Sayfa No : 1/11 İÇİNDEKİLER PARAGRAF NO KONU SAYFA NO 1.0 AMAÇ ve KAPSAM 2 2.0 TANIMLAR 2 3.0 GENEL BĠLGĠLER 4 3.1 GenleĢme Döngüsünün Tanımı ve Gerekçeleri 4 3.2 Sorumluluklar 5 3.3 Dokümantasyon 6 4.0 UYGULAMALAR 7 4.1 Malzemeler 7 4.2 Döngü Tasarımında Dikkat Edilecek Hususlar 7 4.3 Döngü Uzunluğunun Hesaplanması 9 5.0 ÇEġĠTLĠ HÜKÜMLER 13 6.0 KAYNAKÇA 13
Sayfa No : 2/11 1. AMAÇ ve KAPSAM Bu standart, rafineriler içinde bulunan boru hatlarının mukavemet değerlerini azaltmadan esnekliklerinin arttırılması için endüstride yaygın olarak kullanılan genleģme döngüsü uygulamasının tasarlanması ve montajı hakkındaki gereklilikleri belirtir. Bu standart güvenli saha uygulamalarını geliģtirmek amacıyla yayınlanmıģtır. Genel kapsamı karbon çelik, yüksek mukavemetli alaģımlı çelik ve paslanmaz çelik malzemelerde oluģacak genleģme payının sönümlenmesidir. Genel itibari ile boru sistemlerinin tasarım ve iģletmesinin ASME B31.3, ASME B31.4 veya ASME B31.8 e göre yapıldığı kabul edilmektedir. Diğer bir genel kabul ise genleģme döngüsü iģinde kullanılacak boru, dirsek ve bağlantı elemanlarının kaynaklı olacağıdır. Bu standart genel itibari ile borulara yapılacak düz genleģme döngüsü ve üç boyutlu genleģme döngüsü iģlerini kapsar. 2. TANIMLAR Müteahhit Tedarikçi İşveren İş sahibi ünite İş paketi Saha Ana boru Sabit Destek Kayıcı Destek Tasarım, mühendislik, satın alma, montaj, devreye alma iģlerinin kısmi ya da tamamını gerçekleģtirmekte olan birim Ekipman/servis imalatı yada temini ile TÜPRAġ/müteahhit tarafından verilen yükümlülükleri yerine getiren birim Projeyi baģlatan, tasarım ile montaj için ödemeleri yapan iģin sahibi birim (TÜPRAġ) Ana organizasyon yapısında genleģme döngüsü yapılacak boru hattından sorumlu olan ünite/birim Bu standarda uygun genleģme döngüsü imalatı içeren her bir proje için gerekli dokümanlardan oluģan dosya Ġmalat ve montajın iģletme içerisinde gerçekleģtirildiği bölge GenleĢme döngüsü yapılacak olan boru. Boru hattının serbestlik derecesini 0 a indiren boru destek tipi (Anchor) Boru hattının serbestlik derecesini 1 birim azaltarak, sadece doğrultusunun korunmasını sağlayan boru destek tipi (Guide Support)
Sayfa No : 3/11 Genleşme Döngüsü Genleşme Bağlantısı Düz Döngü Yatay Döngü Dikey Döngü Hatta oluģan ısıl gerilimin, hat doğrultusunun dikey ve/veya yatay yönde geçici olarak değiģtirilerek sönümlenmesi (Expansion Loop) GenleĢme döngüsüne alternatif olarak, hatta oluģan ısıl gerilimin sönümlenmesini sağlayan bağlantı elemanları (Expansion Joint) GenleĢme döngüsünün iki boyutta konumlandırılması (Flat Loop) Döngü kollarının ana boru ile aynı kotta olduğu düz döngü tipi Döngü kollarının kot olarak ana borudan yukarda kaldığı düz döngü tipi 3B Döngü GenleĢme döngüsünü ilk ve son dirseklerinden 3. eksende yönlendirerek oluģturulan 3 boyutlu döngü, omega döngü (3D Loop) Baz Hattı OD IEB(HAZ) İşletme Şartları WPS PQR PWHT Boru hattının iki ucunda yer alan sabit destekleri doğrudan birleģtiren hat (Thrust Axis) Boru DıĢ Çapı (mm) Isıdan etkilenmiģ bölge Sistemdeki boru tesisatının içindeki akıģkanın cinsi ve sistemin basınç ve/veya sıcaklık değerleri ĠĢletme Ģartlarıdır. Kaynak prosedürü. Kaynak Yöntem Prosedür Kalifikasyon Kayıtları Kaynak Sonrası Isıl ĠĢlem
