Jdi na obsah Jdi na menu
 


Obsah: Jak na potrubi? I. - základní teorie a statika

26. 10. 2016

Jak na potrubí? I. E-kniha o pevnostních výpočtech potrubí - základní teorie, statika.

Obsah:

 

1. Úvod  11

2. Používané názvosloví 12

3. Použité veličiny a jednotky  16

4. Teoretický základ všeobecný  21

4.1. Skořepiny  21

4.2.  Membránový a momentový stav napjatosti 22

4.2.1. Membránový stav napjatosti 22

4.2.2. Momentový stav napjatosti všeobecně  22

4.2.3. Momentový stav napjatosti v místech uložení potrubí 22

4.3. Napjatost tenkostěnné rotační skořepiny zatížené vnitřním spojitým zatížením   23

4.3.1. Odvození  Laplaceovy rovnice  23

4.3.2. Membránové síly a napětí pro válcový útvar 24

4.3.3. Membránové síly a napětí pro kuželový útvar 26

4.3.4. Membránové síly a napětí pro anuloid  27

4.3.5. Membránové síly a napětí pro kulový útvar 30

4.3.6. Součinitel tlaku pro tvarovky  30

4.3.7. Prodlužování přímého potrubí způsobeného vnitřním tlakem – Bourdonův jev  31

4.4. Tenkostěnné potrubí a základní vzorce  32

4.4.1. Vzorce pro výpočet charakteristických hodnot potrubního průřezu  32

4.4.2. Vzorce pro výpočet potrubních hodnot, započítáme-li i délku  33

4.4.3. Vztah momentu a síly působící na trubku přes způsobené napětí 33

4.5. Charakteristické číslo, SIF a poddajnost 33

4.5.1. Definice charakteristického čísla a součinitelů  33

4.5.2. Příklady  použití součinitelů v případě ohybu  34

4.5.2.1. Charakteristické číslo pro ohyb  34

4.5.2.2. Určení součinitele koncentrace napětí (SIF) pro ohyb  34

4.5.2.1. Určení součinitele poddajnosti pro ohyb  35

4.6. Primární a sekundární napětí a redistribuce napětí v průřezu trubky  35

4.6.1. Primární a sekundární napětí 35

4.6.2. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách přímé trubky  35

4.6.2. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách ohybu  38

5. Zatížení potrubí 40

5.1. Rozdělení zatížení 40

5.1.1. Rozdělení zatížení podle provozních podmínek  40

5.1.2. Rozdělení zatížení podle kritérií dovoleného namáhání a stability. 41

5.1.3. Rozdělení zatížení podle času působení 42

5.1.4. Živá a mrtvá zatížení 42

5.1.5. Rozdělení zatížení podle stochasticity  42

5.2. Zatížení trvalá  43

5.2.1. Zatížení tlakem, přímé i odvozené zatížení 43

5.2.1.1. Zatížení tlakem   43

5.2.1.2. Volný ustálený výtok z potrubí 44

5.2.1.3. Zatížení potrubí axiální silou od vlnovcového kompenzátoru  44

5.2.1.4. Zatížení hrdla aparátu axiální silou od vlnovcového kompenzátoru  44

5.2.2. Zatížení vlastní hmotností tekutiny, potrubí a izolace a potrubních dílů  44

