Cosa sono i supporti per tubazioni?
I sistemi di tubazioni devono essere in grado di resistere alle forze interne ed esterne applicate senza che il fluido di processo venga scaricato o perda dal sistema. Per garantire ciò, vengono utilizzati i supporti per tubazioni. Questo articolo discute i design comuni dei supporti per tubazioni, i tipi, il funzionamento dei supporti per tubazioni, lo scopo dei supporti per tubazioni e i problemi comuni dei supporti per tubazioni.
Supporto Variabile per Tubazioni
A cosa servono i supporti per tubazioni?
I supporti per tubazioni sono utilizzati per:
- Sostenere il peso di una sezione di tubazione.
- Gestire la dilatazione termica.
- Gestire i carichi d'urto (colpo d'ariete e spinta idraulica).
- Gestire l'attività sismica (terremoti ecc.).
- Gestire i carichi del vento (dove applicabile).
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Come funzionano i supporti a molla per tubazioni?
Il principio di funzionamento generale dei sospensori a molla si basa sulla legge di Hooke, formulata dallo scienziato inglese Robert Hooke. La deformazione del materiale è misurata in termini di elasticità e plasticità.
- Elasticità – quando un materiale si deforma a causa dello stress applicato e ritorna alla sua forma originale quando lo stress viene rimosso.
- Plasticità - quando un materiale si deforma a causa dello stress applicato e non ritorna alla sua forma originale quando lo stress viene rimosso.
All'interno del range di elasticità di un materiale, la quantità di deformazione in relazione alla quantità di stress applicato è descritta dalla legge di Hooke. La relazione tra stress e deformazione è meglio descritta come la relazione tra stress e deformazione. La deformazione è espressa come un rapporto che confronta il cambiamento di lunghezza con la lunghezza originale; questo rapporto è senza unità, cioè non è limitato a misure metriche, imperiali o di qualsiasi altra forma di misura della distanza.
Legge di Hooke
Conoscendo quattro variabili, è possibile determinare quanto si estenderà un materiale una volta applicata una determinata pressione. L'equazione è:
Questa semplice relazione lineare tra lo stress (forza) e la deformazione (allungamento) è stata formulata utilizzando la seguente notazione.
P = forza che produce l'estensione della barra (lbf per unità imperiali, Newton metri per unità metriche)
= lunghezza della barra (pollici imperiali, o millimetri, centimetri o metri per unità metriche)
A = area della sezione trasversale della barra (pollici quadrati imperiali, o millimetri, centimetri o metri quadrati metrici)
δ = allungamento totale della barra (pollici imperiali, o millimetri, centimetri o metri per unità metriche)
E = costante elastica del materiale, chiamata Modulo di Elasticità, o Modulo di Young (lbf/in.2 imperiali, o Pascals (Pa) metrici)
Nota che un pascal è uguale a un Newton per metro quadrato.
La quantità E, il rapporto tra lo stress unitario e la deformazione unitaria, è il modulo di elasticità di un materiale quando è in tensione o compressione ed è spesso chiamato Modulo di Young.
Quindi, conoscendo l'equazione sopra e le quattro variabili associate, gli ingegneri possono calcolare quanto si estenderà una molla una volta applicata una determinata forza. Ciò significa che gli ingegneri possono anche calcolare quanto si estenderà una molla in un sospensore a molla una volta applicata una determinata forza/carico.
IMPORTANTE
La legge di Hooke è rilevante solo per i calcoli all'interno del range di elasticità di un materiale! Una volta che un carico supera il range di elasticità di un materiale, entra nel range di plasticità, che porta a una deformazione permanente del materiale. La legge di Hooke non è valida all'interno del range di plasticità di un materiale.
Qual è la differenza tra supporti primari e secondari?
Un supporto primario è fissato direttamente alle parti e/o componenti del sistema di tubazioni, mentre un supporto secondario è collegato solo al supporto primario. Un sistema di tubazioni è tipicamente classificato come qualsiasi elemento che supporta o è attaccato al sistema. Pertanto, i supporti secondari sono solitamente considerati parte di un sistema di tubazioni.
Supporti Primari e Secondari per Tubazioni
Classificazioni dei Supporti per Tubazioni
Ci sono vari modi per categorizzare i supporti per tubazioni, sebbene uno dei più comuni sia per design costruttivo. I supporti per tubazioni possono essere rigidi, elastici o regolabili.
Costruzione Rigida
I supporti rigidi per tubazioni sono fissati al sistema tramite saldatura o morsettaggio. Questo tipo di supporto per tubazioni è molto comune, ha un design semplice e non si flette o si regola una volta installato. Scarpe saldate, scarpe a morsetto, staffe di supporto, portavalvole e trunnion, sono tutti tipi di supporto rigido per tubazioni.
Costruzione Elastica
I supporti elastici per tubazioni consentono il movimento del sistema di tubazioni. I sistemi ad alta temperatura utilizzeranno sempre supporti elastici per gestire la dilatazione termica all'interno del sistema. Ci sono due principali tipi di supporti elastici, questi sono i tipi variabile e costante (discussi più avanti in questo articolo).
Costruzione Regolabile
I supporti regolabili per tubazioni sono simili ai supporti rigidi per tubazioni, ma consentono una certa regolazione durante l'installazione. La regolazione di solito comporta la possibilità di ruotare il supporto per allinearlo con il tubo e/o aumentare o diminuire la sua altezza marginalmente per supportare meglio il tubo.
