ท่อจะยืดออกเสมอเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และหดตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง หากยึดท่อไว้แน่นโดยไม่ปล่อยให้การขยายตัวและหดตัวจากความร้อนนี้ได้ระบายออก จะเกิดความเค้น (stress) ขนาดใหญ่ที่ตัวท่อ จุดต่อของอุปกรณ์ และอุปกรณ์รองรับ ซึ่งเป็นสาเหตุของปัญหาอย่างการรั่วซึมและการแตกร้าว ข้อต่อขยายตัว (expansion joint) เป็นชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่ดูดซับการเคลื่อนตัวนี้ และในการเลือกใช้ หลักการพื้นฐานคือต้องพิจารณา “ทิศทางและปริมาณของการเคลื่อนตัวที่ต้องการดูดซับ” “เงื่อนไขของของไหล อุณหภูมิ และแรงดัน” และ “พื้นที่สำหรับติดตั้ง” หากคิดตามลำดับคือประเมินปริมาณการยืดตัวของท่อก่อน แล้วจึงเลือกแบบที่เหมาะสมกับปริมาณนั้น ก็จะลดความผิดพลาดลงได้
สาระสำคัญของบทความนี้
- การป้องกันปัญหาจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อนขึ้นอยู่กับ “การประเมินปริมาณการเคลื่อนตัว” และ “การเลือกใช้แบบให้เหมาะกับงาน”
- แบบหลัก ๆ ได้แก่ แบบเบลโลว์ (bellows) แบบสลีฟ (sleeve) เฟล็กซิเบิลจอยต์ (flexible joint) และบอลจอยต์ (ball joint) ซึ่งแต่ละแบบดูดซับการเคลื่อนตัวได้แตกต่างกัน
- หากไม่แน่ใจ ให้จัดระเบียบเงื่อนไขของระบบท่อ และใช้บริการปรึกษาด้านเทคนิคในขั้นตอนการเลือก ก็จะได้ผลที่แน่นอนยิ่งขึ้น
เหตุผลที่จำเป็นต้องมีข้อต่อขยายตัว และความแตกต่างของแต่ละแบบ
ท่อโลหะจะยืดหดประมาณ 0.01 มม. ต่อความยาว 1 ม. ต่อผลต่างอุณหภูมิ 1℃ (เป็นค่าประมาณที่แตกต่างกันตามวัสดุ) สำหรับท่อไอน้ำหรือท่อน้ำร้อนที่ยาวหลายสิบเมตร การเคลื่อนตัวหลายสิบมิลลิเมตรจากผลต่างของอุณหภูมิระหว่างช่วงเดินเครื่องกับช่วงหยุดเครื่องเพียงอย่างเดียวก็ไม่ใช่เรื่องแปลก หากดูดซับการเคลื่อนตัวนี้ไม่ได้ ก็จะนำไปสู่การคลายตัวของสลักเกลียวหน้าแปลน ความล้าของรอยเชื่อม และภาระที่มากเกินไปต่อหัวต่อ (nozzle) ของอุปกรณ์ ข้อต่อขยายตัวทำหน้าที่ควบคุมการเคลื่อนตัวนี้ให้อยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้ตามการออกแบบ
แบบหลัก ๆ และการเคลื่อนตัวที่แต่ละแบบถนัด
- แบบเบลโลว์ (bellows): ดูดซับการยืดหดในแนวแกนด้วยเบลโลว์ที่เป็นลอนพับ มีขนาดกะทัดรัดและตอบสนองได้ดี แต่จำเป็นต้องตรวจสอบเงื่อนไขสำหรับการเยื้องด้านข้างหรือแรงดันที่มากเกินไป