5.2.2.1. Hmotnost potrubí 44

5.2.2.2. Hmotnost tekutiny  45

5.2.2.3. Hmotnost izolace  46

5.3. Zatížení působením teploty  46

5.3.1. Roztažnost potrubí 46

5.3.2. Banánový efekt. 47

5.3.3. Pohyb hrdel 47

5.3.4. Zatížení zápornou teplotou  47

5.4. Příležitostná zatížení 47

5.4.1. Klimatická zatížení 47

5.4.1.1. Zatížení větrem   47

5.4.1.2. Zatížení sněhem   48

5.4.2. Kvazistatická a dynamická zatížení 49

5.5. Zatížení od jednoho neopakujícího se pohybu podpěry. 49

6. Tvorba potrubní třídy  50

6.1. Základní vzorce pro tvorbu potrubní třídy  50

6.1.1. Co umožňuje tvorbu potrubní třídy?  50

6.1.2. Potrubní třídy pro zatížení potrubí podtlakem   50

6.1.3. Potrubní třídy pro kryogenní kapaliny a chladiva  51

6.2. Systémy značení potrubní třídy  52

6.3. Konstrukce potrubní třídy  52

6.3.1. Základní údaje a složení potrubní třídy  52

6.3.2. Tlakoteplotní tabulka  53

6.3.3. Výpočet tloušťky stěny  53

6.4. Přídavky tloušťky stěny trubky  54

6.4.1. Znázornění a označení přídavků  54

6.4.2. Korozně - erozní přídavek  54

6.4.3. Záporná výrobní tolerance tloušťky stěny trubky  55

6.4.3.1. Bezešvé ocelové trubky  55

6.4.3.2. Bezešvé ocelové trubky korozivzdorné  55

6.4.3.3. Svařované ocelové trubky  56

6.4.3.4. Elektricky svařované ocelové trubky  56

6.4.3.5. Pod tavidlem svařované ocelové trubky  56

6.4.3.6. Svařované ocelové trubky korozivzdorné  56

6.4.3.7. Trubky pro naftovody a plynovody  56

6.5. Komponenty potrubní třídy  57

6.5.1. Trubky  57

6.5.2. Tvarovky  57

6.5.2.1. Tvarovky všeobecně  57

6.5.2.2. Hladké ohyby - použití 58

6.5.2.3. Segmentové ohyby  58

6.5.3. Příruby  59

6.5.4. Spojovací materiál 60

6.5.5. Těsnění 61

6.5.6. Kompenzátory  62

6.5.7. Tlakové hadice  64

6.5.8. Armatury  66

6.6. Materiály pro potrubní třídy  68

6.6.1. Oceli 68

6.6.2. Litiny  69

6.6.3. Neželezné kovy  70

6.6.3.1. Hliník a jeho slitiny. 70

6.6.3.2. Měď a její slitiny  71

6.6.3.3. Titan a jeho slitiny  72

6.6.3.4. Slitiny žáruvzdorné a žárupevné  72

6.6.4. Ostatní materiály pro potrubí 73

6.6.4.1. Sklo  73

6.6.4.2. Keramika  73

6.6.4.3. Beton  73

7. Mezní stavy potrubí – rozdělení a uspořádání 75

7.1. Seznam a uspořádání mezních stavů potrubí 75

7.1.1. Mezní stav únosnosti 75

7.1.2. Mezní stav použitelnosti 75

7.2. Určení vzdálenosti podpěr tak, aby nebyl porušen mezní stav únosnosti 76

7.2.1. Dovolené napětí v materiálu potrubí a z něj odvozená vzdálenost podpěr 76

7.2.2. Dovolená únosnost podpěr a z ní odvozená vzdálenost podpěr 76

