบน เราไมควรจะเชอ

13

โปรแกรม เพราะมนอาจผดพลาดได โดยเฉพาะ CAESAR II ผม feedback พวก error ตางๆใหกบทางผผลต มาตงแตเวอรชนดอสแลวครบ เจอทกเวอรชน

นนเปนเหตให ผมถายทอดใหนองๆ โดยไมเนนทการใชโปรแกรม แตเนนไปทหลกการ เพราะถาสอนการใชโปรแกรม เราจะไมรเลยวามนคานวณ มาถกหรอผด ลองผดลองถก เหน คาวา stress check passed ผานกโอเค แบบนเสยงกบระบบทอจะพงไดครบ เรองการใชโปรแกรมเราคอยวากนทหลง เรากนกบตวใหญกอน ใหเขาใจหลกการกอน การใชโปรแกรมใหใครสอนทบรษทแปปเดยวกเปนแลว สามารถโมเดล input run output check stress ผาน ไดสบายๆ แตกบผด ไมมประโยชน

ดงนนในฐานะทเราเปนมอใหมทางดาน piping stress กนควรทองคาถาของอาจารย จอหน เอม เนโดวช ไวตลอดขณะททา piping stress analysis ดวาเราคาดหวงทจะเหนผลเชนไร เชนทอควรจะตกทองชาง ตรงน แตทาไม ทอกบโกงตวขน อะไรแบบน ถามนไมเปนไปตามทเราคาดหวง แสดงวา มบางอยางผดพลาดแลว คาถานหละครบทาใหผมพบความผดพลาดเกดขนกบโปรแกรมคอมพวเตอรทมนษยสรางขนมาโดยตลอด ไมวาจะเปน CAESAR II หรอ AUTOPIPE

นอกจากนยงใชตรวจสอบพวกขอมลตางๆ ทไมใชซอฟแวร ดวยนะครบ เชนขอมล nozzle load allowable ทมาจาก vendor ตอนนนผมทาอยโตโยไทย โปรเจคโรงไฟฟา TLP 110 MW ทระยอง vendor steam turbine ไมไดใหคา nozzle load allowable มา จงเปนหนาทของเราทจะตองขอไป นองๆ จาไวนดหนงนะครบเวลาทางาน เขาไมให เรากขอไป อยานงหงก รอขอมล พอไดขอมลมา ปรากฏวา ไมอยากเชอ nozzle load ทยอมรบไดสงสดของเขามคา กระจงเดยว ผมจาตวเลขไมไดแลว รสกรบแรงแนวตงฉากพนโลก จากทอไดประมาณ 150 N. พระเจาจอด ผมไมอยากเชอ ผมเอา 9.81 หาร ไดมวล เทากบ 15.3 kg. นถาผมทะลงเอา ถงนาดมโพลาลสขนาด 20 ลตร (ผมไมไดโฆษณาใหโพลาลสนะ แตนกยหออนไมออก) ผมเอามนไปวางบน nozzle มนกพงแลวสครบ steam turbine ตวเบอเรม ขโรคสะขนาดน ผมจงตองบอกโปรเจคเอนจเนยรไปฝากบอก vendorฝรงวา ใหเขากลบไปคดมาใหม สดทายเขากแกไขกลบมาเพมขนใหเรา นฮะ ประโยชน ของคาถาน ไมงนเราตายแน แคประกอบ ทอไปท nozzle มนกเกน 150 N. แลวหละ ยงไมรวมนาหนก valve กบ ของไหลเลยนะ เซยน.โคตรเซยนกแกปญหาไมไดหรอกแบบน อะไรกนแทงคนาพลาสตกบานเราเมดอนไทยแลนด ยงแขงแรงกวา steam turbine ทฝรงมนทาเลย ผมเอานาดม สองสามถงไปวางมนกไมพงหรอก ใหตายสจอรด

ผมนอกเรองไปเยอะเลย แตมนจะเปนไอเดย ทมประโยชนมาก เลย

อยากเสรมให หวงวา เราพอด คา SL และ Sh เปนกนแลวนะครบ เหลอ SE กบ SA ยงไมไดเลา มาตอกนเลย

14

Allowable Stress กรณ Expansion Case

SE =11034.5

รปท 7 แสดงผล stress กรณ expansion case

รปท 7 รปรางหนาตาคลายๆ กบ report กรณ sustained เลยนะครบ กคลายกนนะสเพ ตางกนตรงประเภท stress เทานน อนนมนเปน Expansion stress ผลคานวณ บอกวา stress ทเกดขนจรงๆ สงสด อยท node 50 มคา SE = 11034.5 psi สวนคายอมรบไดมคา SA = 39632.2 psi ทมาเปนอยางนครบ จาก ASME Code B31.1

SA = f(1.25Sc+0.25Sh) แทนคา Sc=17100 psi และ Sh =17100 psi

SA = 1(1.25x17100+0.25x17100) SA = 25650 psi แตวา SL < Sh ดงนน คานวณหา allowable ตวใหม ได ดงน Allowable = SA + f(Sh – SL)

Allowable = 25650+ 1x(17100-3117.8) Allowable = 39632.2 psi

15

ไมตอง งง นะครบ ท node 50 เนยะ ผม เอาคา SL =3117.8 psi มาจากไหน เราตองไปดท sustain stress report นะครบ ผมเอามาใหดแลวดงรป Figure 8

SL = 3117.8 psi

รปท 8 คา SL ท node 50 เทากบ 3117.8 psi

16

SE = 11034.5 psi

รปท 9 คา SE ท node 50 เทากบ 11034.5 psi รปท 9 นคอ คา expansion stress (SE) ทเกดขนจรงทแตหละ node สาหรบ node 50 มคา SE เทากบ 11034.5 psi เพราะฉะนนจากกฏเกณฑ ในขอ 4 ทวา SE จะตอง ไมเกน คา allowable 39632.2 psi กเปนอนวาท node 50 น expansion stress ผานแลวครบ กลบมาดท node 120 อกครงกนใหม ครบ คราวน จะลองคานวณ ดวา allowable expansion stress range มคาเทาไร จาก ASME Code B31.1

SA = f(1.25Sc+0.25Sh) แทนคา Sc=17100 psi และ Sh =17100 psi

SA = 1(1.25x17100+0.25x17100) SA = 25650 psi แตวา SL < Sh ดงนน คานวณหา allowable ตวใหม ได ดงน Allowable = SA + f(Sh – SL)

Allowable = 25650+ 1x(17100-7971.7) Allowable = 34778.3 psi

17

ลองด CAESAR II report ดครบ วาตรงกบทเราเพงคานวณไปหรอเปลา ดรปท 11

อกวธ ทจะคานวณ หาคา allowable stress range งายกวาวธการขางบนคอใชสตรเดยวกบ ASME B31.3 เลยครบ ทวา

SA = f (1.25Sc + 1.25Sh – SL ) ___ (B31.3 Eq.1b) ลองแทนคาดครบ เทากนไหม

SA = 1(1.25x17100+1.25x17100-7971.7) SA = 34778.3 psi

เพราะฉะนนตอไป เราสามารถใช สตรนหา คา Allowable Expansion Stress Range ไดทง งานออกแบบทเปน power plant (B31.1) หรอ process plant (B31.3) เลยนะครบ

รปท 10 Stress report sustained stress case

คา SL คา SH

SL=7971.7 psi ท node 120 ซงจะถก

นาไปคานวณหา SA กรณ Expansion Stress 18

SA=34778.3 psi ท node 120

คา SA =f[1.25(Sc+Sh)-SL]

รปท 11 Stress report expansion stress case

1.6 วธการวเคราะหความเคนในระบบทอ (Piping Stress Analysis Method) ตามหลกเกณฑของ ASME B31.3 ไดกาหนดไว 3 วธดงน

