دانشنامه
فشار قابل تحمل لوله استنلس استیل 316
فشار قابل تحمل لوله استنلس استیل 316 در دماهای مختلف؛ مقایسه Sch 10S، Sch 40S و Sch 80S
Pressure–Temperature Rating of ASTM A312 TP316 Stainless Steel Pipe for Level Gauge Chambers
در طراحی تجهیزات اندازهگیری سطح مانند Magnetic Level Gauge، Displacer Level Transmitter، Displacer Level Switch و سایر تجهیزات دارای Chamber جانبی، انتخاب صحیح قطر و ضخامت Chamber یکی از مهمترین مراحل طراحی مکانیکی است.
یکی از پرسشهای متداول مهندسان این است:
لوله استنلس استیل 316 در سایز 1½ یا 2 اینچ و Scheduleهای مختلف تا چه فشاری را میتواند تحمل کند؟
پاسخ این سؤال فقط به Schedule لوله وابسته نیست. عواملی مانند دمای طراحی، جنس دقیق متریال، قطر خارجی، ضخامت دیواره، خوردگی مجاز، نوع ساخت Seamless یا Welded، کیفیت اتصالات، نوع فلنج و Design Code پروژه همگی در تعیین فشار مجاز مؤثر هستند.
در این مقاله، لولههای ASTM A312 TP316 Stainless Steel در دو سایز پرکاربرد Chamber یعنی:
NPS 1½" و NPS 2"
و سه ضخامت متداول:
Schedule 10S، Schedule 40S و Schedule 80S
از نظر رابطه فشار و دما بررسی شدهاند.
تفاوت Pipe Schedule با Pressure Class
قبل از بررسی اعداد، باید دو مفهوم کاملاً از یکدیگر جدا شوند.
Schedule لوله، ضخامت دیواره Pipe را مشخص میکند.
در مقابل:
Class 150، Class 300، Class 600 و سایر Pressure Classها، Pressure-Temperature Rating اجزایی مانند فلنج را مشخص میکنند.
بنابراین عباراتی مانند:
Sch 40 = Class 600
از نظر مهندسی صحیح نیستند.
ممکن است یک Pipe از نظر ضخامت توان تحمل فشار بسیار بالاتری از فلنج متصل به آن داشته باشد. در چنین شرایطی، MAWP تجهیز توسط فلنج یا جزء ضعیفتر محدود خواهد شد.
ابعاد لولههای مورد بررسی
ابعاد Nominal Pipe Size و Wall Thickness در این مقاله بر اساس ابعاد استاندارد Stainless Steel Pipe در ASME B36.19M در نظر گرفته شدهاند.
| Pipe Size | Schedule | Outside Diameter | Wall Thickness | Inside Diameter تقریبی |
|---|---|---|---|---|
| 1½" | Sch 10S | 48.26 mm | 2.77 mm | 42.72 mm |
| 1½" | Sch 40S | 48.26 mm | 3.68 mm | 40.89 mm |
| 1½" | Sch 80S | 48.26 mm | 5.08 mm | 38.10 mm |
| 2" | Sch 10S | 60.33 mm | 2.77 mm | 54.79 mm |
| 2" | Sch 40S | 60.33 mm | 3.91 mm | 52.50 mm |
| 2" | Sch 80S | 60.33 mm | 5.54 mm | 49.25 mm |
در یک NPS مشخص، قطر خارجی Pipe ثابت باقی میماند و با افزایش Schedule، ضخامت دیواره افزایش و قطر داخلی کاهش مییابد.
برای مثال در لوله 2 اینچ، ضخامت از حدود 2.77 mm در Sch 10S به 5.54 mm در Sch 80S افزایش پیدا میکند.
