دعامة الأنابيب

وتشمل هذه عادةً أنواع الأحمال الثابتة أو المستمرة مثل ضغط السائل الداخلي، والضغط الخارجي، وقوى الجاذبية المؤثرة على الأنبوب مثل وزن الأنبوب والسائل، والقوى الناتجة عن التنفيس أو التفريغ، وموجات الضغط المتولدة بسبب تأثيرات المطرقة المائية/البخارية. ^{[ 1 ]}

الأحمال المستدامة:

• الضغط الداخلي/الخارجي : تتعرض الأنابيب المستخدمة لنقل السوائل لحمل ضغط داخلي. أما الأنابيب الأخرى، مثل الأنابيب ذات الغلاف أو الأنابيب في مبادل حراري من نوع الأنبوب والصدفة، فقد تتعرض لضغط خارجي صافٍ. يُحدث الضغط الداخلي أو الخارجي إجهادات في الاتجاهين المحوري والمحيطي ( إجهاد الأسطوانة، إجهاد الحلقة ). كما يُحدث الضغط إجهادات في الاتجاه القطري، ولكن غالبًا ما يتم إهمالها. يُؤثر الضغط الداخلي بقوة محورية تساوي الضغط مضروبًا في مساحة المقطع العرضي الداخلي للأنبوب. F = P[πd²/4]. إذا تم استخدام القطر الخارجي لحساب مساحة المقطع العرضي المعدني التقريبية ، بالإضافة إلى مساحة المقطع العرضي للأنبوب، فيمكن تقريب الإجهاد المحوري  غالبًا كما يلي : S = Pd / (4t)
• الوزن الميت : هو الوزن الذاتي للأنبوب بما في ذلك السائل، ووزن الأنابيب والتجهيزات الصحية والمكونات الأخرى الموجودة داخل الأنبوب (مثل الصمامات ، والعزل الحراري ، إلخ). تؤثر هذه الأحمال طوال دورة حياة الأنبوب. في الأنابيب الأفقية، تُسبب هذه الأحمال انحناءً ، ويرتبط عزم الانحناء بالإجهاد (الميكانيكا) - الإجهادات البسيطة: الإجهادات العمودية وإجهادات القص . يحدث انحناء الأنبوب بشكل رئيسي لسببين: الحمل الموزع (مثل وزن السائل) والحمل المركز (مثل وزن الصمام). يمكن دعم وزن الرافعات (الأجزاء الرأسية من الأنبوب) بواسطة مشابك الرافعات .

أحمال عرضية:

• أحمال الرياح: تُصمَّم الأنابيب الموجودة في الهواء الطلق والمعرضة للرياح لتحمّل أقصى سرعة رياح متوقعة خلال فترة تشغيل المحطة. تُنمذج قوة الرياح كحمل منتظم يؤثر على طول الأنبوب المسقط عموديًا على اتجاه الرياح. يُستخدم ضغط الرياح عند ارتفاعات مختلفة لحساب قوة الرياح باستخدام الصيغة التالية: Fw = Pw × S × A، حيث: Fw = قوة الرياح الكلية، Pw = ضغط الرياح المكافئ، S = معامل مقاومة الرياح ، A = مساحة الأنبوب المعرضة للرياح.
• الحمل الزلزالي: يُعدّ الحمل الزلزالي أحد المفاهيم الأساسية في هندسة الزلازل، ويعني تطبيق الاهتزاز الناتج عن الزلزال على المنشأة. ويحدث ذلك عند أسطح التلامس للمنشأة إما مع الأرض،[2] أو مع المنشآت المجاورة،[3] أو مع موجات الجاذبية الناتجة عن التسونامي .
• المطرقة المائية : هي ارتفاع مفاجئ في الضغط أو موجة ناتجة عن توقف سائل (عادةً سائل، وأحيانًا غاز) أثناء حركته، أو تغيير اتجاهه فجأة (تغير في الزخم). تحدث المطرقة المائية عادةً عند إغلاق صمام فجأة في نهاية نظام خط أنابيب، فتنتشر موجة الضغط داخل الأنبوب. وتُعرف أيضًا بالصدمة الهيدروليكية الناتجة عن المطرقة المائية .
• مطرقة البخار : تُعتبر مطرقة البخار، وهي عبارة عن ارتفاع مفاجئ في الضغط ناتج عن تدفق عابر للبخار المحمص أو المشبع في خط البخار بسبب إغلاق صمامات الإيقاف المفاجئ، حملاً عابراً. على الرغم من أن التدفق عابر، إلا أنه لأغراض تحليل إجهاد الأنابيب، يتم حساب القوة غير المتوازنة على طول جزء الأنبوب التي تميل إلى إحداث اهتزازات فيه، وتُطبق هذه القوة على نموذج الأنابيب كقوة مكافئة ثابتة.
• تصريف صمام الأمان : تُعتبر قوى رد الفعل الناتجة عن تصريف صمام الأمان حملاً عرضياً. ويمكن حساب قوة رد الفعل الناتجة عن التدفق المستقر بعد فتح صمام الأمان في نظام تصريف مفتوح وفقًا للملحق الثاني من معيار ASME B31.1، وتطبيقها على نموذج الأنابيب كقوة مكافئة ثابتة.

