עיצוב צינור אלומיניום: סגסוגות, עובי קיר, תקנים

צינור אלומיניום משמש בטיפול בנוזלים, מסגרות מבניות, HVAC, מערכות ימיות וקריוגניות מכיוון שהוא משלב צפיפות נמוכה, עמידות בפני קורוזיה ויכולת עבודה טובה. עיצוב אמין מתחיל מתנאי השירות: לחץ, טמפרטורה, הנוזל הנישא, הסביבה הסובבת ושיטת ההצטרפות. מאמר זה מפרט את הפרמטרים הקובעים מידות של עיצוב צינור צליל -, סגסוגת, עובי דופן, בקרת קורוזיה, ריתוך והסטנדרטים שיש לבצע לפיו.

טייק אווי מפתח

• תחילה הגדר את מעטפת השירות: לחץ, טמפרטורה, נוזל וסביבה מניעים כל בחירה במורד הזרם של גודל, סגסוגת וקיר.
• סגסוגת עוקבת אחר הסביבה: 6061-T6 לשירותי לחץ מבנים וכלליים, 3003 ו-5052 למטרות כלליות, וסגסוגות 5xxx (5083, 5086, 5052) כבחירה הראשונה למגע עם מי ים.
• עובי הקיר עבור צינור דק- מחושב עם משוואת מתח החישוק של Barlow σ=P·D/(2t); קוד העיצוב ממיר אותו לבסיס-לחץ מותר עם מרווח בטיחות מפורש.
• עיצוב קורוזיה הוא בעיקר בידוד גלווני: אלומיניום הוא אנודי לפלדה, נחושת ופלדת אל חלד, ולכן אוגנים מבודדים, אטמים ומחברים מצופים מונעים התקפה מואצת בחיבורים.
• ריתוך משנה את התנהגות החומר: סגסוגות 5xxx מרותכות בקלות, בעוד ש-6061 מאבד את מזג ה-T6 באזור המושפע-בחום, לכן חוזק אזור הריתוך- שולט בחיבור.
• האלומיניום נחלש ככל שהטמפרטורה עולה ושומר על קשיחותו בטמפרטורה קריוגנית - שני הכיוונים חייבים לבוא לידי ביטוי בבסיס התכנון.

1. פרמטרי עיצוב ליבה

כל מפרט צינור אלומיניום מתחיל בחמישה מספרים: קוטר חיצוני, עובי דופן, אורך וסובלנות ישרות וסגלגלות המותרות בתקן ההזמנה. אלה נובעים מהחובה - קצב הזרימה מקבע את הקדח, הלחץ מתקן את הקיר, והפריסה קובעת את האורך.

נתיב הייצור חשוב לעלות ולביצועים:

צינור שחול ללא תפרים- שחול חם מבילט ללא ריתוך אורכי; המסלול הנפוץ לצינור לחץ, המסופק ל-ASTM B241.

צינור נמשך-קר- מצויר לאחר שחול עבור סובלנות הדוקה יותר, קירות דקים יותר וגימור משטח טוב יותר; מסופק ל-ASTM B210 או GB/T 6893.

צינור מרותך- נוצר מרצועה ומרותך; חסכוני עבור קטרים ​​גדולים יותר וקירות דקים, עם חוזק בהתאם לשלמות הריתוך והסגסוגת.

עבור חובה מבנית, עובי הדופן נקבע לעתים קרובות על ידי פיתול וקשיחות במקום לחץ; עבור חובת נוזלים זה נקבע על ידי לחץ, אשר מכוסה בסעיף 3.

2. בחירת סגסוגת

הסגסוגת והמזג מקבעים את החוזק, ביצועי הקורוזיה והריתוך של הצינור. הטבלה שלהלן מפרטת את הסגסוגות הנפוצות ביותר עבור צינור אלומיניום, עם עוצמות תפוקה מינימליות טיפוסיות עבור צורות צינור וצינור לפי ASTM B241 / ASTM B210.

