در مهندسی فرآیند و پایپینگ، لوله و فلنج دو جزء جدایی‌ناپذیر و حیاتی برای انتقال سیالات (مایعات، گازها، دوغاب‌ها و حتی ذرات جامد) هستند. لوله به عنوان مسیر اصلی برای هدایت سیال عمل می‌کند، در حالی که فلنج یک روش مکانیکی و جداشدنی برای اتصال بخش‌های مختلف لوله‌کشی، شیرآلات، پمپ‌ها، و سایر تجهیزات به یکدیگر فراهم می‌آورد. این ترکیب امکان ساخت سیستم‌های پیچیده، نگهداری آسان و انعطاف‌پذیری در طراحی را فراهم می‌کند.
لوله یک مقطع استوانه‌ای توخالی است که برای انتقال سیالات از یک نقطه به نقطه دیگر استفاده می‌شود. این قطعات در طیف وسیعی از صنایع شامل نفت و گاز، پتروشیمی، نیروگاهی، آب و فاضلاب، ساختمان و فرآیندهای صنعتی کاربرد دارند. لوله‌ها بر اساس فشار، دما، نوع سیال و محیط عملیاتی، از مواد و ابعاد مختلفی ساخته می‌شوند.
انواع لوله
•لوله‌ها را می‌توان بر اساس معیارهای مختلفی دسته‌بندی کرد:
•بر اساس روش ساخت:
•لوله بدون درز: این لوله‌ها با حرارت دادن یک شمش فولادی و سپس کشیدن یا اکسترود کردن آن بدون هیچ گونه جوشکاری ساخته می‌شوند. برای کاربردهای فشار بالا و دماهای شدید مناسب هستند.
•لوله درزدار: این لوله‌ها از ورق‌های فلزی که خم شده و درز آن‌ها جوش داده می‌شود، تولید می‌شوند.
•ERW (Electric Resistance Welded): جوشکاری با مقاومت الکتریکی، برای سایزهای کوچک تا متوسط.
•SAW (Submerged Arc Welded): جوشکاری زیرپودری، برای سایزهای بزرگتر. (شامل LSAW برای جوشکاری طولی و HSAW/SSAW برای جوشکاری اسپیرال)
•بر اساس جنس ماده:
•فولاد کربنی: رایج‌ترین نوع برای کاربردهای عمومی، آب، نفت، گاز. (مانند API 5L, ASTM A106, ASTM A53)
•فولاد آلیاژی: حاوی عناصر آلیاژی مانند کروم و مولیبدن برای مقاومت در برابر دماهای بالا، فشارهای بالا یا خوردگی (مانند ASTM A335).
•فولاد ضد زنگ: حاوی کروم برای مقاومت عالی در برابر خوردگی. (مانند ۳۰۴, ۳۱۶).
•پلیمرها: PVC, HDPE, PPR برای آب، فاضلاب، و کاربردهای کم فشار و دمای پایین.
•چدن: برای خطوط آب و فاضلاب قدیمی.
•فایبرگلاس (Fiberglass Reinforced Plastic – FRP/GRP): برای سیالات خورنده.
•بر اساس استاندارد ابعادی:
•NPS (Nominal Pipe Size): اندازه اسمی لوله، بر اساس استاندارد آمریکا.
•DN (Diameter Nominal): قطر اسمی، بر اساس استاندارد اروپا.
•Schedule (ضخامت): نشان‌دهنده ضخامت دیواره لوله است که با افزایش عدد اسکجول، ضخامت افزایش می‌یابد.
•قطعات اصلی و جنس آن‌ها (برای لوله، به خود ماده لوله و پوشش‌ها اشاره می‌شود)
•ماده لوله: همانطور که در بخش انواع ذکر شد (فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، فولاد ضد زنگ، پلیمرها و…). انتخاب جنس بستگی به فشار، دما، خواص شیمیایی سیال، و محیط (خورندگی خارجی) دارد.
•پوشش‌های محافظ (Coatings/Linings): برای محافظت از لوله در برابر خوردگی داخلی یا خارجی.
•پوشش خارجی: رنگ‌های اپوکسی، پلی‌اتیلن (3LPE)، قیری (Coal Tar Enamel).