فشار قابل تحمل لوله 1½ اینچ TP316
جدول زیر Pressure Capacity تقریبی بدنه لوله ASTM A312 TP316 Seamless را در دماهای مختلف نشان میدهد.
| Design Temperature | 1½" Sch 10S | 1½" Sch 40S | 1½" Sch 80S |
|---|---|---|---|
| 50°C | 146 bar | 197 bar | 280 bar |
| 100°C | 146 | 197 | 280 |
| 150°C | 146 | 197 | 280 |
| 200°C | 141 | 190 | 270 |
| 250°C | 132 | 179 | 254 |
| 300°C | 126 | 170 | 241 |
| 350°C | 121 | 163 | 231 |
| 400°C | 117 | 159 | 225 |
| 450°C | 114 | 154 | 219 |
| 500°C | 112 bar | 152 bar | 215 bar |
این مقادیر نشان میدهند که حتی در یک سایز ثابت، افزایش ضخامت از Sch 10S به Sch 80S تأثیر بسیار قابل توجهی بر Pressure Capacity بدنه Chamber دارد.
فشار قابل تحمل لوله 2 اینچ TP316
برای Chamber با سایز NPS 2 نتایج به شکل زیر است:
| Design Temperature | 2" Sch 10S | 2" Sch 40S | 2" Sch 80S |
|---|---|---|---|
| 50°C | 116 bar | 166 bar | 241 bar |
| 100°C | 116 | 166 | 241 |
| 150°C | 116 | 166 | 241 |
| 200°C | 111 | 160 | 232 |
| 250°C | 105 | 150 | 218 |
| 300°C | 100 | 143 | 208 |
| 350°C | 95 | 137 | 199 |
| 400°C | 93 | 133 | 194 |
| 450°C | 90 | 130 | 189 |
| 500°C | 89 bar | 127 bar | 185 bar |
بنابراین برای مثال، بدنه یک Chamber ساختهشده از:
2" Sch 40S – ASTM A312 TP316
در دماهای پایین، از نظر Pipe Wall، ظرفیت فشاری در محدوده 166 bar دارد.
اما همان Pipe در 500°C حدود 127 bar ظرفیت خواهد داشت.
چرا سایز 1½ اینچ فشار بیشتری از 2 اینچ تحمل میکند؟
ممکن است در نگاه اول انتظار داشته باشیم Pipe بزرگتر قویتر باشد، اما در Pressure Design چنین نتیجهای الزاماً صحیح نیست.
برای یک جنس و ضخامت تقریباً یکسان، با افزایش قطر خارجی Pipe، تنش Circumferential یا Hoop Stress افزایش پیدا میکند.
به همین دلیل:
1½" Sch 40S → حدود 197 bar
در حالی که:
2" Sch 40S → حدود 166 bar
در شرایط دمایی مشابه ظرفیت دارد.
بنابراین هنگام تعیین Pressure Rating، بیان Schedule بدون ذکر Pipe Size کافی نیست.
نمودار مقایسه فشار–دما
اگر شش Pipe مورد بررسی را روی یک نمودار قرار دهیم، سه موضوع کاملاً مشخص میشوند:
با افزایش دما ظرفیت فشاری کاهش پیدا میکند.
Sch 80S بالاترین ظرفیت فشاری را دارد.
در Schedule مشابه، NPS 1½" ظرفیت فشاری بیشتری از NPS 2" دارد.
Figure 1 – Pressure-Temperature Comparison of ASTM A312 TP316 Pipes
[قرارگیری نمودار ششمنحنی Pressure–Temperature در این قسمت]
مقایسه Pipe Rating با Class 150، 300 و 600
یکی از مهمترین نکات در طراحی Magnetic Level Gauge این است که ظرفیت Pipe را با Rating فلنج اشتباه نگیریم.