8. Vyhodnocování napětí a jiných mezních stavů únosnosti pro potrubí z houževnatých materiálů  77

8.1. Které materiály, vhodné pro výrobu potrubí, jsou houževnaté?  77

8.2. Vyhodnocování napětí a pružnostní analýza  77

8.2.1. Hypotéza Tau-max (Max3DShear) 77

8.2.2. Hypotéza HMH (von Mises) 77

8.2.3. Výpočet dovoleného napětí nezávislého na čase  78

8.2.4. Vyhodnocení napětí od trvalých zatížení 79

8.2.5. Vyhodnocení napětí od občasných ev. mimořádných zatížení 79

8.2.6. Vyhodnocení rozkmitu napětí od teplotní dilatace  79

8.2.7. Vyhodnocení napětí od pohybu podpěry  81

8.3. Pevnost závislá na čase  81

8.3.1. Výpočet potrubí s krípem   81

8.3.1.1. Teoretický úvod  81

8.3.1.2. Pevnostní výpočet kovových potrubí 82

8.3.1.3. Vyhodnocení napětí při výpočtu s krípem   83

8.3.2. Koroze a eroze a výpočet potrubí s nimi 84

8.3.2.1. Koroze – základní pojmy  84

8.3.2.2. Erozní opotřebení – základní pojmy  84

8.3.2.3. Pevnostní výpočet 84

8.3.3. Únavový lom a výpočet potrubí s cyklickým zatížením   85

8.3.3.1. Úvodní teorie  85

8.3.3.2. Pevnostní výpočet 86

8.3.4. Křehký lom u houževnatých materiálů a ochrana proti němu  89

8.3.4.1. Materiálová křehkost 89

8.3.4.2.  Eliminace křehkého lomu  90

8.3.4.3.  Některé materiály vhodné pro nízké teploty  91

8.4. Výpočet zkušebního tlaku pro houževnaté materiály  92

9. Vyhodnocování napětí pro potrubí z křehkých materiálů  94

9.1. Které materiály, vhodné pro potrubí, jsou křehké?  94

9.2. Vyhodnocování napětí a pružnostní analýza  94

9.2.1. Podmínky pevnosti - Rankinova hypotéza  94

9.2.2. Saint-Venantova hypotéza maximálního prodloužení 94

9.2.3. Mohrova hypotéza mezní čáry  94

9.2.4. Výpočet dovoleného napětí nezávislého na čase – odvození součinitele bezpečnosti 95

9.2.6. Vyhodnocení osových napětí 96

9.2.7. Vyhodnocení obvodových napětí 97

9.3. Koroze a eroze a výpočet potrubí s nimi 97

9.4. Výpočet zkušebního tlaku pro křehké materiály  97

10. Stabilita potrubní stěny  99

10.1. Ztráta stability potrubní stěny - boulení stěny všeobecně  99

10.2. Ztráta stability (boulení) potrubní stěny mezi podpěrami - zatížení osovou silou a ohybovým momentem   100

10.3. Ztráta stability potrubní stěny (boulení) mezi podpěrami - Zatížení podtlakem   102

10.4. Kombinace různých druhů zatížení z hlediska stability potrubní stěny mezi podpěrami 104

10.5. Ztráta stability potrubní stěny nad podpěrou  104

10.6. Rozdíl ve stabilitě potrubní stěny u houževnatých a křehkých materiálů  106

11. Únosnost hrdel aparátů a ostatních zařízení a potrubních spojů  107

11.1.  Přepočet zatížení momentem na zatížení silou  107

