บล็อก

แรงยึดตรึงจากสลักเกลียวฟลังค์มีผลต่อประสิทธิภาพการปิดผนึกอย่างไร

หลักฟิสิกส์ของการจัดวางก๊าสเก็ต: เหตุใดแรงโหลดขั้นต่ำของสลักเกลียวจึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้

การได้มาซึ่งการปิดผนึกที่ดีจากแผ่นฟลังเริ่มต้นจากการแน่ใจว่าเราใช้แรงยึดตรึงที่เพียงพอโดยการขันสลักเกลียวให้แน่นอย่างเหมาะสม เมื่อเราขันสลากเกลียวเหล่านี้แน่น มันจะบีบวัสดุปะเก็นที่อยู่ระหว่างพื้นผิวของฟลังทั้งสอง แรงอัดนี้จะเติมเต็มร่องรอยเล็กๆ บนพื้นผิวทั้งหมด และสร้างแนวป้องกันแรกจากการรั่วไหล ปริมาณแรงที่ใช้จำเป็นต้องมากพอที่จะเอาชนะทั้งแรงดันภายในที่ผลักให้ฟลังแยกออกจากกัน รวมถึงชดเชยการคลายตัวตามธรรมชาติของปะเก็นหลังจากถูกอัดตัว ปัญหาส่วนใหญ่เกิดจากการขันสลักเกลียวไม่เพียงพอ โดยงานวิจัยแสดงว่าประมาณ 73% ของการรั่วไหลทั้งหมดเกิดจากการอัดตัวปะเก็นไม่เหมาะสม ปะเก็นแต่ละชนิดต้องการแรงอัดต่างกันไป ขึ้นอยู่กับการออกแบบและระดับแรงดันที่ต้องเผชิญ ตัวอย่างเช่น ปะเก็นแบบก้นหอย (spiral wound gaskets) โดยทั่วไปต้องการแรงอัดมากกว่าปะเก็นวงแหวนโลหะตันประมาณครึ่งหนึ่ง เพื่อป้องกันไม่ให้ของไหลซึมผ่าน สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการคงแรงยึดตรึงไว้ตลอดระยะเวลานาน การตั้งค่าให้ถูกต้องในขณะติดตั้งเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ การปิดผนึกจะต้องยังคงมีประสิทธิภาพแม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงและแรงดันมีการผันผวนในช่วงการใช้งานปกติ

แรงบิดมากเกินไปหรือต่ำเกินไป: สาเหตุการรั่วไหลในสนามจริงตาม API RP 14E และ ASME PCC-1

ความเบี่ยงเบนของแรงบิดเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการรั่วไหลในสนาม โดย 68% เกิดจากการใช้แรงบิดที่ออกนอกช่วง ±15% ของค่าที่กำหนดไว้ API RP 14E และ ASME PCC-1 ระบุภาวะล้มเหลวที่สำคัญสามประการ:

ทั้งสองมาตรฐานกำหนดให้ต้องใช้เครื่องมือที่ได้รับการปรับเทียบและบุคลากรที่ผ่านการรับรอง เพื่อให้ได้ค่าแรงที่ต้องการภายในช่วงความคลาดเคลื่อนไม่เกิน 5% — โดยตระหนักว่าความแม่นยำในการควบคุมแรงบิดนั้นแยกจากความน่าเชื่อถือของการปิดผนึกไม่ได้

การเลือกระดับสลักเกลียวสำหรับหน้าแปลนให้เหมาะสมกับสภาพการใช้งานในท่อส่ง

ASTM A193 B7, B16, L7 และ B8M: การเลือกความแข็งแรง ความต้านทานการกัดกร่อน และความคงตัวทางความร้อนให้สอดคล้องกับสภาพแวดล้อมในการทำงาน

