FIBERGLASS REINFORCED PLASTIC (FRP) PIPING SYSTEMS A DESCRIPTION OF ENGINEERING SERVICES

              FIBERGLASS REINFORCED PLASTIC (FRP) PIPING SYSTEMS  A DESCRIPTION OF ENGINEERING SERVICES    Prepared by:  Kevin Schmit, Engineering Dir...
5 downloads 0 Views 238KB Size
              FIBERGLASS REINFORCED PLASTIC (FRP) PIPING SYSTEMS  A DESCRIPTION OF ENGINEERING SERVICES    Prepared by:  Kevin Schmit, Engineering Director  Specialty Plastics, Inc.  Baton Rouge, LA 70810 U.S.A.  September 12, 2011 (last revision)       

  Enclosed on the following pages is one in a series of papers written by the Engineering Department of  Specialty  Plastics,  Inc.  on  fiberglass  reinforced  plastic  (FRP)  piping  systems.  This  paper,  which  describes the different types of engineering services applicable to FRP piping systems, is one in a line  of papers written on the basic principles involved in the selection, specification, and design of the  components involved in fiberglass piping systems.    Specialty Plastics, Inc., as a designer, manufacturer, and installer of fiberglass piping systems with two  decades  experience  in  the  advanced  composites  industry,  provides  this  paper  as  a  service  to  its  customers involved in the design and selection of fiberglass reinforced plastic piping systems.    The  intention  of  this  report  is  to  provide  a  complete  and  thorough  description  of  the  various  engineering services that can be employed on projects involving fiberglass piping.   The information  is presented as independent data, thus allowing the user to make his own independent conclusions  and to determine which engineering services are required.    The guidelines drawn in the report are based on the history and experience of Specialty Plastics in the  fiberglass  composite  pipe  industry.  These  guidelines,  however,  are  intended  to  be  just  that  ‐  guidelines.  Each  application  of  an  FRP  piping  system  is  unique  and  must  be  treated  as  such.  Furthermore,  because  of  certain  intangibles  involved with FRP piping systems, a  "pre‐engineered"  system is not recommended.  A detailed design of each piping system is necessary to achieve the full  potential  of  the FRP piping  system.   By doing so, the customer is ensured of a "custom‐designed,"  "custom‐manufactured," and "custom‐installed" system to his specifications and needs.             



Rev: Sep 2011 

Specialty Plastics, Inc. 

Engineering Series – ES‐040 (Engineering Services) 

Introduction:    When investigating the use of fiberglass reinforced plastic (FRP) pipe in the chemical, petrochemical,  marine, and other industries, several decisions have to be made early on in the design of the piping  system.  These include the pipe fabrication technique, the method of installation (flanged pipe vs plain  end pipe, and field‐fabricated vs shop‐fabricated spools), and the joining system (adhesive‐bonded  vs butt and strap, for example), to name a few.    The engineering that  must  be performed in the design stage  of the project  is  critical  to all  future  phases  of  the  project.    Engineering  services  include  design  calculations,  piping  stress  analyses,  piping surge analysis, piping support drawings, piping orthographic drawings, piping isometrics, and  shop  fabrication  spool  drawings.    Each  type  of  service  offers  different  information  to  different  parties.  Engineering information is of value to designers, draftsmen, project engineers, purchasing  agents, mechanical contractors, manufacturers, and subcontractors.  Each party  requires different  types  of  engineering  services  depending  upon  their  role  in  the  project.  This  report  will  give  a  description of each type of the various engineering services available and where these services are  typically employed.    The purpose of this report is to provide the interested reader with independent information on the  engineering services typically employed on projects with FRP.  This is but one of the many aspects of  FRP  piping  systems  that  must  be  investigated  before  a  successful  design  can  be  completed.  Fabrication materials, pipe flexibility, and pipe strength, are but a few of the additional aspects that  should  be  considered.    By  reading  and understanding  the  information  in  this  report,  one  step  of  many is taken toward the successful design of a fiberglass piping system.    A Description of Engineering Services    Design Calculations    Design calculations are the design of either piping components only or of very simple piping systems.  C alculations may include hoop stress due to internal pressure, axial stress due to thermal expansion,  allowable external collapse pressure, recommended support spacing, etc.    These  general  calculations  will  often  inform  the  designer  as  to  whether  or  not  fiberglass  will  be  suitable for a particular application.    Design  calculations  are  also  excellent  for  simple  systems,  such  as  column  pipe  applications,  where  basic  engineering  theories  can  be  used  to  calculate  stresses  and  deflections  in  the  system.    Also, in piping systems  where  pressures  and  temperatures  are  low,  simple  design  calculations  may  be  all  that  need  be  employed.    Design calculations will provide the designer and engineers with the following pieces of information:   The design conditions and any relevant codes and standards  A complete listing of piping component stresses, deflections, etc.   Safety factors or allowables for stresses, deflections, etc.   



