Pijpschema Selecteren —
Wanneer Sch 40,
80 of 160 Gebruiken

Het schemanummer dat op een lengte leiding is gedrukt, is een van de meest verkeerd begrepen gegevens in het ontwerp van procesleidingen. Ingenieurs specificeren Sch 40 omdat dat de vorige keer is gebruikt, of Sch 80 omdat het veiliger aanvoelt, zonder te begrijpen wat deze cijfers werkelijk betekenen of hoe ze zich verhouden tot de druk die de leiding zal moeten dragen.

Dit artikel legt het pijpschemasysteem vanaf de basis uit — waar het vandaan komt, wat het betekent, hoe u het juiste schema voor een gegeven toepassing kiest, en de veelvoorkomende fouten die ontstaan door het toe te passen zonder het te begrijpen.

Waar Schemanummers Vandaan Komen

Het pijpschemasysteem ontstond begin twintigste eeuw als een gestandaardiseerde manier om de wanddikte van leidingen te specificeren. Vóór standaardisatie gebruikten pijpfabrikanten hun eigen wanddikteaanduidingen — Standard Weight (STD), Extra Strong (XS) en Double Extra Strong (XXS) — die geen directe indicatie van drukcapaciteit gaven en tussen fabrikanten varieerden.

De American Standards Association introduceerde het schemanummersysteem in de jaren 1930, later geformaliseerd in ASME B36.10 voor koolstof- en legeringsstalen leidingen, en ASME B36.19 voor roestvaststalen leidingen. De schemanummers — 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160 — zijn indexgetallen, geen wanddiktes. De werkelijke wanddikte die bij een gegeven schemanummer hoort, varieert met de nominale leidingmaat (NPS).

Hoe Schemanummers Zich Verhouden tot Wanddikte

De relatie tussen schemanummer, nominale leidingmaat en wanddikte is vastgelegd in ASME B36.10M. De formule achter het schemanummeringssysteem is:

Schemanummer ≈ 1000 × (P / S)

Waarbij P de inwendige ontwerpdruk in psi is, en S de toelaatbare spanning van het leidingmateriaal in psi bij ontwerptemperatuur. Deze formule toont de bedoeling van het systeem — een hoger schemanummer weerspiegelt ofwel een hogere ontwerpdruk, een lagere toelaatbare materiaalspanning, of beide. Het toont ook meteen waarom het schema alleen onvoldoende is om een leiding voor drukdienst te specificeren: hetzelfde schemanummer bij verschillende maten levert verschillende wanddiktes op.

Enkele representatieve wanddiktes uit ASME B36.10M ter illustratie:

De wanddikte neemt toe met zowel het schemanummer als de nominale maat. Bij NPS 12 is de Sch 160-wand 33,32mm — bijna zo dik als de boring van de leiding zelf. Bij NPS ½" is de Sch 160-wand 4,78mm — de boring is minder dan 12mm. Het schemasysteem overspant een enorm bereik aan drukcapaciteit binnen één enkele aanduiding.

Standard Weight, Extra Strong en XXS

De oudere aanduidingen — STD, XS en XXS — dateren van vóór het schemasysteem en blijven in algemeen gebruik, met name in oudere specificaties, olie- en gastoepassingen, en algemeen industrieel leidingwerk. Hun relatie tot de schemanummers is:

ASME B36.10 versus ASME B36.19

Twee afzonderlijke ASME-normen regelen leidingafmetingen:

ASME B36.10M omvat gelaste en naadloze gesmede stalen leidingen in koolstofstaal, legeringsstaal en andere niet-roestvaste materialen. De schema's lopen van 5 tot 160 en XXS over het volledige NPS-bereik van ⅛" tot 24" en hoger.

ASME B36.19M omvat roestvaststalen leidingen. Het gebruikt dezelfde OD als B36.10 maar introduceert schema's met S-achtervoegsel — 5S, 10S, 40S en 80S — die bij sommige maten afwijken van het equivalente B36.10-schema. De S-achtervoegsel-schema's werden deels geïntroduceerd omdat de hogere corrosiebestendigheid van roestvast staal in veel toepassingen dunnere wanden toelaat in vergelijking met koolstofstaal, en deels om de andere druk-temperatuurprestatiekenmerken van roestvast staal weer te geven.

