iPotrubí.cz

Příručka:

Návrh a pevnostní výpočet pro potrubí v zemi

Obsah:

1. Vytvoření potrubní třídy pro potrubí v zemi. 11

1.1. Proč vytvářet potrubní třídu?. 11

1.2. Systémy značení potrubní třídy. 11

1.3. Všeobecné základní vzorce a výpočty pro tvorbu potrubní třídy v zemi 12

1.3.1. Použité veličiny a jednotky. 12

1.3.2. Výpočet dovoleného napětí 12

1.3.3. Potrubní třídy pro zatížení potrubí vnitřním tlakem.. 13

1.3.3.1. Membránový stav napjatosti 13

1.3.3.2. Vzorce pro výpočet membránových napětí 13

1.3.3.3. Součinitel tlaku pro tvarovky. 14

1.3.4. Potrubní třídy pro zatížení potrubí vnitřním podtlakem.. 15

1.3.5. Potrubní třídy pro potrubí podzemí 16

1.3.5.1. Působení svislých zatížení na potrubí 16

1.3.5.2. Zatížení svislým zatížením od hmotnosti nadloží (násypu) 16

1.3.5.5. Potrubí zatížené nadložím.. 16

1.3.5.6. Omezení tloušťky stěny příčnou deformací či tuhostí 17

1.4. Údaje v dokumentu potrubní třídy. 17

1.4.1. Základní údaje a složení potrubní třídy. 17

1.4.2. Tlakoteplotní  tabulka. 18

1.4.3. Výpočet tloušťky stěny. 19

1.4.4. Přídavky tloušťky stěny trubky. 20

1.4.4.1. Znázornění a označení přídavků. 20

1.4.4.2. Korozně-erozní přídavek. 20

1.4.4.3. Záporná výrobní tolerance tloušťky stěny trubky. 21

1.5. Komponenty potrubní třídy pro prosté průmyslové potrubí v zemi 23

1.5.1. Používané materiály. 23

1.5.1.1. Oceli 23

1.5.1.2. Plasty. 26

1.5.2. Komponenty ocelové. 29

1.5.2.1. Trubky ocelové. 29

1.5.2.2. Tvarovky ocelové. 32

1.5.2.3. Hladké ocelové ohyby ocelové ohnuté. 33

1.5.2.4. Svařované T-kusy a tvarovky. 34

1.5.2.5. Kompenzátory pro použití v zemi 35

1.5.2.6. Typy zakončení komponent svarem.. 36

1.5.2.7. Povrchová úprava pro prosté ocelové potrubí v zemi 36

1.5.3. Komponenty plastové. 37

1.5.3.1. Trubky a tvarovky z plastů. 37

1.5.3.2.. Spojování plastů. 38

1.6. Komponenty potrubní třídy pro parovody a horkovody v zemi 38

1.6.1. Sdružené předizolované potrubí 38

1.6.1.1. Konstrukce sdruženého potrubí 38

1.6.1.2. Rozdělení projektu do tříd. 39

1.6.1.3. Používané materiály. 40

1.6.1.4. Komponenty. 41

1.6.2. Suvné potrubí 42

1.6.2.1. Konstrukce suvného potrubí 42

1.6.2.2. Používané materiály. 42

1.6.2.3. Komponenty. 43

1.6.3. Vakuované potrubí 43

1.6.3.1. Konstrukce vakuovaného potrubí 43

1.6.3.1. Používané materiály. 44

1.6.3.2. Komponenty. 44

1.6.3.3. Typy zakončení pro spojování svarem.. 44

1.7. Komponenty potrubní třídy pro plynovody a ropovody. 44

1.7.1. Používané materiály. 44

1.7.1.1. Oceli 44

1.7.1.2. Plasty. 44

1.7.2. Komponenty ocelové. 44

1.7.2.1. Trubky ocelové. 44

1.7.2.2. Tvarovky kované. 44

1.7.2.3. Hladké ohyby ohnuté. 45

1.7.2.4. Typy zakončení a možnosti spojování potrubních komponent. 45

1.7.2.5. Chráničky. 45

1.7.2.6. Povrchová úprava pro prosté ocelové potrubí v zemi 45

1.7.3. Komponenty plastové pro plynovody. 46

1.7.3.1. Trubky a tvarovky plastové pro rozvod zemního plynu. 46

1.7.3.2. Chráničky. 47

1.8. Komponenty potrubní třídy pro vodovody a kanalizaci 47

1.8.1. Používané materiály. 47

1.8.1.1. Oceli 47

1.8.1.2. Litiny. 48

1.8.1.3. Plasty. 48

1.8.2. Komponenty ocelové a litinové. 50

1.8.2.1. Trubky. 50

1.8.2.2. Tvarovky všeobecně. 52

1.8.2.3. Normalizované tvarovky. 53

1.8.2.4. Typy zakončení a možnosti spojování potrubních komponent. 53

1.8.2.5. Chráničky. 54

1.8.3. Komponenty plastové. 54

1.8.3.1. Trubky a tvarovky z plastů. 54

1.8.3.2. Typy spojování 56

1.8.3.3. Chráničky. 56

2. Trasování potrubí v zemi. 57

2.1. Všeobecné poznámky. 57

2.2. Způsoby kompenzace tepelné roztažnosti potrubí v zemi 57

2.2.1. Kompenzace tepelné roztažnosti vodorovného potrubí svým tvarem včetně U-kompenzátorů s použitím kompenzačních polštářů. 57

