iPotrubí.cz

 

Příručka:

Návrh a pevnostní výpočet kovových potrubí

 

Obsah:

 

1. Vytvoření potrubní třídy.. 13

1.1. Co umožňuje vytvoření potrubní třídy?. 13

1.2. Systémy značení potrubní třídy. 13

1.3. Základní vzorce a výpočty pro tvorbu potrubní třídy. 14

1.3.1. Použité veličiny a jednotky. 14

1.3.2. Výpočet dovoleného napětí 15

1.3.3. Potrubní třídy pro zatížení potrubí vnitřním tlakem.. 15

1.3.3.1. Membránový stav napjatosti 15

1.3.3.2. Membránové síly a napětí pro válcový útvar. 16

1.3.3.3. Membránové síly a napětí pro kuželový útvar a anuloid. 17

1.3.3.4. Součinitel tlaku pro tvarovky typu kolena a redukce. 18

1.3.3.5. Součinitel tlaku pro tvarovky typu T-kusy. 18

1.3.4. Potrubní třídy pro zatížení potrubí vnitřním podtlakem.. 21

1.3.5. Potrubní třídy pro potrubí pod zemí 21

1.3.5.1. Svislá zatížení působící na potrubí 21

1.3.5.2. Napětí v potrubí od svislých zatížení 22

1.3.5.3. Omezení tloušťky stěny příčnou deformací či tuhostí 22

1.3.6. Potrubní třídy pro kryogenní kapaliny a chladiva. 23

1.4. Údaje v dokumentu potrubní třídy. 23

1.4.1. Základní údaje a složení potrubní třídy. 23

1.4.2. Tlakoteplotní  tabulka. 24

1.4.3. Výpočet tloušťky stěny. 25

1.4.4. Přídavky tloušťky stěny trubky. 26

1.4.4.1. Znázornění a označení přídavků. 26

1.4.4.2. Korozně-erozní přídavek. 26

1.4.4.3. Záporná výrobní tolerance tloušťky stěny trubky. 27

1.5. Materiály pro potrubí -kovy. 29

1.5.1. Oceli 29

1.5.1.1. Základní vlastnosti ocelí 29

1.5.1.2. Nelegované a nízkolegované oceli. 30

1.5.1.3. Oceli pro nízké teploty. 31

1.5.1.4. Jemnozrnné oceli 31

1.5.1.5. Korozivzdorné oceli 31

1.5.2. Litiny. 33

1.5.2.1. Základní vlastnosti litin. 33

1.5.2.2. Tvárná litina. 33

1.5.3. Neželezné kovy. 34

1.5.3.1. Hliník a jeho slitiny. 34

1.5.3.2. Měď a její slitiny. 34

1.5.3.3. Titan a jeho slitiny. 36

1.5.3.4. Slitiny žáruvzdorné a žárupevné. 38

1.6. Komponenty potrubní třídy. 39

1.6.1. Trubky. 39

1.6.2. Tvarovky. 42

1.6.2.1. Tvarovky všeobecně. 42

1.6.2.2. Normalizované tvarovky. 43

1.6.3. Hladké ohyby ohnuté. 44

1.6.4. Segmentové ohyby. 45

1.6.5. Svařované T-kusy a tvarovky. 49

1.6.6. Příruby. 51

1.6.6.1. Příruby - rozdělení 51

1.6.6.2. Kdy je možno použít normalizované příruby bez výpočtu. 52

1.6.6.4. Principy výpočtů. 53

1.6.6.5. Normy pro příruby. 55

1.6.7. Spojovací materiál 56

1.6.8. Zdvojené (Duplikové) ocelové potrubí 58

1.6.9. Těsnění 62

1.6.10. Kompenzátory. 64

1.6.11. Tlakové hadice. 65

1.6.12. Armatury. 68

1.6.13. Typy zakončení a možnosti spojování potrubních komponent. 72

2. Trasování kovových potrubí. 74

2.1. Vývojový diagram pro trasování potrubí 74

2.2. Základní výpočty potřebné pro určení trasy potrubí 75

2.2.1. Použité veličiny a jednotky. 75

2.2.2. Výpočet vzdálenosti podpěr. 75

2.2.3. Dovolená únosnost podpěr a z ní odvozená vzdálenost podpěr. 77

2.2.4. Výpočet vyložení U-kompenzátoru. 77

2.3. Výběr vhodné trasy a uložení 79

2.3.1. Všeobecně. 79

2.3.2. Pravidla pro volbu druhu a umístění podpěr a závěsů. 79

2.3.2.1. Všeobecná pravidla. 79

2.3.2.2. Podpěry anebo závěsy. 80

2.3.2.3. Jednoduché anebo dvojité závěsy. 80

