Desain Pipa Aluminium: Paduan, Ketebalan Dinding, Standar

Pipa aluminium digunakan dalam penanganan fluida, rangka struktural, HVAC, sistem kelautan dan kriogenik karena menggabungkan kepadatan rendah, ketahanan terhadap korosi yang berguna, dan kemampuan kerja yang baik. Desain yang andal dimulai dari kondisi layanan: tekanan, suhu, fluida yang dibawa, lingkungan sekitar, dan metode penyambungan. Artikel ini menguraikan parameter yang menentukan dimensi desain pipa yang baik -, paduan, ketebalan dinding, pengendalian korosi, pengelasan dan standar yang harus dipenuhi.

Poin Penting

• Tentukan cakupan layanan terlebih dahulu: tekanan, suhu, cairan, dan lingkungan mendorong setiap pilihan ukuran, paduan, dan dinding hilir.
• Paduan mengikuti lingkungan: 6061-T6 untuk layanan tekanan struktural dan umum, 3003 dan 5052 untuk tugas keperluan umum, dan paduan 5xxx (5083, 5086, 5052) sebagai pilihan pertama untuk kontak dengan air laut.
• Ketebalan dinding untuk pipa dinding-tipis dihitung dengan persamaan tegangan hoop Barlow σ=P·D/(2t); kode desain kemudian mengubahnya menjadi basis tegangan-yang diijinkan dengan margin keamanan eksplisit.
• Desain korosi terutama merupakan isolasi galvanik: aluminium bersifat anodik terhadap baja, tembaga, dan baja tahan karat, sehingga flensa isolasi, gasket, dan pengencang berlapis mencegah serangan yang dipercepat pada sambungan.
• Pengelasan mengubah perilaku material: paduan 5xxx mudah dilas, sementara 6061 kehilangan temper T6 di zona yang terpengaruh panas, sehingga kekuatan zona las mengatur sambungan.
• Aluminium melemah seiring kenaikan suhu dan mempertahankan ketangguhannya pada suhu kriogenik - kedua arah harus tercermin dalam dasar desain.

1. Parameter Desain Inti

Setiap spesifikasi pipa aluminium dimulai dengan lima angka: diameter luar, ketebalan dinding, panjang, serta toleransi kelurusan dan ovalitas yang diperbolehkan oleh standar pemesanan. Ini mengikuti tugas - laju aliran yang memperbaiki lubang, tekanan memperbaiki dinding, dan tata letak memperbaiki panjangnya.

Rute produksi penting bagi biaya dan kinerja:

Pipa ekstrusi mulus- panas diekstrusi dari billet tanpa las memanjang; rute umum untuk pipa tekanan, disuplai ke ASTM B241.

Tabung-yang ditarik dingin- digambar setelah ekstrusi untuk toleransi yang lebih ketat, dinding yang lebih tipis, dan permukaan akhir yang lebih baik; dipasok ke ASTM B210 atau GB/T 6893.

Pipa yang dilas- dibentuk dari strip dan dilas; ekonomis untuk diameter lebih besar dan dinding tipis, dengan kekuatan bergantung pada integritas las dan paduan.

Untuk tugas struktural, ketebalan dinding sering kali ditentukan oleh tekuk dan kekakuan daripada tekanan; untuk tugas fluida diatur oleh tekanan, yang dibahas dalam Bagian 3.

2. Pemilihan Paduan

Paduan dan temper memperbaiki kekuatan, kinerja korosi, dan kemampuan las pipa. Tabel di bawah mencantumkan paduan yang paling umum digunakan untuk pipa aluminium, dengan kekuatan luluh minimum tipikal untuk bentuk pipa dan tabung sesuai ASTM B241 / ASTM B210.