- แบบสลีฟ (แบบเลื่อน): ท่อในเลื่อนอยู่ภายในท่อนอกเพื่อดูดซับการเคลื่อนตัวในแนวแกน รองรับการยืดหดที่ค่อนข้างมากได้ง่าย แต่มีส่วนที่ปะเก็นเสียดสีอยู่ จึงต้องมีการตรวจสอบเป็นระยะเป็นเงื่อนไขพื้นฐาน
- เฟล็กซิเบิลจอยต์ (flexible joint): ดูดซับการสั่นสะเทือน การเคลื่อนตัวในแนวแกน และการเคลื่อนตัวด้านข้างเล็กน้อยด้วยท่ออ่อนที่ทำจากยางหรือโลหะ เหมาะกับการป้องกันการสั่นสะเทือนและการดูดซับการเยื้องศูนย์รอบ ๆ ปั๊ม
- บอลจอยต์ (ball joint): ดูดซับการเคลื่อนตัวเชิงมุม (การแกว่ง) ด้วยข้อต่อทรงกลม ใช้ในการออกแบบท่อที่รวมหลายตัวเข้าด้วยกันเพื่อระบายการเคลื่อนตัวในสามมิติ
แม้จะเป็น “การดูดซับการยืดหด” เหมือนกัน แต่แบบที่เหมาะสมจะเปลี่ยนไปตามว่าจะระบายการเคลื่อนตัวในแนวแกน แนวด้านข้าง หรือเชิงมุมเป็นหลัก จุดเริ่มต้นของการเลือกแบบคือการจัดระเบียบก่อนว่าการเคลื่อนตัวใดเป็นตัวหลักในระบบท่อ
เงื่อนไขที่ควรตรวจสอบในการเลือก
- ของไหล อุณหภูมิ และแรงดัน: ความเป็นไปได้ในการใช้งาน วัสดุ และวัสดุซีลจะเปลี่ยนไปตามไอน้ำ น้ำร้อนอุณหภูมิสูง สารเคมี ฯลฯ
- ปริมาณและทิศทางของการเคลื่อนตัวที่ต้องการดูดซับ: คำนวณปริมาณการยืดหดโดยประมาณ แล้วเลือกผลิตภัณฑ์ที่มีค่าการเคลื่อนตัวที่ยอมรับได้เผื่อไว้
- พื้นที่ติดตั้งและตำแหน่งของจุดรองรับแบบยึดตรึง: เพื่อให้ข้อต่อทำงานได้ผล จำเป็นต้องมีการจัดวางแองเคอร์ (จุดยึดตรึง) และไกด์ทั้งสองด้าน หากใส่เพียงข้อต่ออย่างเดียวโดยไม่มีการออกแบบการรองรับควบคู่กันไป ก็จะไม่ทำงาน
- ความสะดวกในการบำรุงรักษาและอายุการใช้งาน: ส่วนที่เสียดสีและเบลโลว์จะเกิดความล้าจากการเคลื่อนตัวซ้ำ ๆ จึงควรรวมความง่ายในการตรวจสอบและเปลี่ยนไว้ในเกณฑ์การเลือกด้วย
จุดที่ควรระวังซึ่งมักสะดุดในการเลือก
หากประเมินปริมาณการยืดหดต่ำเกินไป ข้อต่อจะเกิดการยันตัวจากการเคลื่อนตัวที่เกินคาด และกลับกลายเป็นภาระต่อท่อแทน ตัวอย่างเช่น มีกรณีที่เลือกแบบเบลโลว์โดยดูเฉพาะการยืดในแนวแกนของท่อไอน้ำที่ยาว แต่ในความเป็นจริงการเคลื่อนตัวจากความร้อนทำให้เกิดการเยื้องด้านข้างด้วย จึงเกิดความล้าที่กระจุกตัวอยู่ที่เบลโลว์ในเวลาอันสั้นและนำไปสู่การรั่วซึม ในกรณีเช่นนี้ มาตรการที่ได้ผลคือทบทวนให้เป็นโครงสร้างที่ดูดซับการเคลื่อนตัวด้านข้างได้ด้วย หรือใช้การรองรับและไกด์เพื่อจำกัดทิศทางการเคลื่อนตัว การพิจารณาทั้งระบบท่อโดยรวมที่รวมทั้งการรองรับแบบยึดตรึงและไกด์ ไม่ใช่แค่ตัวข้อต่ออย่างเดียว จึงเป็นทางลัดสู่การป้องกันปัญหา
คำถามที่พบบ่อย