Rev: Sep 2011 

Specialty Plastics, Inc. 

Engineering Series – ES‐040 (Engineering Services) 

Piping Stress or "Flexibility" Analysis    A piping stress analysis is  a detailed "flexibility" analysis performed on an entire piping system.  A  piping  stress  analysis  is  performed  to  determine  the  deflections,  rotations,  forces,  and  moments  acting  on  a  piping  system.  The piping stress analysis also calculates stresses, such as hoop, axial,  bending, and torsional stresses, due to the design conditions.    The  piping  stress  analysis  is  a  much more  detailed  engineering  service  that  can  be  performed  on  fiberglass  piping  systems.  Due  to  the  many  unique  features  of  FRP,  this  type  of  service  is  not  uncommon.  When  FRP  piping is exposed to relatively high pressures and temperatures, or  when  special external loads are present, such as wind loads, ship motions, or seismic conditions, a piping  system stress analysis is often undertaken to ensure adequate design.    The piping stress analysis will provide information to the designers and project engineers.  It will also  provide  valuable  information  to  the  installation  contractors  for  locating  supports,  guides,  and  anchors.   This information includes the following:    An isometric of the piping system identifying all parts of the system  A complete listing of deflections and stress on the piping system  A restraint summary of all of the supports in the piping system   

Figure 1. Example of a stress isometric from a flexibility analysis.  



Rev: Sep 2011 

Specialty Plastics, Inc. 

Engineering Series – ES‐040 (Engineering Services) 

Piping Support Drawings    A piping support drawing is a two‐dimensional drawing providing detailed dimensions for each type  of pipe support.   The  piping  support  drawing  also  provides  design  information,  such  as  allowable  vertical  load, allowable anchor load, etc.    Piping  support  drawings  are  often  utilized  on  fiberglass  piping  systems  since  most  FRP  piping  is  custom  manufactured  with  O.D.s  different  from  standard  carbon  steel.    The  piping  support  drawings  are  normally  produced  for  each  project  with  the  exact  dimensions  necessary  for  fabrication.    Piping support drawings are used by the designer to ensure that the pipe supports can withstand  the  design  loads.  Piping  support  drawings  are  also  used  by  the  manufacturer  for  fabrication.  A  piping support drawing includes the following:    A 2‐D view of the pipe support to provide enough detail for manufacturing.  Sections are  provided where necessary  Bill of materials for fabrication    Piping Orthographic Drawings    Piping  orthographic  drawings  are  two‐dimensional  drawings,  such  as  plans,  elevations,  and  sections.  These drawings provide detailed information for the entire piping system, including T.O.S.  elevations,  B.O.P.  elevations,  structural  steel  locations,  tank  and  vessel  locations,  routing  dimensions, valve takeout, gasket locations, flange orientations, etc.    Piping orthographic drawings are essential engineering documents used throughout all phases of a  piping  project.  Designers,  project  engineers,  draftsmen,  contractors,  and  manufacturers  all  use  orthographic drawings.    Piping  orthographic  drawings  are  often  used  by  project  engineers  and  by  installation  contractors  during  the  installation  phase  of  the  project.  When  isometric  drawings  are  not  available,  orthographic drawings are used by draftsmen to produce shop fabrication spool drawings.     

 



Rev: Sep 2011 

Specialty Plastics, Inc. 

Engineering Series – ES‐040 (Engineering Services) 

Piping Surge Analysis    A piping surge analysis is a complex, transient analysis of a piping system.  It is used to evaluate  the  integrity  of  the  piping  system  when  subject  to  transient  hydraulic  surges.    Due  to  the  complexity of the analysis, the model of the piping system often needs to be simplified so that it  can be evaluated properly with suitable software.  Various scenarios can be evaluated, with the  model possibly changing depending on what is required to be evaluated in each scenario.    A piping surge analysis is used by the designer to ensure that the piping system can withstand the  transient  hydraulic  loads  that  are  imposed  on  the  system.    Specifically,  a  surge  analysis  will  be  evaluating:    Pressure surges due to pump startup, shutdown and other scenarios  Formation of air cavities and vacuum conditions  Sizing of any air release valves  Suitability of opening and closing times of valves           

Figure 2. An example of a graph of pressure surge versus time from a transient surge analysis.  