2.2.2. Kompenzace tepelné roztažnosti kompenzátory vlnovcovými axiálními 58

2.2.3. Kompenzace tepelné roztažnosti sdruženého potrubí 59

2.2.4. Kompenzace tepelné roztažnosti suvného potrubí 60

2.2.5. Kompenzace tepelné roztažnosti vakuovaného potrubí 60

2.3. Umístění a uložení potrubí v zemi 61

2.3.1. Všeobecně. 61

2.3.2. Umístění a konstrukce pevného bodu v zemi 61

2.3.3. Uložení potrubí u T-kusů a odboček v zemi 61

2.3.4. Uložení potrubí v případě předpokládaných pohybů podloží 62

2.4. Výpočty potřebné pro trasování potrubí 63

2.4.1. Použité veličiny a jednotky. 63

2.4.2. Výpočet vyložení U-kompenzátoru. 63

2.4.3. Výpočet velikosti a druhu kompenzačních polštářů. 65

2.4.4. Výpočet potrubí v případě předpokládaného pohybu podloží 66

2.4.5. Potrubí při překonávání vodních toků či nádrží po dně. 67

2.4.6. Uložení potrubí přímo na zemi (na terénu) 68

2.5. Minimální vzdálenosti potrubí mezi sebou a ostatními překážkami 68

2.5.1. Minimální vzdálenost mezi dvěma potrubími v souběhu. 68

2.5.2. Minimální vzdálenost mezi dvěma potrubími při křížení 70

2.5.3. Minimální vzdálenost mezi potrubím a konstrukcemi pod zemí 70

2.5.5. Seznam použitých norem.. 71

3. Ostatní důležité poznatky týkající se potrubí. 72

3.1. Použité veličiny a jednotky. 72

3.2. Membránový a momentový stav napjatosti 73

3.2.1. Membránový stav napjatosti 73

3.2.2. Momentový stav napjatosti všeobecně. 73

3.2.3. Membránové síly a napětí pro válcový útvar. 74

3.2.4. Membránové síly a napětí pro kuželový útvar a anuloid. 76

3.2.5. Prodlužování přímého potrubí způsobeného vnitřním tlakem – Bourdonův jev. 76

3.3. Tenkostěnné potrubí a základní vzorce. 77

3.3.1. Vzorce pro výpočet charakteristických hodnot potrubního průřezu. 77

3.3.2. Vzorce pro výpočet potrubních hodnot, započítáme-li i délku. 79

3.4. Součinitel tlaku. 79

3.4.1. Součinitel tlaku pro tvarovky typu kolena a redukce. 79

3.4.2. Součinitel tlaku pro tvarovky typu T-kusy. 80

3.5. Charakteristické číslo, SIF a poddajnost 82

3.5.1. Definice charakteristického čísla a součinitelů. 82

3.5.2. Příklady použití součinitelů v případě ohybu. 82

3.5.2.1. Charakteristické číslo pro ohyb. 82

3.5.2.2. Určení součinitele intenzifikace napětí (SIF) pro ohyb. 83

3.5.2.3. Určení součinitele poddajnosti pro ohyb. 84

3.5.3. Součinitelé poddajnosti a intenzifikace napětí podle ČSN EN 13480-3 a podle ČSN EN 13941-1. 84

3.5.4. Součinitelé poddajnosti a intenzifikace napětí podle ASME B31J 84