1. By Visual Inspection หรอ His pass experience วธการนกคอใชตรวจสอบโดยใชประสบการณของวศวกรผเชยวชาญเฉพาะดานความเคนในระบบทอ

2. Approximate Method วธโดยประมาณ วธนไมมการคานวณโดยใช

โปรแกรมคอมพวเตอร อาจจะใช Table ,Chart สตรคานวณดวยมอ คราวๆ ในการวเคราะห

19

3. Comprehensive Analysis วธน คอวธทคานวณคา stress ทเกดขน

ทกจดบนระบบทอ ในสมยยคแลกๆ ทโปรแกรมคอมพวเตอรยงไมไดเขามามบทบาท piping stress engineer ตองนงคานวณกน ใชเวลาเปนเดอน สาหรบทอระบบทอระบบเดยว แตปจจบนเรามโปรแกรมคอมพวเตอรเขามาชวยงานมากมายหลายตว เชน CAESAR II, Autopipe และ Editpipe ซงพฒนาโดยบรษท Tractebel, etc. สวนโปรแกรมทแพรหลายและนยมใชทสดในปจจบน กคอ CAESAR II

จะเหน Code เองกาหนดวธการกวางมาก ไมไดเจาะจงลงไปวา ทอขนาดเทาน อณหภมเทาน จะใชวธไหนในการวเคราะห ดงนน บรษทวศวกรรมตางๆ จงไดสรางตาราง หรอ อาจจะเปนแผนภาพ Chart ขนมา เพอเปนหลกเกณฑทชดเจนขน เพอทจะสะดวกในการกาหนดวธการวเคราะหความเคนในระบบทอ และเปนหนาทของ piping stress engineer ทจะตองจดทา critical line list ขนมา เพอทจะกาหนดลงไปวาทอเสนไหน ใชวธไหนในการ วเคราะห

ตวอยาง Chart Stress Method ขางลางนผมเอามาจากหนงสอ Process Plant Layout and Piping Design ของทานปรมาจารย Ed Bausbacher & roger Hunt

คานวณดวยคอมพวเตอร (computer analysis)

Visual Analysis or

judgement

Manual

10” NPS Pipe with 400 F ตวอยางนจดวา

ทอเขาขายเปน critical line จะตองทา

comprehensive หรอ computer analysis

400 F

10

20

ดตวอยาง Computer A riteria บาง มา ทเปนแบบตารางnalysis C

เชน ทอทตอเขากบ อปกรณ พวก rotating equipment ทมขนาด pipe size ใหญกวา หรอเทากบ 3 นว จดวาเปน critical line ควรทจะทา stress ดวยวธ comprehensive analysis ซงบรษทในประเทศไทย แทบทงหมดนยมใช โปรแกรม CAESAR II จะมบางบรษททใชทงสองโปรแกรม คอ Poyry Energy Ltd. (Thailand). บางบรษทเชน Technip เคยใช Simflex บางบรษท เชน Tractebel กใชโปรแกรม Edit Pipe ซงพฒนาขนมาเอง เนองจากบรษทนนขาดการตอยอดความรใหกบวศวกรรนหลงในการใชโปรแกรมพวกน วศวกรรนหลงทเขาไปทางานจงไมถนดทจะใชโปรแกรมทไมเปนทนยมพวกน จงไดเสนอบรษทเหลานนเปลยนมาใช โปรแกรม CAESAR II กนหมด ดงนนเรองโปรแกรมทเราศกษาใชงาน กมสวนในการหางานวชาชพนเหมอนกน

chart และ ตาราง ทใหมาหรอของบรษทตางๆ เปนเพยงแค guide line บางท ทอขนาด 10 นว มอณหภม 400 องศาฟาเรนไฮท กอาจจะใชวธ by visual analysis กได ฝากนองๆ young piping stress engineer ไว เปนการบานไปคดกนตอวา เปนไปไดไหม และผมจะมาเฉลยในโอกาสตอไป

การพงเสยหายของทอ การพงเสยหาย เหตการณไฟไหม บอยครงมสาเหตมาจากระบบทอ สญเสยความสามารถในการเกบของไหลไวไฟทอยในระบบทอ (loss containment) ทงนตนเหตอาจมาจากเรองความเคนในระบบทอ ดงนนหากเราไมมนใจ ประสบการณเรายงไมเขาขนเทพ เรากใชวธ omputer analysis ใหหมดเลย จะเซฟ กวา … จรงไหมครบ แมวา ทอนนจะมอณหภม รอนเพยงแค 21 ถง

c

80 องศาเซลเซยส กตามเถอะ แตในฐานะ

21

22

คนออกแบบทอมอใหมหดขบอยางเรา กตองทาใหมนแขงแรง ทกทอ ไมเชนนน ขาขางหนงของเราอาจจะไปอยในคก แลวกได

บทท 2 STATIC ANALYSIS

By Piya Kittitanesuan Piping Engineer

PÖYRY ENERGY LTD. (Thailand) (update 23 January 2007)

สมการเชงเสน (LINEARIZATION EQUATION) สมการ Linear คอ สมการทมฟงคชนเสนตรง เชน

Y=2X+1 (1)

สมการ non-linear คอสมการ ทไมเปนเสนตรง เชน

Y=2X2 +1 (2)

เมอ X = 1 , Y จะเทากบ 3 ทงสองสมการ ถาหาก X = -1 สมการ 1 จะได Y = -1 แต สมการ 2 Y จะเทากบ 3 ทตองทาความเขาใจเรองนกอนเพราะโปรแกรม CAESAR II จะคานวณโดยใชสมการ ทงสองแบบโดยขนอยกบวธการโมเดล pipe support

พจารณา สมการ 1 และ 2 ตวแปรตน X เหมอนกน แตผลลพธ Y สามารถออกมาตางกนได การใช โปรแกรม CAESAR II คานวณ กจะเปนลกษณะแบบน เชนกน เราจงตองมาทาความเขาใจเรองนใหดกอน

Support Type ใน CAESAR II CAESAR II จะเรยก support วา Restraint ซงจะมอยหลายชนดดงน

Restraint Type Abbreviation

Anchor ANC

Translational Double Acting X, Y, or Z

Rotational Double Acting RX, RY, or RZ

Guide, Double Acting GUIDE

Double Acting Limit Stop LIM

Translational Double Acting Snubber XSNB, YSNB, ZSNB

Translational Directional +X, -X, +Y, -Y, +Z, -Z

Rotational Directional +RX, -RX, +RY, etc.

Directional Limit Stop +LIM, -LIM

Large Rotation Rod XROD, YROD, ZROD

1

Restraint Type Abbreviation

Translational Double Acting Bilinear X2, Y2, Z2

Rotational Double Acting Bilinear RX2, RY2, RZ2

Translational Directional Bilinear -X2, +X2, -Y2, etc.

Rotational Directional Bilinear +RX2, -RX2, +RY2, etc.

Bottom Out Spring XSPR, YSPR, ZSPR

Directional Snubber +XSNB, -XSNB, +YSNB, etc.