2.3.4. Zásady volby trasy a uložení pro umožnění tepelné kompenzace. 81

2.3.4.1. Zásady kreslení izometrií v této kapitole. 81

2.3.4.2. Tepelná kompenzace vodorovného potrubí svým tvarem.. 83

2.3.4.3. Tepelná kompenzace svislého potrubí svým tvarem.. 84

2.3.4.4. Tepelná kompenzace kompenzátory vlnovcovými axiálními 86

2.3.4.5. Tepelná kompenzace kompenzátory vlnovcovými angulárními 88

2.3.4.6. Uložení potrubí u T-kusů. 88

2.3.4.7. Uložení potrubí u bypassů. 89

2.3.4.8. Uložení potrubí u rozvaděče. 90

2.3.5. Uložení potrubí u hrdel zařízení s omezeným zatížením.. 91

2.3.5.1. Uložení potrubí u hrdel vodorovných. 91

2.3.5.2. Uložení potrubí u hrdel svislých horních. 94

2.3.5.3. Uložení potrubí u hrdel svislých spodních. 96

2.3.6. Uložení potrubí v případě předpokladu dynamického zatížení 97

2.3.6.1. Předpoklady pro dynamické zatížení 97

2.3.6.2. Uložení potrubí při dynamickém zatěžování 97

2.3.7. Staré neplatné oborové normy pro potrubní podpěry. 98

2.4. Minimální vzdálenosti potrubí mezi sebou a ostatními překážkami 100

2.4.1. Výtah vzdáleností potrubí mezi sebou a ostatními překážkami pro některé případy. 100

2.4.2. Seznam použitých norem.. 100

3. Způsoby pevnostních výpočtů potrubí. 101

3.1. Použití specializovaných počítačových programů. 101

3.1.1. Metoda konečných prvků a její využívání pro uvedené programy. 101

3.1.1.1. Metoda konečných prvků. 101

3.1.1.2. Zjednodušení metody konečných prvků pro potrubní systémy. 103

3.1.2. Obvyklá základní struktura výpočetního programu pro pevnostní výpočet potrubí 104

3.1.2.1. Préprocesor. 104

3.1.2.2. Solver. 105

3.1.2.3. Postprocesor. 105

3.1.2.4. Přídavné výpočtové moduly, které mohou základní strukturu programu doplňovat. 106

3.1.3. Hodnocení výpočetních programů pro pevnostní výpočty potrubí a jejich výčet. 106

3.1.3.1. Druhy výpočetních programů potrubí 106

3.1.3.2. Výčet nejznámějších programů počítající potrubní systém jako celek. 106

3.1.3.3. Výčet programů počítající jednotlivé části potrubí 108

3.1.3.4. Výčet programů počítající potrubní přírubový spoj 108

3.1.3.5. Kritéria pro hodnocení programů. 108

3.2. Zjednodušená výpočtová analýza potrubí – nosníková metoda. 111

3.2.1. Použité veličiny a jednotky. 111

3.2.2. Zjednodušení používání nosníkové metody. 112

3.2.3. Veličiny, které se získávají pomocí této metody. 113

3.2.3.1. Zatížení a vnitřní síly a momenty. 113

3.2.3.2. Osová napětí 113

3.2.3.3. Průhyby a deformace. 114

3.2.3.4. Zatížení podpěr. 114

3.2.4. Příklady používání zjednodušené výpočtové analýzy. 115

3.2.4.1. Potrubí zatížená vlastní hmotností 115

3.2.4.2. Potrubí zatížená tepelnou expanzí 116

3.2.4.3. Potrubí zatížené pohybem podpěry. 118

4. Mezní stavy platné pro potrubí. 121

4.1. Uspořádání mezních stavů potrubí 121

4.2. Mezní stavy únosnosti pro potrubí- seznam.. 121

4.3. Mezní stavy použitelnosti pro potrubí - seznam.. 121

4.4. Vyhodnocování mezních stavů únosnosti 122

4.4.1. Vyhodnocování napětí a pružnostní analýza houževnatých materiálů. 122

4.4.1.1. Použité veličiny a jednotky. 122

4.4.1.2. Které materiály, vhodné pro výrobu potrubí, jsou houževnaté?. 124