كما أن الأحمال الأولية تنشأ عن قوة ما، فإن الأحمال الثانوية تنتج عن إزاحة ما. على سبيل المثال، قد يتعرض الأنبوب المتصل بخزان تخزين لحمل إذا تحركت فوهة الخزان المتصلة به إلى الأسفل نتيجة هبوط الخزان. وبالمثل، يُسحب الأنبوب المتصل بوعاء إلى الأعلى لأن فوهة الوعاء تتحرك إلى الأعلى نتيجة تمدده. كذلك، قد يهتز الأنبوب بسبب اهتزازات المعدات الدوارة المتصلة به.

أحمال الإزاحة:

• الحمل الناتج عن التمدد الحراري للأنبوب
• الحمل الناتج عن الحركة الحرارية للمعدات

قد يتعرض الأنبوب للتمدد أو الانكماش عند تعرضه لدرجات حرارة أعلى أو أقل من درجة الحرارة التي تم تركيبه عندها. غالبًا ما تكون الأحمال الثانوية دورية، ولكن ليس دائمًا. على سبيل المثال، الحمل الناتج عن هبوط الخزان ليس دوريًا. أما الحمل الناتج عن حركة فوهة الوعاء أثناء التشغيل فهو دوري، لأن الإزاحة تتلاشى أثناء الإيقاف وتعود للظهور بعد بدء التشغيل. وبالمثل، يتعرض الأنبوب الذي يمر بدورة من السوائل الساخنة والباردة لأحمال وتشوهات دورية.

تُستخدم الدعامات الصلبة لتقييد حركة الأنابيب في اتجاه أو اتجاهات محددة دون أي مرونة (في ذلك الاتجاه). وتتمثل الوظيفة الرئيسية للدعامة الصلبة في التثبيت، أو الدعم، أو التوجيه، أو كليهما.

1) دعامة/قاعدة أنبوبية:

يمكن توفير دعامات صلبة من الأسفل أو الأعلى. في حالة الدعامات السفلية، يُستخدم عادةً عمود أو قاعدة تثبيت الأنابيب . ويمكن تثبيتها ببساطة على الهيكل الفولاذي للدعامات الثابتة . وللتقييد في اتجاه آخر، يمكن استخدام صفيحة منفصلة أو عروة رفع . مرساة الأنابيب هي دعامة صلبة تقيد الحركة في جميع الاتجاهات المتعامدة الثلاثة وجميع اتجاهات الدوران الثلاثة، أي تقيد جميع درجات الحرية الست . عادةً ما يكون هذا العمود ملحومًا أو مثبتًا بمسامير في الفولاذ أو الخرسانة. ^{[ 2 ]} في حالة المرساة المثبتة في الخرسانة، يلزم نوع خاص من المسامير يُسمى مسمار التثبيت ، والذي يُستخدم لتثبيت الدعامة بالخرسانة. في هذا النوع من الدعامات، قد تصبح القوة العمودية وقوة الاحتكاك كبيرتين. ولتخفيف تأثير الاحتكاك، تُستخدم وسادات الجرافيت أو صفائح PTFE عند الحاجة.

2) علاقة القضيب:

هو دعامة ثابتة، أي أنها مصممة لتحمل أحمال الشد فقط (لا يجب تعريضها لأحمال الضغط، وإلا فقد يحدث انبعاج ). وهي دعامة رأسية صلبة تُثبّت من الأعلى فقط. تتكون من مشبك، وصامولة حلقية، وقضيب ربط ، ووصلة عارضة. يعتمد اختيار علاقة القضيب على حجم الأنبوب، والحمل، ودرجة الحرارة، والعزل، وطول التركيب، وما إلى ذلك. ولأنها مزودة بمفصل ومشبك، فلا توجد قوة احتكاك كبيرة.