การเลือกวัสดุของสลักเกลียวให้เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของข้อต่อในระยะยาว ตัวอย่างเช่น สลักเกลียวเหล็กกล้าผสม ASTM A193 B7 มีความต้านทานแรงดึงสูงถึง 125 กิโลปอนด์ต่อตารางนิ้ว เหมาะสำหรับการใช้งานภายใต้แรงดันสูง แต่จะเริ่มเสื่อมสภาพเมื่ออุณหภูมิเกิน 400 องศาเซลเซียส และไม่ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีนัก สภาวะก๊าซเปรี้ยว (sour gas) มีความท้าทายที่แตกต่างออกไป โดยสลักเกลียว ASTM A193 L7 ที่มีโครงสร้างมาร์เทนไซต์แบบคืนตัว (tempered martensitic structure) จะสามารถต้านทานปัญหาการแตกร้าวจากความเครียดของซัลไฟด์ได้ดีกว่า สำหรับงานนอกชายฝั่งที่ต้องเผชิญกับคลอไรด์ในปริมาณมาก จำเป็นต้องใช้วัสดุที่ต่างออกไปโดยสิ้นเชิง เช่น สลากเกลียวสแตนเลส B8M ที่มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยมเนื่องจากมีโมลิบดีนัมซึ่งช่วยป้องกันการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (pitting) ส่วนในสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง เช่น ที่พบในโรงกลั่น ควรใช้สลักเกลียว B16 แทน ซึ่งตามมาตรฐาน ASME ปี 2022 ระบุว่า B16 สามารถรักษากำลังยึดตรึง (clamp load) ได้มากกว่า B7 ประมาณ 17 เปอร์เซ็นต์ที่อุณหภูมิราว 550 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ ข้อมูลอุตสาหกรรมยังชี้ให้เห็นถึงปัญหาที่น่ากังวลอีกประการหนึ่ง รายงานการกัดกร่อนจาก NACE ระบุว่า ปัญหาการรั่วซึมประมาณ 42% มาจากการใช้สลักเกลียวที่เกรดไม่เหมาะสม เราเคยพบกรณีที่ผู้ใช้ใส่สลักเกลียวเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาเข้าไปในทางเดินของของไหลที่มีความเป็นกรด จนนำไปสู่ปัญหาการเปราะตัวจากไฮโดรเจน (hydrogen embrittlement) ที่ร้ายแรงในเวลาต่อมา

เรขาคณิตและรูปแบบของสลักเกลียวแปลน: การประกันการกระจายแรงอย่างสม่ำเสมอ

สลักเกลียวสตัด เทียบกับ สลักเกลียวก๊อก เทียบกับ ชุดประกอบสองนัท—ผลกระทบต่อความซ้ำซากและความแข็งแรงในรอบการใช้งานสูง

รูปร่างของสกรูมีบทบาทสำคัญต่อการกระจายแรงยึดตรึงไปยังจอยกันรั่วได้อย่างไร สกรูแบบสตัด (Stud bolts) ซึ่งมีเกลียวที่ทั้งสองปลาย ช่วยให้การกระจายแรงตึงสม่ำเสมอมากขึ้น และช่วยป้องกันไม่ให้เกิดความเครียดสะสมที่จุดต่อแปลน ในทางกลับกัน สกรูแบบเทป (Tap bolts) มักก่อให้เกิดรูปแบบการรับน้ำหนักที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งอาจนำไปสู่จุดที่จอยกันรั่วถูกบีบอัดมากเกินไปหรือเสียรูปได้ เมื่อใช้งานกับอุปกรณ์ที่ต้องผ่านรอบการทำงานหลายครั้ง การใช้แป้นน็อตคู่ (double nuts) จะมีความสำคัญอย่างมาก เพราะช่วยป้องกันการเลื่อนตัวของเกลียวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงระหว่างการใช้งาน ตามมาตรฐานอุตสาหกรรม ASME PCC-1 การใช้สตัดโบลต์ร่วมกับลำดับการขันที่เหมาะสม จะทำให้ความแปรปรวนของแรงโหลดลดลงต่ำกว่า 15% ซึ่งถือเป็นการปรับปรุงที่สำคัญเมื่อเทียบกับระบบสกรูแบบเทป ที่โดยทั่วไปความแปรปรวนของแรงจะอยู่ในช่วง 25 ถึง 40% การเลือกใช้สกรูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นจะช่วยกระจายแรงดันได้สม่ำเสมอมากขึ้น และสตัดที่ยาวขึ้นก็สามารถทนต่อรอบความเครียดซ้ำๆ ได้ดีขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับข้อต่อที่ต้องรองรับรอบความดันมากกว่า 500 รอบอย่างสม่ำเสมอ