Rev: Sep 2011 

Specialty Plastics, Inc. 

Engineering Series – ES‐040 (Engineering Services) 

Piping Isometrics    Piping  isometrics  are  isometric  drawings  which  provide  detailed  dimensions  for  each  individual  piping  run.  Piping  isometrics  include  centerline  elevations,  routing  dimensions,  valve  takeouts,  gasket  locations,  flange  orientations,  etc.    Piping  isometrics  differ  from  orthographic  drawings  in  that the isometrics provide detailed information for each individual piping run whereas orthographic  drawings provide detailed information for the entire project site.    Piping isometrics are generally produced from orthographic drawings and are  important pieces of  information  to  engineers.    In  very  complex  or  large  piping  systems,  piping  isometrics  are  essential to  the design and manufacturing phases of a project.    Piping  isometrics  are  often  used  by  designers  prior  to  a  stress  analysis  and  are  also  used  by  draftsmen  to  produce  shop  fabrication  spool  drawings.  Isometric  drawings  are  also  helpful  to  installation contractors during the field portion of the project.  Some of the information on piping  isometrics includes:    An isometric view of each individual piping system  Reference points to orthographic views from which the isometrics were generated  The location of all field welds and pipe supports  0'-4" [102] 7 " [672] 2'-216

2'-0" [610] 1" [159] 0'-64

3'-1" [940]

1'-10" [559] 11" [678] 2'-216

2'-0" [610]

3'-8" [1118] 1'-10" [559] 2'-2" [660]

0'-4" [102]

1'-63 8" [467]

9 " [802] 2'-716

2'-8" [813] 2'-2" [660] 1" [768] 2'-64

4'-2" [1270]

8'-0 7 " [2450] 16 1'-0" [305] 2'-1" [635] 1" [613] 2'-08

1'-1" [330]

1" [616] 2'-04 7" [1597] 5'-28

EL .24 1'4"

2'-3" [686]

7'-1" [2159]

2 7'.24 EL

1/4

"

2'-3" [686]

E

6" 9/1 '-8 52 2 . L

9 " [319] 1'-016 1'-5" [432] 1'-0" [305]

2'-6" [762]

1'-87 8" [530]

Figure 3. An example of part of an isometric.    



Rev: Sep 2011 

Specialty Plastics, Inc. 

Engineering Series – ES‐040 (Engineering Services) 

Shop Fabrication Drawings    Shop fabrication spool drawings (also referred to as spool drawings or spool assembly drawings) are  assembly  drawings  providing  detailed  manufacturing  and  fabrication  information  for  each  unique  "spool" piece.  Spool drawings include dimensions and angles, a bill of materials, and manufacturing  information.    On  prefabricated  piping  projects,  shop  fabrication  drawings  are  essential  pieces  of  information.   Shop  fabrication  drawings  are  normally  produced  from  piping  isometrics  or,  when  these  are  not  available, orthographic drawings.    Spool  fabrication  drawings  are  used  extensively by the fabricator  doing  the  shop  assembly  work.  Shop fabrication drawings provide the following pieces of information:    A 2‐D or isometric view of the spool piece to provide enough detail for fabrication  A bill of materials for fabrication  Field reference information, such as a line tag number and/or isometric line number    SD14729-SPI-1

DRAWING:

FIELD INSTALLATION DATA

FILENAME: SD1 SPECIFICATIONS

MARK NO.:

-----

LINE:

-----

R

FIBERBOND 20HV-C CUSTOMER SPEC:

-----

RESIN SYSTEM:

See E7 Specs

CURE SYSTEM:

MEKP / CoNap

ADDITIVES:

EXTERIOR PROTECTION:

20

MILS

C-Veil / A-Veil

0

MILS

1.5 OZ CSM

6in.