Linear Restraint และ Non-linear restraint - ระบบ Non-Linear Restraint ถาเรากาหนด restraint ใหเปนดงตอไปน

- มคา friction - โมเดล Support รบแรง ทศทางเดยว (Translation Directional) เชน +Y , +X , +Z, และ -Y เปนตน - ใส guide ม gap

CAESAR II จะใชสมการแบบ non-linear equation มากขนในการคานวณ ซงจะใชเวลาในการคานวณนานขน บางครง กไมสามารถ run ผลออกมาได สาเหตเกดจากการ มสมการ non-linear มากไปทาใหการคานวณใชเวลานานจนกระทง CAESAR II run ผลไมออก ในกรณเชนน เราตอง พยายามลดสมการ non-linear equation ใหนอยลง เชน ใส guide ไมตองม gap หรอ ในกรณท support รองรบนาหนกทออยางเดยวแทนทจะ โมเดล +Y กเปน Y (Translational Double Acting) - ระบบ Linear Restraint ถาเรากาหนด restraint เปน Y , ไมใสคา friction , ไมใส gap เหลานถอวาเปน ระบบ linear ซงจะทาใหใชจานวนสมการนอยลง เนองจาก จานวนสมการมไมมากและไมซบซอน เทากบ กรณ non-linear จงทาให CAESAR II คานวณไดงายขนและเรวขน

เราจะโมเดล support แบบไหนขนอยกบวาเราได ออกแบบ support ทาหนาทเปนแบบไหน เชน ใหรบนาหนกทอ กโมเดลเปน +Y แตบางครงเรากไมสามารถโมเดลเสมอนจรงได เนองจากความสามารถของคอมพวเตอรในปจจบนยงจากด เราจงไมสามารถโมเดลระบบเปน non-linear ไดทงหมด ดงนนเราอาจตองโมเดล support บางจด ใหเปน linear restraint เชนทจดนน รบนาหนกทออยางเดยว ก โมเดล เปน Y

ตวอยางศกษา รปท 1 ทอทวางบน pipe rack เฉยๆ กรณแบบน นาหนกทอจะตกถายลงส pipe rack การโมเดล restraint ใน CAESAR II ทเสมอนจรง กคอ กาหนด Restraint เปน +Y แตถา run CAESAR II แลว มอาการ run ไมออก เราสามารถเปลยนโมเดล Restraint มาเปน Y เฉยๆ แทนได โดยทไมสงผลตอการคานวณแตอยางไร แตกมบางระบบเหมอนกนทการโมเดลทแตกตางกนจะใหผลการคานวณตางกน ซงจะกลาวถงในหวขอถดไป แตถาบางจดเราตองการทราบผลคานวณทแมนยามาก เชนsupport บรเวณ nozzle ของ equipment เรากควรโมเดลเปนแบบเสมอนจรง

2

รปท 1 ทอขนาดใหญสเขยว คอทอทเรากาลงทา piping stress analysis

รปท 2 การโมเดล restraint ท node 60 เปนแบบ non-linear restraint

3

รปท 3 การโมเดล restraint support ท node 60 เปน แบบ linear restraint

รปท 4 ผลการคานวณโหลด กรณ โมเดล support ท node 60 เปน non-linear restraint

4

รปท 5 ผลการคานวณโหลด กรณ โมเดล support ท node 60 เปน linear restraint

จากรปท 4 และ 5 จะเหนวา ทงสองกรณใหผลการคานวณเหมอนกน เพราะฉะนน บางระบบเราสามารถโมเดล support เปนแบบ linear ได

บางกรณ ผลการคานวณ ทงสองกรณ กแตกตางกน โดยเฉพาะเมอทอยกตวลอยออกจาก pipe support หรอทเราเรยกกนวา Lift Off ดงตวอยาง ระบบทอตอไปน พจารณา รปท 6 กบ 7 ตางกนท support type ท node 740

5

รปท 6 ท node 740 โมเดล Support เปน แบบ +Y (Non-Linear Restraint)

รปท 6 น ณ จด support node ท 740 เราทาการโมเดล เปนแบบ +Y ซงใหผล

คานวณ ออกมา ดงรปท 7

รปท 7 ผลลพธจากการ run result ท node 740 เปน แบบ +Y (Non-Linear Restraint)

6

รปท 8 ท node 740 โมเดล Support เปน แบบ Y (Linear Restraint)

รปท 8 น ณ จด support node ท 740 เราทาการโมเดล support เปนแบบ double acting Y ซงใหผลคานวณ ออกมา ดงรปท 9

รปท 9 ผลลพธจากการ run result ท node 740 เปน แบบ Y (Linear Restraint)

จะเหนวา โหลดทกระทา ตอ support ทจด 740 ไมเทากน ซงจะสงผลไปตอ โหลดทกระทาตอ nozzle node number 3001 ดงรปท 10 และ 11

7

รปท 10 ผลลพธโหลดทกระทาตอ nozzle node 3001 เมอโมเดล support node 740 เปน แบบ +Y

รปท 11 ผลลพธโหลดทกระทาตอ nozzle node 3001 เมอโมเดล support node 740 เปน แบบ Y

จากผลลพธของโหลดในรปท 10 และ 11 เปรยบเทยบกนจะเหนวา กรณ โมเดล support ท node 740 เปนแบบ double acting จะสงผลให nozzle load ทเกดขนสงกวาปกต ใน case 4(OPE) และ case 5(OPE) ดงนน บรเวณ ทใกล nozzle เราควร โมเดล support ใหเหมอนจรง เพอผลการคานวณทถกตอง

8

บทท 3 Pipe Rack and Expansion Loop

By Piya Kittitanesuan Lead Piping Engineer

Pöyry Energy (Thailand) Ltd. (Rev1 : update 19 February 2007)

Pipe Rack คอ โครงสราง (structure) ทรบนาหนกทอทใชในการ ขนถาย (transport) ของไหล ทเปน process และ utility จาก หนวยหนงไปยงอกหนอยหนง นอกจากนนยงเปนโครงสรางทรองรบนาหนกสายเคเบลของไฟฟาและเครองมอวดดวย

รปท 1 Pipe Rack 3D Model Create by PDMS

ปญหาทพบเหนเมอเราออกแบบ support หรอ restraining lines บน pipe

racks กคอ - ทอแตละเสน มอณหภมแตกตางกน บางเสนเยน บางเสนกรอน เชน ทอไอนา จะมอณหภมรอน แตทอ cooling จะเยน

- ความแตกตางของขนาดทอ เชน ทอ main cooling water supply and return line มขนาดใหญ สวนพวก ทอลม เชน service air , instrument air มกมขนาดเลก

- ผลกระทบเนองจากทอยดขยายตวเนองจากความรอน ทอขนาดใหญและ รอน จะมผลกระทบมาก

- ทอแตละเสนขนถายของไหลตางชนดกน ของไหลมความหนาแนแตกตางกน

สงสาคญทสดทตองพจารณา ในการออกแบบระบบหนนรบทอ (support) บน

pipe rack กคอ การควบคมการขยายตวของทอเนองจากความรอน ดงนนการออกแบบทด จะทาใหภาระโหลดกระทาตอโครงสราง pipe rack นอยทสด นนคอความประหยดทางดานโครงสราง pipe rack หลงจากทศกษาบทนจบ ผเขยนหวงวา เราจะบรรลวตถประสงคตอไปน

1 ออกแบบระบบ support บน pipe rack ได optimize ดงน ทาให pressure drop นอยทสด และ ทาให ภาระโหลด ทกระทาตอโครงสรางนอยทสด

2 รวา จะสงขอมลอะไรแก วศวกรโครงสราง (Structure Engineer) เพอออกแบบ pipe rack ใหแขงแรงรบภาระโหลดของทอได

กอนท Piping Stress Engineer จะวเคราะหปญหาความเคน ควรเขาใจพนฐานการออกแบบทอบน Pipe Rack ใหดกอน จงสามารถวเคราะหและ แกปญหาความเคนไดอยางเหมาะสม ซงหลกการออกแบบพนฐานทควรรมดงตอไปน

3.1 Pipe rack design for process plants

กอนทเราจะออกแบบจดทอบน piperack เราตองมขอมลตอไปนกอน • Flow diagram • Plot plan • Specification • Project-design data

3.2 ตาแหนงการจดวางทอ บน Pipe Rack (Line Location In The Pipe Rack) โดยทวไปทอทวางอยบน pipe rack สามารถจดแบง ไดดงน