برای مثال ASTM A182 F316 در ASME B16.5 در Material Group مربوط به F316 دارای Pressure-Temperature Rating مشخصی است.
| Temperature | Class 150 | Class 300 | Class 600 |
|---|---|---|---|
| -29 تا 38°C | 19.0 bar | 49.6 bar | 99.3 bar |
| 50°C | 18.4 | 48.1 | 96.2 |
| 100°C | 16.2 | 42.2 | 84.4 |
| 150°C | 14.8 | 38.5 | 77.0 |
| 200°C | 13.7 | 35.7 | 71.3 |
| 250°C | 12.1 | 33.4 | 66.8 |
| 300°C | 10.2 | 31.6 | 63.2 |
| 350°C | 8.4 | 30.3 | 60.7 |
| 400°C | 6.5 | 29.4 | 58.9 |
| 425°C | 5.5 | 29.1 | 58.3 |
این جدول یک نتیجه بسیار مهم برای طراح Level Gauge دارد.
فرض کنید Chamber از:
2" Sch 40S ASTM A312 TP316
ساخته شده است.
در 100°C خود Pipe تقریباً:
166 bar
ظرفیت دارد.
ولی فلنج ASTM A182 F316 Class 600 در همان محدوده دمایی حدود:
84.4 bar
Rating دارد.
پس اگر سایر اجزای تجهیز نیز Class 600 باشند، نمیتوان روی Nameplate تجهیز نوشت:
MAWP = 166 bar
زیرا فلنج قبل از Pipe محدودکننده شده است.
در چنین شرایطی Rating تجهیز باید بر مبنای ضعیفترین جزء Assembly تعیین شود.
MAWP واقعی Magnetic Level Gauge چگونه تعیین میشود؟
حداکثر فشار کاری مجاز Level Gauge فقط از روی Chamber Pipe تعیین نمیشود.
به صورت ساده میتوان نوشت:
MAWP Level Gauge = Minimum Allowable Pressure of All Pressure-Retaining Components
یعنی کمترین Pressure Rating بین:
Chamber Pipe → Branch Connection → Process Nozzle → Weld → Flange → Vent Connection → Drain Connection → Gasket → Closure
MAWP نهایی تجهیز را تعیین خواهد کرد.
مثال عملی اول: Level Gauge با Sch 40S
فرض کنید مشخصات یک Magnetic Level Gauge به صورت زیر باشد:
Chamber: 2" Sch 40S
Material: ASTM A312 TP316
Design Temperature: 100°C
Process Connection: ASTM A182 F316 Class 600
ظرفیت تقریبی Pipe:
166 bar
Pressure Rating فلنج Class 600:
84.4 bar
در نتیجه، فقط بر اساس این دو جزء:
MAWP نمیتواند بیشتر از حدود 84.4 bar باشد.
البته Weld، Nozzle، Vent و Drain نیز باید جداگانه بررسی شوند.
مثال عملی دوم: افزایش Schedule چه زمانی مؤثر است؟
فرض کنیم همان Level Gauge را از:
2" Sch 80S TP316
بسازیم.
ظرفیت Pipe در 100°C تقریباً:
241 bar
خواهد شد.
اما اگر همچنان از Flange Class 600 استفاده کنیم، Rating فلنج همچنان حدود:
84.4 bar
است.
بنابراین افزایش Schedule از 40S به 80S، در این حالت باعث افزایش MAWP کل تجهیز از 84 bar به 241 bar نمیشود.
این موضوع نشان میدهد که انتخاب Sch 80S صرفاً برای «افزایش Pressure Rating» همیشه منطقی نیست.
ممکن است Sch 80S به دلایل دیگری مانند:
Mechanical Rigidity، Local Stress، Nozzle Loads، Corrosion Allowance، Impact Resistance یا Design Margin
انتخاب مناسبی باشد.
Sch 10S برای Magnetic Level Gauge مناسب است؟
از نظر مقاومت صرفاً در برابر Internal Pressure، Sch 10S ظرفیت قابل توجهی دارد.
برای مثال:
2" Sch 10S TP316 در دمای پایین ≈ 116 bar
اما انتخاب Chamber فقط بر اساس Membrane Pressure Stress انجام نمیشود.
در Magnetic Level Gauge معمولاً Chamber یک عضو نسبتاً بلند است و Process Connections، Vent، Drain و سایر قطعات روی آن جوشکاری میشوند.
