Jdi na obsah Jdi na menu
 


1. Zatížení hrdel zařízení způsobená potrubím

31. 10. 2021
 

Úvod.

          Zatížení tlakových nádob potrubím je jedním z důležitých zatížení tlakové nádoby, i když jeho kontrola v provozu je minimální. Proto bychom zde chtěli představit všechny typy zatížení tlakové nádoby od potrubí, aby si zúčastnění pracovníci na výrobě i provozu tlakových zařízení dokázali udělat představu.

 

Zatížení hrdel tlakových nádob

             Vznik zatížení hrdel. Aparát a potrubí se stýkají na hrdle aparátu – tlakové nádoby. Potrubí tak zejména svou hmotností a tepelnou roztažností působí na tlakovou nádobu. Je však možný i způsob opačný, tj. působením tepelné roztažnosti tlakové nádoby se začne pohybovat hrdlo vůči potrubí, a tím je zatíženo též hrdlo tlakové nádoby. Dále může být zatížení hrdel způsobeno klimatickými zatíženími (tj. sněhem a větrem působícím na potrubí) Další způsob zatížení hrdla a aparátu jsou všechna dynamická zatížení způsobující vibrace potrubí, jejichž je hrdlo nádoby nedílnou součástí. Každé hrdlo aparátu, tlakové nádoby a ostatních zařízení má svá maximální dovolená zatížení hrdel. Proto reálné zatížení hrdel nesmí tak být vyšší než maximální dovolené zatížení hrdel.

 

obr5.1.jpg

             Zatížení hrdel je složeno ze tří sil Fx, Fy, Fz a tří momentů síly Mx, My, Mz. Jednotkou sil je N (Newton), jednotkou momentů je Nm (Newtonmetr).

            Mezní stavy hrdla. Hrdlo jako celek se skládá z příruby s těsněním, z nátrubku a ze svarového spoje mezi nátrubkem a pláštěm nádoby. Alternativně může též být složeno pouze z nátrubku, který je přivařen z jedné strany k plášti nádoby a z druhé strany přímo k potrubí. Hrdlo musí odolat těmto omezením:

- Namáhání válcové či kulové skořepiny aparátu od zatíženého hrdla.

- Namáhání nátrubku mezi aparátem a přírubou

- Dovolené namáhání vlastní příruby

- Tlak na přírubové těsnění, anebo přímo výpočet přírubového spoje.

- Maximální zatížení hrdla s výstelkou. Výstelku může tvořit nějaký plast anebo jde o smaltovou nádobu.

        Ze všech druhů mezních stavů hrdla je nejrizikovější namáhání styku mezi válcem, které tvoří hrdlo a válcem anebo koulí, kterou tvoří vlastní těleso tlakové nádoby.  

 

Výpočet a jiné způsoby určení dovolených statických zatížení hrdel

         Průnik dvou válcových těles – výpočet pomocí WRC 107 a WRC 297. Výpočet únosnosti hrdla pro hrdlo tvořené nátrubkem na prostorově klenuté anebo válcové nádobě. WRC znamená ve zkratce Welding Research Counsil. Tato organizace vydává Boulletin o stejném názvu, který se zabýval i namáháním skořepiny aparátu od hrdla, a to v místech průniku obou skořepin. Existují tři vydání bulletinu WRC, ve kterých se o uvedené problematice píše.

            WRC Bulletin 107 je používán od roku 1865. V roce 1910 byl vydán WRC Bulletin 537, který má stejný obsah jako č.107. Rozdíl spočívá pouze v tom, že v bulletinu č. 537 jsou uvedeny vzorce a rovnice, které jsou vhodné pro počítačové zpracování, kdežto Bulletin č.107 poskytuje to samé, ale ve formě grafů a křivek, což je vhodnější pro „ruční“ výpočet. Bulletiny tak hodnotí namáhání jak na vnitřním, tak na vnějším povrchu stěny nádoby a to v osovém i obvodovém směru napětí. Dále definují ve výpočtu aplikovaná zatížení a výsledná namáhání pro prostorově klenuté a válcové nádoby, která jsou uvedena níže.