• Process lines • Utility lines เชน plant air, instrument air,fuel oil, fuel gas, chemical

treating, boiler feed water เปนตน

หลกการ design “CHANGE ELEVATION WHEN

CHANGING DIRECTION”

ซงมหลกการพนฐานจดวางทอบน Rack ดงน • LINE ใดเลยวลงซาย กใหวางไวอยดานซายของ pipe rack สวน line ไหนหกลงขวากใหอยดานขวา

• เมอมการเปลยนทศทางเดนของทอควรใหมการเปลยนระดบเพอหลกเลยงการขวางทางเดนของทออนๆ

• ถา rack มหลายชน ควรกาหนดให rack ชนบนเปน ทอบรการ (utilities line) เชน Instrument Air, Service Air, Service Water, Fire Water Line เปนตน และ rack ชนลางเปน ทอ process

• โดย ทวไป line utility จะวางไวตลอดทงแนว piperack เพอคอยบรการหนวยตางๆ ไดอยางทวถง

รปท 2

• ถาเราสามารถวางทอบน Rack เพยงชนเดยว เราอาจจดทอ ไดตามรปท 2 แตถาจานวนทอมมากจนไมสามารถจด Rack ไดเพยงชนเดยวเราสามารถจดทอเปนสองชน ไดดงรปท 3

รปท 3

เมอ Piping Designer ออกแบบทอบน Rack ขนตนแลว จงสงแบบใหกบ Piping

Stress Engineer เพอทาการกาหนดชนดหนาทการทางานของ pipe support วาเปนอะไร เชน Line Stop, Guide and Resting Support และหากพบวา Piping Designer จดวางทอยงไมดพอตามหลก pipe stress กตองแนะนาการจดวางทอทดทสดกลบไปยง Piping Designer

ความรทจะถายทอดตอไปน เนนใหผศกษาลดการพงพาการใชโปรแกรม

คอมพวเตอรโดยไมจาเปน วธการตางๆ นามาจากประสบการณจรงในการทางาน ซงถอเปนทกษะขนสงทจะตองทาใหเกดขนใหได ดไดอยางไรวาทกษะเราสงแลวหรอยง หากวศวกรยงพงพาการใชโปรแกรมคอมพวเตอรชวยทางานอย นนกแสดงวาทกษะเรา ยงพฒนาไปไดอก ยงถอวาอยในระดบปานกลาง ระดบเซยนแลวจะแกปญหาเรองนโดยไมใช โปรแกรมสาเรจรปอยาง CAESAR II หรอ AUTOPIPE เลย 3.3 ขนตอน การเลอกใส ชนดของ restraint สาหรบ line บน pipe rack 1. หาอณหภมการออกแบบ (design temperature) ของทอแตละเสน จากเอกสารทเกยวของ เชน Line List, P&ID’s

2. คานวณหา ระยะการขยายตวมากทสดทอแตละเสน โดยการคณ ความยาว ดวย อตราการขยายตว ( thermal expansion rate ) อาจใชเกณฑดงน • โรงงานทกอสรางใหม เราสามารถเผอทอขยายตว ไดมากถง 300 มม. • โรงงานเกา (existing plant) และมพนทไมมาก อาจเผอไวไดถง 200 mm. ซงตองดพนทจรงอกท

3. เราจะควบคมการขยายตวของทอ ดวยการใส line stop และ เพม expansion loop 4. การพจารณาเพม expansion loop นนเราจะควบคมดวยการขยายตว (thermal

expansion) ดวยหลกการสอยางตอไปน

a) การชนกน (pipe clash)

รปท 4

b) ระยะยดขยายตวทจด Branch connection

รปท 5

c) ความยาวของ Shoe

ความยาวของ shoe จะตองยาวเพยงพอเพอไมใหตกจากคาน(beam) ผออกแบบมกจะลมหรอไมรตรงจดนอยบอยๆ ทาใหเกดปญหา เมอทอเกดการขยายตวยดจน shoe ตกลงมาแลวไมสามารถกลบสตาแหนงตดตงไดเมอทอเยนตวลง

รปท 6

d) pipe space เนอทชองวางระหวางทอ

รปท 7

หลกการทงสนจะกลาวถงอยางละเอยดในหวขอถดไป

5. เพอความรวดเรวในการทางาน เราจะใช charts มาชวยในการหาขนาดของ loop แตถาบรษทของทาน ไมม chart เอาไวใช ทานกตองคานวณหาขนาด loop เอาเอง ซงวธการคานวณ จะไดกลาวถงตอไป แตโดยทางปฏบตแลวเราไมนยมการคานวณ เพราะทาใหเราทางานไดชา ไมทนการ

6. ในการตดสนใจวาทอเสนใดตองการ line stops และจะใสไวทตาแหนงไหน ใหพจารณาดงตอไปน

• สาหรบทอทไมจาเปนตองม expansion loop ใหใส line stop ไวตรงกลางทอมากทสดเทาทจะทาได เพอใหเกดการ balance friction force ซงจะชวยใหแรงทกระทาทจด stop มคานอยทสด

• ทอเสนใดทตองม expansion loop จะตองม line stop อยทงสองขาง ของ

expansion loop ดงรปตวอยาง ซงระยะทจะใส line stop จะกลาวถงในตอนตอไป

รปท 8 ตวอยาง ตาแหนงการตดตง line stop and guide สาหรบ expansion loop

3.4 How to Design Expansion Loop ในระบบทอทมอณหภมสง อยางเชนทอไอนาความดนสง จะมการยดตวของทอสงมาก แรงและโมเมนต กสงมากเชนกน ถาหากระบบทอไมไดออกแบบใหมความยดหยนดพอ จะทาใหเกดการพงเสยหายอยางใดอยางหนงเกดขนแนนอน เชน

• ทอ บดโคงงอ เหนไดอยางชดเจน • ฉนวนทอพง ยบ หรอ ฉกขาด • ผนงกาแพงคอนกรตถกทอขยายตวดน จนแตก • Support พง เชน รอยเชอมขาด หรอ อาจจะโกงงอ เสยรป เปนตน

• มกาซ หรอของเหลว รวไหลออกมาจากหนาแปลนทอ หรอ หนาแปลน อปกรณตางๆ เชน equipment , valve

• Pipe rack ลมพงทงแถบ ปญหาเหลาน มใหเหนมากในเมองไทย รายแรงสดกโรงงานระเบด ไฟไหม

ปญหาสวนหนง มาจากเรอง piping stress แตเวลาทาการพสจน หาสาเหต เชอวาเจาของงานอกมากทไมทราบวาปญหาเหลานเกดจากบรษท รบเหมา ออกแบบระบบทอมาไมไดมาตรฐานด ดงนนวศวกรเจาของโรงงานควรจะมความรจรง ในเรองการออกแบบอยบาง โดยเฉพาะเรอง piping stress analysis ตางประเทศเขาใหความสาคญกบเรอง stress analysis มาก เพราะเปนสวนหนงของ เรองความปลอดภย หากเจาของงานไมมทมวศวกรคอยตรวจสอบการออกแบบเอง กสามารถวาจางบรษททปรกษามาเปนผตรวจสอบงานบรษทรบเหมาอกท

การทจะทาใหระบบทอมความยดหยน (flexiblility) เพยงพอ มหลกการอย สองประการ คอ

1. เปลยนทศทางการเดนของทอ เชน ทา expansion loop 2. ถาไมเปลยนทศทางการเดนของทอ ตองตดอปกรณชวย เชน expansion

joint หรอบางคนจะตด spring support กยงชวยใหทอ ยดหยนไดเลย แตวา spring ชวยเฉพาะ ในแนวตงฉากกบพนโลกเทานน