در نتیجه پارامترهایی مانند:
Local Stress در محل نازلها، وزن تجهیز، Vibrational Loads، Handling Loads، Hydrostatic Test، Transport Loads و External Mechanical Loads
نیز باید بررسی شوند.
به همین دلیل در بسیاری از Level Gaugeهای صنعتی، Sch 40S انتخاب متعادلتری نسبت به Sch 10S است.
چه زمانی Sch 80S مناسبتر است؟
Sch 80S در سرویسهایی که Design Pressure بالا است یا Mechanical Robustness بیشتری مورد نیاز است، میتواند انتخاب مناسبی باشد.
برای مثال ظرفیت Pipe در دمای حدود 100°C:
| Pipe | Pipe Pressure Capacity |
|---|---|
| 1½" Sch 10S | 146 bar |
| 1½" Sch 40S | 197 bar |
| 1½" Sch 80S | 280 bar |
| 2" Sch 10S | 116 bar |
| 2" Sch 40S | 166 bar |
| 2" Sch 80S | 241 bar |
با این حال، حتی در Sch 80S نیز Pressure Class سایر اجزا باید کنترل شود.
آیا Schedule بیشتر همیشه بهتر است؟
خیر.
افزایش Schedule پیامدهایی نیز دارد.
وزن Chamber افزایش پیدا میکند.
هزینه متریال افزایش پیدا میکند.
ماشینکاری و جوشکاری سنگینتر میشود.
قطر داخلی کاهش پیدا میکند.
در Magnetic Level Gauge، کاهش قطر داخلی میتواند روی طراحی Float نیز اثر بگذارد.
بنابراین Engineering Selection باید بین:
Pressure Capacity + Mechanical Strength + Float Diameter + Weight + Cost + Availability
تعادل ایجاد کند.
تأثیر دما بر فشار مجاز Stainless Steel 316
یکی از مهمترین ویژگیهای نمودار Pressure-Temperature این است که Rating ثابت نیست.
هرچه دما افزایش پیدا کند، Allowable Stress متریال تغییر میکند و در نتیجه Pressure Capacity نیز کاهش مییابد.
برای مثال برای 2" Sch 40S:
در حدود 100°C:
≈166 bar
در 300°C:
≈143 bar
و در 500°C:
≈127 bar
است.
به همین دلیل یک Level Gauge که برای سرویس 100°C مناسب است الزاماً نمیتواند با همان MAWP در 400 یا 500°C استفاده شود.
آیا Hydrotest Pressure همان MAWP است؟
خیر.
MAWP یا Maximum Allowable Working Pressure بیانگر بیشترین فشار مجاز تجهیز در شرایط Design Temperature است.
Hydrostatic Test Pressure یک فشار آزمون است که برای مدت محدود و در شرایط مشخص روی تجهیز اعمال میشود.
بنابراین عبارتهایی مانند:
Hydrotest = 150 bar
به معنی:
MAWP = 150 bar
نیست.
Test Pressure باید مطابق Design Code، Design Pressure، دمای آزمون و مشخصات پروژه تعیین شود.
تفاوت TP316 و TP316L
یکی دیگر از مواردی که باید در Pressure Rating مورد توجه قرار گیرد، تفاوت Grade متریال است.
ASTM A312:
TP316
و:
TP316L
دو متریال مشابه ولی یکسان نیستند.
همین موضوع در فلنجها نیز وجود دارد:
ASTM A182 F316
با:
ASTM A182 F316L
کاملاً قابل جایگزینی در تمام محدودههای دما و Pressure-Temperature Rating نیست.
بنابراین هنگام محاسبه نهایی Level Gauge باید Grade واقعی MTC مبنای طراحی قرار گیرد.
نتیجهگیری
انتخاب Chamber برای Magnetic Level Gauge نباید صرفاً بر اساس تجربه یا یک Pressure Rating عمومی انجام شود.