הערכים הם מינימום טיפוסיים עבור צורות צינור וצינור כפי שפורסמו ב-ASTM B241 ו-ASTM B210; אשר את הנתון המדויק עם התקן הרלוונטי עבור המזג והגודל שהוזמנו. GB/T 4437.1 ו-GB/T 6893 שולטים בשוק הסיני על צינורות משומשים וקרים-, בהתאמה.

כלל מעשי: אם הצינור נוגע במי ים, ציין סגסוגת 5xxx (5083, 5086 או 5052). 6061-T6 מציע חוזק ויכולת עיבוד טובה, אך העמידות שלו בפני קורוזיה בסביבות מלוחות נחותה מסדרת 5xxx, וסגסוגות 2xxx / 7xxx אינן מצוינות בעמידות ימית ועמידות כימית ירודה או עמידות כימית כללית.

3. עיצוב לחץ ועובי קיר

עבור צינור דק -דופן - קוטר חיצוני חלקי עובי דופן של 10 או יותר - מתח החישוק הנגרם מלחץ פנימי מחושב עם המשוואה של בארלו:

σ = P × D / (2 × t)

אֵיפֹהσ= מתח חישוק (MPa),P= לחץ מודד פנימי (MPa),D= קוטר חיצוני (מ"מ),t= עובי דופן (מ"מ).

מסודר מחדש לעובי קיר עיצובי:

t = P × D / (2 × S)

אֵיפֹהSהוא הלחץ המותר שנקבע על ידי קוד העיצוב. ASME B31.3, למשל, גדלים של צנרת תהליך מבסיס -מתח - מותר הביטוי המלא שלו הוא t=P·D / [2(S·E + P·Y)], שבהם E היא יעילות המפרק ו-Y מקדם -תלוי בטמפרטורה - ולא ממקדם בטיחות כללי. עבור חומרים אל-ברזליים, הקוד גוזר את המתח המותר בתור הנמוך מבין כשליש מחוזק המתיחה (מתיחה/3.5) או שני שלישים מחוזק התנובה (תפוקה/1.5). לכן המרווח מול התשואה מפורש בחישוב ולא מיושם כמכפיל קבוע.

דוגמה עובדת.צינור 6061-T6 בקוטר חיצוני של 50 מ"מ ללחץ עיצובי של 10 MPa. לפי ASTM B241 חוזק מתיחה ותפוקה מינימלי טיפוסי הוא 290 MPa ו-240 MPa, כך שהמתח המותר בסגנון B31.3 הוא הקטן מ-290/3.5 ≈ 83 MPa ו-240/1.5=160 MPa, כלומר S ≈ 83 MPa. קיר נדרש: t=10 × 50 / (2 × 83) ≈ 3.0 מ"מ. מתח החישוק המקביל ב-10 MPa הוא 83 MPa, והמרווח מול חוזק התנובה של 240 MPa הוא 240/83 ≈ 2.9. דוגמה זו ממחישה את השיטה; תכנון ייצור חייב להשתמש בלחץ המותר בקוד לטמפרטורת ההפעלה בפועל וחייב גם לבדוק לחץ חיצוני, כיפוף, עייפות וחבטות.

עבור צינור עבה-(D/t מתחת ל-10), המשוואה של Lame או ניתוח אלמנטים סופיים מדויקים יותר מאשר בארלו. FEA הוא גם הכלי המעשי לעומסים מחזוריים: מותרות עייפות עבור אלומיניום מתפרסמות בקודי התכנון ובנתוני עייפות סגסוגת, כך שהתכנון צריך להתבסס על ערכים אלה ולא על ספירות מחזוריות משוערות.

4. עיצוב קורוזיה

אלומיניום מגן על עצמו עם סרט תחמוצת טבעי המתחדש במהירות כאשר הוא ניזוק ברוב האטמוספרות. שתי משימות העיצוב הן לשמור על הסרט הזה ללא פגע ולהימנע מתנאים שתוקפים אותו.

4.1 קורוזיה גלוונית

בזוג דו מתכתי, אלומיניום הוא אנודי לפלדה, נחושת, פליז ונירוסטה. כאשר שתי המתכות מתקשרות בנוכחות אלקטרוליט, האלומיניום מתכלה מהר יותר. אמצעי נגד סטנדרטיים:

ערכות אוגנים מבודדות ואטמים לא-מתכתיים השוברים המשכיות חשמלית במפרקים מוברגים.