4.4.1.3. Výpočet dovoleného napětí nezávislého na čase. 124

4.4.1.4. Vyhodnocení napětí od trvalých zatížení 125

4.4.1.5. Vyhodnocení napětí od občasných ev. mimořádných zatížení 126

4.4.1.6. Vyhodnocení rozkmitu napětí od teplotní dilatace. 127

4.4.1.7. Vyhodnocení napětí od pohybu podpěry. 129

4.4.2. Pevnost závislá na čase. 129

4.4.2.1. Použité veličiny a jednotky. 129

4.4.2.2. Výpočet potrubí s creepem.. 131

4.4.2.3. Koroze a eroze a výpočet potrubí s nimi 133

4.4.2.4. Únavový lom a výpočet potrubí s cyklickým zatížením.. 134

4.4.2.5. Křehký lom u houževnatých materiálů a ochrana proti němu. 137

4.4.2.6.  Křehkost způsobená vodíkem.. 139

4.4.2.7. Výpočet zkušebního tlaku pro houževnaté materiály. 140

4.4.3. Vyhodnocování napětí pro potrubí z křehkých materiálů. 140

4.4.3.1. Použité veličiny a jednotky. 140

4.4.3.2. Které materiály, vhodné pro potrubí, jsou křehké?. 141

4.4.3.3. Vyhodnocování napětí a pružnostní analýza. 141

4.4.3.4. Vyhodnocení osových a obvodových napětí 146

4.4.3.5. Výpočet zkušebního tlaku pro křehké materiály. 147

4.4.4. Stabilita potrubní stěny. 147

4.4.4.1. Použité veličiny a jednotky. 147

4.4.4.2. Ztráta stability potrubní stěny - boulení stěny všeobecně. 148

4.4.4.3. Ztráta stability potrubní stěny mezi podpěrami. Zatížení osovou silou a ohybovým momentem.. 150

4.4.4.4. Ztráta stability potrubní stěny mezi podpěrami. Zatížení podtlakem.. 153

4.4.4.5. Kombinace různých druhů zatížení z hlediska stability potrubní stěny mezi podpěrami 155

4.4.4.5. Ztráta stability potrubní stěny nad podpěrou. 155

4.4.4.6. Rozdíl ve stabilitě potrubní stěny u houževnatých a křehkých materiálů. 157

4.4.5. Únosnost hrdel aparátů a ostatních zařízení 158

4.4.5.1. Použité veličiny a jednotky. 158

4.4.5.2. Vznik zatížení hrdel 158

4.4.5.3.  Přepočet zatížení momentem na zatížení silou. 159

4.4.5.4.  Výpočet únosnosti hrdla tvořeného nátrubkem na prostorově klenuté anebo válcové nádobě. 160

4.4.5.5. Omezení zatížení hrdla technickými normami či jinými ustanoveními 163

4.4.6. Výpočet potrubních spojů. 164

4.4.6.1. Použité veličiny a jednotky. 164

4.4.6.2. Zatížení potrubního spoje. 165

4.4.6.3. Kontrola tlaku na těsnění v přírubovém spoji 165

4.4.6.4. Pevnostní výpočet přírubového spoje. 166

4.4.6.5. Těsnostně-pevnostní výpočet přírubového spoje. 169

4.4.6.6. Výpočet utahovacího momentu z předepsané osové síly ve šroubu. 173

4.4.6.7. Potrubí s objímkovými spoji 174

4.4.6.8. Výpočet svařovaného spoje. 177

4.5. Mezní stavy použitelnosti potrubí 178

4.5.1. Použité veličiny a jednotky. 178

4.5.2. Nepřekročení průhybu pro spádování potrubí 180

4.5.2.1. Spádování 180

4.5.2.2. Určení vzdálenosti podpěr tak, aby nebyly porušeny definované limity pro spádování 181

4.5.3. Nepřekročení posuvu způsobeného tepelnou dilatací 181

4.5.3.1. Základní informace o tepelné dilataci 181

4.5.3.2. Výčet vlivů tepelné roztažnosti 182

4.5.4. Vzpěr potrubí a zvlnění potrubí 182

4.5.4.1. Vzpěr potrubí 182

4.5.4.2. Zvlnění potrubí 185

4.5.5. Kmitání potrubí 187

4.5.6. Stav omezeného poškození při seizmicitě. 188