Giunti di Espansione e Anelli di Espansione
I giunti di espansione e gli anelli di espansione sono anche utilizzati per gestire la dilatazione termica all'interno dei sistemi di tubazioni. I requisiti di manutenzione associati agli anelli di espansione sono molto inferiori rispetto a quelli dei giunti di espansione. I giunti di espansione tendono a rompersi o fratturarsi nel tempo, specialmente quando esposti ad ambienti difficili, ad esempio regioni costiere con un ambiente salino corrosivo. Per questo motivo, gli anelli di espansione sono diventati una scelta più popolare tra i progettisti di sistemi di tubazioni negli ultimi anni.
Anello di Espansione per Tubazioni
Cosa causa la dilatazione termica nei sistemi di tubazioni?
La dilatazione termica nel materiale delle tubazioni si verifica quando la temperatura del materiale aumenta. Quando i materiali vengono riscaldati, si espandono a causa dell'energia cinetica che assorbono dal calore. Quando un materiale viene raffreddato, il materiale si contrae/si restringe.
Le tubazioni che operano entro un ampio intervallo di temperature, ad esempio i sistemi a vapore, si espanderanno e si contrarranno man mano che la temperatura aumenta e diminuisce rispettivamente. La quantità di espansione o contrazione dipende dal tipo di materiale del tubo, lunghezza del tubo e intervallo di temperatura minimo e massimo (delta T).
Dilatazione Termica del Tubo
Esempio
Un tubo lungo 50 metri subisce un aumento di temperatura di 50⁰C. L'effetto risultante sulla lunghezza del tubo sarà:
- 175mm di allungamento se fabbricato in PVC.
- 40mm di allungamento se fabbricato in rame.
- 25mm di allungamento se fabbricato in acciaio inossidabile.
Se i supporti per tubazioni non gestiscono questa espansione, l'espansione creerà una forza risultante che agisce su qualsiasi elemento fisso a cui è collegato il sistema di tubazioni. La forza supererà di gran lunga qualsiasi vincolo sul sistema di tubazioni e quindi è probabile che si verifichino danni al sistema di tubazioni e all'area circostante.
Supporti a Molla
I supporti a molla utilizzano molle per gestire la dilatazione termica all'interno di un sistema di tubazioni e sono un tipo di supporto elastico. Un supporto a molla contiene una molla che viene compressa quando caricata. Quando non è caricata, la molla ritorna/si espande alla sua forma originale.
Le molle possono essere installate singolarmente o in serie (impilate una sopra l'altra). Il movimento è categorizzato in termini di direzione (su e giù) e magnitudine (distanza del movimento).
Ogni molla ha un certo numero di spire (numero di giri), e queste spire sono costruite da ‘filo’. Le spire sono avvolte per avere diametri variabili a seconda del loro design e scopo; la differenza tra ogni spira è misurata dal passo. Una spira di grande diametro è definita ‘larga’, mentre una spira di diametro più piccolo è definita ‘stretta’. I fili sono tipicamente fabbricati a diametri standard utilizzando materiali approvati standard.
Nomenclatura della Molla
Come Regolare la Rigidità della Molla
Regolare lo spessore del filo di una molla, o la stretta delle spire di una molla, regolerà la sua rigidità (resistenza al cambiamento geometrico quando caricata). Ad esempio, una molla con filo spesso richiederà più forza per essere compressa rispetto a una molla con filo sottile. Allo stesso modo, una molla avvolta ‘stretta’ richiederà più forza per essere compressa rispetto a una molla avvolta ‘larga’. Cambiare il materiale di un filo cambierà anche la sua rigidità, poiché la densità e la struttura dei materiali variano.
Rigidità della Molla
Tipi di Supporto a Molla
Ci sono due tipi di supporto a molla, i tipi variabile e costante. Entrambi i tipi possono essere ulteriormente classificati come sotto o sopra i supporti per tubazioni. I supporti sotto le tubazioni supportano le tubazioni dal basso, mentre i supporti sopra le tubazioni supportano le tubazioni dall'alto. I supporti a sospensione sono un tipo di supporto sopra le tubazioni. I supporti inferiori sono un tipo di supporto sotto le tubazioni.
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Supporto Sotto le Tubazioni (supporto inferiore)
Supporto a Molla Costante
Il supporto a molla costante è anche noto come ‘supporto a molla a sforzo costante’. Questo tipo di supporto è progettato in modo che, indipendentemente dal carico esercitato (dal sistema di tubazioni) sul supporto, il carico di supporto rimanga costante. Il carico di supporto non varia nemmeno indipendentemente dalla posizione del tubo (a condizione che il tubo sia all'interno del range di lavoro progettato del supporto).
I supporti a molla costante sono più costosi dei supporti a molla variabile e sono anche incapaci di auto-regolare il carico; questi sono i due principali motivi per cui non sono così comuni come i supporti a molla variabile. Un altro svantaggio è che il tempo di consegna è più lungo rispetto ai supporti a molla variabile; questo è un problema se è necessario un ricambio rapidamente.
Supporto a Molla Variabile
Man mano che una molla viene compressa, la sua resistenza a ulteriori compressioni aumenta, motivo per cui il termine ‘supporto a molla variabile’ è spesso usato per descrivere questo tipo di supporto (la forza di supporto varia). I supporti a molla variabile non offrono supporto costante, ma sono preferiti perché sono più economici rispetto ai loro omologhi a supporto costante. Come regola generale, non più del 25% del carico di lavoro massimo (di solito il carico quando il sistema di tubazioni è in condizioni operative o ‘calde’) dovrebbe essere trasferito a un supporto a molla variabile.