Gids voor leidingdrukclassificatie - Barlow-formule en -grafieken

De leidingdruk, formeel bekend als Maximaal Toelaatbare Werkdruk (MAWP), is de maximale interne druk die een leiding veilig kan bevatten bij een bepaalde temperatuur. Dit verschilt fundamenteel van de barstdruk, de druk waarbij de leiding zou scheuren. MAWP omvat een aanzienlijke veiligheidsfactor (doorgaans 3,5x de uiteindelijke treksterkte volgens ASME B31.3), waardoor de buis gedurende de gehele ontwerplevensduur goed binnen de structurele limieten blijft functioneren. Het selecteren van buizen met een ontoereikende drukwaarde is een van de meest voorkomende oorzaken van defecten aan industriële leidingen, wat leidt tot lekken, catastrofale breuken en veiligheidsincidenten.

De gevolgen van een onjuiste selectie van de drukclassificatie kunnen ernstig zijn. Een pijp die boven zijn MAWP werkt, kan last krijgen van meegeven (permanente vervorming), kruip bij verhoogde temperaturen of plotselinge brosse breuk. In petrochemische installaties hebben defecten aan leidingen brand, explosies en het vrijkomen van giftige stoffen veroorzaakt. De ASME B31-codereeks stelt minimumvereisten vast voor het ontwerp van de leidingdruk voor verschillende toepassingen: B31.1 voor stroomleidingen, B31.3 voor procesleidingen, B31.4 voor pijpleidingtransport en B31.8 voor gastransmissie. Het begrijpen van deze codevereisten is essentieel voor een veilig en conform ontwerp van leidingsystemen.

De Barlow-formule is de fundamentele vergelijking voor het berekenen van de theoretische barstdruk van een buis:P=2St/D, waarbij P de interne druk (MPa) is, S de toegestane spanning (MPa), t de nominale wanddikte (mm) is en D de buitendiameter (mm). Voor de MAWP-berekening wordt de toelaatbare spanning S overgenomen uit ASME Sectie II Deel D bij de ontwerptemperatuur, en de wanddikte t is de nominale dikte minus de productietolerantie minus de corrosietoeslag. De formule gaat uit van dunne- wandcondities (D/t > 10), wat van toepassing is op de overgrote meerderheid van standaard leidingschema's.

Rekenvoorbeeld (Barlow-formule - Theoretische MAWP):Voor een 4-inch SCH 40 A106 Gr.B-buis bij omgevingstemperatuur:
OD=114.3 mm, muur=6.02 mm, S=137.9 MPa (A106 Gr.B bij 38 graden)
P=2 x 137,9 x 6,02 / 114.3=14.5 MPa (~2100 psi)

Houd er rekening mee dat de ASME B31.3-codeformule (t=PD / 2(SE + PY)) een lagere MAWP oplevert van ongeveer 10,9 MPa voor dezelfde buis vanwege de toevoeging van de verbindingsefficiëntiefactor E en temperatuurcoëfficiënt Y. De onderstaande tabel gebruikt de ASME B31.3-formule en vertegenwoordigt de code--conforme werkdruk. Ter vergelijking: de barstdruk (bij gebruik van minimale treksterkte S=415 MPa voor A106 Gr.B) zou ongeveer 43,7 MPa zijn, wat een veiligheidsfactor van ongeveer 3,0 tegen barsten oplevert. Dit illustreert het conservatieve karakter van MAWP-berekeningen. De werkelijke werkdruk moet altijd onder de MAWP liggen, en de meeste ontwerpcodes vereisen een verdere marge boven de normale werkdruk.

Toegestane spanningswaarden vormen de basis van berekeningen voor drukwaarden. Deze waarden zijn weergegeven in ASME Sectie II Deel D voor duizenden materiaaltemperatuurcombinaties van-kwaliteit-. De toelaatbare spanning wordt afgeleid van het minimum van: een-derde van de minimale treksterkte bij kamertemperatuur, twee-derde van de minimale vloeigrens bij kamertemperatuur, of de gemiddelde kruipbreuksterkte gedurende 100.000 uur gedeeld door 1,5 bij verhoogde temperaturen.

Materiaal	Cijfer	Toelaatbare spanning bij 38 graden (MPa)	Toelaatbare spanning bij 400 graden (MPa)	Max. temperatuur (graad)
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 RVS	304	117.2	79.3	816
TP316 RVS	316	117.2	82.7	816

Merk op dat de toelaatbare spanning aanzienlijk afneemt bij verhoogde temperaturen. Dit temperatuurverminderingseffect is het meest uitgesproken voor koolstofstaal, dat een reductie van 40% ervaart tussen omgevingstemperatuur en 400 graden. Gelegeerde staalsoorten zoals P91 behouden een groter deel van hun sterkte bij omgevings-temperatuur bij hogere temperaturen, waardoor ze de voorkeur verdienen voor toepassingen bij hoge- temperaturen. Roestvast staal behoudt zijn sterkte beter bij zeer hoge temperaturen boven de 600 graden, ook al hebben ze een lagere toelaatbare omgevingstemperatuur-.

De onderstaande tabel toont de geschatte werkdrukken voor A106 Gr.B koolstofstalen buis bij omgevingstemperatuur. Deze waarden zijn gebaseerd op de nominale wanddikte en omvatten geen corrosietoeslag. De werkelijke werkdruk zal variëren op basis van specifieke bedrijfsomstandigheden en toepasselijke codevereisten.