Sayfa No : 4/11 3. GENEL BİLGİLER 3.1. Genleşme Döngüsünün Tanımı ve Gerekçeleri Döngüler, boru hatlarında esnekliğin arttırılmasını sağlayan en önemli yöntemlerden biridir. Sıcaklık farklılıklarından kaynaklanan ısıl gerilimin hat doğrultusuna dik monte edilen kollarla sönümlenmesini sağlar. ASME B31.3 319.7 de belirtildiği üzere genleģme döngüleri ve genleģme bağlantıları endüstrilerde en yaygın Ģekilde kullanılan ve tasarımcının kanaatinde olan iki yöntemdir. GenleĢme döngüleri genleģme bağlantılarına göre daha çok hacim kaplasa da, daha güvenilir ve uzun ömürlü olduklarından daha çok tercih edilirler. GenleĢme döngüleri simetrik (ġekil 3.1) veya asimetrik (ġekil 3.2) olabilirler. Simetrik döngüler genleģmeyi iki yönden eģit miktarda sönümleyebildikleri için asimetrik döngülere göre daha verimlidirler [1]. Ama sahada mevcut bulunan boru ve döngü yollarından faydalanabilmek için asimetrik olanları da kullanılır. ġekil 3.1. Simetrik Döngü ġekil 3.2. Asimetrik Döngü GenleĢme döngüsü yapımı kararı alınırken aģağıdaki hususlar dikkate alınmalıdır: Ana borunun durumu Proses Ģartları Standart ve prosedürler Bağlantılardaki gerilim miktarı Sabit desteklerdeki gerilim miktarı Teknik emniyet kuralları Çevre ve kirlilik Mali analiz
Sayfa No : 5/11 4. UYGULAMALAR 4.1. Malzemeler Bu standart karbon çelik, düģük alaģımlı çelik ve paslanmaz çelik malzemelerle yapılacak genleģme döngüsü tasarımı ve imalatı ile ilgilidir. Diğer malzemelerle döngü imalatı yapılacaksa konunun uzmanı malzeme/kaynak mühendislerine danıģılmalı ve özel prosedürler geliģtirilmelidir. Kullanılacak boru, dirsek ve bağlantı elemanı malzemeleri ana boru malzemesinin sınıf birimleri ile uyumlu olmalıdır. GenleĢme döngüsü için gerekli olan alan sahada mevcut değilse genleģme bağlantısı malzemeleri kullanılmalı ve ilgili standartlara uyulmalıdır. 4.2. Döngü Tasarımında Dikkat Edilecek Hususlar Boru yollarındaki döngüler tüm hatları etkilediği için, tasarım aģamasında döngü boyutları hesaplanmalı ya da nomograftan belirlenmelidir (ġekil 4.7). Boru yollarında (pipe rack) bir çok boru hattı yan yana bulunduğundan, boru döngüleri iç içe sıralanır (ġekil 4.1). Ġç içe kıvrılan döngüler, optimum boy/en, B/E (Denklem 4.2), oranından zorunlu olarak vazgeçilmesine sebep olabilir. Böylesi durumlarda dikkat edilecek husus, sahada montajı gerçekleģen döngü uzunluğunun hesaplanmıģ döngü uzunluğundan (L D ) daha fazla olmasını sağlamaktır. ġekil 4.1. Boru yolundaki paralel hatlar Boru yolu tasarımında, en fazla genleģmenin olacağı hat en büyük döngü boyuna ihtiyaç duyduğundan en dıģ döngüde ve dolayısıyla en dıģ tarafta konumlandırılır. Aynı Ģekilde, daha az genleģmenin gerçekleģeceği hat, daha az döngü boyuna ihtiyaç duyacağından iç kısımda kalabilir.