Nilai adalah nilai minimum tipikal untuk bentuk pipa dan tabung sebagaimana dipublikasikan dalam ASTM B241 dan ASTM B210; pastikan angka pastinya dengan standar yang berlaku untuk temper dan ukuran yang dipesan. GB/T 4437.1 dan GB/T 6893 masing-masing mengatur tabung yang diekstrusi dan ditarik dingin di pasar Tiongkok.

Aturan praktisnya: jika pipa menyentuh air laut, tentukan paduan 5xxx (5083, 5086, atau 5052). 6061-T6 menawarkan kekuatan dan kemampuan mesin yang baik, namun ketahanan korosinya di lingkungan salin lebih rendah daripada seri 5xxx, dan paduan 2xxx / 7xxx memiliki ketahanan korosi yang buruk dan tidak ditentukan untuk layanan kelautan atau kimia umum.

3. Desain Tekanan dan Ketebalan Dinding

Untuk pipa-berdinding tipis - diameter luar dibagi ketebalan dinding 10 atau lebih - tegangan lingkaran yang disebabkan oleh tekanan internal dihitung dengan persamaan Barlow:

σ = P × D / (2 × t)

Di manaσ= tegangan lingkaran (MPa),P= tekanan pengukur internal (MPa),D= diameter luar (mm),t= ketebalan dinding (mm).

Disusun ulang untuk ketebalan dinding desain:

t = P × D / (2 × S)

Di manaSadalah tegangan ijin yang ditetapkan oleh kode desain. ASME B31.3, misalnya, mengukur proses pemipaan dari basis tegangan ijin -, ekspresi lengkapnya adalah t=P·D / [2(S·E + P·Y)], dengan E adalah efisiensi sambungan dan Y adalah koefisien yang bergantung pada suhu- dan bukan dari faktor keamanan menyeluruh. Untuk material nonferrous, kode ini menurunkan tegangan ijin sebagai nilai yang lebih kecil yaitu sekitar sepertiga kekuatan tarik (tarik/3,5) atau dua pertiga kekuatan luluh (hasil/1,5). Oleh karena itu, margin terhadap imbal hasil dicantumkan secara eksplisit dalam penghitungan dan bukan diterapkan sebagai pengganda tetap.

Contoh yang berhasil.Pipa 6061-T6 dengan diameter luar 50 mm untuk tekanan desain 10 MPa. Berdasarkan ASTM B241, kekuatan tarik dan luluh minimum umumnya adalah 290 MPa dan 240 MPa, sehingga tegangan ijin gaya B31.3 lebih rendah antara 290/3,5 ≈ 83 MPa dan 240/1.5=160 MPa, yakni S ≈ 83 MPa. Dinding yang diperlukan: t=10 × 50 / (2 × 83) ≈ 3,0 mm. Tegangan lingkaran yang sesuai pada 10 MPa adalah 83 MPa, dan margin terhadap kekuatan luluh 240 MPa adalah 240/83 ≈ 2,9. Contoh ini mengilustrasikan metodenya; desain produksi harus menggunakan kode tegangan ijin untuk suhu operasi aktual dan juga harus memeriksa tekanan eksternal, tekukan, kelelahan, dan tekuk.

Untuk pipa berdinding-tebal (D/t di bawah 10), persamaan Lame atau analisis elemen hingga lebih akurat dibandingkan Barlow. FEA juga merupakan alat praktis untuk beban siklik: batas kelelahan yang diperbolehkan untuk aluminium dipublikasikan dalam kode desain dan data kelelahan paduan, sehingga desain harus didasarkan pada nilai-nilai tersebut dan bukan pada jumlah siklus yang diasumsikan.

4. Desain Korosi

Aluminium melindungi dirinya dengan lapisan oksida alami yang cepat berubah ketika rusak di sebagian besar atmosfer. Dua tugas desainnya adalah menjaga film tersebut tetap utuh dan menghindari kondisi yang menyerangnya.