Verwijs voor roestvast leidingwerk altijd naar B36.19. Het specificeren van "Sch 40" op een roestvaststalen leidingbestelling zonder het S-achtervoegsel introduceert ambiguïteit — bevestig of Sch 40S bedoeld is of de volledige B36.10 Sch 40-wand (die bij sommige maten zwaarder kan zijn).

Drukcapaciteit — De Barlow-Formule

De drukcapaciteit van een leiding wordt berekend met de Barlow-formule (of de meer volledige Lamé-vergelijking voor dikwandige leidingen, maar Barlow wordt gebruikt voor de overgrote meerderheid van standaard procesleidingen):

P = (2 × S × t) / OD

Waarbij P de inwendige druk (MPa of psi), S de toelaatbare omtrekspanning van het materiaal bij temperatuur (MPa of psi), t de wanddikte (mm of inch), en OD de buitendiameter (mm of inch) is.

Herschikt om de vereiste minimale wanddikte te vinden:

t = (P × OD) / (2 × S)

Dit is de fundamentele relatie die de schemakeuze zou moeten sturen — niet conventie, niet wat de vorige keer is gebruikt, en geen rond getal gekozen voor het gemak. Een pijpschema is correct wanneer de wanddikte de berekende vereiste minimumdikte bereikt of overschrijdt, met eventuele toepasselijke corrosietoeslag, walstolerantie en fabricagefactor daar bovenop toegepast.

Toelaatbare Spanningswaarden

De toelaatbare spanning S is niet vast — het is een functie van zowel de materiaalkwaliteit als de bedrijfstemperatuur, ontleend aan de spanningstabellen van de geldende code. Voor koolstofstaal A106 Grade B bij omgevingstemperatuur is de toelaatbare spanning volgens ASME B31.3 ongeveer 137,9 MPa (20.000 psi). Bij 400°C daalt dit tot ongeveer 82,7 MPa. Deze temperatuurafhankelijkheid verklaart waarom dezelfde leiding bij verhoogde temperatuur niet dezelfde druk kan dragen als bij omgevingstemperatuur — het materiaal is zwakker, en de wanddikte (of het schema) moet ter compensatie worden verhoogd.

Uitgewerkt Voorbeeld — Schemakeuze

Om dit concreet te maken: een koolstofstalen procesleiding (A106 Gr.B) bij NPS 4, ontwerpdruk 50 bar (5,0 MPa), ontwerptemperatuur 200°C.

Uit de ASME B31.3-spanningstabellen: S voor A106 Gr.B bij 200°C ≈ 130 MPa.

OD van NPS 4 = 114,3mm.

Minimale wanddikte: t = (5,0 × 114,3) / (2 × 130) = 2,20mm

Pas nu de correcties toe:

• Corrosietoeslag: 1,5mm (typisch voor licht corrosief koolstofstaal)
• Walstolerantie: ASME B36.10 staat −12,5% op de wanddikte toe, dus deel door 0,875

Gecorrigeerd minimum: (2,20 + 1,5) / 0,875 = 4,23mm vereiste nominale wand

Controle aan de hand van de schematabel voor NPS 4:

• Sch 40: 6,02mm — voldoende (4,23mm vereist, 6,02mm geleverd)
• Sch 10: 3,05mm — niet voldoende

Sch 40 is de juiste keuze voor deze toepassing. Er is geen technische rechtvaardiging voor Sch 80 (8,56mm) of Sch 160 (13,49mm), tenzij rekening wordt gehouden met een extra corrosietoeslag, erosietoeslag, of een hoger drukscenario.

Wanneer Sch 40 Niet Voldoende Is

Sch 40 is het standaard werkpaard van procesleidingwerk. De vraag is niet "waarom zou ik Sch 80 gebruiken?" — het is "welke specifieke omstandigheden vereisen een zwaarder schema?"

Hoge Druk

Bij hoge ontwerpdrukken zal de berekende minimale wanddikte Sch 40 overschrijden, waardoor de keuze naar Sch 80, Sch 120, Sch 160 of XXS gaat. Hogedruk-nutssystemen (stoomtoevoer, hogedrukwater, hydrauliek), putkop-leidingwerk en hogedruk-chemiesystemen vereisen allemaal doorgaans schema's boven 40.