Sayfa No : 6/11 3B döngüler (ġekil 4.2) boru yolundaki diğer boruların ve döngülerin rotasını bozmadığı için sıklıkla tercih edilir. Bu döngüde, yükselmeyi sağlayan kol (Y) genellikle 1 m olarak kabul edilir [2]. 3B döngülerde yüksekliği sağlayan kollar dirseklerde oluģan gerilimin azalması bakımından iģlevseldir. Ancak boru ağırlık merkezini, sabit destekleri doğrudan birleģtiren baz hattına (ġekil 4.3) göre saptıramadıklarından boru esnekliğine katkıda bulunmazlar ve toplam döngü uzunluğu (L D ) hesaplamasında ihmal edilirler. ġekil 4.2. Üç Boyutlu Döngü ġekil 4.3. Baz Hattı ġekil 4.4. Kayıcı Destek ĠĢlevi Döngünün her iki tarafına da monte edilen, ġekil 4.4 de G 1 ve G 2 olarak gördüğümüz, kayıcı destekler döngünün iģlevselliği adına kritik öneme sahiptir. Boru dirseklerinin yan taraflar yerine eksenel olarak sapması kayıcı destekler sayesindedir. Sahada sıklıkla karģılaģılan bir problem, borular arasındaki boģluğun yetersiz bırakılmasından dolayı, boruların genleģme sonrası çakıģmasıdır. Bu sorunu gidermek için, Δx1 ve Δx2 aynı yöndeki ısıl genleģme miktarları olacak Ģekilde, BoĢluk > (Δx2 Δx1) koģulu sağlanmalıdır (ġekil 4.5).
Sayfa No : 7/11 4.3. Döngü Uzunluğunun Hesaplanması ġekil 4.5. Hatlarda genleģme sonrası durum GenleĢme döngüsü uzunluğu, 1 en, 2 boy ve gerekirse 2 yükseklik (ġekil 4.2) uzunluklarından oluģur. Döngü uzunluğunun, L D, kol uzunluklarına bağlı denklemi aģağıda verilmiģtir: L D = E + 2B (4.1) GenleĢme döngülerindeki optimum boy/en (B/E) oranı, literatürde Ģu Ģekildedir [3], [4]: B = 2E (4.2) 4.1 ve 4.2 denklemlerinden yararlanılarak: L D = 5E (4.3) Isıl genleģmenin sönümlenmesi için gereken min. döngü uzunluğunu, L D, hesaplamak için kullanılabilecek 3 yöntem vardır: a. Kellogg çizelgesi ile hesaplama (ġekil 4.6) b. Nomograf kullanarak hesaplama (ġekil 4.7) c. Tek formül ile hesaplama Bu hesaplamalarda elde edilecek değerler yeni boru yolları tasarımında doğrudan kullanılabilir. Ancak proje sahada mevcut bulunan boru yollarından geçmek durumunda ise ve hesaplanan değerler için gerekli olacak alan/boģluk bulunmuyor ise 3B döngü seçeneğine geçilir.
Sayfa No : 8/11 Hesaplamalar yapılırken gerekli olan bilgiler ise aģağıda sıralanmıģtır: Ġki sabit destek arası uzaklık, L S, ft Ġki kayıcı detsek arası uzaklık, L K, ft Elastik modülüs, E, psi (ASME B31.3 Tablo C-6) Boru dıģ çapı, D, in Isıl genleģme miktarı, Δ, in Isıl genleģme oranı, α, in/100ft (ASME B31.3 Tablo C-1) Hatta görülebilecek maksimum sıcaklık farkı, ΔT, F Ġzin verilen minimum gerilim, S, psi (ASME B31.3 Tablo A-1) Hesaplamalarda kullanılacak birimler yukarda görüldüğü gibi US ölçü birimleridir. Rafineriler genelinde boru yollarında kullanılan konstrüksiyon yapı, boru hatlarını 6 m aralıklarla destekleyecek Ģekilde tasarlandığından, genleģme döngüsünün iki tarafına monte edilecek kayıcı destek mesafesi, L K, 6 m olarak varsayılır. GenleĢme payının hesaplanmasında kullanılmak üzere maksimum sıcaklık, tasarım sıcaklığı olarak kabul edilir. Minimum sıcaklık ise bölgelere göre farklılık göstermektedir. Örn: Ġzmir minimum sıcaklık değeri -7 C dir. 4.3.1. Kellogg Çizelgesi ile Hesaplama Çizelge kullanılırken y- ekseninde okunmak üzere gerekli olan formül aģağıda verilmiģtir: Isıl genleģme denklemi aģağıda verilmiģtir: (4.4) (4.5) Bu çizelgede kullanılan kullanılan K 1 ve K 2 değerleri, kayıcı destek mesafesinin sırasıyla döngü enine ve döngü boyuna oranlarını vermektedir. E = K 1.L K (4.6) B = K 2.L K (4.7)