Let op (inch)	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

Temperatuurderating is de vermindering van de toegestane spanning naarmate de bedrijfstemperatuur stijgt. Dit fenomeen treedt op omdat metalen hun sterkte verliezen bij hogere temperaturen. Voor koolstofstaal blijft de toegestane spanning relatief constant tot ongeveer 200 graden, en begint daarna lineair af te nemen. Bij 400 graden bedraagt de toegestane spanning van A106 Gr.B ongeveer 60% van de omgevingstemperatuur-. Bij 500 graden daalt het tot ongeveer 40%.

Roestvast staal heeft een voordeel bij zeer hoge temperaturen vanwege zijn superieure oxidatieweerstand en kruipsterkte. Hoewel 304 roestvrij staal een lagere toelaatbare spanning bij omgevingstemperatuur- heeft dan koolstofstaal (117,2 MPa vs. 137,9 MPa), bedraagt de toegestane spanning bij 600 graden ongeveer 48 MPa vergeleken met nul voor koolstofstaal (wat niet is toegestaan boven 538 graden volgens de ASME-code). Voor toepassingen met ultra-hoge- temperaturen boven 600 graden worden nikkel-legeringen zoals Alloy 617 (UNS N06617) gebruikt, met toegestane spanningen van 20-30 MPa bij 900 graden.

Elke ASME B31-codesectie heeft specifieke vereisten voor het bepalen van de drukwaarde. ASME B31.1 (Power Piping) regelt de leidingen in elektriciteitscentrales en industriële installaties. Het vereist een drukontwerp in overeenstemming met de regels van ASME Sectie I voor externe leidingen van de ketel en biedt specifieke vergelijkingen voor rechte leidingen, bochten en aftakkingen. ASME B31.3 (Process Piping) is de meest gebruikte code voor chemische en petrochemische installaties. Het maakt gebruik van de Barlow-formule-gebaseerde benadering waarbij de drukontwerpdikte wordt bepaald door: t=(P x D) / (2(SE + PY)), waarbij E de kwaliteitsfactor van de longitudinale verbinding is en Y een temperatuur-afhankelijke coëfficiënt.

ASME B31.4 (Pipeline Transportation) is van toepassing op vloeibare koolwaterstof- en andere vloeibare pijpleidingsystemen. Er wordt gebruik gemaakt van een ontwerpfactorbenadering waarbij de ringspanning bij ontwerpdruk een bepaald percentage van de gespecificeerde minimale vloeigrens (SMYS) van het materiaal niet mag overschrijden. Een typische ontwerpfactor van 0,72 betekent bijvoorbeeld dat de ringspanning beperkt is tot 72% van SMYS. ASME B31.8 (Gastransmissie) gebruikt een vergelijkbare ontwerpfactorbenadering, maar met locatiespecifieke factoren gebaseerd op de bevolkingsdichtheid nabij de pijpleiding, variërend van 0,72 (landelijk) tot 0,40 (stedelijke gebieden met hoge dichtheid).

Hydrostatisch testen is de standaardmethode voor het verifiëren van de drukintegriteit van gefabriceerde leidingsystemen. De testdruk is doorgaans 1,5 keer de ontwerpdruk bij de ontwerptemperatuur, maar niet minder dan 1,5 keer de MAWP bij de testtemperatuur. De testdruk moet gedurende een minimale duur worden gehandhaafd (doorgaans 10 minuten voor kleine systemen, langer voor grote systemen), terwijl alle verbindingen en aansluitingen worden geïnspecteerd op lekkage. Pneumatisch testen wordt gebruikt wanneer hydrostatisch testen onpraktisch is (bijvoorbeeld systemen die geen water verdragen, zoals zuurstof of cryogene toepassingen). Pneumatisch testen brengt echter grotere veiligheidsrisico's met zich mee vanwege de opgeslagen energie in gecomprimeerd gas en vereist aanvullende voorzorgsmaatregelen. Zie onzeHydrostatische en pneumatische testgids(54) voor gedetailleerde procedures.

De chemische industrie werkt doorgaans met drukklassen van 150# tot 600#, waarbij de meeste algemene procesleidingen een drukklasse van 150# of 300# hebben. Hogere drukprocessen zoals hydrokraken en ammoniaksynthese werken bij 900# tot 2500#. De energiesector gebruikt de hoogste drukwaarden, met ultra-superkritische stoomcycli die werken bij 2500# tot 4000# en temperaturen tot 620 graden. Deze extreme omstandigheden vereisen hoog-gelegeerde materialen zoals P92 en op nikkel-gebaseerde superlegeringen. De druk in olie- en gaspijpleidingen ligt doorgaans in het bereik van de ANSI 300 tot 900-klasse, hoewel hoofdtransmissielijnen kunnen werken bij drukken van meer dan 2000 psi.

Geef bij het bestellen van buizen voor een specifieke druktoepassing de volgende parameters op om een juiste keuze te garanderen: ontwerpdruk en -temperatuur, het vloeibare medium (inclusief corrosiviteit), toepasselijke code (ASME B31.3, B31.1, enz.), vereiste corrosietoeslag en eventuele speciale vereisten (zure service, NACE-conformiteit, enz.). Het technische team van ManufacturerPipe kan u helpen bij het selecteren van het optimale materiaal, planning en productieproces voor uw specifieke drukvereisten. We bieden ook niet-standaard wanddikteaanpassingen voor toepassingen waarbij standaardschema's onvoldoende of te-gespecificeerd zijn.

Neem contact op met ons engineeringteam voor deskundige begeleiding en concurrerende prijzen voor buizen voor uw specifieke drukvereisten.

Ontvang een offerte