1

BILL OF MATERIALS

PIPE SERIAL NO. QTY UNIT

4'-6" [1372mm]

CODE

MK

DESCRIPTION SHOP FABRICATED ITEMS

-----

4.5

FT

REF:

-----

1

EA

10-6

OTHER:

6

1

EA

10S-6

-----

2

EA

20-6

6"Ø 90deg Elbow P.E. Fig.20

4

1

EA

30-6

6"Ø 45deg Elbow P.E. Fig.30

5

5

EA

BW-6

6"Ø Shop Butt Weld

6

-----

CORROSION BARRIER:

REQUIRED PIPE LENGTHS 1A

10 mils synthetic veil w/ UV

FWP-6

6"Ø Pipe

1

6"Ø Flange Fig.10 (150# FF)

2

6"Ø Flange Spc Neck Length (150# FF)

3

COLOR: Natural (Black)

FLANGE FINISH:

Resin rich corrosion barrier

ADDITIONAL PART DATA 3A

10S-6

N.L.=6.19in. [157]

0'-9" [229]

1'-5" [432]

1'-03 4" [324]

PLAN

5'-63 4" [1695]

1'-5" [432]

0'-9" [229] 3 " [386] 1'-316

1 REQ'D 5'-63 4" [1695]

45.0°H

1'-0 3 4" [324]

ISOMETRIC

3 " [386] 1'-316

5'-63 4" [1695]

RECEIVED BY:

0'-9" [229]

6E

DATE OF TRANSFER:

TRANSFERRED BY:

6D

A-A (ELEV)

6C

This print and its contents are the property of Specialty Plastics. Use of print or its contents is prohibited unless authorized in writing. This information is subject to the controls of the Export Administration Regulations (EAR). This information shall not be provided to non-U.S. persons or transferred by any means to any location outside the United States without advanced written permission from Exelis and approval from the U.S. Department www.fiberbond.com of Commerce.

6B 6A

ITEM

FITTER

QC/DATE BONDER1 BONDER2 QC/DATE

20HV-C

16" 12" 8" 6"

400NB 300NB 200NB 150NB

NPS

17.25" 13.00" 8.75" 6.63"

(17.21-17.49) (12.96-13.14) (8.72-8.92) (6.60-6.78)

PIPE O.D.

0.63" 0.63" 0.44" 0.31"

FITTING THK

1.94" 1.88" 1.38" 1.19"

(1.84-2.06) (1.79-2.13) (1.30-1.50) (1.13-1.31)

FLANGE THK

0

AUG-31-2012

KGS

ISSUE

DATE

BY

P.O. No.:

-----

JOB No.:

-----

DRAWING:

R

Manufactured by Specialty Plastics Baton Rouge, LA, U.S.A.

SD14729-SPI-1

FILENAME: CROSSES

CUSTOMER:

-----

PROJECT NAME:

---------

REV

0

Figure 4. An example of an assembly "spool" drawing.      



Rev: Sep 2011 

Specialty Plastics, Inc. 

Engineering Series – ES‐040 (Engineering Services) 

Applications for Each Engineering Service    It is not the intent of this report to draw conclusions from the information presented above.  Rather,  the  decision  on  which  engineering  service  is  to  be  employed  is  left  up  to  the  user.  There  are,  however, certain parts of the design process and certain applications that merit the use of one or  more of the above described engineering services.  This has been summarized in the tables below.   

Summary of Engineering Services   

Design Calculations 

 

Surge Analysis 

Who Performs  Normally performed by  This Function?  the engineering firm  responsible for the  design of the piping  system.  Manufacturers  with independent  engineering  departments, such as  Specialty Plastics, are  also capable of  performing this service. 

Normally performed by  the engineering firm  responsible for the  design of the piping  system.  Manufacturers  with independent  engineering  departments, such as  Specialty Plastics, are  also capable of  performing this service. 

Normally performed by  the engineering firm  responsible for the  design of the piping  system.  Manufacturers  with independent  engineering  departments, such as  Specialty Plastics, are  also capable of  performing this service. 

When Is This  Service  Performed? 

Usually performed  during the preliminary  design phase and during  feasibility studies. 

Always performed  during the detailed  design  phase. 

Usually performed during  the detailed design  phase. 

Why Is This  Service  Performed? 

To determine the  feasibility of whether or  not an intended product  can meet the minimum  requirements of the  design. 

For detailed design work  on critical or essential  services where unique  loading conditions justify  this type of service. 

For detailed design work  on critical or essential  services subjected to  hydraulic surge  conditions, such as the  firewater ringmain. 

Unique  Valuable tool during  Characteristics  preliminary design to  determine whether or  not the intended  product is adequate for  the design service.     

Stress Analysis 

An excellent engineering    tool which is becoming  more and more common  because of its reliability  and its lower cost. 