•پوشش داخلی (لاینینگ): سیمان، اپوکسی، شیشه، یا پلیمرهای مقاوم به خوردگی.
•اصول طراحی لوله
•طراحی سیستم‌های لوله‌کشی یک فرآیند مهندسی پیچیده است که فاکتورهای زیادی را در بر می‌گیرد:
•فشار و دما: انتخاب ضخامت دیواره (اسکجول) و جنس لوله بر اساس حداکثر فشار و دمای عملیاتی و طراحی (که بالاتر از عملیاتی است).
•نوع سیال: خواص شیمیایی و فیزیکی سیال (خورندگی، سایندگی، ویسکوزیته، دما، فشار بخار) تعیین‌کننده جنس ماده لوله، نوع اتصالات و پوشش‌های داخلی/خارجی است.
•دبی (Flow Rate): قطر داخلی لوله برای عبور حجم سیال مورد نیاز با حداقل افت فشار و سرعت مناسب طراحی می‌شود.
•نشیمن‌گاه و تکیه‌گاه (Supports): طراحی سیستم‌های پشتیبانی برای تحمل وزن لوله، سیال درون آن، شیرآلات و عایق‌کاری، و همچنین نیروهای ناشی از انبساط حرارتی و ارتعاش.
•انعطاف‌پذیری و انبساط حرارتی: طراحی برای جذب تنش‌های ناشی از تغییرات دما، با استفاده از لوپ‌های انبساطی یا بلوزها.
•کدها و استانداردها: رعایت استانداردهای صنعتی و ملی مربوط به طراحی، مواد، ساخت و بازرسی لوله‌کشی (مانند ASME B31.1, B31.3, B31.4, B31.8).
•اقتصاد: بهینه‌سازی هزینه‌های مواد، ساخت، نصب و نگهداری.
•مسیرگذاری (Routing): طراحی مسیر لوله‌ها با در نظر گرفتن دسترسی برای نگهداری، ایمنی، و جلوگیری از تداخل با سایر تجهیزات و سازه‌ها.
•ملاحظات تعمیرات و نگهداری لوله
•بازرسی‌های دوره‌ای:
•بازرسی بصری: برای یافتن علائم خوردگی (داخلی/خارجی)، فرسایش، ترک، نشتی، تغییر شکل، یا آسیب به عایق‌کاری و پوشش‌ها.
•بازرسی ضخامت: با استفاده از روش‌های اولتراسونیک برای پایش کاهش ضخامت دیواره لوله ناشی از خوردگی یا فرسایش.
•بازرسی غیرمخرب (NDT): استفاده از رادیوگرافی، ذرات مغناطیسی، مایعات نافذ و… برای شناسایی عیوب داخلی.
•کنترل خوردگی:
•سیستم‌های حفاظت کاتدیک: برای لوله‌های مدفون برای جلوگیری از خوردگی الکتروشیمیایی.
•پوشش‌ها و لاینینگ‌ها: ترمیم یا تعویض پوشش‌های آسیب‌دیده.
•تزریق مواد بازدارنده: به سیال برای کاهش خوردگی داخلی.
•تمیزکاری و پیگ‌رانی: برای حذف رسوبات، موم، یا سایر مواد جامد از داخل لوله که می‌تواند باعث افت فشار یا کاهش دبی شود.
•ترمیم و تعویض: تعمیر بخش‌های آسیب‌دیده لوله (مثلاً با جوشکاری پچ) یا تعویض کامل بخش‌های فرسوده.
•پشتیبانی و تکیه‌گاه‌ها: بررسی و نگهداری تکیه‌گاه‌های لوله برای اطمینان از عملکرد صحیح آن‌ها و جلوگیری از افتادگی یا جابجایی لوله.
•عایق‌کاری: بازرسی و ترمیم عایق‌های حرارتی برای جلوگیری از اتلاف انرژی یا عایق‌های برودتی برای جلوگیری از یخ‌زدگی.
•ثبت سوابق: نگهداری دقیق سوابق بازرسی‌ها، تعمیرات، و تاریخچه سرویس برای برنامه‌ریزی نگهداری پیشگیرانه.