4.5.7. Mezní stavy použitelnosti pro potrubí pod zemí 188

5. Zatížení potrubí. 189

5.1. Rozdělení zatížení 189

5.1.1. Rozdělení zatížení podle provozních podmínek. 189

5.1.2. Rozdělení zatížení podle kritérií dovoleného namáhání a stability. 190

5.1.3. Rozdělení zatížení podle času působení 191

5.1.4. Živá a mrtvá zatížení 192

5.1.5. Rozdělení zatížení podle stochasticity. 193

5.2.      Zatížení trvalá. 193

5.2.1. Použité veličiny a jednotky. 193

5.2.2. Zatížení tlakem, přímé i odvozené zatížení 193

5.2.2.1. Zatížení tlakem.. 193

5.2.2.2. Volný ustálený výtok z potrubí 195

5.2.2.3. Zatížení potrubí axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 195

5.2.2.4. Zatížení hrdla aparátu axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 195

5.2.3. Zatížení vlastní hmotností tekutiny, potrubí a izolace a potrubních dílů. 196

5.2.3.1. Hmotnost potrubí 196

5.2.3.2. Hmotnost tekutiny. 196

5.2.3.3. Hmotnost izolace. 197

5.3.      Zatížení působením teploty. 198

5.3.1. Použité veličiny a jednotky. 198

5.3.2. Roztažnost potrubí 198

5.3.3. Roztažnost připojených zařízení 198

5.3.4. Stratifikace teploty. 199

5.3.5. Zatížení zápornou teplotou. 199

5.4. Příležitostná zatížení 200

5.4.1. Použité veličiny a jednotky. 200

5.4.2. Klimatická zatížení 200

5.4.2.1. Zatížení větrem.. 200

5.4.2.2. Zatížení sněhem.. 201

5.4.3. Kvazistatická a dynamická zatížení 202

5.5. Zatížení od jednoho neopakujícího se pohybu podpěry. 202

6. Teoretický základ pro kovové potrubí. 203

6.1. Použité veličiny a jednotky. 203

6.2. Skořepiny. 204

6.3. Všeobecná rovnice skořepiny. 205

6.4. Membránový a momentový stav napjatosti 206

6.4.1. Membránový stav napjatosti 206

6.4.2. Momentový stav napjatosti všeobecně. 207

6.4.3. Momentový stav napjatosti v místech uložení potrubí 207

6.5. Napjatost tenkostěnné rotační skořepiny zatížené vnitřním spojitým zatížením.. 208

6.5.1. Odvození Laplaceovy rovnice. 208

6.5.2. Membránové síly a napětí pro válcový útvar. 209

6.5.3. Membránové síly a napětí pro kuželový útvar. 212

6.5.4. Membránové síly a napětí pro anuloid. 214

6.5.5. Membránové síly a napětí pro kulový útvar. 217

6.5.6. Prodlužování přímého potrubí způsobeného vnitřním tlakem – Bourdonův jev. 218

6.6. Tenkostěnné potrubí a základní vzorce. 219

6.6.1. Vzorce pro výpočet charakteristických hodnot potrubního průřezu. 219

6.6.2. Vzorce pro výpočet potrubních hodnot, započítáme-li i délku. 220

6.7. Charakteristické číslo, SIF a poddajnost 220

6.7.1. Definice charakteristického čísla a součinitelů. 220

6.7.2. Příklady použití součinitelů v případě ohybu. 221

6.7.2.1. Charakteristické číslo pro ohyb. 221

6.7.2.2. Určení součinitele intenzifikace napětí (SIF) pro ohyb. 221

6.7.2.3. Určení součinitele poddajnosti pro ohyb. 222

6.7.2.4. Tlakové ztužení ohybů. 222

6.7.3. Co je to ASME B31J?. 223

6.8. Primární a sekundární napětí a redistribuce napětí v průřezu trubky. 224

6.8.1. Primární a sekundární napětí 224

6.8.2. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách přímé trubky. 224

6.8.3. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách ohybu. 228

