طراحی سازه‌های پایپ رک در صنایع نفت و پتروشیمی

طراحی و ارزیابی سازه‌های پایپ رک در صنایع نفت و پتروشیمی

مقدمه

سازه‌های پایپ رک (Pipe Rack) به عنوان یکی از اجزای کلیدی در صنایع نفت و پتروشیمی، نقش حیاتی در نگهداری و انتقال لوله‌ها و تجهیزات ایفا می‌کنند. این سازه‌ها به دلیل ویژگی‌های خاص خود، نیازمند طراحی و ارزیابی دقیق هستند تا ایمنی و کارایی آن‌ها تضمین شود. در این مقاله، به بررسی جنبه‌های مختلف طراحی، چالش‌ها، توصیه‌ها و بارگذاری‌های مرتبط با سازه‌های پایپ رک می‌پردازیم.

1. اهمیت سازه‌های پایپ رک

1.1. کاربردهای صنعتی

• نقش اساسی در فرآیندها: سازه‌های پایپ رک به عنوان بستر اصلی برای نگهداری و پشتیبانی از لوله‌ها و تجهیزات در پالایشگاه‌ها و تأسیسات پتروشیمی عمل می‌کنند. این سازه‌ها امکان انتقال مواد مختلف از جمله مایعات، گازها و مواد شیمیایی را فراهم می‌آورند.
• تنوع در طراحی: این سازه‌ها می‌توانند به صورت افقی یا عمودی طراحی شوند و بسته به نوع فعالیت و نیازهای خاص هر پروژه، شکل و اندازه‌های مختلفی داشته باشند.

1.2. ساختار و مواد

– جنس سازه: معمولاً سازه‌های پایپ رک از فولاد یا بتن ساخته می‌شوند. فولاد به دلیل استحکام بالا و وزن سبک‌تر نسبت به بتن، انتخاب مطلوب‌تری است.
– نسبت طول به عرض: این سازه‌ها معمولاً دارای نسبت طول به عرض زیادی هستند که به استحکام و پایداری آن‌ها کمک می‌کند.

2. چالش‌های طراحی

2.1. عدم وجود آیین‌نامه‌های اختصاصی

یکی از چالش‌های اصلی در طراحی سازه‌های پایپ رک، عدم وجود آیین‌نامه‌های مشخص و جامع برای این نوع سازه‌ها است. بیشتر طراحی‌ها بر اساس آیین‌نامه‌های سازه‌های ساختمانی انجام می‌شود که ممکن است به نیازهای خاص پایپ رک‌ها پاسخ ندهد. این کمبود می‌تواند منجر به طراحی‌های ناکافی و حتی خطرناک شود. در پایپ رکها به علت نبود سقف و درنتیجه عدم وجود دیافراگم صلب در تراز طبقات، هریک از قابها در هنگام وقوع زلزله، رفتار تقریباً جداگانه ای خواهند داشت که این نیز به نوبه خود از دیگر تفاوتهای موجود میان سازه های پایپ رک ها و سازه های ساختمانی می باشد. به علت وجود همین رفتار جداگانه، باید تدابیری جهت به حداقل رساندن آسیب ها به تکیهگاه های لوله ها که در قابهای مختلف می باشند، اندیشیده شود و این خود یکی دیگر از نقاط ضعف استفاده از آئین نامه های ساختمانی در هنگام طراحی پایپ رک ها می باشد.

2.2. رفتار متفاوت بارهای وارده

بارهای وارده به پایپ رک‌ها شامل بارهای مرده، زنده، حرارتی و زلزله است. این بارها به طور متفاوتی بر سازه تأثیر می‌گذارند و نیاز به مدل‌سازی دقیق دارند. به عنوان مثال، بارهای حرارتی می‌توانند باعث انبساط و انقباض لوله‌ها شوند و در نتیجه تنش‌هایی را به سازه وارد کنند.

پایپ رکها سازه های طویلی می باشند که گاهی طول آنها به 2 کیلومتر میرسد. جهت عملکرد بهتر، این سازهها در طول های مشخص از هم جدا شده و به طول های کوچکتر تقسیم می شوند. همانگونه که اشاره گردید، عمده بارهای وارد بر پایپ رک ها، لوله های عبوری از روی آنها می باشند.

لازم است در ابتدای کار اطلاعات مورد نیاز ورودی از بخشهای مرتبط در اختیار طراح قرار گیرد . این اطلاعات شامل موارد زیر می باشند:

• بخش پایپینگ: هندسه پایپ رک با توجه به نیازهای بخش پایپینگ مبنی بر عبور لوله ها از روی آن، توسط این بخش مشخص می گردد. باید توجه گردد که محل قرارگیری بادبندهای افقی و قائم با بخش پایپینگ هماهنگ گردد تا با لوله های عبوری همپوشانی نداشته باشد. بارهای گسترده و متمرکز لوله ها و تجهیزات و محل قرارگیری و نیروهای انکر و گاید لوله ها نیز توسط این بخش ارائه می گردد.
• بخش مکانیک و ایمنی: محل قرارگیری تجهیزات و نیروهای وارد بر آن توسط این بخش ارائه میگردد. نواحی خطر آتش سوزی  بخشهایی از سازه که باید توسط تمهیداتی در مقابل آتش سوزی ایمن گردد نیز توسط این بخش ارائه میگردد.