Sayfa No : 9/11 Tasarımcı, K 1 ve K 2 değerlerinden birini, sahada mevcut bulunan döngü yolunun geometrik koģuluna göre kendi seçmelidir. Seçilen değer ve çizelgede okunacak denklem 4.4 ün sonucu ile birlikte döngü uzunluğu, döngü eni ve döngü boyu mesafeleri bulunmuģ olur. ġekil 4.6. M.W.Kellogg Çizelgesi
Sayfa No : 10/11 4.3.2. Nomograf Kullanarak Hesaplama Nomografta 3 adet dikey ölçek bulunmaktadır. Solda dıģ çap ölçüsü (in), ortada sönümlenmesi gereken genleģme miktarı (in) ve sağda gerekli olan döngü uzunluğu (L D ) ile ilgili ölçekler görülür. DıĢ çap ölçüsü ve genleģme miktarı (denklem 4.5) belirlendikten sonra ölçeklerdeki yerleri belirlenir ve düz bir çizgi sol ölçekten baģlayıp orta ölçekten geçerek sağ ölçekteki değer okunacak Ģekilde uzatılır. Sağ ölçekte okunan değer döngü uzunluğunu vermiģ olur. Nomograf ve denklem 4.3 ile birlikte döngü uzunluğu, döngü eni ve döngü boyu belirlenmiģ olur. ġekil 4.7. Döngü uzunluğunun ölçüsünü veren nomograf
Sayfa No : 11/11 4.3.3. Tek Formül ile Hesaplama Isıl gerilimin sönümlenmesi için gerekli min. döngü uzunluğu (L D ), aģağıdaki formül kullanılarak tek adımda da hesaplanabilir: (4.8) Döngü uzunluğu ve denklem 4.3 kullanılarak döngü eni ve döngü boyu belirlenmiģ olur. Bu yöntem, hesaplama açısından daha kolay olması ve okunmasında her zaman hata payı barındıran Ģekil veya çizelge kullanımı içermediği için diğer yöntemlere göre daha avantajlıdır. Diğer yöntemler, sonuçların doğruluğunun karģılaģtırılması için kullanılabilir. 5. ÇEŞİTLİ HÜKÜMLER Tasarım hesaplandıktan sonra risk taģıyan bölgelerde gerilmelerin durumu kontrol edilmelidir. CAESAR II 5.20, boru gerilme analiz programı, özellikle boru dirseklerinde görülebilecek aģırı gerilmelerin (over stress) kontrolü için uygundur. AĢırı gerilme görüldüğü takdirde, döngü üç boyutlu hale getirilebilir veya sabit destek noktaları arasında kalmak koģulu ile ilave bir döngü montajı yapılabilir. Tasarım tamamlandıktan sonra döngü kolları için destek montajları tamamlanmalıdır. Döngü düz ise ġekil 4.1 de Ģematik olarak d1 olarak gösterilen yerden ve üç boyutlu ise ġekil 4.2 de Ģematik olarak dikey destek olarak gösterilen yerlerden desteklenmelidir. 6. KAYNAKÇA [1] ASME B31.3, 2002: ASME Code For Pressure Piping [2] Kellogg, M.W., 1956: Expansion Loops and Expansion Joints, Chapter 5 [3] Thermacor, 2002: Expansion Calculations and Loop Sizing, TDCD 16.103 [4] Sardar, M., 2008: Design of Steam Piping including Stress Analysis, Mechanical Engineering Department, PI of Engineering & Applied Sciences [5] Hayden, L.E., Grooved and Pressfit Piping Systems, Chapter A9