מחברים מצופים או לא-מתכתיים, עם דסקיות מתחת לברגי פלדה.

ללא חוטים או אביזרי נחושת המבוססים- במגע ישיר עם אלומיניום.

מפרקים המיועדים לניקוז ואוורור כך שהלחות לא נאספת.

4.2 חשיפה למי ים ולכימיקלים

למגע ישיר עם מי ים, סדרת 5xxx (5083, 5086, 5052) היא הבחירה הבסיסית. 6סגסוגות xxx משמשות לעתים במבנים ימיים עם אמצעי הגנה, אך הן אינן הבחירה הראשונה לטבילה במים מלוחים. כאשר הסביבה אגרסיבית, אנודיזציה (בדרך כלל עובי ציפוי של 10-25 מיקרומטר לפי ISO 7599) או ציפוי אורגני מוסיפים מחסום, ותמיד יש לאשר את התאימות של הצינור לנוזל המועבר לפני המפרט.

5. חיבורים וריתוך

5.1 ריתוך

סגסוגות 5xxx (5083, 5086, 5052) מרותכות היטב עם חומרי מילוי תואמים - למשל ER5356 או ER5183 עבור 5083 לכל AWS D1.2 - ושומרות על ביצועי הקורוזיה שלהם במפרק.

6061 ניתן לריתוך עם חומר מילוי ER4043 או ER5356 לכל AWS D1.2, אך האזור המושפע מחום- מאבד את מזג ה-T6: החוזק המקומי באזור הריתוך יורד לכיוון המפלס המנופח, ולכן המפרק חייב להיות מתוכנן לפי חוזק -אזור ריתוך, לא חוזק אב{{7}.

סגסוגות 2xxx אינן מומלצות בדרך כלל עבור שירות מבני מרותך.

5.2 אוגנים, אביזרים ומפרקים

חיבורי אוגן לצינור אלומיניום משתמשים בדרך כלל באוגני אלומיניום מצופים אנודייז או מצופים עם אטמים לא -מתכתיים, בתוספת ערכות בידוד שבהן הקו מתחבר לפלדה. חיבורי הברגה אפשריים בקירות עבים יותר, אך צורת החוט והעומק חייבים להיות בהתאם לתקן הצינור; עבור שירות לחץ רוב המעצבים מעדיפים חיבורים מרותכים או מאוגנים על פני הברגה.

6. השפעות טמפרטורה

הטמפרטורה משפיעה על האלומיניום בשני כיוונים מנוגדים, ושניהם משפיעים.

טמפרטורה גבוהה:החוזק והמתח המותר יורדים ככל שהטמפרטורה עולה. משקעים-סגסוגות מוקשות כגון 6061-T6 יכולות גם להזדקן יתר על המידה כשהן מוחזקים לתקופות ארוכות מעל בערך 150-200 מעלות, לכן שירות חם מתמשך דורש לחץ מופחת מותר מנתוני החומר בקוד התכנון, ויש לאמת את המזג לאחר השירות כאשר ההזדקנות מהווה סיכון.

טמפרטורה קריוגנית:שלא כמו פלדת פחמן, אלומיניום אינו מציג מעבר רקיע-ל-שביר; קשיחות ההשפעה נשמרת בטמפרטורה נמוכה, וזו הסיבה שאלומיניום מצוין עבור שירות LNG (-162 מעלות), חמצן נוזלי (-183 מעלות) וחנקן נוזלי (-196 מעלות). יש לבדוק טענות לגבי טמפרטורות קיצוניות כגון -269 מעלות מול נתוני הסגסוגת הספציפית במקום להניח, והקו עדיין זקוק לבידוד מתאים - מוליכות התרמית הגבוהה של האלומיניום (בערך 130-220 W/m·K תלוי בסגסוגת) מגבירה את חדירת החום לקו קר, ולכן הבידוד הוא חלק מהתכנון של האריזה.