11.1.1. U trubky  107

11.1.2. U přírubového těsnění 107

11.1.3. U přírubových šroubů  108

11.2. Únosnost hrdel aparátů a ostatních zařízení 109

11.2.1. Vznik zatížení hrdel 109

11.2.2. Výpočet únosnosti hrdla pro hrdlo tvořené nátrubkem na prostorově klenuté anebo válcové nádobě  109

11.2.2.1. Průnik dvou válcových těles – výpočet pomocí WRC 107 a WRC 297  109

11.2.2.2. Průnik dvou válcových těles – výpočet pomocí EN 13445-3 a BS5500  111

11.2.2.3. Smaltovaná  hrdla aparátů  111

11.2.2.4. Nekovová hrdla aparátů  111

11.2.3. Omezení zatížení hrdla technickými normami či jinými ustanoveními 111

11.2.3.1. Ocelová hrdla tlakových nádob – omezení dané určením tří součinitelů  111

11.2.3.2. Ocelová hrdla výměníků  113

11.2.3.3. Hrdla kotle  113

11.2.3.4. Hrdla ventilů  113

11.2.3.5. Omezení zatížení hrdel u čerpadel 113

11.2.3.6. Omezení zatížení hrdel u turbín  113

11.3. Výpočet potrubních spojů  114

11.3.1. Kontrola tlaku na těsnění 114

11.3.2. Pevnostní výpočet přírubového spoje  115

11.3.2.1. Všeobecné informace  115

11.3.2.2. Trojúhelníkový diagram předpjatého spoje  117

11.3.2.3. Pružinové systémy u přírubových šroubů  118

11.3.2.4. Výstupy z výpočtu přírubového spoje  118

11.3.3. Těsnostně - pevnostní výpočet přírubového spoje  118

11.3.3.1. Těsnostně- pevnostní výpočet přírubového spoje – všeobecné údaje  118

11.3.3.2. Výpočet přírubového spoje pro dosažení požadované těsnosti 119

11.3.3.3. Podmínky pro dosažení vysoké těsnosti 119

11.3.3.4.  Principy návrhu těsnostně-pevnostního výpočtu přírubového spoje  120

11.3.3.5. Vlastnosti těstnostně-pevnostního výpočtu přírubového spoje  120

11.3.3.6. Výstupy z výpočtu přírubového spoje  121

11.3.4. Výpočet svařovaného spoje  121

12. Mezní stavy použitelnosti potrubí 122

12.1. Nepřekročení průhybu pro spádování potrubí 122

12.1.1. Spádování 122

12.1.2. Určení vzdálenosti podpěr tak, aby nebyly porušeny definované limity pro spádování 123

12.2. Nepřekročení posuvu způsobeného tepelnou dilatací 123

12.2.1. Základní informace o tepelné dilataci 123

12.2.2. Výčet vlivů tepelné roztažnosti 124

12.2.3. Banánový efekt (stratifikace teploty) 124

12.3. Vzpěr potrubí 126

12.3.1. Zvlnění potrubí 128

12.4. Periodické kmitání potrubí 129

12.5. Stav omezeného poškození při seizmicitě. 130

13. Kompenzace délkové roztažnosti 131

13.1. Příčiny nutnosti kompenzace délkové roztažnosti 131

13.1.1. Délková roztažnost potrubí 131

13.1.2. Překročení dovoleného namáhání potrubí, dovoleného posunu a dovoleného zatížení hrdel způsobené délkovou roztažností 131