เนอหาบทนผแตงจะกลาวถง เรอง expansion loop เพยงอยางเดยว สวนเรองของ expansion joint ไมขอกลาวถงในบทน What are important basic for design expansion loop ? ตามทเคยกลาวไปแลว สงทสาคญในการพจารณา ออกแบบ expansion loop ม4 ประการ ดงตอไปน 1 การชนกน (Pipe Crash) การยดขยายตวของทอ ทาใหเกดปญหาตางๆ มากมาย เชน

• ทอยดไปชน กบทออน • เกดแรงเสยดทาน (friction force) กระทาตอโครงสราง Pipe Rack ถาออกแบบไมดจะเกดการสะสมกนของแรงเสยดทาน ขนาดเปนตนๆ เลยทเดยว

เราสามารถควบคมการชนกนของทอได โดยหาระยะหางระหวางทอทเหลอ แลวจง

ไปกาหนด จด stopper หรอ anchor ซงควรจะออกแบบใหวางอยบน main column เพราะ โหลดทกระทาบนจด fixed point นนจะสงมาก เนองจากมนเปนจดรบแรงสะสมของแรงเสยดทาน ถาโหลดสงเกนขนาด 10 kN ควรจะ แจงใหทาง CIVIL ทราบ เพอทสามารถออกแบบ pipe rack ไดแขงแรงเพยงพอกบโหลดจากระบบทอได แรงเสยดทานขนาด 10 kN หรอ 1 ton กประมาณรถกระบะหนงคน ทอทาใหเกดแรงในแนวราบไดขนาดนเลยทเดยว สงทวศวกรใหมควรระวง คอการใชโปรแกรมคอมพวเตอรแกปญหา โดยสนใจแตผลของความเคนใหผาน แตละเลยแรงเสยดทาน ซงจะมคามากมายมหาศาล หากออกแบบผดหลก กจะเกดการสะสมกนของแรงเสยดทานขนาด

เกน 100 ตน เลยทเดยว ซงอาจทาให Pipe Rack ลมพงทงแถบ กเปนได หากวา Piping Stress Engineer ไมไดสงผลโหลดให Structural Engineer

รปท 9 ตวอยางการคานวณหา ระยะหางทเหลอระหวางทอ และการบอกโหลดท line stop ใหทาง Structural Engineer

2 ระยะยดตวทจด branch connection ของทอ

ใชหลกการ เหมอนขอหนง คอตอง หาระยะ X กอนแลวจง ไปกาหนด จดทจะใส stopper

รปท 10

3. ความยาว ของ shoe (Shoe Length) เราจะเหนบอยในโรงงาน นน ทาไม ทอมน ยดขยายจนตก support หรอ beam กเพราะไมมการคานวณ การยดขยายตว ของทอ เมอทอเยนตว ระยะทยดไปมนกจะหดตวกลบสปกต ทนมนกจะดงงดตว support หรอ beam จน พง ได ทกวนนปญหานกยงมใหเหนอยนะครบไมใช วาจะหมดไป ตราบใดท บรษท contractor ยงขาดแคลนpiping engineer ทมความเขาใจ เรอง piping stress analysis จากรปท 11 เราตองพจารณา อะไรบาง

1. ออกแบบให มระยะ Shoe วางอยบน Beam อยางนอย 50 mm. กจะทาใหทอวางอยบน beam ไดอยางมนคง

2. หา ระยะยดตวสงสด ทยอมรบได (allow thermal movement) กรณ สมมต เทากบ 250 mm. ทอจะไมยดไปชน กบทออน และไมตก beam

3. เปรยบเทยบระยะยดตวจรงกบระยะสงสดทยอมรบได ถานอยกวา ทอกจะไมตกหลนจาก beam ถามากกวา ตองออกแบบตาแหนง stopper ใหม ถาทาไมได อาจจะทา expansion loop เพอเพม flexibility ใหกบระบบทอ

รปท 11

4. Pipe Space ในกรณทเราออกแบบ existing plant ดงนน thermal ovement กจะถกกาหนด

โดย pipe space หลกการออกแบบกใช หลกเดยวกบ ขอ 1 การ design expansion loop การออกแบบ expansion loop ทเหมาะสม จะทาให ภาระโหลดทอนอยทสดและ ไมสญเสยความดนในระบบทอ(pressure drop) มากเกนไป ซงมวธการดงน พจารณาจากรปขางลาง ทอ 6” มฉนวนหนา 50 มม. และทอ 10” มฉนวนหนา 70 มม. คานวณระยะทเหลอ ทพอจะใหทอยด ได X = 150 mm.

รปท 12 ระยะหางระหวางทอทเหลอ X = 150 mm.

• หากทอยดขยายตวเกนคาจากด (150 มม.) ใหเราใส expansion loop ไวตรงกลาง ซงจะทาใหทอขยายตวไปสองฝงเทาๆกน ดงรปท 13

รปท 13

• ในกรณยดตวอยในคาจากด 150 มม. เราสามารถใส Line Stop ตรงกลางไดเลย ดงรปท 14 ปลายทอทงสองดาน กจะยดออกไปทงสองดานเทาๆ กน ดานหละ 75 มม.

รปท 14

• ถาตองการ Loop เพยง 1 Loop สามารถจดสดสวนตางๆ ออกเปน 4 สวนดงรปท 15

รปท 15

• ถาหากตองม Loop มากกวา 1 Loop สามารถจดสดสวนออกเปน 6 สวนดงรปท 16

รปท 16 การกาหนดระยะ anchor point เมอม expansion loop จานวน 2 loop

การทางานเราไมควรจาวาจะแบงสดสวนเปนเทาไร แตใหจาเฉพาะหลกการ ดงน Step 1 วาดรป ทอทม Loop ตามจานวนทตองการ Step 2 กาหนด ตาแหนง Line Stop สองดานของ Loop Step 3 แบงสดสวน ไดดงน ระยะจาก Line Stop ถง Line Stop ทครอม Loop แบงไดสองสวนเทาๆกน และ ระยะ Line Stop ถง มมปลายทอดานนอก เปน 1 สวน Step 4 นบทงหมดมกสวน ลองดนะวา Loop 4 Loop จะแบงไดเปนกสวน ถาไมได 10 ดงรปท 17 กแสดงวาผแตงยงถายทอดไมด

รปท 17 การกาหนดระยะ anchor point เมอม expansion loop จานวน 4 loop

คาถามทายบท

1. ถาตองการ Loop 3 Loop จะแบง เปนกสวน ตอบ (8 สวน) 2. ทาไมถงพยายามแบงสดสวนใหเทาๆกน ตอบ (การแบงสดสวนเทาๆ กนจะมผลทาให แรงท Line Stop นอยทสด) 3. จงคานวณหา Friction Loads ดงรปขางลาง

ตอบ (ศนย)

บทท 4 Pipe Support Design

(last update 20 March 2002) Stress analysis work is the Piping Engineer ‘s role to solve thermal, dead weight and vibration problems in piping and equipment.

Key ♥: 1. Thermal 2. Dead Weight 3. Vibration Now we are going to learn about how to solve the problem.

One thing important to understand for Piping Engineer is Pipe Support Design.

Introduction to Pipe Support Design Definition 1) Anchors is a mechanical connection (welded and/or bolted) between a pipe (or Exchanger,etc.) and a structure.

Key : a structure or Pipe Support must be strong enough so that it cannot bend excessively under large forces.

Example : Let’s Trainee See TTCL Pipe Support Standards 2) Full Anchors will not allow the pipe to move or twist in any direction at the point it is anchored.

