Ön İzolasyonlu Boru Sistemlerinin Tasarımı İle Gerilme ve Genleşme Analizi

Tasarım Esasları

Ön izolasyonlu borular kullanılarak iletim ve dağıtım hatlarının oluşturulduğu bölgesel ısıtma sistemlerinde, tüm tasarım ve montaj uygulamaları TS EN 13941 standardına göre yapılmalıdır. Yalçın Boru olarak, uygulamalarınızın bu standarda uygun ve aynı zamanda hem teknik hem de ekonomik açıdan optimum seviyede faydalı olması için proje departmanımız gerekli tüm desteği sağlayabilir.

Projelendirme çalışmasının kontrolü için, başlangıç safhasında aşağıdaki bilgilerin edinilmesi gerekmektedir;

Sıcaklık değerleri (tasarım, montaj, işletme),

Tasarım basınç değerleri,

Akışkan debisi,

Boru çapı ve metrajları (talep edilmesi halinde çap seçimi Yalçın Boru tarafından da gerçekleştirilebilir),

Montaj yerinin koşulları (kazı – dolgu alanı hakkında bilgi veya galeri sistemi ise konsol detayları),

Bu bilgiler ışığında projenizin dizayn koşulları TS EN 13941 normuna uygun olup olmadığı kontrol edilebilir.

Projenin, söz konusu normda belirtilen proje sınıflarından hangisinde olduğu kontrol edilerek sınırlamalar buna göre belirlenir.

A sınıfı proje : Düşük eksenel gerilmeye sahip,

Küçük ve orta büyüklükte boru çaplarından oluşan,

Kişilere, çevreye veya civardaki yapılara zarar verme riski düşük olan borulardan oluşan sistemlerdir.

B sınıfı proje : Yüksek eksenel gerilmeye sahip,

Küçük ve orta büyüklükte boru çaplarından oluşan,

Kişilere, çevreye veya civardaki yapılara zarar verme riski düşük olan borulardan oluşan sistemlerdir.

C sınıfı proje : Büyük çaplı ve yüksek basınçlı borulardan oluşan,

Özel ve kompleks yapılardan oluşan,

Kişilere, çevreye veya civardaki yapılara zarar verme riski yüksek olan borulardan oluşan sistemlerdir.

Oluşturulan proje sınıflarına göre limitlerin belirlenmesi için aşağıdaki grafikten yararlanılır.

Y ekseni eksenel gerilmeyi, X ekseni ise taşıyıcı boru yarı çapı ile et kalınlığının oranını göstermektedir.

∆T akışkan işletme sıcaklığı ve montaj sırasındaki ortam sıcaklığının farkıdır.

E elastisite modülü genellikle 210.000 MPa olarak alınmaktadır.

α genleşme katsayısı ise genellikle 1,2 x 10-5 olarak alınmaktadır.

Sınır çizgileri, TS EN 253’te belirtilen standart boru tipine göre hazırlanmış olup, A ve B bölgelerini ayıran sınır 85 °C sıcaklığa denk gelmektedir. A ve B bölgesi ile C bölgesi arasındaki sınır ise DN300 çelik boruya denk gelmektedir.

Boru Duvarındaki Gerilme ve Sürtünme

Boru içi basıncının boru duvarına oluşturduğu:

Dikey gerilme

Yatay gerilme

p: İç basınç (MPa)

d: Taşıyıcı borunun dış çapı (mm)

: Efektif duvar kalınlığı (Negatif tolerans ve korozyon çıkarıldıktan sonra, mm)

Saha uygulaması sıcaklığına kıyasla boru hattındaki sıcaklık değişimlerinden kaynaklı gerilme:

Borudaki eşdeğer gerilme:

Z : Kaynak faktörü (0,5 ile 1 aralığında alınır, saha kaynaklarının NDT koşullarına göre)

Kabul edilebilir gerilme büyüklüğü taşıyıcı borunun akma noktasının güvenlik faktörüne bölümüyle hesaplanabilir.

: İzin verilen taşıyıcı boru gerilme değeri

: Taşıyıcı boru akma noktası (TS EN 253 standardındaki taşıyıcı boru cinsine göre 235 MPa)

: Güvenlik katsayısı (1,5 alınabilir)

Sürtünme Kuvveti

Ön yalıtımlı boru sistemleri, taşıyıcı boru, poliüretan izolasyon ve HDPE kılıf borusunun birbirine bağlı olmasından meydana gelir ve bu bağ sayesinde çelik borunun genleşme sonucu eksenel hareketi, gömülü sistemlerde dış yüzeyin toprak ile teması ile sınırlandırılır. HDPE kılıf borusu ile gömülme ortamı arasında meydana gelen sürtünme kuvveti aşağıdaki formülden hesaplanabilir;

Sürtünme Mesafesi, Eksenel Gerilme ve Uzama Miktarı

Sıfır noktasından maksimum eksenel gerilmenin meydana geleceği mesafe olan sürtünme mesafesinin bulunması, boru sisteminde genleşme ve gerilme analizi yapılması ve buna bağlı önlemlerin nasıl ve hangi konumlarda olacağının tespiti için önemli bir değerdir.