13.2. Kompenzace přirozeným tvarem potrubí 132

13.3. Kompenzace vložením kompenzátorů tvarem potrubí 132

13.3.1. U-kompenzátory pro kovová potrubí 132

13.4. Kompenzátory vlnovcové, ucpávkové a textilní 133

13.4.1. Vlnovcové kompenzátory  133

13.4.1.1.  Druhy vlnovcových kompenzátorů  133

13.4.1.2. Silové působení kompenzátoru na okolní potrubí 136

13.4.2. Ucpávkové kompenzátory  137

13.4.3. Textilní (tkaninové) kompenzátory  138

14. Výpočet a vyhodnocování napětí v jednotlivých potrubních komponentách  139

14.1.  Základní potrubní komponenty  139

14.1.1. Používání výpočtů v plastické oblasti materiálu  140

14.1.2. Ohodnocení bezpečnosti plastického výpočtu  140

14.1.2.1. Všeobecné porovnání pružnostního a plastického výpočtu  140

Máme jednoduchý nosník zatížený ohybem podle náledujícího obrázku: 140

14.1.2.2. Porovnání pružnostního a plastického výpočtu pro potrubí namáhané vnitřním tlakem   141

14.2. Trubka  142

14.2.1. Napětí v trubce za ohybu  142

14.2.2. Výpočet plastické únosnosti trubky pro obvodové napětí 142

14.2.3. Výpočet žeber a výztuh potrubí na základě plasticity  142

14.2.4. Výpočet maximálních rozměrů napadení důlkovou korozí 143

14.3. Ohyb  143

14.3.1. Hladký ohyb  143

14.3.1.1. Součinitel poddajnosti 144

14.3.1.2. Součinitel koncentrace napětí 144

14.3.1.4. Korekce vratné deformace průřezu ohybu při rovinném zatížení 146

14.3.2. Segmentový ohyb  147

14.3.1.1. Součinitel poddajnosti. 147

14.3.1.2. Součinitel koncentrace napětí pro ohyb  148

14.3.1.3. Napětí v kritickém místě  148

14.4. Redukce  149

14.4.1. Napětí v kritickém místě  149

14.5. Odbočky, T-kusy  150

14.5.1. Jednotlivé typy provedení T-kusů a odboček  150

14.5.2. Součinitel poddajnosti pro T-kusy  151

14.5.3. Součinitel koncentrace napětí pro T-kusy  151

14.5.4. Napětí v kritickém místě  152

14.6. Příruba  153

14.6.1. Typy výpočtů přírub  153

14.6.2. Kdy je možno použít normalizované příruby bez výpočtu  153

14.6.3. Součásti a typy přírubového spoje a druhy přírubových spojů  154

14.6.5. Zatížení příruby jako součásti přírubového spoje  155

14.6.6. Princip pružnostního výpočtu  155

14.6.7. Princip plastického výpočtu  157

14.7. Rovinné zaslepení potrubí 159

14.7.1. Princip pružnostního výpočtu  159

14.7.2. Princip plastického výpočtu  161

14.8. Těleso ventilu  162

14.9. Vlnovcový kompenzátor 163

14.9.1. Druhy vlnovcových kompenzátorů  163

14.9.2. Určení kompenzátoru do potrubní větve  164

14.9.3. Pryžové a plastové kompenzátory  164

14.9.4. Výpočet vlnovcového kompenzátoru  165

15. Uložení a podpěry potrubí 166

15.1. Únosnost podpěr 166

15.1.1. Materiál podpěr 166

15.1.2. Konstrukční teploty a dovolené napětí u podpěr 166

15.1.3. Zatížení podpěr 167

15.2. Výběr vhodného uložení 167

15.2.1. Všeobecně  167

15.2.2. Podpěry anebo závěsy  167

15.2.3. Jednoduché anebo dvojité závěsy  168

15.2.4. Volba stropního uchycení 168

15.2.5. Základní vývojový diagram pro umísťování podpěr 168

15.2.6. Rozdělení podpěr podle zachycování reakcí 169

15.2.7. Vzdálenost podpěr 170

15.2.8. Pravidla pro umístění podpěr 171

15.2.9. Některá jiná omezení platící pro podpěry  172

15.3. Podpěry pro ocelová potrubí 173

15.3.1. Kotvení 173

15.3.2. Směrová zarážka  173

15.3.3. Vedení 174

15.3.4. Tlumič rázů  174

15.3.5. Omezovač kmitání 174

15.3.6. Pružná podpěra  174

15.3.7. Tuhá kloubová vzpěra  174

15.3.8. Kluzná tuhá podpěra nebo patka  174

15.3.9. Tuhý závěs  175

15.3.10. Pružný závěs  176

16. Související technické normy a legislativa  177

16.1. Související legislativa  177

16.2. Související technické normy  177

16.2.1. Platné původem české technické normy  177

16.2.2. Staré neplatné oborové československé normy pro potrubí 177

16.2.3. Evropské normy (harmonizované k PED) 178

16.2.3.1. Tlaková zařízení 178

16.2.3.2. Čerpadla  179

16.2.3.3. Kovová potrubí 180

16.2.4. Německé normy (harmonizované k PED) 182

16.2.5. Eurokódy  183

16.2.6. Jiné významné normy  183

16.2.7. Normy USA   184

16.2.8. Ruské normy  185

17. Použitá literatura a literatura pro další studium   186

17.1. Odborná literatura  186

17.2. Firemní literatura  187

17.3. Zajímavé internetové adresy  187