3.6. Primární a sekundární napětí a redistribuce napětí v průřezu trubky. 85

3.6.1. Primární a sekundární napětí 85

3.6.2. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách přímé trubky. 86

3.6.3. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách ohybu. 89

3.7. Různé způsoby a metody výpočtů potrubí v zemi 90

3.7.1. Metoda dovoleného napětí 90

3.7.2. Metoda zatěžovacích součinitelů. 90

4. Základní vlastnosti zemin.. 91

4.1. Veličiny a jednotky všeobecné. 91

4.2. Klasifikace zemin ve stavebnictví. 92

4.3. Charakteristické vlastnosti zemin. 94

4.4. Hodnoty charakteristických vlastností zemin. 95

4.5. Napjatost, deformace, pevnost a tlak zeminy. 96

4.6. Stlačitelnost a zhutňování zeminy. 96

4.7. Druhy výkopu. 98

5. Zatížení potrubí a jejich reakce v zemi. 99

5.1.  Zatížení od vnitřního tlaku a vlastní hmotnosti - trvalá zatížení 99

5.1.1. Použité veličiny a jednotky. 99

5.1.2. Zatížení tlakem, přímé i odvozené zatížení 99

5.1.2.1. Zatížení tlakem.. 99

5.1.2.2. Zatížení potrubí axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 100

5.1.2.3. Zatížení potrubí vnitřním podtlakem.. 100

5.1.2.4. Zatížení zkušebním tlakem pro houževnaté materiály. 100

5.1.2.5. Napěťová zkouška (sresstest) u plynovodů a ropovodů. 101

5.1.3. Zatížení vlastní hmotností tekutiny, potrubí a izolace a potrubních dílů. 102

5.1.3.1. Hmotnost potrubí 102

5.1.3.2. Hmotnost tekutiny. 102

5.1.3.3. Hmotnost izolace a povrchové ochrany. 102

5.2. Svislá zatížení od hmotnosti nadloží (násypu) – trvalá zatížení 102

5.2.1. Veličiny a jednotky všeobecné. 102

5.2.2. Působení nadloží (zasypu) na potrubí – svislá složka geostatického napětí 103

5.2.3. Výpočet svislé složky způsobené třením zemin v případě úzkého výkopu. 105

5.2.4. Hypotéza zemní klenby. 106

5.2.5. Zatížení zhutněním nadloží 106

5.3. Zatížení povrchu terénu a jeho roznášení konstrukcí komunikace – příležitostná zatížení 107

5.3.1. Zatížení povrchu terénu. 107

5.3.2. Roznášení zatížení povrchu terénu konstrukcí komunikace. 108

5.4. Vodorovný boční tlak zeminy na potrubí při širokém výkopu od svislého tlaku zeminy. 109

5.5. Vodorovné osové a boční zatížení potrubí od teploty. 112

5.5.1.  Použité veličiny a jednotky. 112

5.5.2. Vodorovné osové zatížení potrubí od teploty. 113

5.5.3. Boční tlak zeminy způsobený tepelnou roztažností potrubí– zatížení od teploty. 115

5.5.4. Boční tlak zeminy způsobený tepelnou roztažností potrubí při instalaci dilatačních polštářů– zatížení od teploty. 116