1

3) Directional Anchors stops movement parallel to the center line of the pipe, but permits sideways pipe motion sideways motion is allowed 4) Guide stop sideways movement of a pipe , but allows movement parallel to the pipe’s centerline movement permitted 5) Rest Supports prevents downward motion of a pipe. If the weight of the pipe acting down on the support is great enouh, upward motion of the pipe may not be possible. Restraint Equipment Most equipment is anchored to a foundation. Therefore equipment nozzles are also anchors. Generally they are full anchors. The anchors are mechanically rigid but may have additional expansion when the equipment is hot. Even if the equipment. Is not bolted down, the weight may be great enough to make the equipment an anchor point.

2

I would say the greatest thing for you as in box below : ♥ Greatest Thing “ The free thermal expansion does not depend on the piping arrangement but depends only on the relative locations of the anchor points.” I show you how it ‘s come. Please see the example below. Example 1 Find the thermal expansion between the tower and the drum. pipe carbon steel A106 Gr.B at 200 °C (coefficient of expansion = 2.2 mm/m.)

N 20 m. ∆1=44 mm.

∆2 = 33 mm.

15 m

Anchor Point Answer In the E-W Direction the expansion to be absorbed is :

∆1 = α L

= 2.20 x 20

= 44 mm

In the N-S Direction the expansion to be absorbed is :

∆2 = α L

= 2.20 x 15

= 33 mm

3

Example 2 Same as before , except change the anchor end of the drum.

N

20 m. ∆1= 22 mm.

∆2 = 33 mm.

15 m

Anchor Point 10 m. Answer In the E-W Direction the expansion to be absorbed is :

∆1 = α L

= 2.20 x 10

= 22 mm

In the N-S Direction the expansion to be absorbed is :

∆2 = α L

= 2.20 x 15

= 33 mm

The N-S expansion of example1 have not been changed from the example 2. The E-W expansion

was reduced considerably by just shifting the anchor end of the drum.

“ Did you see the free thermal expansion does not dependon the piping arrangement.”

4

Pipe Support Design – Rest Support

5

บทท 5 SPRING HANGER DESIGN

By Piya Kittitanesuan Lead Piping Engineer

Pöyry Energy (Thailand) Ltd. ( update 22 January 2007)

Spring ทใชในงานออกแบบระบบทอ ม อย 2 ชนด ดวยกน คอ

1. Variable Spring spring ชนดน spring load จะมการเปลยนแปลง โดยขนอยกบระยะ vertical movement ของ spring จงเรยกกนวา variable spring

รปท 1 ตวอยาง variable spring support (ทมา บรษท Pipe Supports Limited) 2. Constant Spring

Spring ชนดนถกออกแบบมาให spring load ไมมการเปลยนแปลง ไปตามระยะ vertical movement ไมวา movement จะเกดขนเทาไรกตาม load ยงคงเดม จงเรยกกน constant spring

รปท 2 ตวอยาง constant spring support (ทมา บรษท Pipe Supports Limited)

1

จะเหนไดวา spring ถกเรยกตามการเปลยนแปลงของโหลด ถาโหลดไมเปลยนแปลงกเรยก constant ถาโหลดเปลยนกเรยก variable คราวนมาดหนาทของ spring ในบทน จะกลาวถงเฉพาะ variable เพยงอยางเดยว หนาทของ spring

1. เพอรกษา สมดล ของระบบทอ หลงจากททอมการขยายตว จากตาแหนงตดตง (installed) ไปยง operating หรอ บางท กเรยกวา จากตาแหนง Cold ไปยงตาแหนง Hot

2. อนญาตใหมการเคลอนทของทอ จากตาแหนง cold ไป hot ได ตางจาก rigid support ตรงทไมยอมใหทอ ขยายตว เคลอนทไดงายๆ

3. spring สามารถทาให stress range ลดลงในระบบทอได ดวยเหตนนเอง stress engineer ทประสบการณในการแกปญหา stress ยงไมมากพอ มกเลอกตด spring เพอทาให expansion stress ทเกดขน ไมเกนคา allowable limit ซงยงเปนเทคนคทางวศวกรรมทไมดนก

เมอไรเราจงตดตงสปรง (WHEN WE INSTALL A SPRING)

- เราสามารถ นา spring มา ลด Forces & Moment ท กระทาตอ Nozzle ลงได จง นา spring มาตดดง ใกลๆ nozzle ของ equipment เพอ จากด load ไมใหเกนคา limit ยกเวน equipment นนเปน พวก rotating equipment เชน pump, steam turbine driven ไมควรจะตดตง spring ใกลๆ มน เพราะจะทาให equipment สนสะเทอนไดงาย

- เราสามารถ นา spring มาชวยแกปญหา settlement ได เชน ถง (Tank) ทไมไดตอกเสาเขม (piling) นานๆ ไปหลายปอาจเกดการทรดตวของดน (settlement) ถาหากเราตด rigid support เพอรองรบนาหนกทอกอนเขา tank อาจทาให flexibility ไมเพยงพอ

มวธการเลอกใช VARIABLE and CONSTANT กนอยางไร

- ถา vertical movement ไมเกน 70 mm ใหเราเลอกใช variable spring - ถา vertical movement เกน 70 mm ให เราใช constant spring แทน variable spring

Spring ไมควรตดตงทใด

- ท rotating equipment เชน pump เพราะวาจะทาให pump สนได บางทานอาจเลอกตด spring ใกลๆ หนา pump เพอหวงทาให ระบบทอยดหยน โหลดทกระทาลดลง ซงดเหมอนจะด แตทจรงแลว เปนวธทไมด เพราะมนจะทาให ทอสนสะเทอนไดงายขน เนองจากปกตปม กเปนแหลงกาเนดการสนสะเทอนอยแลว ยงตด spring เขาไป ยงไปทาใหขนาดการสนสะเทอนเพมขน ถาหากสนจนกระทงถงความถธรรมชาต ของระบบ กจะทาใหระบบทอสนสะเทอนอยางรนแรงและพงเสยหายไดทงทอและ pump

- reciprocating compressor เหตผล ทไมควรตด กเชนเดยวกบ พวก rotating equipment เชนกน

- บน pipe rack ไมควรจะตด spring เลย จากประสบการณททางานมา เคยเหน piping engineer ชาวตางประเทศ หลายสญชาต ทาการตดตง spring บน pipe rack มากมายหลายบรษท แมกระทง ท expansion loop กยงมเหนตดตง ถาหากเราพบเหนการตดตง spring บน pipe rack แลว พอจะคาดเดาไดเลยวา ผออกแบบระบบทอขาดความร เรอง piping stress อยางมาก เราอาจจะเคยคดวาชาวตางประเทศ นนเกง โดยเฉพาะ

2

ฝรง แตความจรงแลว ชาวตางชาตนนมาเรยนร know how ทางดานนกบคนไทยนานหลายปแลว

- จดท มการแปลงเปลยนการเคลอนทในแนว vertical เลกนอยมาก นกเหนประจา ทอขยายตว move แค 1 mm กตด spring แลว เหนบอย จรงๆ ไมไดพดเลน โดยเฉพาะพวกฝรงนนหละ เขาชอบตดกนจง

การตด spring ควรตดตงเมอจาเปนเทานน ยงตดนอย เทาไร ยงเปนการออกแบบทประหยด แลว ยงลดการซอมบารง ลงดวย นอกจากนนแลว ไมตองเสยงตอการท load เปลยนไปเนองจากการลาของ coil spring อกดวย ดไปหมดเลย

สตรทใช คานวณ แรงสปรง การคานวณหา Installed Load (Cold Load)