3) دعامة صلبة:

هو عنصر ديناميكي، أي مصمم لتحمل أحمال الشد والضغط. يمكن توفير دعامة في الاتجاهين الرأسي والأفقي. يمكن استخدام دعامة من النوع V لتقييد درجتين من الحرية . تتكون من مشبك صلب، ودعامة صلبة، ووصلة لحام. يعتمد الاختيار على حجم الأنبوب، والحمل، ودرجة الحرارة، والعزل، وطول التجميع. نظرًا لاحتوائها على مفصل ومشبك، لا توجد قوة احتكاك كبيرة.

المصدر: ^{[ 3 ]}

تستخدم دعامات الزنبرك (أو الدعامات المرنة) زنبركات ضغط حلزونية (لتحمل الأحمال وحركات الأنابيب الناتجة عن التمدد الحراري). تُصنف هذه الدعامات عمومًا إلى دعامات ذات جهد متغير ودعامات ذات جهد ثابت. المكون الأساسي في كلا النوعين هو زنبركات الضغط الحلزونية. عادةً ما تستخدم دعامات الزنبرك زنبركات ضغط حلزونية.

1. علاقة زنبركية متغيرة أو دعامة جهد متغيرة:

تُستخدم دعامات الجهد المتغير، والمعروفة أيضًا باسم المعلقات المتغيرة، لدعم خطوط الأنابيب المعرضة لحركات حرارية رأسية متوسطة (تصل إلى 50 مم تقريبًا). تُستخدم وحدات VES (دعامات الجهد المتغير) لدعم وزن الأنابيب أو المعدات بالإضافة إلى وزن السوائل (تُعتبر الغازات عديمة الوزن)، مع السماح بقدر معين من الحركة بالنسبة للهيكل الداعم. كما يمكن استخدام دعامات زنبركية لدعم الخطوط المعرضة لحركات نسبية تحدث عادةً بسبب الهبوط الأرضي أو الزلازل. تتميز وحدة VES ببساطة تركيبها، حيث يُعلق الأنبوب فعليًا مباشرةً من زنبرك ضغط حلزوني، كما هو موضح في الرسم التخطيطي المقطعي أدناه. المكونات الرئيسية هي:

1. اللوحة العلوية
2. صفيحة الضغط أو صفيحة المكبس
3. اللوحة السفلية أو اللوحة الأساسية
4. نابض حلزوني
5. مجموعة شد الحبل
6. قضبان القفل
7. لوحة الاسم
8. يمكن تقسيمها أو تغطيتها

عادةً ما يقدم العملاء / الاستشاريون الهندسيون البيانات التالية عند إصدار استفسارات عن وحدات الجهد المتغير.

1. فندق
2. الحركة الحرارية (مع تحديد الاتجاه، أي لأعلى أو + ولأسفل أو -)
3. أقصى تباين في الحمل كنسبة مئوية (LV  % max)، إذا لم يتم تحديد أقصى LV فسيتم افتراض أنه 25٪ وفقًا لـ MM-SP58.
4. أنواع الدعم، أي ما إذا كان النوع معلقًا أو مثبتًا على قاعدة، إلخ.
5. ميزات خاصة مثل حد التوقف أثناء السفر، إن وجدت.
6. حماية السطح / الطلاء / التشطيب المفضل.

الحمل الساخن هو حمل التشغيل للدعامة في حالة "الساخنة"، أي عندما ينتقل الأنبوب من حالة البرودة إلى حالة التشغيل. عادةً ما تحدد المواصفة MSS-SP58 الحد الأقصى لتغير الحمل (المعروف اختصارًا بـ LV) بنسبة 25%. ^{[ 4 ]}

الميزات البارزة-

• يسمح بالحركة في الاتجاه الرأسي
• يتغير الحمل على الأنبوب بتغير الحركة

يُستخدم حيث

• الإزاحة < 50 مم
• تباين الحمل < 25%
• يجب أن تكون زاوية القضيب أقل من 4 درجات

تغير الحمل (LV) أو التغير النسبي = [(الحمل الساخن ~ الحمل البارد) × 100] / الحمل الساخن أو تغير الحمل (LV) أو التغير النسبي = [(المسافة × معدل الزنبرك) × 100] / الحمل الساخن. بشكل عام، يتم توفير دعامات الزنبرك من الأعلى، ولكن بسبب جدوى التخطيط أو أي سبب آخر، يتم تثبيت دعامة من النوع المثبت على القاعدة على الأرضية أو الهيكل، ويتم وضع الأنبوب فوق شفة دعامة الزنبرك.

