ท่อ - Pipe - Tube MO Memoir : Wednesday 29 May 2556

คำว่า pipe และ tube ในภาษาอังกฤษ ถ้าแปลเป็นไทยก็คือ "ท่อ" และในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะท่อที่ทำจากโลหะ
 

ในทางวิศวกรรม pipe และ tube นั้นแม้ว่าจะเป็นท่อ แต่ก็สร้างขึ้นตามข้อกำหนดที่แตกต่างกัน มันมีความแตกต่างกันอยู่ ไม่ว่าจะเป็นในส่วนของการผลิต การระบุขนาด วิธีการเชื่อมต่อ ฯลฯ

tube นั้นผลิตขึ้นโดยมีข้อกำหนดเรื่องความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดมากกว่า pipe และตัว tube เองก็จะมีความอ่อนตัวมากกว่า pipe ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปรกติที่เราจะทำการดัด tube ให้โค้งเพื่อเปลี่ยนทิศทางการวางท่อได้โดยไม่จำเป็นต้องมีการใช้ข้องอหรือข้อต่อโค้งต่าง ๆ ช่วย 
   

ตัวอย่างการใช้ tube ที่เห็นได้ชัดตามบ้านเรือนคือท่อน้ำยาแอร์ จะเห็นว่าช่างสามารถดัดท่อทองแดงดังกล่าวให้โค้งไปมาตามแนวผนังอาคารได้โดยไม่ต้องใช้ข้อต่อช่วย ท่อแก๊ส CNG ในรถยนต์ที่เคยเห็นก็ใช้ tube ทำจาก stainless สำหรับ pipe ถ้าถามว่าสามารถดัดมันให้โค้งได้ไหม คำตอบก็คือพอทำได้เช่นท่อไอเสียรถยนต์ที่ทำจากท่อผนังบาง แต่รัศมีความโค้งต้องมากหน่อย แต่โดยปรกติก็จะไม่ทำกัน จะนิยมใช้ข้องอแบบต่าง ๆ ช่วยในการเปลี่ยนทิศทางการวางท่อมากกว่า เช่นท่อประปาที่เป็นท่อผนังหนา

การระบุขนาดนั้นถ้าเป็น tube จะใช้ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (Outside diameter - OD) และความหนา กล่าวคือถ้าบอกว่า tube ขนาด 1/2 นิ้ว ถ้าเอาเวอร์เนียร์มาวัด OD ของ tube นี้ก็จะได้ 1/2 นิ้ว ส่วนจะมีความหนาเท่าไรนั้นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง ขึ้นอยู่กับว่าจะให้มันรับความดันเท่าใดที่อุณหภูมิเท่าใด การระบุความหนาของ tube จะระบุไปเลยว่าหนากี่นิ้วหรือกี่มิลลิเมตร ตัวอย่างขนาด tube และความหนาดูได้จากรูปที่ ๑

การระบุขนาดของ pipe นั้นจะใช้ Nominal pipe size (NPS) ตัวเลขนี้มักทำให้ใครหลายต่อหลายคนสับสน
 

ค่า NPS เป็นค่าประมาณของเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (Inside diameter - ID) ของ pipe ที่ผนังท่อมีความหนามาตรฐาน (Schedule number 40 เดี๋ยวจะอธิบายอีกทีว่ามันคืออะไร) ค่า ID = OD - (2 x t) เมื่อ t คือความหนาของผนังท่อ ถ้าลองเอาตัวเลขขนาด NPS ของ pipe ในรูปที่ 2 มาคำนวณดูโดยใช้ช่องความหนาตรงช่อง Schedule 40 หรือ 40S/STD สำหรับ pipe ขนาด NPS ตั้งแต่ 1 ถึง 12 นิ้วก็จะพบว่าเป็นไปตามนี้ สำหรับ pipe ขนาดตั้งแต่ 14 นิ้วขึ้นไป ตัวเลข NPS จะเท่ากับขนาด OD ของ pipe นั้น
 

การระบุความหนาของ pipe นั้นไม่ได้บอกออกมาตรง ๆ แต่จะใช้ตัวเลขที่เรียกว่า Schedule number (Sch. no.) ค่า Schedule number คือค่าประมาณที่คำนวณได้จากสมการ

Sch. no. = 1000(P/S)

เมื่อ P = ความดันใช้งานภายใน (internal working pressure หน่วยเป็นแรงต่อพื้นที่ เช่น psig kg/cm²g)

S = ความเค้นสูงสุดที่ยอมให้ได้สำหรับวัสดุที่ใช้ทำ ณ ภาวะที่ใช้งาน (allowable stress for the material of construction at the conditions of use มีหน่วยเดียวกันค่า P 

รูปที่ ๑ ตารางแสดงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและความหนาของ tube (จากคู่มือของ Swagelok) พึงสังเกตอย่างหนึ่งนะว่าไม่มีการผลิต tube ขนาดใหญ่มากเหมือน pipe (ขนาด pipe ดูในรูปที่ ๒ ถัดไป)