Cold Load = Hot Load + ( movement x spring rate )

a) ถา spring movement up ( เชน y=+10 mm. ) จะได สตร เหมอนเดม เปน Cold Load =Hot Load + (movement x spring rate)

b) แตถา spring movement down ( เชน y = -10 mm. ) จะไดสตร ดงน

Cold Load =Hot Load - (movement x spring rate) หมายเหต Hot Load หรอ Operating load คอ load ทเกดขน ขณะ operating Cold Load หรอ Installed load คอ load ทเกดขน ขณะ installation การคานวณหา Load Variation Load Variation = |Hot Load - Cold Load| = |spring rate x movement| Hot Load Hot Load ในการเลอก spring ไมควรให load เปลยนแปลงเกน 25 เปอรเซนต หาก Load variation เกน 25 % ควรกลบไปทาการแกปญหา stress ใหมอกครง การเลอก Spring จาก Table (ยกตวอยาง ตารางของ comet spring) ตารางท 1 เปน ตาราง คาโหลด สปรง ขนาดตางๆ ของยหอ pipe supports ( แตเดมชอ ยหอ comet ) ซงเปนผผลตสปรง รายใหญแหงหนงของโลก และ มโรงงานอยทไทยดวย ดงนนผแตงจงไดนา สปรงยหอน มาใหไดศกษากน

กอนท จะเลอกใชขนาดเบอรสปรงใหเหมาะสม เราตองรคา Hot Load, movement และ load variation (load variation นนเราจะเปนผกาหนด วาจะใหไดมากทสดเทาไร ปกต ผผลตแนะนาไมควร ใชเกน 25 %)

3

Step 1 – คานวณหา คา maximum spring rate จากสตร

Max. spring rate = Variation x Hot Load

Movement

Step 2 – นาคา hot load ทได มากาหนดหา ขนาดของ load โดยหาจาก column ในตาราง

Step 3 – สาหรบขนาด size spring, เลอก series ของ spring ดวย spring rate ทตากวา ทคานวณไดใน step ท 1

Step 4 – คานวณหา cold load จาก สตร CL = HL + kx แลวกดดวยวา cold load ทได ตกลงอยใน working

range ของ spring size นนหรอปลาว

Step 5 - ถา cold load ไมอยใน range ใหเราพยายาม หา spring size อนใหม ตวอยาง สมมต hot load = 5316 N และ travel จาก ตาแหนง cold ไปยง hot = 37.3 mm up, กาหนดให load variation = 25 % วธทา Step 1 – max. spring rate = (0.25 x 5316) /37.3 = 35.6 N/mm Step 2,3 – คา hot load เราเทากบ 5316 ดงนนลอง เลอก spring size V3-16 ซง spring rate =18.2 N/mm. Step 4 – cold load = 5316 + 18.2 x 37.3 = 5995 N. Step 5 – จะเหนวา cold load เกนคา max จนตก อยในชวงทเรยกวา over travel นนหมายความวา spring ทเราเลอกนน ออนไป เพราะฉะนน ตองเลอก size ใหม ใหเหมาะสม กวาน

4

ตาราง 1. ตารางสปรงโหลด (ทมา Pipe Support Ltd.)

5

ลองเลอกใช size V3-17 ซง ม spring rate = 22.6 N/mm (ตวน spring แขงกวา) Step 3 – cold load = 5316 + 22.6 x 37.3 = 6158 N (OK load ไมเกนคา maximum) Check load variation = | 5316 –6158| / 5316 = 0.158 or 15.8 % OK เลอก อนนแหละครบ การเตรยม Spring Data Sheet ขนตอนตอไปคอการจดเตรยม spring data sheet เพอทเราจะไดทาใบ ขอราคา จากทาง vendor เพอทจะใหเขา เสนอราคามาใหกบเรา กอนทเราจะทาการ สงซอ

คาตางๆ ทจะตองกรอกใส data sheet คอตวทอยภายใน เครองหมายวงเลบ ( ) ดงตาราง ท 2 คาเหลานเราไดมาจากโปรแกรม CAESAR II โดยไปท Static Output Report ดงรปท 1 ซงเราสามารถสงโปรแกรมใหแสดงผานหนาจอคอมพวเตอรแบบ Text ธรรมดา หรอจะใหแสดงผานโปรแกรม MS Word กได ดงรปท 2 และ 3

รปท 1

6

รปท 2

รปท 3 ขอสงเกต Spring Output Report ท CAESAR II แสดงออกมา ดงรป 2 และ 3 ไมได แสดง

Movement ครบทง แกน X และ Z เพราะวามนไมไดใชในการคานวณแตอยางใด แตวา piping stress engineer จะตองเชคคาน สาหรบการออกแบบขนาดฐาน support ใหมขนาดใหญพอ เพอไมใหเกดปญหาทอเคลอนทตกจาก spring ซงเราสามารถทราบคา movement ในแนว horizontal ไดจาก Displacement report ดงรปท 4 และจะปรากฏผลลพธดงรปท 5

7

รปท 4

รปท 5

8

PROJECT NO. 300760 SPRING NO. SH-001 Calc No. Calc008 Node No. (1100)

CLIENT : REQUISITION NO. :

LOCATION : CHONBURI ,THAILAND TOTAL QUANTITY REQ'D : 1

REF. P&ID No. : 2006-001-003 PREPARED : N.Pimnatchaya DATE : 3 July 06

SERVICE : High Pressure Steam CHECKED : K.Piya DATE : 4 July 06

ISO METRIC NO. : 2006-074-074 Rev.1

TYPE : CONSTANT VARIABLE GRAPHITE SUPPORT INSULATION

ASME CODE YES ANSI

CODE YES

PROCESS DESIGN

NAME OF FLUID : HPS (High Pressure Steam)

OPERATING PRESSURE : 61

bar g

SPRING SUPPORT TYPE : ( SPRING SUPPORT No. V1-17 )

SUPPORT SERIAL : By

Vendor

PIPE NOMINAL SIZE : 200 mm

OPERATING TEMPERATURE : 528 oC

PIPE INSULATION THICKNESS : 170 mm

SUPPORT INSULATION THICKNESS : mm

PERCENTAGE LOAD CHANGE : ( 7 ) %

% RECOMMENDED W/RANGE : 25 %

HYDROSTATIC TEST LOAD : ( 5282 ) N

OPERATING LOAD : ( 6088 ) N

PRE-SET LOAD : ( 5685 ) N

SPRING RATE : ( 904 ) N/cm

CONNECTIONS ( FILL BY VENDOR )

DESCRIPTION X Y Z A B C D E

OPERATING LOAD N 0 ( 6088 ) 0 ** ** ** ** **

MOVEMENT (+) mm

MOVEMENT (-) mm ( 4.152 ) ( 4.454 ) ( 37.18 )

REMARK

1 ** By Vendor

ตาราง 2. ตวอยางการจดเตรยม spring data sheet

9

1

บทท 7Seismic Analysis

By Piya K.Last Update 23 Sep 01

Seismic Analysis กคอการวเคราะหแผนดนไหว (Earthquake) Piping Engineer ไมสามารถ คาดเดาลวงหนาไดเลยวาจะเกด แผนดนไหวเมอไร และ สงผลกระทบรนแรงตอระบบทอมากนอยเพยงไร ดงนนในเขตพนทมโอกาสเกดแผนดนไหวบอยๆ ควรจะออกแบบระบบทอให แขงแรง มนคง เพยงพอทจะรองรบเหตการณทจะเกดขน อยางนอยๆ กใหสามารถ operate ได ไมต ากวา หนงรอยป

ในประเทศไทย Plant สวนใหญตงอยในเขตปลอดแผนดนไหว เชน โรงกลนน ามนเอสโซ , โรงกลนน ามนไทยออยล ท อ าเภอศรราชา ดงนนโรงกลนน ามนทงสองโรงนกไมตองออกแบบเผอส าหรบแผนดนไหว กจะท าใหประหยดงบประมาณในการออกแบบ ไดมากมาย ตวอยางทจะตองมการท า seismic analysis กเชนโรงแยกกาซ ของ shell ท ประเทศ Philliplines เพราะวาตงอยใน โซน แผนดนไหว ในบทนเราจะเรยนรวธการใชCAESAR II วเคราะห ระบบทอวา สามารถ รองรบกบเหตการณแผนดนไหวไดหรอไม

CAESAR II สามารถท าการวเคราะห seismic ได 2 แบบ คอ แบบ seismic และ แบบ staticequivalent method แบบ แรกนนคอนขางยากและซบซอนเกนไป ในทางปฏบต piping engineer มกเลอกใชวธstatic equivalent method แทน โดยการน า UBC Code มาใชรวมกบ ASME Code

การวเคราะห ( Analysis )ดงทเคยกลาวมาแลววา seismic นน เปน occasional case ดงนนใน CAESAR II เราตองแยก case

ตางหากออกมาจากการท า static analysis โดยเราจะใชวธการแบบ equivalent ใหเราท า static load caseรวมกบคา horizontal g force.