 



Rev: Sep 2011 

Specialty Plastics, Inc. 

Engineering Series – ES‐040 (Engineering Services) 

Summary of Engineering Services (continued)   

Orthographic Drawings 

Isometrics 

Assembly "Spool"  Drawings 

Who Performs  Normally performed by  This Function?  the engineering firm  responsible for the  layout of the piping  system. 

Normally performed by  the engineering firm  responsible for the  layout of the piping  system.   

Manufacturers providing  the shop fabrication  services normally  perform this function. 

When Is This  Service  Performed? 

Always released during  the detailed design  phase of the project.   These drawings may also  be released during the  bid stages of a project  for purchasing purposes.

On small piping systems,  this service is not always  performed.  On large  and complex piping  systems, isometrics are  normally required and  generated using 3D  modeling software. 

Normally completed  once the ortho or  isometric drawings are  released to the  manufacturer for  fabrication. 

Why Is This  Service  Performed? 

This service provides  scaled plan and  elevation views of the  piping system, support  and equipment. 

These drawings provide  Almost always used on  detailed information in a  shop fabrication  much more compact  projects.  format for use in the  manufacture and  fabrication of specific  piping systems. 

Unique  One of the most valuable  Isometrics drawings  A strongly recommended  Characteristics  tools during the  provide very specific  tool for projects utilizing  installation phase of the  information in a clean  FRP.  Shop fabrication  project.  Usually drawn  and easy to read format.   greatly reduces the time  dedicated to field  to scale.  Usually not drawn to  installation and often  scale.  proves more economical.    

 

 



Rev: Sep 2011 

Specialty Plastics, Inc. 

Engineering Series – ES‐040 (Engineering Services) 

Selection Process Guidelines:    To summarize the information presented in this report, a set of questions have been summarized below.  These criteria  make up many, but not all of the considerations that need to be taken into account  during the selection process. By answering each of the questions, the user can have a better idea of  which engineering service to employ.    Is the piping system part of an essential or critical service?  It  is  becoming  more  and  more  common  to  require  a  piping  stress  or  "flexibility"  analysis  of  fiberglass piping systems.   This is even more so when the system is deemed critical or essential  or  in  relatively  severe  services.    Piping  systems  that  operate  above  200  psig  and  above  150°F  are  commonly subject to a flexibility analysis.    Is fiberglass simply being considered as an alternative material to existing standards?  Detailed  calculations  are  often  very  easy  to  perform  and  provide  very  valuable  pieces  of  information  during  a  feasibility  study.  These  calculations  can  often  give  some  information  to  the  designer as to whether or not FRP is suitable for the design conditions.    Is field installation of the project going to be time critical?  Where  field installation  needs to  be  minimized or  where  conditions  are  adverse,  shop fabrication  spool  drawings  should  be  produced  and  the  piping  system  should  be  shop  fabricated  to  the  greatest extent possible.  This will greatly minimize field installation time.    Is shop fabrication or field installation going to be considered during the purchasing phase of the  project?  Piping isometrics or orthographic drawings should be used by the Purchasing Department of the end  user to obtain not only bids for the supply of pipe and fittings, but also bids for the performance of  shop  fabrication  and  field  installation.    It  is  often  an  economic  advantage  to  the  end  user  to  purchase FRP with these considerations in mind.      One  aspect  of  the  selection  process  that  should  be  seen  as  an  advantage  is  the  wide  variety  of  custom  products  that  can  be  offered  in  the  fiberglass  pipe industry.    This  is  an  advantage  in  the  sense  that  it  allows  the  designer  to  specify  a  product  that  best  fits  its  purpose.    Among  the  variables open to the designer is pipe construction (including resin, reinforcement type, helix angle  (for  filament  winding),  liner  reinforcement,  liner  thickness,  and  exterior  corrosion  barrier.),  pipe  manufacturing method, joining method, and installation method.    These  variables,  however,  are  often  seen  as  a  disadvantage  to  the  selection  process  due  to  the  non‐  standardization  of  the  products.  This  is  true  only  to  those  unfamiliar  with  the  fiberglass  industry.  As  one  becomes  more  and  more  familiar  with  the  composites  industry  and  sees  the  advantages  of  fiberglass,  it  becomes  apparent  that  flexibility  in  design  is  one  of  its  greatest  advantages.   

10 

Rev: Sep 2011 

Suggest Documents