2. علاقة زنبركية ثابتة أو دعم بجهد ثابت:

عند مواجهة حركات رأسية كبيرة، عادةً 150  مم أو 250  مم، لا بديل عن اختيار دعامة ذات جهد ثابت. وعندما تتجاوز نسبة تغير الحمل 25% أو الحد الأقصى المحدد لنسبة تغير الحمل في دعامة متغيرة، يصبح استخدام دعامة ذات جهد ثابت هو الخيار الأمثل. بالنسبة للأنابيب الحيوية لأداء النظام، أو ما يُسمى بالأنابيب الحرجة التي لا يُراد نقل أي إجهادات متبقية إليها، يُعد استخدام دعامة ذات جهد ثابت ممارسة شائعة. في الدعامة ذات الجهد الثابت، يبقى الحمل ثابتًا عند انتقال الأنبوب من وضعه البارد إلى وضعه الساخن. وبالتالي، وبغض النظر عن مسافة الحركة، يظل الحمل ثابتًا على امتداد نطاق الحركة بالكامل. لذلك، تُسمى دعامة ذات حمل ثابت. بالمقارنة مع دعامة الحمل المتغير، حيث يتغير الحمل مع الحركة، ويكون الحمل الساخن والحمل البارد قيمتين مختلفتين تحددهما مسافة الحركة وثابت الزنبرك، فإن وحدة الدعامة ذات الجهد الثابت لا تحتوي على أي معدل زنبرك.

يعتمد مبدأ عمل نظام CSH بشكل أساسي على آلية ذراع ناقل الحركة. يدور ذراع ناقل الحركة حول نقطة ارتكاز. يتصل أحد طرفي ذراع ناقل الحركة بالأنبوب "P"، بينما يتصل الطرف الآخر بالنابض بواسطة قضيب الربط. عند تحرك الأنبوب من حالة البرودة إلى حالة السخونة، تتحرك النقطة "P" للأسفل، ومع تحركها للأسفل، يدور ذراع ناقل الحركة عكس اتجاه عقارب الساعة، مما يؤدي إلى سحب قضيب الربط المتصل بالنابض للداخل، وبالتالي زيادة ضغط النابض. عند تحرك الأنبوب للأعلى، يدور ذراع ناقل الحركة في اتجاه عقارب الساعة، مما يؤدي إلى دفع قضيب الربط المتصل بالنابض للخارج، وبالتالي السماح للنابض بالتمدد أو الارتخاء.

من المبادئ الشائعة الأخرى آلية النوابض الثلاثة أو آلية النوابض القابلة للتعديل. في هذه الحالة، يتحمل نابض رأسي رئيسي الحمل الأساسي للأنبوب. ويوجد نابضان آخران أفقيان لموازنة أي حمل إضافي قادم من الأعلى أو الأسفل.

القيود الديناميكية: يؤدي نظام القيود وظيفة مختلفة تمامًا عن وظيفة الدعامات. فالدعامات مصممة لتحمل وزن شبكة الأنابيب والسماح لها بالحركة بحرية في ظل ظروف التشغيل العادية. أما نظام القيود، فيهدف إلى حماية شبكة الأنابيب والمحطة والهيكل من الظروف غير الطبيعية، ويجب ألا يعيق وظيفة الدعامات. وتشمل الظروف التي تستدعي استخدام القيود ما يلي: • الزلازل. • اضطراب السوائل. • بعض وظائف النظام. • التأثيرات البيئية. في المناطق الواقعة على خطوط الصدع الجيولوجية أو بالقرب منها، من الممارسات الشائعة حماية المحطة من النشاط الزلزالي المحتمل. وفي مثل هذه المحطات، ستكون هناك حاجة ماسة إلى القيود الديناميكية. يمكن أن يحدث اضطراب السوائل نتيجة لتأثير المضخات والضواغط، أو أحيانًا نتيجة دخول سائل في حالة سائلة إلى أنبوب مخصص لنقل الغاز أو البخار. بعض وظائف النظام، مثل الإغلاق السريع للصمامات، والنبضات الناتجة عن الضخ، وتشغيل صمامات تخفيف الضغط ، ستؤدي إلى أنماط تحميل غير منتظمة ومفاجئة داخل نظام الأنابيب. قد تتسبب البيئة في حدوث اضطرابات نتيجةً لأحمال الرياح العالية، أو في حالة منصات النفط والغاز البحرية، نتيجةً لتأثير أمواج المحيط. سيُصمَّم نظام التثبيت ليُراعي جميع هذه التأثيرات. نظام التثبيت هو جهاز يمنع تلف شبكة الأنابيب أو المنشأة المتصلة بها نتيجةً لحدوث أيٍّ من الظواهر المذكورة أعلاه. وهو مُصمَّم لامتصاص ونقل الزيادات المفاجئة في الحمل من الأنبوب إلى هيكل المبنى، ولتخميد أي تذبذب معاكس بين الأنبوب والهيكل. لذلك، يجب أن تكون أنظمة التثبيت الديناميكية شديدة الصلابة، وذات قدرة تحمل عالية، وأن تُقلِّل من الحركة الحرة بين الأنبوب والهيكل.