2.3. کمانش جانبی-پیچشی

کمانش جانبی-پیچشی یکی از مشکلات رایج در تیرهای ورق است که در طراحی پایپ رک‌ها باید مورد توجه قرار گیرد. این پدیده می‌تواند منجر به شکست سازه شود و نیاز به طراحی دقیق و استفاده از مواد مناسب دارد.

3. توصیه‌های طراحی

مراحل مدلسازی سازه، مطابق سایر سازه ها انجام میگیرد و لازم است نکات پیشنهادی زیر رعایت گردد:

3.1. حداکثر طول مجاز

حداکثر طول مجاز برای هر بخش از سازه پایپ رک معمولاً 50 متر است تا از ایجاد تنش‌های اضافی جلوگیری شود. این امر به مهندسان کمک می‌کند تا از بروز مشکلاتی مانند کمانش و تغییر شکل‌های غیرمطلوب جلوگیری کنند.

3.2. استفاده از مهاربند

استفاده از مهاربندهای افقی و عمودی برای افزایش استحکام و پایداری سازه ضروری است. این مهاربندها می‌توانند از کمانش و تغییر شکل‌های غیرمطلوب جلوگیری کنند و به توزیع بارها کمک کنند.

3.3. طراحی قاب خمشی

طراحی قاب خمشی در راستای عرضی و مهاربندی در راستای طولی برای افزایش پایداری سازه پیشنهاد می‌شود. این نوع طراحی می‌تواند به کاهش تنش‌ها و افزایش مقاومت سازه کمک کند.

3.4. انتخاب مواد مناسب

انتخاب مواد مناسب برای ساخت سازه‌های پایپ رک از اهمیت بالایی برخوردار است. مواد باید دارای استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت انعطاف‌پذیری باشند تا بتوانند در شرایط مختلف عملکرد مناسبی داشته باشند.

4. بارگذاری

4.1. بارهای مرده و زنده

بارهای مرده شامل وزن خود سازه و بارهای زنده ناشی از تجهیزات و لوله‌ها هستند. این بارها باید به دقت محاسبه و در طراحی لحاظ شوند. همچنین، بارهای زنده ممکن است به طور موقت تغییر کنند، بنابراین باید به این نکته نیز توجه شود.

4.2. بارهای حرارتی

تغییرات دما می‌تواند بر روی لوله‌ها و تجهیزات تأثیر بگذارد و نیاز به طراحی مناسب برای جبران این تغییرات دارد. طراحی سیستم‌های انبساط و انقباض برای لوله‌ها ضروری است تا از تنش‌های اضافی جلوگیری شود.

4.3. نیروهای زلزله

نیروهای زلزله باید به طور جداگانه برای سازه پایپ رک و لوله‌ها محاسبه شوند. این بارها می‌توانند تأثیر زیادی بر پایداری سازه داشته باشند و باید در طراحی لحاظ شوند. استفاده از روش‌های تحلیلی و عددی برای ارزیابی رفتار سازه تحت بارهای زلزله توصیه می‌شود.

5. نتیجه‌گیری

با توجه به اهمیت سازه‌های پایپ رک و چالش‌های موجود در طراحی آن‌ها، تدوین آیین‌نامه‌ها و دستورالعمل‌های اختصاصی برای طراحی این سازه‌ها ضروری است. این اقدام می‌تواند به بهبود ایمنی و کارایی سازه‌های پایپ رک کمک کند و از بروز حوادث ناخواسته جلوگیری نماید. همچنین، توجه به انتخاب مواد مناسب و طراحی دقیق می‌تواند به افزایش عمر مفید این سازه‌ها کمک کند. شرکت بوذرجمهر به عنوان یکی از شرکت های دارای کارخانه تولید قطعات فلزی ، امکان طراحی ساخت و اجرا سازه های پایپ رک را دارد.

منابع

– Drake, R. M., Walter R. J., (2010). “Design of structural steel pipe racks”. Engineering Journal.
– Karimi, M., Hosseinzadeh, N., (2011) “Seismic evaluation of pipe rack supporting structures in a petrochemical complex in Iran”.
– American Institute for Steel Construction (AISC). (2006). Steel construction manual, 14th Ed., Chicago.
– ASCE (2005). ASCE/SEI 7-05 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures.
– Wey, E., Naqvi, D., Glasscock, D., Sepaha, A., (2011). “Analysis of Nonbuilding Structure Connected by Large diameter pipe while subjected to seismic”. ASCE.