لوله‌های فولادی یکی از پرکاربردترین مصالح در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاهی و حتی پروژه‌های ساختمانی هستند. مهم‌ترین ویژگی این لوله‌ها، توانایی تحمل فشار و حرارت بالا است که آن‌ها را برای انتقال سیالاتی مانند آب، بخار، نفت و گاز ایده‌آل می‌سازد. در هر پروژه صنعتی، انتخاب درست لوله بر اساس میزان فشار کاری و شرایط دمایی اهمیت حیاتی دارد؛ زیرا کوچک‌ترین خطا در محاسبه یا انتخاب می‌تواند منجر به ترکیدگی لوله، نشتی سیالات خطرناک و خسارت‌های سنگین شود.
به همین دلیل، مهندسان و طراحان برای انتخاب مناسب‌ترین لوله فولادی به سراغ جدول تحمل فشار می‌روند که اطلاعات لازم را درباره فشار قابل تحمل انواع لوله‌ها بر اساس قطر، ضخامت و جنس ارائه می‌دهد. علاوه بر جداول مرجع، روش‌های محاسباتی مانند فرمول بارلو نیز در تعیین فشار کاری مجاز کاربرد فراوانی دارند.
در این مقاله با اهمیت تحمل فشار و حرارت در لوله‌های فولادی آشنا می‌شویم، جدول تحمل فشار رایج‌ترین لوله‌ها را مرور می‌کنیم و در نهایت نحوه محاسبه دقیق فشار مجاز را به‌صورت فرمولی بررسی خواهیم کرد.
اهمیت تحمل فشار و حرارت لوله‌های فولادی
لوله‌های فولادی به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین اجزای سیستم‌های تأسیسات صنعتی، ساختمانی و خطوط انتقال، نقش کلیدی در تضمین ایمنی و کارایی پروژه‌ها دارند. مهم‌ترین فاکتور در انتخاب و به‌کارگیری این لوله‌ها، میزان تحمل فشار و حرارت آن‌هاست.
تحمل فشار به معنای توانایی لوله در مقابله با نیروی وارده از سمت سیال درون آن است. هرچه فشار کاری سیستم بالاتر باشد، نیاز به لوله‌ای با مقاومت مکانیکی و ساختاری بیشتر وجود دارد. برای مثال در خطوط انتقال نفت و گاز که فشارهای بالا و شرایط دمایی شدید وجود دارد، لوله فولادی باید دارای ضخامت و جنس مناسب باشد تا دچار شکست یا ترک نشود.
از سوی دیگر، دما نیز یکی دیگر از پارامترهای مؤثر در انتخاب لوله است. افزایش دما معمولاً باعث کاهش استحکام فولاد و در نتیجه کاهش تحمل فشار می‌شود. به همین دلیل در طراحی سیستم‌های صنعتی، همیشه محدوده دمای کاری و فشار کاری به‌طور همزمان بررسی می‌شوند.
فاکتورهای مؤثر بر تحمل فشار لوله فولادی
- جنس فولاد: فولاد کربنی، آلیاژی یا استنلس استیل هرکدام تحمل فشار متفاوتی دارند.
- ضخامت لوله (Schedule): هرچه ضخامت بیشتر باشد، توان تحمل فشار افزایش می‌یابد.
- قطر لوله: قطر بیشتر معمولاً باعث کاهش مقاومت در برابر فشار داخلی می‌شود.
- استاندارد تولید: استانداردهایی مانند ASTM, API و DIN مشخص‌کننده تست‌های مکانیکی و شیمیایی هستند.
- شرایط دمایی: افزایش دما باعث کاهش استحکام تسلیم فولاد می‌شود.
این عوامل در کنار هم تعیین می‌کنند که یک لوله فولادی در چه شرایطی قابل استفاده است و جدول‌های مرجع به مهندسان کمک می‌کنند تا در انتخاب لوله مناسب دچار خطا نشوند.
جدول تحمل فشار انواع لوله فولادی
در این بخش، یک جدول مرجع از تحمل فشار لوله‌های فولادی ارائه می‌شود که براساس قطر، ضخامت و کلاس فشار طراحی شده است.
| قطر بیرونی (mm) | قطر اسمی (NPS) | Schedule 160 (bar) | Schedule 80 (bar) | Schedule 40 (bar) |
|---|---|---|---|---|
| 21.3 | ½ اینچ | 156 | 110 | 84 |
| 33.4 | 1 اینچ | 137 | 83 | 52 |
| 60.3 | 2 اینچ | 109 | 61 | 34 |
| 88.9 | 3 اینچ | 90 | 50 | 27 |
| 114.3 | 4 اینچ | 78 | 43 | 24 |
| 168.3 | 6 اینچ | 63 | 35 | 20 |
| 219.1 | 8 اینچ | 51 | 29 | 17 |
| 273 | 10 اینچ | 47 | 26 | 15 |
| 323.8 | 12 اینچ | 43 | 24 | 14 |
لازم به ذکر است این جدول به‌طور نمونه برای انواع لوله‌های فولادی رایج تهیه شده است. مقادیر فشار براساس استانداردهای مرجع و شرایط کاری نرمال است و در پروژه‌های واقعی باید با استاندارد موردنظر (ASME B31.3, API 5L و غیره) تطبیق داده شود.
نحوه محاسبه تحمل فشار لوله
برای محاسبه تحمل فشار یک لوله فولادی، از فرمول بارلو استفاده می‌شود. این فرمول رابطه میان فشار داخلی، ضخامت دیواره، قطر لوله و استحکام ماده را مشخص می‌کند.
برای محاسبه فشار قابل تحمل لوله‌های فولادی از فرمول بارلو استفاده می‌شود:
P = (2 × t × S) / D
- P: فشار قابل تحمل (Bar یا MPa)
- t: ضخامت دیواره لوله (mm)
- S: استحکام تسلیم فولاد (MPa)
- D: قطر خارجی لوله (mm)
با این فرمول مهندسان می‌توانند به‌راحتی فشار مجاز هر لوله فولادی را بر اساس ابعاد و مشخصات متریال آن محاسبه کنند. مثال محاسباتی فرض کنید لوله‌ای با قطر خارجی 100 میلی‌متر، ضخامت دیواره 8 میلی‌متر و استحکام تسلیم 240 مگاپاسکال داریم. با قرار دادن در فرمول مشاهده می کنیم که این لوله قادر است حدود 384 بار فشار را تحمل کند. البته در طراحی واقعی باید ضریب اطمینان در نظر گرفته شود.