•فلنج (Flange)
•معرفی فلنج
•فلنج یک دیسک یا حلقه فلزی با سوراخ‌هایی برای پیچ و مهره است که به انتهای لوله‌ها، شیرآلات یا سایر تجهیزات جوش داده یا رزوه‌کاری می‌شود. هدف اصلی فلنج، ایجاد یک اتصال قابل جدا شدن است. این قابلیت جدا شدن، امکان نصب، بازرسی، نگهداری و تعویض قطعات را در سیستم‌های لوله‌کشی به راحتی فراهم می‌کند.
•انواع فلنج
•فلنج‌ها بر اساس کاربرد، نحوه اتصال به لوله و شکل سطح آب‌بندی طبقه‌بندی می‌شوند:
•بر اساس نحوه اتصال به لوله:
•فلنج گردن‌جوشی (Weld Neck Flange – WN): دارای یک گردن مخروطی بلند است که به انتهای لوله جوش داده می‌شود. برای کاربردهای فشار بالا، دماهای متغیر و سیالات خطرناک مناسب است.
•فلنج اسلیپ‌آن (Slip-On Flange – SO): روی لوله می‌لغزد و از داخل و خارج جوش داده می‌شود. نصب آسان‌تر و ارزان‌تر از WN، اما برای فشارهای کمتر.
•فلنج کور (Blind Flange – BL): یک دیسک جامد و بدون سوراخ مرکزی است که برای مسدود کردن انتهای یک خط لوله یا نازل استفاده می‌شود.
•فلنج رزوه‌ای (Threaded Flange): داخل آن رزوه‌کاری شده و به لوله رزوه‌ای متصل می‌شود. برای کاربردهای کم فشار و دمای پایین که جوشکاری مجاز نیست.
•فلنج لبه‌دار/لپ‌جوینت (Lap Joint Flange – LJ): شامل دو قسمت است: یک انتهای استاب که به لوله جوش می‌خورد و فلنج آزاد که روی آن می‌چرخد. برای سیستم‌هایی که نیاز به دمونتاژ مکرر دارند.
•فلنج ساکت‌ولد (Socket-Weld Flange – SW): لوله وارد یک حفره (ساکت) در فلنج می‌شود و از خارج جوش داده می‌شود. برای لوله‌های با سایز کوچک و فشار بالا.
•بر اساس سطح آب‌بندی (Facing Type):
•سطح برجسته (Raised Face – RF): رایج‌ترین نوع، دارای یک سطح برجسته برای قرارگیری گسکت.
•سطح تخت (Flat Face – FF): سطح کاملاً صاف، برای اتصال به شیرآلات و تجهیزات با بدنه چدنی.
•زبانه و شیار (Tongue and Groove – T&G): دارای یک سطح زبانه و یک سطح شیاردار، برای آب‌بندی بهتر.
•حلقه اتصال (Ring Type Joint – RTJ): دارای یک شیار برای گسکت فلزی حلقه، برای کاربردهای فشار و دمای بسیار بالا و سرویس‌های خطرناک.
•بر اساس کلاس فشاری (Pressure Class):
•فلنج‌ها بر اساس توانایی تحمل فشار و دما طبقه‌بندی می‌شوند (مثلاً کلاس‌های #۱۵۰، #۳۰۰، #۶۰۰، #۹۰۰، #۱۵۰۰، #۲۵۰۰ بر اساس استاندارد ASME B16.5).
قطعات اصلی و جنس آن‌ها (برای فلنج)
•بدنه فلنج: قسمت اصلی فلنج که به لوله متصل می‌شود و سوراخ‌های پیچ را دارد.
•جنس: معمولاً از فولاد کربنی (مانند ASTM A105)، فولاد آلیاژی (مانلاً ASTM A182 Gr. F11, F22) یا فولاد ضد زنگ (مانند ASTM A182 Gr. F304, F316) ساخته می‌شود. انتخاب جنس بر اساس کلاس فشاری، دما و نوع سیال است.
•گسکت (Gasket): برای ایجاد آب‌بندی بین دو سطح فلنجی.