يمكن تصنيف المخمدات، بحسب مبدأ عملها، إلى:

• المخمد الهيدروليكي: يشبه المخمد الهيدروليكي مخمد الصدمات في السيارات، فهو مُصمم حول أسطوانة تحتوي على سائل هيدروليكي، مزودة بمكبس يُزيح السائل من أحد طرفي الأسطوانة إلى الطرف الآخر. ينتج إزاحة السائل عن حركة الأنبوب، مما يؤدي إلى تحرك المكبس داخل الأسطوانة، مُسبباً ضغطاً عالياً في أحد طرفي الأسطوانة وضغطاً منخفضاً نسبياً في الطرف الآخر. وتحدد سرعة المكبس الفرق الفعلي في الضغط. يمر السائل عبر صمام زنبركي، حيث يُستخدم الزنبرك لإبقاء الصمام مفتوحاً. إذا تجاوز فرق الضغط عبر الصمام الضغط الفعال الذي يُمارسه الزنبرك، يُغلق الصمام. يؤدي ذلك إلى تصلب المخمد، وبالتالي منع المزيد من الإزاحة بشكل كبير. يُستخدم المخمد الهيدروليكي عادةً عندما يكون محور التقييد في اتجاه تمدد وانكماش الأنبوب. لذلك، يجب أن يمتد المخمد أو ينكمش مع التشغيل الطبيعي للأنبوب. يتميز المخمد بمقاومة منخفضة للحركة عند السرعات المنخفضة جداً.
• المخمد الميكانيكي: على الرغم من تشابه وظيفته مع المخمد الهيدروليكي، إلا أن إبطاء حركة الأنبوب فيه يعتمد على الكبح الطردي المركزي. يدور دولاب موازنة مقسم بسرعة عالية، مما يدفع كرات فولاذية شعاعيًا إلى الخارج. تتباعد الكرات الفولاذية دولاب الموازنة، مما يؤدي إلى تقارب صفائح الكبح، وبالتالي إبطاء الإزاحة المحورية للمخمد. يتولد دوران دولاب الموازنة من الإزاحة الخطية للقضيب الرئيسي المؤثر على لولب كروي أو جهاز مشابه. وهو مكلف للغاية.
• يمتص ممتص الصدمات طاقة النبضات المفاجئة أو يبدد الطاقة من خط الأنابيب. للاطلاع على معلومات حول المخمدات والمخمدات، انظر ممتص الصدمات
• دعامة الأنابيب المعزولة (وتُسمى أيضًا دعامة الأنابيب المعزولة مسبقًا) هي عنصر حامل للأحمال، وتُقلل من فقد الطاقة. يمكن تصميم دعامات الأنابيب المعزولة لتحمل أحمالًا رأسية ومحورية و/أو جانبية، في تطبيقات درجات الحرارة المنخفضة والعالية. يُحسّن عزل خط الأنابيب بشكل كافٍ من كفاءة نظام الأنابيب، إذ يمنع تسرب البرودة من الداخل إلى البيئة الخارجية. ^{[ 5 ]} لمزيد من المعلومات حول الأنابيب المعزولة، انظر: الأنابيب المعزولة

• يدعم دعامة زنبركية مصممة هندسيًا حملاً محددًا، يشمل وزن الأنابيب والمواد الخام والشفاه والصمامات والمواد المقاومة للحرارة والعزل. كما تسمح هذه الدعامات للحمل المدعوم بالانتقال خلال دورة انحراف حراري محددة مسبقًا من حالته عند التركيب إلى حالته التشغيلية.