การเลือกขนาดสลักเกลียวแปลนตามข้อกำหนด: ชนิดตามมาตรฐาน ASME B16.5 ขนาด และเกรด

มาตรฐาน ASME B16.5 ไม่ใช่เพียงคำแนะนำเท่านั้น แต่เป็นข้อกำหนดพื้นฐานที่จำเป็นต่อการดำเนินงานอย่างปลอดภัยโดยไม่มีการรั่วซึม ซึ่งมาตรฐานนี้ครอบคลุมถึงสามปัจจัยหลักที่ไม่สามารถมองข้ามได้ ได้แก่ อัตราความดัน (class), มิติ (ขนาดและระยะยาว), และความแข็งแรงของวัสดุ (grade) ตัวอย่างเช่น แปลนชนิด Class 300 ที่ทำงานภายใต้ความดัน 500 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ที่อุณหภูมิประมาณ 400 องศาฟาเรนไฮต์ จะต้องใช้สลักเกลียวที่มีความแข็งแรงมากกว่าสลักเกลียวที่ใช้กับแปลนชนิด Class 150 เมื่อชิ้นส่วนไม่เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้อย่างเหมาะสม ปัญหาก็จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เช่น การกระจายแรงกดไม่สม่ำเสมอ ซึ่งจากรายงานอุตสาหกรรมล่าสุดระบุว่าเป็นสาเหตุของการรั่วซึมในท่อประมาณ 37% ด้วยเหตุนี้ วิศวกรที่มีความรอบคอบจึงมักตรวจสอบตัวเลขสำคัญทั้งสามตัวนี้ร่วมกันเสมอ ก่อนตัดสินใจเลือกและติดตั้งอุปกรณ์

1. ข้อกำหนดชนิด (Class) : ค่าความดันและอุณหภูมิที่กำหนด ซึ่งบ่งชี้ถึงความแข็งแรงขั้นต่ำของสลักเกลียว
2. ขนาด : ชุดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง/ความยาวที่รับประกันการยึดติดของเกลียวอย่างเต็มที่ และการยืดตัวที่เพียงพอ
3. ความเข้ากันได้ของเกรด : เอกสารรับรองวัสดุ (เช่น ASTM A193) ที่สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านการกัดกร่อน อุณหภูมิ และกลไก

แนวทางการปิดผนึกแบบสามส่วนพิจารณาสลักเกลียว จอยส์ และแผ่นแปลนมาร่วมกันเป็นส่วนหนึ่งของระบบใหญ่ โดยปัญหาที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนใดชิ้นหนึ่งสามารถทำให้ระบบทั้งหมดล้มเหลวได้ เครื่องมือซอฟต์แวร์ใหม่สำหรับการคำนวณขนาดสลักเกลียวในปัจจุบันมาพร้อมข้อมูล ASME B16.5 ในตัว ทำให้ช่างงานไม่จำเป็นต้องคำนวณด้วยตนเองอีกต่อไป ช่างเทคนิคภาคสนามรายงานว่าปัญหาเกี่ยวกับข้อต่อต่างๆ ลดลงประมาณ 23% นับตั้งแต่มีการใช้โซลูชันดิจิทัลเหล่านี้เมื่อปี 2022 และโปรดจำไว้ว่าควรตรวจสอบมาตรฐานเวอร์ชันปัจจุบันที่ใช้ได้ในขณะนี้ เพราะเมื่อปีที่แล้วในปี 2021 มีการเปลี่ยนแปลงสำคัญเกี่ยวกับโลหะผสมทนความร้อนสูง ซึ่งยังคงมีผู้คนจำนวนมากที่ยังไม่ทราบเวลาดำเนินการติดตั้ง