Bu mesafede sürtünme kuvveti tarafından eksenel gerilme ve genleşme kısmen kontrol edilmektedir.

Aşağıdaki formülden bu değer tespit edilebilir;

Hattın L boyunun Lsür boyuna göre kıyaslanması ile eksenel gerilmenin nasıl bulunacağı belirlenir;

L boyu incelendiğinde eğer ise, maksimum eksenel gerilme;

Eğer ise, maksimum eksenel gerilme;

Hat üzerindeki belirli bir Lx noktasındaki eksenel gerilmenin tespit edilmesi için;

Eğer ise o noktadaki eksenel gerilme

Eğer ise;

Bunlara ek olarak, toprak altına gömülü olan ön izolasyonlu boruların genleşme sonucu uzamasının toprak sürtünme kuvveti ile engellenmesi durumunun incelenmesi gerekmektedir. Gömülü olmayan, galeri içerisinde veya açıktan giden boruların genleşme uzaması;

Toprak altında gömülü olan boru genleşme uzaması ise;

Gerilme ve Genleşmenin Kontrol Altına Alınması

Gömülü ön izolasyonlu boru hatlarının gerilme – genleşme etkilerinin kontrol edilmesi için belirli yöntemler uygulanabilir;

1. Herhangi bir gerilme önlemi alınmadan,
2. L – Z – U şeklinde hat üzerinde dönüşler ile,
3. Kompansatör kullanımı ile.

Gerilme Önlemi Alınmadan Montaj

İlk bölümde belirttiğimiz, TS EN 13941 standardından alınmış, proje sınıflarının belirlendiği grafikten de görüleceği üzere, DN300 çapına kadar (taşıyıcı çelik borusu TS EN 253 standardına uygun, DN300 dahil) boru sistemlerinin, maksimum gerilme değeri 334 Mpa değerini geçmediği sürece herhangi bir önlem almadan montajı yapılabilir.

Bu ve diğer maddeler için en önemli olan husus, kazı – dolgu işlemi sırasında talimatnamelere, standart değerlerine uyum ile ön izolasyonlu boru sisteminin gömülme işleminin gerçekleştirilmesidir.

Not: Bu montaj şeklinde, Lsür uzunluklarının her birinin bitiminde önerilmese de sabit mesnet imalatı yapılabilir. Genellikle sabit mesnetler bina girişine yakın bölgelerde kullanılmaktadır. Doğal sabit nokta oluşumu ile gerilmelerin kontrolü daha sağlıklı bir yöntemdir.

L – Z – U Dönüşler İle Montaj

Proje koşulları değerlendirilip, maksimum gerilme değerinin güvenli bölgede kaldığı tespit edilse bile, bazı durumlarda gerilmenin istenen daha düşük bir seviyeye sabitlenmesi istenebilir. Bu durumlarda boru hattı üzerine kompansatör veya L – Z – U elemanları yerleştirilerek boru hattının istenen gerilme düzeyine sabitlenmesi sağlanabilir.

Örneğin, düz ve uzun bir boru hattında, istenen gerilme değerine ulaşılması için gerekli olan mesafe tespit edilir. Bu hat boyunca, her 2 x L mesafesine L – Z – U elemanlarından biri yerleştirilerek gerilme hep istenen değerde tutulur. Basit bir şekilde örneklemek gerekirse, 1200 metre uzunluğunda bir hattın gerilme değeri 150 MPa’da tutulmak istendiğini ve 150 MPa gerilmenin oluşacağı hat uzunluğunun da 80 metre olduğunu farz edelim. Buna göre aşağıdaki şekilden de görülebileceği gibi, her 2 x L mesafesinde (maksimum) bir L – Z – U elemanı kullanılmalıdır. 1200 / (2 x 80) = 7,5 yani 8 adet bölge olmalıdır.

Kompansatör Kullanımı

Tıpkı L – Z – U elemanları gibi, boru hattının gerilme değeri eğer istenen seviyede tutulmak isteniyor ise, bu kompansatörler kullanılarak da sağlanabilir.

İki kompansatör arasında olması gereken mesafe aşağıdaki şekilde hesaplanır;

Ön gerilmeli kompansatör kullanıldığı için, kompansatörlere etki eden uzama miktarının bilinmesi ve buna uygun genleşme sınıfında bir kompansatör seçilmesi gerekmektedir. Bunun için;

Eğer kompansatörün iki yönündeki mesafeler eşit ise bu değer iki ile çarpılır, eğer farklı ise ayrı ayrı hesaplanmalıdır.

Örneğin, iki dirsek arasında, 1200 metre uzunluğunda düz bir hattın, gerilme değeri 150 MPa’da tutulmak isteniyor. 150 MPa için gerekli L uzunluğu 80 metre (doğal sabit nokta oluşan mesafe) ve her iki kompansatör arasındaki mesafe 96 metre olsun. 1200 – (2 x 80) = 1040 bu mesafe kompansatörlerin yerleştirileceği toplam mesafe olup, 1040 / 96 ≈ 11 adet bölüm oluşturulmalıdır. Bu bölümlerden biri, doğal sabit noktalardan kompansatör mesafesinin yarısı kadar ileriye birer kompansatör konularak 10 bölüme düşürülür.