5.6.  Zatížení potrubí pohyby podloží 117

5.6.1.  Použité veličiny a jednotky. 117

5.6.2. Pokles podloží pružností zeminy. 118

5.6.3. Poddolované podloží 118

5.6.4. Podloží s nedokončeným konsolidačním sedáním.. 120

5.6.5. Pohyb podloží vlivem zemětřesení 121

5.6.6. Podemleté podloží vodou – nepředpokládané přetvoření zeminy. 121

5.6.7. Podloží tvořené zeminou saturovanou vodou. 121

5.7.      Shrnutí působení zatížení na potrubí 122

5.7.1.  Použité veličiny a jednotky. 122

5.7.2. Shrnutí působení zatížení v příčném směru trubky. 122

5.7.3. Výpočet napětí pro potrubí zatížené nadložím tvořeným zeminou vodou nesaturovanou pro úzký výkop. 125

5.7.4. Výpočet napětí pro potrubí zatížené nadložím tvořeným zeminou vodou nesaturovanou s vytvarovaným ložem.. 128

5.7.5. Kombinace zatížení potrubí pod zemí vnitřním tlakem či podtlakem a zatížení zeminou. 129

5.8. Zatížení dynamikou tekutin v potrubí 129

5.8.1. Použité veličiny a jednotky. 129

5.8.2. Základy mechaniky tekutin pro potrubí 132

5.8.2.1. Základní vztahy. 132

5.8.2.2. Přeměna energie od proudění na tlakovou energii v potrubí 134

5.8.2.3. Volný ustálený výtok z potrubí 134

5.8.2.4. Zatížení potrubí axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 135

5.8.2.5. Zatížení hrdla aparátu axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 135

5.8.3. Hydraulický ráz. 135

5.8.3.1. Odvožení Žukovského rovnice pro přímý hydraulický ráz. 135

5.8.3.2. Hydraulický ráz, základní poznatky z hydrodynamiky. 136

5.8.3.3. Výpočet síly způsobené hydraulickým rázem.. 139

5.8.3.4. Výpočet doby působení síly. 139

5.8.4. Průtok vícefázové tekutiny (tj. směsi kapaliny a plynu) 139

5.8.5. Zatížení impulzem (rázem) kvazistaticky. 141

5.9. Zatížení impulzem pomocí spektrální analýzy. 142

5.9.1. Použité veličiny a jednotky. 142

5.9.2. Všeobecné přiblížení spektrální anylýzy. 145

5.9.3. Dynamická odezva konstrukce. 146

5.9.4. Teoretické základy spektrální analýzy. 146

5.9.5. Určení maximální velikosti a počtu počítaných vlastních frekvencí a korekce nezapočítaných vlastních frekvencí 146

5.9.6. Pravidla pro kombinace odezev modů (Modal Combination Methods ) 147

5.9.7. Kombinace dynamických zatížení 149

5.9.8. Definování impulzu (rázu) a generování zatěžovacího spektra odezvy. 150

5.10. Zatížení seizmicitou. 151

5.10.1. Použité veličiny a jednotky. 151

5.10.2. Seizmické oblasti 152

5.10.3. Zemětřesení – kvazistaticky. 152

5.10.4. Zemětřesení – pohyb podloží 154

5.10.5. Zemětřesení - spektrální analýza. 154

5.10.5.1. Teoretické základy spektrální analýzy. 154

5.10.5.2. Spektrální analýza seizmicity. 154

5.10.5.3. Společné kapitoly se spektrální analýzou rázů. 156

5.11. Příklad zatěžovacích součinitelů v případě použití metody zatěžovacích součinitelů. 157

6. Mezní stavy pro potrubí v zemi. 159

6.1. Uspořádání mezních stavů potrubí 159

6.2. Mezní stavy únosnosti pro potrubí pod zemí- seznam.. 160

6.3. Mezní stavy použitelnosti pro potrubí pod zemí- seznam.. 160

6.4. Vyhodnocování mezních stavů únosnosti 160

6.4.1. Použité veličiny a jednotky. 160

6.4.1. Vyhodnocování membránového napětí v případě houževnatých materiálů. 163

6.4.1.1. Vyhodnocení napětí od vnitřního tlaku v případě metody dovoleného napětí 163

6.4.1.2. Vyhodnocení napětí od vnitřního tlaku v případě metody zatěžovacích součinitelů. 164

6.4.2. Vyhodnocování membránového a ohybového napětí -vyhodnocení napětí od všech trvalých zatížení 164

6.4.2.1. Vyhodnocení membránového a ohybového napětí od všech trvalých zatížení v případě metody dovoleného napětí 164

6.4.2.2. Vyhodnocení membránového a ohybového napětí od všech trvalých zatížení v případě metody zatěžovacích součinitelů. 165