ซงจะสามารถค านวณไดจาก UBC code section 1632 – Lateral Force on Elements ofStructures, Nonstructural Components and Equipment Supported by Structures โดยกลาวไววา สวน(element) ของโครงสราง (structure) ใดๆ และ สวนทไมใช โครงสราง(nonstructural) ทถกรองรบโดยโครงสราง ควรจะถกออกแบบใหตานทานแรงจากแผนดนไหว (seismic forces) ซง UBC Code ก าหนดวธค านวณไวใน Section 1632.2 แตส าหรบ attachment ทมขนาดน าหนกเบากวา 181 kg ไมจ าเปนตอง ถกน ามาออกแบบเชน furniture ในตวโครงอาคาร

nonstructural ในทนกคอ piping ของเราท ถก support ไวกบ Structure หรอวา pipe rack ดงนนเพอใหเปนไปตามเงอนไขท code วางเอาไว เราจะน า code มาประยกตใชไดดงน

2

วธการ หา Earthquake Load Derivation on the Piping:อนดบแรกศกษา Project Specification Requirement กอนDATA : Design Code ใหใช code UBC 1997 (ตาม Project Spec)

Seismic Zone 1 ,2,3 or 4 แลวแต วา Plant อยทไหนImportance Factor (UBC category 3), Ip 1.0 เปด table 16-K

Maximum Design Lateral Seismic Force Fpmax= 4.0 Ca Ip Wp (32-3)Minimun total Design Lateral Seismic Force Fpmin = 0.7 Ca Ip Wp (32-3)

คา Fp จะค านวณโดยใชสตร (32-2)Total Design Lateral Seismic Force , Fp Fp = ap Ca Ip 1 + 3hx Wp (32-2)

Rp hr

โดยทap = in-structure Component Amplification Factor that varies from 1.0 to 2.5. (เปด Table 16-O)Ca = seismic coefficient, as set forth in table 16-Qhr = the structure roof elevation with respect to grade.hx = the element or component attachment elevation with respect to grade. คานไมควรต ากวา 0.0.Ip = importance factor specified in table 16-KRp = Component Response Modification Factor that shall be taken from Table 16-OWp = The weigth of an element or component

ท าความเขาใจระยะ hx and hr ท apply ใชส าหรบงาน piping

hr hx

hx hx = hr hr

hr กคอ ระยะความสงของหลงคา structural โดยเทยบกบ ระดบพนดนhx กคอ ระยะความสงของ piping โดยเทยบกบระดบพนดน

ส าหรบ seismic loading แลว friction ทเกดขนท supports เชน rest and guide ไมตองน ามาพจารณา ส าหรบตานทานแรงแผนดนไหว(seismic forces) ดงนนใน CAESAR II เราตอง เอา คา ส.ป.ส แรงเสยดทานออกใหหมด กอนทจะ run analysis

การ Design Pipingเปนเรองทตองควรระวง และ support ให ดอยางเหมาะสม โดยเฉพาะจดทไมคอยมนคงและออนแอ

เชน ทอทวางอยบน cantilever beam ถาเรา support ไมด ในขณะทเกดแผนดนไหว ทออาจจะตกลงมาจากcantilever beam กได ยกตวอยางอกสกกรณหนง line 2” branch มาจาก header 10” ในสภาวะ ปกต แลวcase นไมมปญหาเลย

support

support

ไมวา sustain case หรอ expansion case แตมนจะพงในกรณทเกดแผนดนไหวไดตรงบรเวณ branchconnection เพราะวาทอ header ไมไดถก support ไวกบ pipe rack อยางดเพยงพอ มนเกด seismic forcesในแนวแกน horizontal ท าให force ท branch connection สงเกนไปจนท าให branch พงเสยหายได

Piping Stress Analysis For Seismic Case by Using CAESAR IIตองแยก model ในการประเมณ seismic effects ตาม load case ตอไปน

U1 (OCC)U2 (OCC)W + P1 + U1 (OW + P1 + U2 (O

ใหเราแยก case เฉพาะ operatingอยาลมนะ frictioคา ส.ป.ส ความเ

รายละเมาเสนอคราวหลงรวบรวมใหเฉพาะ

Nozzle and restraint loads

CC)CC)

ออกมาพจาร condition เ

n ไมน ามาใชสยดทานออกอยด ,วธการตทมการปรบปสงทส าคญๆ

e

B31.1 Code Complianc

3

ณาใหมเลย อาจจะ save file name เปนชอใหม เลย และ case นให พจารณาทานน design condition ไมตองพจารณา ส าหรบการ seismic model ดงนนใน CAESAR II piping input model ตอง เอาใหหมด (เตอนบอยจงเลย สงสยคนแตงเปนโรคย าคดย าท า) งคา และ เทคนคในการ model piping input บนโปรแกรม CAESAR II ผมจะน ารงเนอหาใหมนะครบ เพราะผมไมมเวลามาจดท าเลย ในตอนน ใน sheet นจง

4

หนาท ของ Piping Engineer1. Piping Engineer จะตองออกแบบ ตรวจสอบ ระบบทอ ไมใหพงเสยหายในกรณ sustain case

(primary) และ expansion case (secondary) แลวยงตอง ออกแบบระบบทอใหปองกนการพงเสยหายจากseismic (occasional) ดวย

2. Piping Engineer ตองสง piping loads ใหทาง Civil Engineer ออกแบบ Structural ส าหรบตานทาน แรงแผนดนไหว(seismic loads) ดวย

3. Piping Engineer ตอง design support ใหแขงแรง สามารถตานทานแรงแผนดนไหวได

การใชงานโปรแกรม STRESS-C Version 2.5 By Piya K (8 Feb 2006)

Aim : to convert PDMS file to CAESAR II เพอประหยดเวลาในการ model CAESAR II เปนการ work smart ไมได work hard Run program stressc.exe ใน folder C:\AVEVA\STRESSC2.5

ปอนขอมลตาม step ดงน Project Name = AMA Username/Pass =PPMANA/PPMANB Enter MDB Base Name = AMAPROJ Enter Pipe Name = 23LCA12BR010 หลงจากนน Enter โปรแกรม จะใหตงชอ CAESAR input ไฟล STRESS-C จะ generate neutral file มาสอง ไฟล คอ *.cii และ *.dat

แลว STRESS-C เกบไว convert ไวทไหนหละ? Folder ทใช convert file ถกเกบไวคอ C:\AVEVA\STRESSC2.5\

มาดผลจากตวอยางจรงกนดกวา รปขางลางนคอ PDMS model line number 23LBA15BR010 กอนทจะทาการ convert ไป CAESAR II

พอconvert ดวย STRESS-C แลวเขาโปรแกรม CAESAR II convert อกตอหนงจะได ดงน

หนาตาเหมอนกนเปะ เลย สงเกต ตว valve จะไมมมา ดงนนเราตองมาแกไข ใน CAESAR ดวยตวเอง