รูปที่ ๒ ตารางขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของ steel pipe ขนาดต่าง ๆ และน้ำหนักต่อหน่วยความยาว จะเห็นว่าสำหรับ pipe ขนาด OD ตั้งแต่ 14 นิ้วขึ้นไป ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกจะเท่ากับขนาดท่อที่เรียก แต่สำหรับ pipe ขนาดตั้งแต่ 12 นิ้วลงมา ขนาด OD จะใหญ่กว่าขนาดท่อที่เรียก แต่ขนาดท่อที่เรียกนั้นจะประมาณใกล้เคียงกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (ID) ของท่อที่มีความหนา Sch. 40 (ID = OD - (2 x ความหนา)) ยกเว้นพวก pipe ขนาดเล็กกว่า 2 นิ้ว จะมีความแตกต่างกันมากหน่อย

ตามมาตรฐาน ANSI (The American National Standards Institute) แบ่ง Sch. no. เอาไว้ 11 ค่าด้วยกันคือ 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, และ 160
  

ที่ผมเคยเจอนั้นสำหรับท่อที่ไม่ได้มีขนาดใหญ่มากส่วนใหญ่จะเริ่มใช้ที่ Sch. no. 40 (บางทีเขาเรียกท่อสเก็ต 40) แม้ว่าจะสามารถใช้ท่อที่บางกว่านี้ได้ก็ตาม และถ้าต้องรับความดันมากขึ้นก็จะขยับไปใช้ท่อที่ Sch. no. 80 หรือ 160 เลย เหตุผลหนึ่งก็เป็นเพราะจะได้ลดความวุ่นวายในการก่อสร้างและเก็บสำรอง
  

ชื่อเดิมสำหรับท่อที่มีความหนา Sch. no. 40 คือ "standard" สำหรับท่อที่มีความหนา Sch. no. 80 จะเรียกว่า "strong" และสำหรับท่อที่มีความหนา Sch. no. 160 จะเรียกว่า "extra strong"

ข้อต่อของ pipe และ tube นั้นมีทั้งที่เหมือนกัน (เช่นเชื่อม หน้าแปลน) และที่แตกต่างกัน แต่โดยทั่วไปแล้วข้อต่อของ tube จะไม่ไปยุ่งอะไรกับผนังของ tube มากนั้น เราพอจะประมาณได้ว่าความหนาของผนังท่อที่ทำหน้าที่รับแรงก็คือความหนาของ tube นั่นเอง แต่สำหรับ pipe นั้นถ้ามีการใช้ข้อต่อเกลียว ที่ตัวข้อต่อเป็นเกลียวตัวเมีย และต้องมาขึ้นรูปเกลียวตัวผู้บนตัว pipe การขึ้นรูปเกลียวตัวผู้จะทำให้ผนังของ pipe บางลงตรงตำแหน่งร่องเกลียว ดังนั้นความหนาของผนังตรงตำแหน่งร่องเกลียวนี้จะเป็นตัวกำหนดว่า pipe นั้นจะรับความดันได้ไม่เกินเท่าใด (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ ในกรณีของ pipe ถ้าใช้ข่อต่อเกลียว จะมีการทำเกลียวบนผิวนอกของ pipe ความหนาของผนัง pipe ส่วนที่รับความดันนั้นต้องหักความลึกของเกลียวออกไปก่อน ดังนั้นความหนาที่เป็นตัวกำหนดความดันที่รับได้จะน้อยกว่าความหนาที่แท้จริงของ pipe

สำหรับผู้ที่ผ่านวิชา mechanics of materials มาแล้วคงจะได้เรียนมาแล้วว่าเวลาที่ภาชนะทรงกระบอกนั้นต้องรับความดัน จะเกิดความเค้น (stress) บนพื้นผิวในสองทิศทางด้วยกัน คือในทิศทางเส้นรอบวงหรือที่เรียกว่า Hoop stress และในทิศทางความยาวหรือที่เรียกว่า Longitudinal stress ที่ค่าความดันภายในใด ๆ นั้น Hoop stress จะมีค่าเป็นสองเท่าของค่า Longitudinal stress ดังนั้นถ้าภาชนะทรงกระบอก (เช่นท่อ) รับความดันไม่ได้ ผนังก็จะฉีกออกตามแนวยาวก่อน (เพราะ Hoop stress ดึงให้ผนังแยกออกจากกัน) ไม่ได้ขาดเป็นสองท่อนออกจากกันตามแนวเส้นรอบวง
 

รอยเชื่อมนั้นจะมีความแข็งแรงต่ำกว่าผิวโลหะปรกติ ดังนั้นถ้าต้องการรับความดันสูงก็มักจะใช้ท่อที่ไม่มีรอยเชื่อมที่เรียกว่า seamless ที่จะรับความดันได้ดีกว่าท่อที่ขึ้นรูปจากการนำเอาแผ่นโลหะมาม้วนเป็นรูปท่อแล้วใช้การเชื่อมไฟฟ้าเชื่อมต่อรอยชนของแผ่นโลหะนั้น