برای ASTM A312 TP316 Seamless Pipe، در دماهای پایین ظرفیت تقریبی بدنه Pipe به صورت زیر است:
| Size | Sch 10S | Sch 40S | Sch 80S |
|---|---|---|---|
| 1½" | 146 bar | 197 bar | 280 bar |
| 2" | 116 bar | 166 bar | 241 bar |
اما این اعداد Pressure Rating نهایی Level Gauge نیستند.
برای مثال، فلنج ASTM A182 F316 Class 600 در 100°C در محدوده 84.4 bar Rating دارد؛ در نتیجه در یک تجهیز دارای 2" Sch 40S Chamber و Class 600 Process Connection، احتمال زیادی وجود دارد که Flange Rating قبل از Pipe Wall محدودکننده طراحی باشد.
بنابراین MAWP نهایی Magnetic Level Gauge باید با بررسی کامل تمام اجزای Pressure-Retaining تعیین شود.
سوالات متداول درباره فشار لوله استنلس استیل 316
لوله 2 اینچ Sch 40 استنلس استیل 316 چه فشاری تحمل میکند؟
برای ASTM A312 TP316 Seamless Pipe، ظرفیت تقریبی بدنه 2" Sch 40S در دماهای پایین در محدوده 166 bar است. با افزایش دما Pressure Capacity کاهش پیدا میکند.
لوله 2 اینچ Sch 80 چه فشاری تحمل میکند؟
در شرایط مشابه، 2" Sch 80S TP316 در دماهای پایین تقریباً 241 bar ظرفیت Pressure Wall دارد. این مقدار MAWP کل تجهیز نیست.
آیا Sch 40 برای Magnetic Level Gauge مناسب است؟
برای بسیاری از سرویسهای صنعتی، 2" Sch 40S انتخاب مناسبی برای Chamber است، اما Design Pressure، Design Temperature، نازلها، فلنجها، Corrosion Allowance و Mechanical Loads باید بررسی شوند.
تفاوت Sch 40 و Class 600 چیست؟
Sch 40 ضخامت لوله را مشخص میکند. Class 600 یک Pressure Class برای اجزایی مانند Flange است. این دو پارامتر قابل تبدیل مستقیم به یکدیگر نیستند.
آیا میتوان ظرفیت Pipe را روی Nameplate به عنوان MAWP نوشت؟
خیر. MAWP باید بر اساس ضعیفترین جزء Pressure-Retaining Assembly تعیین شود.
برای Level Gauge فشار بالا Sch 40 بهتر است یا Sch 80؟
Sch 80 Pressure Capacity و Mechanical Rigidity بیشتری دارد، اما انتخاب نهایی باید بر اساس Design Calculation انجام شود. افزایش Schedule زمانی مفید است که Pipe یا Local Stress واقعاً عامل محدودکننده باشد.
آیا افزایش دما Pressure Rating را کاهش میدهد؟
بله. با افزایش دمای طراحی، Allowable Stress متریال تغییر کرده و معمولاً ظرفیت مجاز فشار کاهش مییابد.
آیا Stainless Steel 316L همان Rating استنلس استیل 316 را دارد؟
خیر. TP316/F316 و TP316L/F316L باید بر اساس Material Group و Design Code مربوط به خود بررسی شوند.
Technical Disclaimer
اطلاعات این مقاله برای Engineering Guidance و Preliminary Selection ارائه شده است و جایگزین Mechanical Design Calculation پروژه نیست.
Pressure Rating نهایی تجهیزات باید بر اساس Design Code پروژه، Material Certificate، Design Temperature، Corrosion Allowance، Welding Configuration، Process Connection Rating، Nozzle Loads و سایر الزامات طراحی تعیین شود.
برای Pressure Equipment و Level Gaugeهای فشار بالا توصیه میشود MAWP نهایی توسط مهندس طراح تأیید و در صورت نیاز Calculation Report تهیه شود.
ARAMAK Smart Industry
Design & Manufacturing of Level and Flow Measurement Equipment
Magnetic Level Gauges | Sight Glass Level Gauges | Displacer Level Instruments | Differential Pressure Flow Elements | Metering Systems