7. הזמנה ותקנים

שים את התקן בכל שורת הזמנה. עבור צינור ללא תפרים, ASTM B241 (צינור ללא תפרים של אלומיניום וסגסוגת אלומיניום-) הוא ההתייחסות הנפוצה; עבור צינור נמשך, ASTM B210 (אלומיניום ואלומיניום וסגסוגת-שפופרות ללא תפרים נמשכות). בשוק הסיני, GB/T 4437.1 מכסה צינורות שחול מסגסוגת אלומיניום ו-GB/T 6893 מכסה צינורות קרים של סגסוגת אלומיניום-. קונים אירופאים בדרך כלל מזמינים לפי EN 755 עבור מוטות, מוטות, צינורות ופרופילים שחולצו. שורת הזמנות מלאה מציינת: סגסוגת, מזג, קוטר חיצוני, עובי דופן, אורך, תקן, גימור משטח וכמות - התקן מגדיר לאחר מכן כימיה, סובלנות ממדים, אימות מזג ודרישות בדיקה.

צינור אלומיניום עגול בגימור טחינה, אופייני למלאי שחול לשירות מבנים ולחץ.

דגימות צינורות אלומיניום עם קצוות חתוכים רגילים; עובי הדופן וגימור הקדום נראים בחתך.

מלאי צינורות אלומיניום לפני חיתוך לאורך - הסגסוגת, הגודל והמזג מאושרים מול ההזמנה לפני העיבוד.

שאלות נפוצות

מהי הנוסחה של בארלו וכיצד משתמשים בה לעובי דופן?

משוואת מתח החישוק של בארלו σ=P·D/(2t) מתייחסת ללחץ פנימי למתח הקיר בצינור דק-. מסודר מחדש כ-t=P·D/(2S), הוא נותן את עובי הדופן עבור מתח מותר S שנלקח מקוד העיצוב. הוא מניח ש-D/t גדול מ-10 או שווה ל-10; עבור קירות עבים יותר, משוואת Lame או FEA מדויקת יותר.

איזו סגסוגת אלומיניום היא הטובה ביותר עבור שירות מי ים?

סדרת 5xxx - 5083, 5086 ו-5052 - היא הבחירה המבוססת למגע ישיר עם מי ים, המשלבת עמידות בפני קורוזיה עם חוזק ויכולת ריתוך. 6061 יכולה להופיע במבנים ימיים עם אמצעי הגנה, אבל היא לא הבחירה הראשונה לטבילה.

האם ניתן לרתך צינור אלומיניום?

כן. 5סגסוגות xxx רותכות בקלות עם חומרי מילוי תואמים. 6061 מרותכות היטב אך מאבדות את מזג ה-T6 באזור-המושפע מהחום, לכן המפרק חייב להיות מתוכנן לפי חוזק אזור ריתוך-. AWS D1.2 מכסה עיצוב ובחירת חומרי מילוי למבני אלומיניום.

איך מונעים קורוזיה גלוונית בין אלומיניום לפלדה?

שמור את שתי המתכות מבודדות חשמלית כך שהאלומיניום לא יפעל כאנודת ההקרבה: ערכות אוגן מבודדות, אטמים לא-מתכתיים, מחברים מצופים וניקוז מפרקים שוברים את נתיב החשמל והאלקטרוליט.

אילו תקנים מכסים צינור אלומיניום?

ASTM B241 עבור צינור ללא תפרים, ASTM B210 עבור צינור משוך, GB/T 4437.1 עבור צינור שחול ו-GB/T 6893 עבור צינור נמשך קר- בשוק הסיני, ו-EN 755 עבור הזמנות אירופיות. התקן מגדיר כימיה, סובלנות, מזג ודרישות בדיקה.

האם הטמפרטורה מגבילה את שירות צינורות אלומיניום?

בטמפרטורה גבוהה, הלחץ המותר יורד וסגסוגות 6xxx מסתכנות-תזדקנות יתר, כך שהשירות הרציף מוגבל בדרך כלל הרבה מתחת ל-200 מעלות עבור מזג אוויר מבני. בטמפרטורה קריוגנית האלומיניום שומר על הקשיחות שלו, וזו הסיבה שהוא משמש לקווי LNG וחמצן נוזלי.