پایپ رک (Pipe Rack) سازه ای است که به عنوان ساپورت تاسیسات یا نگهدارنده خطوط انتقال در پالایشگاه ها، کارخانه ها، نیروگاه ها و سایر تاسیسات صنعتی برای انتقال لوله ها و سینی کابل ها ساخته می شود. پایپ رک ها به صورت فولادی یا بتنی عموما در چند طبقه طراحی می شوند و باید علاوه بر بار تاسیساتی که روی آن قرار می گیرد، بارهای دینامیکی مانند باد و زلزله را نیز تحمل کنند. همچنین پایپ رک باید برای تحمل بارهای دینامیکی لوله شامل انبساط و انقباض لوله و سایر بارهای دینامیکی لوله طراحی شود.

تعریف پایپ رک (Pipe Rack)

همانطور که اشاره شد پایپ رک در واقع سازه ای است که به عنوان ساپورت تاسیسات در خطوط انتقال لوله و سینی کابل در ساختمان های صنعتی ساخته می شود. سازه پایپ رک شامل مجموعه ای از المان های افقی و عمودی و مورب است که به صورت قاب خمشی یا قاب های مهاربندی شده به یکدیگر متصل می گردند. پایپ رک در واقع شریان اصلی در نیروگاه ها یا پلایشگاه ها و تاسیسات صنعتی می باشد.

تحلیل تنش (Stress Analysis)

معیارهای طراحی

قبل از طراحی پایپ رک، تحلیل تنش و محاسبات خطوط لوله بر اساس بارهای وارده، انبساط و انقباض لوله ها در اثر تغییرات حرارتی و انتخاب نوع ساپورت بایستی بر اساس استانداردهای زیر انجام گیرد:

ASME B 31.3 (Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping)

ASME B 31.1 (Power Piping)

API Standard 610 (Centrifugal Pumps for General Refinery Services)

API Standard 617 (Centrifugal Compressors for General Refinery Services)

NEMA Standard (Turbines for Mechanical Drive Service)

بارهای اعمالی روی خطوط لوله شامل موارد زیر می باشد:

• وزن لوله ها با سیالات داخل آن ها، سینی کابل ها و کابل های موجود
• وزن تجهیزات نصب شده در مسیر خط لوله
• وزن عایق و لوازم جانبی
• بار زلزله و باد
• بارهای دینامیکی ناشی از حرکت سیال

همچنین لرزه گیرهای فنری (Spring Hanger) و لاستیکی و درز انبساط (Expansion Joint) در نقاط مختلف خط لوله بایستی توسط مهندس پایپینگ طراحی گردد. با توجه به تغییرات طولی لوله به دلیل تغییرات درجه حرارت سیالات لازم است تمهیدات لازم بر روی تکیه گاه های لوله روی ساپورت ها در نظر گرفته شود. لازم به ذکر است نیروهای وارد بر ساپورت وابسته به ضریب اصطکاک سطوحی که در تماس هستند بستگی دارد که به شکل زیر در نظر گرفته می‌شوند:

ضریب اصطکاک آهن به آهن : 0.3

ضریب اصطکاک تفلون (PTFE) به آهن : 0.18

ضریب اصطکاک آهن به بتن : 0.5

ضریب اصطکاک فولاد ضد زنگ به تفلون : 0.1

با توجه به موارد فوق بدیهی است که توصیه می‌شود از تفلون برای نشیمن لوله بر روی ساپورت استفاده گردد.

تغییر طول لوله ها طبق رابطه زیر محاسبه می‌گردد:

ΔL=L.α.ΔT

که در آن :

L : طول آزاد لوله بین دو درز انبساط یا لوپ انبساطی (Expansion Loop)

α : ضریب انبساط حرارتی لوله بر اساس جنس آن

ΔT : حداکثر تغییرات درجه حرارت سیال داخل لوله در زمان بهره برداری

با توجه به موارد فوق بدیهی است که توصیه می‌شود از تفلون برای نشیمن لوله بر روی ساپورت استفاده گردد.

با توجه به موارد فوق طراحی خط لوله در نرم افزارهایی مانند PDMS یا CAESAR II توسط مهندس پایپینگ انجام می‌گردد و نیروهای تکیه گاهی از آن استخراج می‌گردد تا در طراحی سازه پایپ رک توسط مهندس سازه مورد استفاده قرار گیرد.

بار زلزله نیز لازم است بر اساس آیین نامه 2800 محاسبه گردد و محاسبات لرزه‌ای به منظور براورد بارهای جانبی لحاظ گردد.

بارهای دینامیکی وارد بر لوله شامل موارد زیر می‌باشد:

• نیروی ناشی از فشار لوله (Pressure Thrust)
• 
• نیروی ناشی از تغییر طول لوله (Elongation Force)
• 

c :  ضریب فنریت محوری لوله (N/mm)

• نیروی ناشی از اصطکاک لوله (Friction Force)
• 

μ :  ضریب اصطکاک

M : وزن لوله روی ساپورت

L : طول لوله

• نیروی ناشی از چرخش سیال در لوله (Centrifugal Force)
• 

ρ : چگالی سیال (kg/m³)

v : سرعت سیال (m/s)

β : زاویه زانویی لوله

فواصل پایپ رک ها (Spacings)

فواصل پایپ رک ها لازم است بر اساس سایز کوچکترین لوله بر اساس استاندارد DIN EN در نظر گرفته شود.

جمع بندی

پایپ رک ها به عنوان شریان حیاتی در زیرساخت های صنعتی به عنوان ساپورت صنعتی به شمار می‌روند که در واقع سازه‌های فولادی یا بتنی هستند که برای تحمل بارهای لوله‌ها و کابل‌های انتقال نیرو طراحی و ساخته می‌گردند. سازه پایپ رک لازم است بر اساس تحلیل تنش لوله‌ها و با در نظر گرفتن کلیه بارهای دینامیکی و استاتیکی موجود روی خطوط انتقال طراحی گردد. برای اطلاعات بیشتر در این خصوص پیشنهاد می‌گردد به منابع مربوط به مهندسی پایپینگ مراجعه گردد.