Verhoogde Temperatuur

Zoals de bovenstaande tabel met toelaatbare spanningen laat zien, neemt de materiaalsterkte af bij verhoogde temperatuur. Een koolstofstalen systeem dat bij omgevingstemperatuur ruim binnen Sch 40 valt, kan bij ontwerptemperatuur Sch 80 vereisen zodra de verlaagde toelaatbare spanning wordt toegepast. Reken altijd bij ontwerptemperatuur, niet bij omgevingstemperatuur — dit is een veelvoorkomende oorzaak van onderspecificatie.

Corrosie- en Erosietoeslag

Als het procesmedium corrosief of erosief is, wordt een corrosietoeslag toegevoegd aan de berekende minimumwand om ervoor te zorgen dat de leiding aan het einde van de ontwerplevensduur voldoende constructieve integriteit behoudt. Bij koolstofstalen leidingen in matig corrosieve dienst is een corrosietoeslag van 1,5–3,0mm gebruikelijk. Bij sterk corrosieve dienst of waar erosie door meegevoerde vaste stoffen wordt verwacht, kan de toeslag 3–6mm of meer bedragen. Deze extra wand verschuift veel leidingen van Sch 40 naar Sch 80-gebied.

Schroefverbindingen

Bij geschroefde (NPT- of BSP-schroefdraad) verbindingen bij kleinere leidingmaten verwijdert de schroefdraadbewerking materiaal van het buitenoppervlak van de leidingwand. ASME B31.3 en de relevante leidingnormen vereisen een resterende minimumwand na het snijden van schroefdraad. Bij NPS 1" en kleiner is Sch 40 vaak het minimale schema dat na het schroefdraadsnijden voldoende wand biedt — bij kleinere maten wordt voor geschroefde eindverbindingen vaak Sch 80 voorgeschreven.

Mechanische Belasting

Bij toepassingen waarbij de leiding een aanzienlijke externe last draagt — ondergrondse leiding, leiding die zijn eigen gewicht draagt over lange onondersteunde overspanningen, of leiding onderhevig aan trillingen — kan de wanddikte worden bepaald door constructieve vereisten in plaats van door druk. In deze gevallen wordt het minimale schema bepaald door doorbuigings- of spanningsberekeningen in plaats van de Barlow-formule.

Vacuümdienst

Onder externe druk (vacuümdienst) is de kritieke faalwijze eerder bezwijken dan barsten. Dunwandiger leidingwerk is gevoeliger voor bezwijken door knik. Berekeningen van externe druk volgens ASME zijn aanzienlijk complexer dan inwendige drukberekeningen, en leiden vaak tot zwaardere schema's dan inwendige drukberekeningen alleen zouden aangeven.

Wanneer Sch 80, 120, 160 Geschikt Zijn

De S-Achtervoegsel-Schema's voor Roestvast Staal

Voor roestvast leidingwerk volgens ASME B36.19 zijn de gangbare schema's 5S, 10S, 40S en 80S. Bij sommige leidingmaten zijn deze dunner dan hun B36.10-equivalenten — wat weerspiegelt dat roestvast staal vaak lagere ontwerpdrukken draagt (water, chemie, voedselverwerking) en dat de corrosiebestendige aard van het materiaal betekent dat een corrosietoeslag vaak nul of minimaal is, wat een lichtere wand toelaat.

Sch 10S is het meest gangbare schema voor roestvaststalen procesleidingen in voedings-, zuivel-, farmaceutische en cleanroomtoepassingen — het is voldoende sterk voor typische drukken, gemakkelijker te lassen vanwege de geringere wanddikte, en kost minder materiaal dan Sch 40S.

Sch 40S moet worden gespecificeerd waar druk of mechanische belasting dit vereist, niet als standaard. Voor hoogzuivere toepassingen met orbitaallassen produceert de verminderde wand van Sch 10S ook een kleinere, consistentere inwendige las, wat vanuit reinigbaarheidsoogpunt de voorkeur heeft.