7. Dynamické výpočty potrubí. 230

7.1. Použité veličiny a jednotky. 230

7.2. Teoretický základ zopakování a doplnění 233

7.2.1. Základní vztahy pro přímočaré kmitání 233

7.2.2. Vlastní kmitání hmotného bodu. 234

7.2.3. Kmitání hmotného bodu s harmonickým buzením.. 237

7.3. Dynamická zatížení 239

7.3.1. Rozdělení dynamických zatížení 239

7.3.2. Společné vlastnosti dynamických zatížení 240

7.3.3. Kombinace statických a dynamických zatížení 240

7.4. Dynamika tekutin v potrubí 241

7.4.1. Základy mechaniky tekutin pro potrubí 241

7.4.2. Přeměna energie od proudění na tlakovou energii v potrubí 242

7.4.3. Reakce od proudění tekutiny v redukci a rozšíření 243

7.4.4. Reakce od proudění tekutiny v ohybu. 244

7.4.5. Síly od proudění tekutiny v reálném potrubí 245

7.4.6. Volný ustálený výtok z potrubí 245

7.4.7. Zatížení axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 246

7.4.7.1. Zatížení potrubí axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 246

7.4.7.2. Zatížení hrdla aparátu axiální silou od vlnovkového kompenzátoru. 246

7.4.8. Hydraulický ráz. 246

7.4.8.1. Odvožení Žukovského rovnice pro přímý hydraulický ráz. 246

7.4.8.2. Hydraulický ráz, základní poznatky z hydrodynamiky. 247

7.4.8.3. Výpočet síly způsobené hydraulickým rázem.. 250

7.4.8.4. Výpočet doby působení síly. 250

7.4.8.5. Hydraulický ráz podle výsledků měření 250

7.4.9. Odpouštění bezpečnostní armatury. 251

7.4.9.1. Výpočet a místo působení síly způsobené odpouštěním bezpečnostní armatury. 252

7.4.9.2. Výpočet doby působení síly. 252

7.4.10. Průtok vícefázové tekutiny (tj. směsi kapaliny a plynu) 253

7.4.11. Ráz způsobený výbuchem mimo potrubí 254

7.5. Kvazistatická řešení dynamických zatížení 254

7.5.1. Zatížení impulzem – kvazistatická řešení 254

7.5.1.1. Dynamický součinitel zatížení (DLF) 254

7.5.1.2. Zatížení způsobená impulzem (rázem) - kvazistaticky. 256

7.5.2. Nahodilá zatížení 256

7.5.2.1. Zatížení větrem - kvazistaticky. 256

7.5.2.2. Zemětřesení – kvazistaticky. 257

7.6. Modální a harmonická analýza potrubí 259

7.6.1. Modální analýza. 259

7.6.1.1. Modální analýza soustavy hmotných bodů. 259

7.6.1.2. Výpočet modů. 260

7.6.1.3. Tlumení kmitání potrubí 261

7.6.1.4. Tlumení třením v kluzných podpěrách. 261

7.6.1.5. Určení maximální velikosti počítané vlastní frekvence. 263

7.6.2.        Harmonická analýza. 264

7.6.2.1. Harmonická analýza kmitání hmotného bodu. 264

7.6.2.2. Harmonická analýza kmitání soustavy hmotných bodů a jejich výpočet na počítači 264

7.6.3. Výpočty budící frekvence a budící síly u potrubí v konkrétních případech. 266

7.6.3.1. Rotační stroje. 266

7.6.3.2. Pístové čerpadlo či kompresor. 266

7.6.3.3. Kmitání vyvolané prouděním tekutiny. 267

7.6.3.4. Budící frekvence od větru. 267

7.7. Spektrální analýza. 269

7.7.1. Spektrální analýza všeobecně. 269

7.7.1.1. Všeobecné přiblížení spektrální anylýzy. 269

7.7.1.2. Dynamická odezva konstrukce. 270

7.7.1.3. Teoretické základy spektrální analýzy. 270

7.7.1.4. Určení maximální velikosti a počtu počítaných vlastních frekvencí a korekce nezapočítaných vlastních frekvencí 271