ระบบปิดผนึกสามส่วน: เหตุใดการเลือกสลักเกลียวหน้าแปลนจึงต้องสอดคล้องกับการออกแบบจี๊กและหน้าแปลน

ความสมบูรณ์ของท่อขึ้นอยู่กับการทำงานร่วมกันอย่างสอดคล้องของหน้าแปลน จี๊ก และสลักเกลียว การเลือกใช้ชิ้นส่วนที่ไม่เข้ากันระหว่างองค์ประกอบเหล่านี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ข้อต่อเสียหายอย่างรุนแรง ตัวอย่างเช่น จี๊กแบบก้นหอย (Spiral-wound gaskets) ต้องการแรงยึดสลักเกลียวต่ำกว่าจี๊ก RTJ ถึง 30–50% เพื่อให้สามารถนั่งตัวได้อย่างเหมาะสมโดยไม่ทำลายขดลวดโลหะ—ตามแนวทางของ ASME B16.20

จี๊กแบบก้นหอยเทียบกับจี๊ก RTJ: ประเภทของจี๊กกําหนดแรงยึดสลักเกลียวหน้าแปลนและระยะปลอดภัยจากการครากที่ต้องการอย่างไร

ปะเก็นแบบก้นหอยทำงานโดยการอัดวัสดุยืดหยุ่น เช่น กราไฟต์ ที่อยู่ภายในขดลวดโลหะ ปะเก็นประเภทนี้ทำงานดีที่สุดเมื่่อัดแรงในช่วงประมาณ 15,000 ถึง 30,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ช่วงแรงอัดนี้เหมาะสมเพื่อสร้างซีลที่ดี ในขณะยังคงรักษาความยืดหยุ่นของวัสดุเพียงพอเพื่อรักษาคุณสมบัติของมันตลอดอายิตการใช้งาน ส่วนใหญ่การออกแบบปะเก็นแบบก้นหอยสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิค่อนดี โดยทั่วมักคืนรูปประมาณ 15 เปอร์เซ็นหลังจากเกิดการขยายและหดตัว ในทางกลับกับปะเก็น RTJ ซึ่งต่างออกไปอย่างชัดเจน เนื่องต้องการแรงดันที่สูงมากกว่า เนื่องมันต้องบีบโลหะอ่อน เช่น อะลูมิเนียม หรือเหล็กอ่อน ลงเข้าไปในร่องของข้องู จึงต้องการแรงอย่างน้อย 40,000 psi จากสกรูที่ยึดยุดทั้งระบบ สิ่งที่เกิดขึ้นคือการสร้างซีลแบบสัมผาโลหะถาวรที่ไม่สามารถคืนรูปเลย ข้อเสีย? คือหากสกรูเหล่านี้ยืดเกินขีดจำกัด ทั้งระบบจะมีความเสี่ยงต่อการบิดเบี้ยวและล้มเหลวด้านหน้า

การเลือกสลักเกลียวต้องคำนึงถึงความแตกต่างพื้นฐานนี้: ระบบสปริล-วันด์ได้ประโยชน์จากสลักเกลียวที่มีความยืดหยุ่นสูงเพื่อรักษาน้ำหนักบรรทุกในช่วงที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ส่วนระบบอาร์ทีเจต้องการสลักเกลียวที่มีความต้านทานแรงดึงสูงเพื่อรักษากดดันจากการเปลี่ยนรูปอย่างรุนแรง ตามกรณีศึกษาของ ASME B31.3 การเลือกใช้สลักเกลียวที่ไม่เหมาะสมคิดเป็น 23% ของความล้มเหลวในการปิดผนึกในท่อส่งแรงดันสูง