Fabricagetolerantie en de Invloed Ervan

ASME B36.10 staat een wanddiktetolerantie van −12,5% op de nominale wand toe. Dit betekent dat een als Sch 40 NPS 4 met een nominale wand van 6,02mm bestelde leiding kan worden geleverd met een werkelijke wand van slechts 5,27mm — en dit valt volledig binnen de specificatie.

Deze tolerantie moet worden meegenomen in drukberekeningen. De juiste aanpak is te werken met de minimumwand (nominaal minus 12,5%) bij het berekenen van de beschikbare drukcapaciteit, of equivalent, de berekende minimale wanddikte door 0,875 te delen bij het bepalen van de vereiste nominale wand — zoals getoond in het uitgewerkte voorbeeld hierboven.

Het niet meenemen van walstolerantie is een veelvoorkomende rekenfout die ertoe leidt dat leidingen worden gespecificeerd met een nominale wand die, eenmaal de tolerantie in aanmerking genomen, niet daadwerkelijk aan de drukvereiste voldoet.

Veelvoorkomende Fouten bij Schemaspecificatie

1. Sch 40 als standaard specificeren zonder berekening. Bij lagedruk-, grote-boring-, corrosieve of verhoogde-temperatuurleidingen voldoet Sch 40 mogelijk niet aan de minimumwandvereiste zodra corrosietoeslag en walstolerantie worden toegepast.
2. Overspecificeren bij lagedrukleidingen. Sch 80 of Sch 160 op een 10 bar nutswaterleiding is onnodig gewicht en onnodige kosten — vooral bij grotere diameters waar de gewichtsboete significant is en de dimensionering van steunen beïnvloedt.
3. Temperatuur negeren bij schemakeuze. Rekenen bij omgevingstemperatuur en vervolgens bedrijven bij verhoogde temperatuur geeft niet-conservatieve resultaten. Ontwerptemperatuur is de bepalende voorwaarde.
4. Walstolerantie niet meenemen. Het gebruik van nominale wand in de drukberekening zonder de −12,5%-tolerantie geeft een niet-conservatief resultaat.
5. B36.10- en B36.19-schema's door elkaar gebruiken. Het specificeren van "Sch 40" op roestvaststalen leiding zonder te verduidelijken of B36.10 of B36.19 (Sch 40S) bedoeld is, creëert ambiguïteit. Bij sommige maten verschillen de wanddiktes.
6. Hetzelfde schema toepassen op alle leidingen in een systeem. Procesystemen bevatten vaak leidingen met aanzienlijk verschillende drukken en temperaturen — instrumentimpulsleidingen, afvoeraansluitingen en hoofdprocesverzamelleidingen kunnen allemaal verschillende nominale maten en drukken hebben. Elke leiding moet afzonderlijk worden beoordeeld.
7. Sch 10 specificeren bij geschroefde eindverbindingen. Dunwandige leiding kan niet altijd tot volledige ingrijpdiepte worden geschroefd. Controleer minimumwandvereisten voor schroefdraad voordat u Sch 5 of Sch 10 specificeert bij geschroefde leidingen.

Samenvatting

Pijpschemakeuze is een berekening, geen conventie. Het juiste schema is het lichtste schema waarvan de nominale wanddikte, na toepassing van walstolerantie en alle relevante toeslagen, voldoet aan de berekende vereiste minimumwand onder de bepalende ontwerpomstandigheden — dat wil zeggen ontwerpdruk en ontwerptemperatuur, niet omgevingsomstandigheden.

Sch 40 is correct voor een groot deel van het algemene procesleidingwerk. Sch 80 is geschikt waar druk, temperatuur, corrosietoeslag of mechanische belasting de wandvereiste boven wat Sch 40 biedt duwt. Sch 120, 160 en XXS bedienen specifieke hogedruktoepassingen. Sch 10 en 5S bedienen lagedruk-, niet-corrosieve dienst en zijn standaard voor roestvaststalen cleanroom- en voedingsprocesleidingen.

Overspecificatie verspilt geld, voegt gewicht toe en verhoogt de steunvereisten. Onderspecificatie is een veiligheidskwestie. Maak de berekening.