6.4.2. Vyhodnocování membránového a ohybového napětí -vyhodnocení napětí od trvalých a občasných zatížení 165

6.4.2.1. Vyhodnocení membránového a ohybového napětí od trvalých a občasných zatížení v případě metody dovoleného napětí 165

6.4.2.2. Vyhodnocení membránového a ohybového napětí od trvalých a občasných zatížení v případě metody zatěžovacích součinitelů. 166

6.4.3. Vyhodnocení rozkmitu napětí od teplotní dilatace – kontrola plastické deformace od sekundárního napětí 166

6.4.3.1. Vyhodnocení rozkmitu napětí od teplotní dilatace v případě metody dovoleného napětí použité v ČSN EN 13480-3. 166

6.4.3.2. Vyhodnocení rozkmitu napětí od teplotní dilatace v případě metody dovoleného napětí použité v ASME B31.1 a B31.3. 167

6.4.3.3. Kontrola plastické deformace od sekundárního napětí v případě metody zatěžovacích součinitelů. 168

6.4.4. Pevnost závislá na čase – nízkocyklová únava. 169

6.4.5. Koroze a eroze a výpočet potrubí s nimi 171

6.4.6. Křehký lom u houževnatých materiálů a ochrana proti němu. 172

9.4.7. Imploze vnějším tlakem, stabilita vůči podtlaku ve vztahu se zatížením nadložím.. 174

6.5. Mezní stavy použitelnosti potrubí 175

6.5.1. Použité veličiny a jednotky. 175

6.5.2. Vzpěr potrubí (globální nestabilita) 176

6.5.3. Příčné deformace způsobené vzpěrem až k vychýlení nad zeminu. 179

6.5.4. Místní boulení stěny. 180

6.5.5. Ovalizace příčného průřezu. 181

6.5.6. Deformace průřezu pro plasty a lamináty. 183

6.5.7. Mezní stavy pro PUR a PE v případě sdruženého potrubí 183

6.5.8.  Maximální zatížení hrdel ventilů v případě sdruženého potrubí 184

6.5.9. Vliv na mezní stavy, způsobené materiálovými veličinami  plastů. 184

7. Výpočet potrubí v zemi pomocí specializovaných programů.. 185

7.1. Metoda konečných prvků a její využívání pro uvedené programy. 185

7.1.1. Metoda konečných prvků. 185

7.1.2. Zjednodušení metody konečných prvků pro potrubní systémy. 187

7.2. Obvyklá základní struktura výpočetního programu pro pevnostní výpočet potrubí 188

7.2.1. Préprocesor. 188

7.2.2. Solver. 189

7.2.3. Postprocesor. 189

7.2.4. Přídavný výpočtový modul pro potrubí v zemi 190

7.3. Výpočet tuhostí a mezních zatížení pro program pro pevnostní výpočty potrubí 191

7.3.1. Základní podmínky podle L.C.Penga a možnost přímého zadání zatížení 191

7.3.2. Výpočet tuhosti nadloží (násypu) a její mezní hodnota. 192

7.3.3. Výpočet tuhosti zeminy působící v ose potrubí a její mezní hodnota. 193

7.3.4. Výpočet tuhosti zeminy, která působí z boku a její mezní hodnota. 193

7.3.5. Výpočet tuhosti zeminy podloží a její mezní hodnota. 193

8. Použitá literatura a literatura pro další studium... 195

8.1. Odborná literatura: 195

8.2. Firemní literatura. 197

8.3. Legislativa. 198

8.4. Normy. 198

8.4.1. Evropské normy. 198

8.4.2. České normy. 200

8.4.3. Německé normy (harmonizované k PED) 200

8.4.4. Normy USA. 201

8.5. Zajímavé internetové adresy. 201