รูปที่ ๔ ความเค้นที่เกิดขึ้นในภาชนะทรงกระบอกเมื่อมีความดันอยู่ภายใน

เมื่อพูดถึงpipe แล้วก็มีอีกคำหนึ่งที่ก่อความวุ่นวายคือ rating หรือ class ซึ่งเป็นตัวเลขที่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการรับความดันของหน้าแปลน (flange)
 

pipe ส่วนใหญ่ที่ใช้กันในโรงงาน (ยกเว้นพวก pipe ขนาดเล็กหรือสำหรับสารไม่อันตราย เช่น น้ำ อากาศ) มักจะต่อด้วยข้อต่อชนิดเชื่อม และเพื่อให้สามารถถอดแยกจากกันได้ก็จะใช้ข้อต่อชนิดหน้าแปลน (flange) ซึ่งมีหลายแบบ ระบบท่อแบบนี้ถ้าจะเกิดปัญหาการรั่วไหลที่ความดันสูงก็มักจะเกิดตรงตำแหน่งหน้าแปลนที่ประกบกันอยู่ก่อนที่ท่อจะฉีกขาด ดังนั้นจึงมีการกำหนดตัวเลขที่เป็นตัวบ่งบอกว่าหน้าแปลนนั้นรับความดันได้สูงสุดเท่าใด ตัวเลขนี้คือ flange rating
  

flange rating มีหน่วยเป็น "ปอนด์" ที่เห็นกันทั่วไปคือ 150 ซึ่งเป็นระดับที่ต่ำสุด ถัดไปก็เป็น 300 400 600 900 1500 และ 2500 ปอนด์

ที่มันเกิดปัญหาก็คือคนจำนวนไม่น้อยเข้าใจว่าตัวเลข rating นี้บอกว่ามันรับความดันได้สูงสุดเท่าใด ซึ่งไม่ใช่ เพราะในความเป็นจริงนั้นมันมีเรื่องของอุณหภูมิและวัสดุที่ใช้เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

รูปที่ ๕ Pressure-Temperature rating สำหรับ Carbon steel และ Stainless steel flange class ต่าง ๆ
  

มีคนให้นิยมของ flange rating ไว้ว่า "maximum allowable non-shock pressure at the tabulated temperatures" ซึ่งก็บอกไว้ชัดเจนว่าค่า flange rating หนึ่งนั้นจะรับความดันได้เท่าใดให้ไปดูค่าในตารางที่อุณหภูมิต่าง ๆ ตัวอย่างของตารางนี้แสดงไว้ในรูปที่ ๕ จะเห็นว่าสำหรับค่า flange rating เดียวกัน โลหะต่างชนิดกันก็รับความดันได้ไม่เท่ากัน และที่อุณหภูมิสูงขึ้นความดันที่รับได้ก็จะลดลง ส่วนจะใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงเท่าใดนั้นก็ขึ้นกับชนิดของโลหะ
  

ลองพิจารณาค่า flange rating ค่าใดค่าหนึ่งในรูปที่ ๕ จะเห็นว่าในช่วงอุณหภูมิต่ำนั้น carbon steel จะรับความดันได้สูงกว่า stainless steel แต่พอเพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้นกลับพบว่าตัวเลขความดันของ carbon steel หายไปดื้อ ๆ แต่ของ stainless steel ยังคงมีอยู่ นั่นแสดงว่าที่อุณหภูมิสูงขึ้นไม่ควรใช้ carbon steel (เป็นเรื่องปรกติที่โลหะจะอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง แต่จะมากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับชนิดโลหะ)

วิศวกรรุ่นพี่คนหนึ่งอธิบายผมเอาไว้ว่า flange rating คือความดันสูงสุดที่หน้าแปลนยังรับเอาไว้ได้ ณ อุณหภูมิสูงสุดที่มันยังคงใช้งานได้ ซึ่งจะว่าไปแล้วมันก็เข้าเค้าอยู่ แต่ถ้าดูจากตัวเลขในตารางแล้วก็จะเห็นว่าแสดงว่ามีการใช้งานที่อุณหภูมิที่สูงจนกระทั่งความดันที่หน้าแปลนรับได้นั้นมีค่าต่ำกว่าตัวเลข ratinge ของหน้าแปลน

ที่เขียนมานี้ก็หวังว่าผู้ที่เป็นวิศวกรเคมีที่จะเข้าไปทำงานเกี่ยวกับงานท่อต่าง ๆ ของโรงงานจะได้มีความรู้ความเข้าใจเรื่องพื้นฐานบางเรื่องของงานท่อบ้าง
  

เว็บหนึ่งที่เห็นว่าอธิบายเรื่องระบบ piping ไว้ง่าย ๆ และอ่านเข้าใจได้ดีคือ http://www.wermac.org ใครสนใจก็ลองไปอ่านต่อเอาเองก็แล้วกัน