•جنس: از گرافیت (با یا بدون تقویت‌کننده فلزی)، لاستیک، تفلون (PTFE)، فلز (آهن نرم، فولاد ضد زنگ)، یا ترکیب فلز و مواد نرم (اسپیرال وند). انتخاب جنس گسکت بستگی به دما، فشار، سیال و نوع فلنج (RF, FF, RTJ) دارد.
•پیچ و مهره (Bolts and Nuts): برای اتصال دو فلنج به یکدیگر و اعمال نیروی فشاری بر گسکت.
•جنس: از فولاد آلیاژی با استحکام بالا (مانند ASTM A193 B7 برای پیچ و ASTM A194 2H برای مهره) برای کاربردهای دما بالا و فشار بالا. برای دماهای پایین از A320 L7 و A194 Gr. 7. برای فولاد ضد زنگ از A193 B8.
اصول طراحی فلنج
•طراحی فلنج‌ها تحت استانداردهای بین‌المللی مانند ASME B16.5 (برای فلنج‌های لوله تا NPS 24) و ASME B16.47 (برای فلنج‌های لوله بزرگتر از NPS 24) انجام می‌شود. اصول طراحی عبارتند از:
•کلاس فشاری: تعیین کلاس فشاری مورد نیاز بر اساس حداکثر فشار و دمای عملیاتی سیستم.
•نوع فلنج: انتخاب نوع فلنج بر اساس روش اتصال به لوله (جوشکاری، رزوه‌کاری) و نیازهای نصب/نگهداری.
•نوع سطح آب‌بندی: انتخاب سطح آب‌بندی مناسب (RF, FF, RTJ) بر اساس فشار، دما و نوع گسکت.
•انتخاب گسکت: گسکت باید با فشار، دما، نوع سیال و جنس فلنج سازگار باشد.
•تعداد و اندازه پیچ و مهره: تعیین تعداد و ابعاد پیچ و مهره‌ها بر اساس کلاس فشاری فلنج و نیروی مورد نیاز برای آب‌بندی.
•جنس فلنج: انتخاب جنس فلنج بر اساس دما، فشار، خوردگی سیال و محیط.
•ملاحظات خستگی: طراحی برای مقاومت در برابر تنش‌های خستگی ناشی از نوسانات فشار یا دما.
ملاحظات تعمیرات و نگهداری فلنج
•بازرسی‌های بصری: بررسی فلنج‌ها برای علائم خوردگی، ترک، تغییر شکل، یا آسیب به سطوح آب‌بندی.
•بررسی پیچ و مهره‌ها:
•سفت کردن مجدد: پیچ و مهره‌های فلنج باید پس از نصب و در برخی موارد پس از اولین عملیات (و گرم شدن سیستم) مجدداً سفت شوند تا از نشتی جلوگیری شود.
•بازرسی خوردگی: بررسی پیچ و مهره‌ها برای خوردگی، که می‌تواند استحکام آن‌ها را کاهش دهد. در صورت نیاز، تعویض پیچ و مهره‌های آسیب‌دیده.
•روان‌کاری: استفاده از روان‌کننده‌های مناسب بر روی رزوه‌های پیچ و مهره قبل از سفت کردن برای کاهش اصطکاک و رسیدن به گشتاور صحیح.
•تعویض گسکت: هر بار که یک اتصال فلنجی باز می‌شود، گسکت باید با یک گسکت نو تعویض شود. استفاده مجدد از گسکت می‌تواند منجر به نشتی شود.
•تمیزکاری سطوح آب‌بندی: قبل از نصب گسکت جدید، سطوح آب‌بندی فلنج‌ها باید به طور کامل تمیز و عاری از هرگونه آلودگی، زنگ‌زدگی یا آسیب باشند.
•هم‌راستایی: اطمینان از هم‌راستایی صحیح دو فلنج قبل از سفت کردن پیچ و مهره‌ها. عدم هم‌راستایی می‌تواند باعث تنش‌های ناخواسته و نشتی شود.
•ابزار مناسب: استفاده از ابزارهای کالیبره شده (مانند آچار گشتاور) برای سفت کردن پیچ و مهره‌ها با گشتاور صحیح و به ترتیب مناسب.
•شناسایی و رفع نشتی: هرگونه نشتی از اتصالات فلنجی باید به سرعت شناسایی و برطرف شود.