7.7.1.5. Pravidla pro kombinace odezev modů (Modal Combination Methods ) 273

7.7.1.6. Kombinace dynamických zatížení 277

7.7.2. Spektrální analýza zatížení impulzem (rázem) 278

7.7.2.1. Definování impulzu (rázu) a generování zatěžovacího spektra odezvy. 278

7.7.2.2. Definování impulzu v konkrétních případech. 279

7.7.3. Časová posloupnost působení zatížení (Time History) 279

7.7.4. Seismicita řešená spektrální analýzou. 281

7.7.4.1. Všeobecně o zemětřesení 281

7.7.4.2. Projevy seizmického zatížení 283

7.7.4.3. Seizmické oblasti 284

7.7.4.4. Spektrální analýza seizmicity. 285

7.7.4.5. Pohyb podpěry potrubí způsobený seizmicitou. 289

7.8. Řešení dynamických problémů u kovových potrubí 289

7.8.1. Všeobecný úvod. 289

7.8.2. Způsob řešení kmitání v pásmu rezonance. 290

7.8.2.1. Zabráněním kmitání o určité frekvenci - přeladění 290

7.8.2.2. Zmenšování amplitudy kmitání - zatlumení 291

7.8.3. Řešení kmitání při současné tepelné dilataci 291

7.8.4. Řešení dynamického zatížení ve speciálních případech. 292

7.8.4.1. Řešení, když potrubí nevyhoví hydraulickému rázu. 292

7.8.4.2. Potrubí okolo pojišťovacího zařízení. 293

7.8.4.3. Řešení potrubí v případě seizmicity. 294

7.8.5. Připuštění kmitání podmíněné výpočtem vysokocyklové únavy. 295

8. Výpočet únosnosti a konstrukce podpěr.. 296

8.1. Výpočet únosnosti podpěr. 296

8.1.1. Použité veličiny a jednotky. 296

8.1.2. Zatížení podpěr. 296

8.1.3. Konstrukční teploty a dovolené napětí u podpěr. 297

8.1.4. Materiál podpěr. 297

8.1.5. Všeobecné pokyny pro výpočet podpěr. 298

8.1.6. Výpočet tuhosti pružného závěsu či podpěry. 299

8.2. Konstrukce podpěr pro ocelová potrubí 301

8.2.1. Kotvení 301

8.2.2. Kluzná tuhá podpěra. 302

8.2.3. Směrová zarážka. 303

8.2.4. Směrová zarážka ve všech směrech. 307

8.2.5. Vedení 308

8.2.6. Pružná podpěra. 308

8.2.7. Tuhý závěs. 309

8.2.8. Pružný závěs. 311

8.2.9. Konstantní závěs. 312

8.2.10. Provedení uložení se vzpěrnými tyčemi 313

8.3. Zařízení pro tlumení kmitání potrubí 313

8.3.1. Tlumiče rázů. 313

8.3.1.1. Hydraulický tlumič rázů. 313

8.3.1.2. Mechanický tlumič rázů. 315

8.3.1.3. Viskoelastický tlumič (damper) 316

8.3.2.Omezovač kmitání 318

8.3.2.1. Klasický pružinový omezovač kmitání 318

8.3.2.2. Antivibrační objímka. 320

8.3.2.3. Mechanický tlumič – absorbér energie. 320

8.3.2.4. Vibroizolační prvky. 321

9. Použitá literatura a literatura pro další studium... 322

9.1. Odborná literatura: 322

9.2. Firemní literatura. 326

9.3. Legislativa. 327

9.4. Normy. 328

9.4.1. Evropské normy. 328

9.4.2. České normy. 330

9.4.3. Německé normy (harmonizované k PED) 330

9.4.4. Normy USA. 332

9.4.5. Ruské normy. 333

9.5. Zajímavé internetové adresy. 333