4.1 Korosi galvanik

Dalam pasangan bimetal, aluminium bersifat anodik terhadap baja, tembaga, kuningan, dan baja tahan karat. Jika kedua logam bersentuhan dengan adanya elektrolit, aluminium akan lebih cepat terkorosi. Penanggulangan standar:

Kit flensa isolasi dan-gasket nonlogam yang memutus kontinuitas listrik pada sambungan baut.

Pengencang berlapis atau-logam, dengan ring di bawah baut baja.

Tidak boleh-benang atau alat kelengkapan berbahan dasar tembaga yang bersentuhan langsung dengan aluminium.

Sambungan dirancang untuk drainase dan ventilasi sehingga kelembapan tidak terkumpul.

4.2 Air laut dan paparan bahan kimia

Untuk kontak langsung dengan air laut, seri 5xxx (5083, 5086, 5052) adalah pilihan yang tepat. 6paduan xxx terkadang digunakan dalam struktur laut dengan tindakan perlindungan, namun paduan ini bukan pilihan pertama untuk perendaman di air asin. Jika lingkungannya agresif, anodisasi (biasanya ketebalan lapisan 10–25 µm per ISO 7599) atau lapisan organik menambah penghalang, dan kompatibilitas pipa dengan cairan yang diangkut harus selalu dikonfirmasi sebelum spesifikasi.

5. Sambungan dan Pengelasan

5.1 Pengelasan

Paduan 5xxx (5083, 5086, 5052) dapat dilas dengan baik dengan pengisi yang cocok - misalnya ER5356 atau ER5183 untuk 5083 per AWS D1.2 - dan menjaga kinerja korosinya pada sambungan.

6061 dapat dilas dengan pengisi ER4043 atau ER5356 sesuai AWS D1.2, namun zona yang terpengaruh panas kehilangan temper T6: kekuatan lokal di zona las turun ke tingkat anil, sehingga sambungan harus dirancang berdasarkan kekuatan zona las, bukan kekuatan logam induk.

Paduan 2xxx umumnya tidak direkomendasikan untuk layanan struktural yang dilas.

5.2 Flensa, fitting dan sambungan

Sambungan flensa untuk pipa aluminium biasanya menggunakan flensa aluminium yang dianodisasi atau dilapisi dengan gasket non-logam, ditambah kit isolasi yang menghubungkan saluran ke baja. Sambungan berulir dimungkinkan pada dinding yang lebih tebal tetapi bentuk dan kedalaman ulir harus mengikuti standar pipa; untuk layanan tekanan sebagian besar desainer lebih memilih sambungan las atau flensa daripada ulir.

6. Pengaruh Suhu

Suhu mempengaruhi aluminium dalam dua arah yang berlawanan, dan keduanya penting.

Suhu tinggi:kekuatan dan tegangan ijin turun seiring dengan naiknya suhu. Paduan-pengerasan curah hujan seperti 6061-T6 juga dapat mengalami penuaan berlebih jika disimpan dalam jangka waktu lama di atas sekitar 150–200 derajat , sehingga servis panas terus-menerus memerlukan pengurangan tegangan ijin dari data material dalam kode desain, dan temper setelah servis harus diverifikasi jika penuaan merupakan risikonya.

Suhu kriogenik:tidak seperti baja karbon, aluminium tidak menunjukkan transisi-ke-rapuh; ketangguhan impak dipertahankan pada suhu rendah, itulah sebabnya aluminium ditentukan untuk layanan LNG (−162 derajat ), oksigen cair (−183 derajat ) dan nitrogen cair (−196 derajat ). Klaim tentang suhu ekstrem seperti −269 derajat harus dibandingkan dengan data paduan tertentu, bukan asumsi, dan jalur tersebut masih memerlukan insulasi yang tepat - konduktivitas termal aluminium yang tinggi (kira-kira 130–220 W/m·K bergantung pada paduannya) meningkatkan masuknya panas ke jalur dingin, sehingga desain insulasi adalah bagian dari paket.