Q1. ควรประเมินปริมาณการยืดหดอย่างไร
A1. สามารถคำนวณโดยประมาณได้จากความยาวท่อ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของวัสดุ และผลต่างอุณหภูมิระหว่างช่วงเดินเครื่องกับช่วงหยุดเครื่อง โดยทั่วไปจะกำหนดค่าการเคลื่อนตัวที่ยอมรับได้โดยเผื่อไว้ในด้านที่ปลอดภัย
Q2. จะเลือกใช้แบบเบลโลว์กับแบบสลีฟให้ต่างกันอย่างไร
A2. หากให้ความสำคัญกับความกะทัดรัดและการตอบสนอง แบบเบลโลว์เป็นตัวเลือก หากต้องรองรับการยืดหดในแนวแกนที่ค่อนข้างมาก แบบสลีฟเป็นตัวเลือก โดยพิจารณาความถี่ในการตรวจสอบและเงื่อนไขการติดตั้งประกอบกันด้วย
Q3. แบบใดเหมาะกับการรับมือการสั่นสะเทือนของปั๊ม
A3. โดยทั่วไปเฟล็กซิเบิลจอยต์เหมาะกับการป้องกันการสั่นสะเทือนและการดูดซับการเยื้องศูนย์ การเลือกจะเปลี่ยนไปตามแหล่งกำเนิดการสั่นสะเทือนและเงื่อนไขของท่อ
Q4. ถ้าใส่ข้อต่อแล้วไม่จำเป็นต้องมีการรองรับแบบยึดตรึงหรือไม่
A4. ไม่ใช่ ข้อต่อขยายตัวจะทำงานได้ตามที่ออกแบบก็ต่อเมื่อมีจุดยึดตรึง (แองเคอร์) และไกด์เท่านั้น จึงต้องพิจารณาควบคู่ไปกับการออกแบบการรองรับ
Q5. ใช้กับท่อกลางแจ้งหรือท่อสารเคมีได้หรือไม่
A5. จำเป็นต้องเลือกวัสดุและวัสดุซีลให้เหมาะกับของไหล อุณหภูมิ และสภาพแวดล้อม กรุณาจัดระเบียบเงื่อนไขแล้วตรวจสอบผลิตภัณฑ์ที่เข้ากันได้
Q6. มีเกณฑ์สำหรับการเปลี่ยนหรือไม่
A6. ส่วนที่เสียดสีและเบลโลว์จะเกิดความล้าจากการเคลื่อนตัวซ้ำ ๆ เนื่องจากมีความแตกต่างกันตามเงื่อนไขการเดินเครื่อง จึงขอแนะนำให้ตรวจสอบสภาพด้วยการตรวจเช็คเป็นระยะ
สรุป
การเลือกข้อต่อขยายตัวมีหลักพื้นฐานคือ ประเมินปริมาณการยืดหดของท่อ เลือกแบบที่เหมาะกับทิศทางการเคลื่อนตัวที่ต้องการดูดซับ (แบบเบลโลว์ แบบสลีฟ เฟล็กซิเบิลจอยต์ บอลจอยต์) แล้วออกแบบทั้งระบบท่อโดยรวมควบคู่ไปกับการรองรับแบบยึดตรึงและไกด์ การจัดระเบียบเงื่อนไข ไม่ใช่แค่ดูสเปกของตัวชิ้นส่วนอย่างเดียว จะช่วยป้องกันความผิดพลาดได้
หากท่านมีข้อกังวล เช่น “ไม่มั่นใจว่าคำนวณปริมาณการยืดหดของท่อได้ถูกต้องหรือไม่” “ดูเหมือนจะเกิดทั้งการเยื้องด้านข้างและการเคลื่อนตัวเชิงมุม ไม่ใช่แค่แนวแกน จึงลังเลว่าจะเลือกแบบไหน” หรือ “ต้องการเลือกผลิตภัณฑ์เทียบเท่ากับข้อต่อขยายตัวที่ติดตั้งอยู่เดิม” กรุณาใช้บริการปรึกษาด้านเทคนิคและการเลือกใช้ของ Yoshitake หากท่านแจ้งเงื่อนไขด้านของไหล อุณหภูมิ แรงดัน และการติดตั้ง เราจะช่วยพิจารณาแบบและสเปกที่เหมาะสมให้