7. Pemesanan dan Standar

Letakkan standar di setiap baris pesanan. Untuk pipa seamless, ASTM B241 (pipa seamless-paduan aluminium dan aluminium) adalah referensi umum; untuk tabung tarik, berlaku ASTM B210 (tabung mulus yang ditarik dari aluminium dan aluminium-paduan). Di pasar Tiongkok, GB/T 4437.1 mencakup tabung ekstrusi paduan aluminium dan GB/T 6893 mencakup tabung tarik dingin-paduan aluminium. Pembeli Eropa biasanya memesan EN 755 untuk batang, batang, tabung, dan profil yang diekstrusi. Garis pesanan lengkap menyatakan: paduan, temper, diameter luar, ketebalan dinding, panjang, standar, permukaan akhir, dan kuantitas - standar tersebut kemudian menentukan kimia, toleransi dimensi, verifikasi temper, dan persyaratan pengujian.

Pipa aluminium bundar dalam penyelesaian pabrik, tipikal stok ekstrusi untuk layanan struktural dan tekanan.

Sampel tabung aluminium dengan ujung potongan polos; ketebalan dinding dan penyelesaian lubang terlihat di bagian tersebut.

Stok pipa aluminium sebelum dipotong menjadi paduan panjang -, ukuran dan temper dikonfirmasi berdasarkan pesanan sebelum diproses.

Pertanyaan Umum

Apa rumus Barlow dan bagaimana cara menggunakannya untuk ketebalan dinding?

Persamaan tegangan hoop Barlow σ=P·D/(2t) menghubungkan tekanan internal dengan tegangan dinding pada pipa-dinding tipis. Disusun ulang menjadi t=P·D/(2S), maka diperoleh ketebalan dinding untuk tegangan ijin S yang diambil dari kode desain. Ini mengasumsikan D/t Lebih besar dari atau sama dengan 10; untuk dinding yang lebih tebal, persamaan Lame atau FEA lebih akurat.

Paduan aluminium mana yang terbaik untuk layanan air laut?

Seri 5xxx - 5083, 5086 dan 5052 - adalah pilihan tepat untuk kontak langsung dengan air laut, menggabungkan ketahanan terhadap korosi dengan kekuatan dan kemampuan las. 6061 dapat muncul pada struktur laut dengan tindakan perlindungan, namun ini bukan pilihan pertama untuk perendaman.

Bisakah pipa aluminium dilas?

Ya. 5paduan xxx mudah dilas dengan bahan pengisi yang cocok. 6061 dapat dilas dengan baik namun kehilangan temper T6 di zona yang terpengaruh panas, sehingga sambungan harus dirancang berdasarkan kekuatan zona las. AWS D1.2 mencakup desain dan pemilihan pengisi untuk struktur aluminium.

Bagaimana cara mencegah korosi galvanik antara aluminium dan baja?

Jaga agar kedua logam tetap terisolasi secara elektrik sehingga aluminium tidak bertindak sebagai anoda korban: kit flensa isolasi, gasket non-logam, pengencang berlapis, dan drainase sambungan semuanya memutus jalur listrik dan elektrolit.

Standar apa yang mencakup pipa aluminium?

ASTM B241 untuk pipa tanpa sambungan, ASTM B210 untuk tabung tarik, GB/T 4437.1 untuk tabung ekstrusi dan GB/T 6893 untuk tabung tarik dingin-di pasar Tiongkok, dan EN 755 untuk pesanan Eropa. Standar ini mendefinisikan persyaratan kimia, toleransi, temper dan pengujian.

Apakah suhu membatasi servis pipa aluminium?

Pada suhu tinggi, tegangan ijin turun dan paduan 6xxx berisiko-penuaan, sehingga servis berkelanjutan biasanya dibatasi jauh di bawah 200 derajat untuk suhu struktural. Pada suhu kriogenik, aluminium mempertahankan ketangguhannya, itulah sebabnya aluminium digunakan untuk jalur LNG dan oksigen cair.