 

obr5.2.jpg

Obrázek Znázornění os, zatížení hrdel a bodů pro výpočet napětí pro hrdlo na sféricky klenuté a válcové nádobě

 

           Definování os pro sféricky klenutou nádobu. Jsou to osy P, M1 a M2, které jsou nakresleny na obrázcích. Definování os pro válcovou nádobu. Jsou to osy P, MC a ML, které jsou nakresleny na obrázcích.

           Definování bodů, v kterých je podle WRC počítáno napětí. Jsou to body A, B, C, D  na sféricky klenuté a válcové nádobě. Umístění bodů je na obrázcích. Dále index U znamená vnější z hlediska nádoby a index L znamená vnitřní z hlediska nádoby.

            WRC 107 není doporučeno používat, jestliže má hrdlo velmi tenkou stěnu anebo když jsou parametry v WRC 107 nepřiměřeně překročeny. Výsledky výpočtu podle WRC 107 jsou vždy na konzervativní straně.

          Vyhodnocení napětí podle WCR 107 není přesně podle ČSN EN 13480 anebo ASME, ale má své hodnocení, viz dále. WCR 107 hodnotí tyto tři kombinace napětí:

  1. Kombinace

PM<= Smh

Kde     PM je globální membránové napětí od vnitřního tlaku a je rovno pD/4s pro osové napětí v nádobě anebo pD/2s pro obvodové napětí v nádobě.

            Smh je dovolené napětí za tepla

  1. Kombinace

PM+P1+Pb<=1,5k Smh

Kde     P1 je lokální membránové napětí na průniku ploch obou dílů.

Pb je lokální ohybové napětí na průniku ploch obou dílů

            Smh je dovolené napětí za tepla

            k je koeficient, který se pohybuje od 1,0 pro trvalé zatížení, do 1,2 pro trvalé plus nahodilé zatížení (např. vít, zemětřesení apod.)

  1. Kombinace

PM+P1+Pb+Q<=1,5(Smc+Smh)

Kde     Q je sekundární napětí od tepelné roztažnosti potrubí

            Smc je dovolené napětí za studena

            Smh je dovolené napětí za tepla

          A poslední, třetí WRC Bulletin 297 byl publikován v srpnu 1884 a rozšiřuje stávající nástroje. WRC 297 se liší od široce používané WRC 107 především v tom, že WRC 297 je určen pro větší d/D poměry (až 0,5), tedy pro nádoby s relativně tlutší stěnou. WRC 297 dále vypočítává namáhání v hrdlu, zatímco WRC 107 vypočítá namáhání pouze v nádobě.

           Průnik dvou válcových těles – výpočet pomocí EN 13445-3 a BS5500. V ČSN EN 13445-3  „Netopené tlakové nádoby“ – Část 3 „Konstrukce a výpočet“  kap. 15.4 „Lokální zatížení hrdel na kulových skořepinách“ a kap. 15.5 „Lokální zatížení hrdel na válcových skořepinách“,  je řešena tato problematika pro EU. Jsou stejná ustanovení jako v BS 5500.

       V kapitole 15.5.4 ČSN EN 13445-3 je uveden přehled postupu výpočtu a v dalších kapitolách maximální dovolená zatížení. Křivky koeficientů zde uvedených vzorců jsou odvozeny z WCR 297, zatímco dovolená zatížení jsou založena maximálním součiniteli koncentrace napětí 2,25.

         Smaltovaná  hrdla aparátů. Žádná evropská norma harmonizovaná k PED neřeší problematiku numerického limitování zatížení smaltovaných hrdel aparátů. Výrobci smaltovaných aparátů vydávají dokument o maximálním zatížení hrdel jejich výrobků.

      Každý výrobce smaltovaných aparátů určí pro své výrobky hodnoty dovoleného namáhání hrdel. Zde je limitována nejen pevnost, kde platí stejné zákonitosti jako v předchozí kapitole, ale i poměrné prodloužení dané svoji maximální dovolenou hodnotou. V případě, že je toto prodloužení překročeno, smalt popraská. Výrobci smaltovaných aparátů vydávají proto dokument o maximálním zatížení hrdel svých výrobků.

         Hrdla laminátových nádob. Každý výrobce laminátových aparátů určí pro své výrobky hodnoty dovoleného namáhání hrdel. V případě namáhání v tahu je limitující pevnost výztužných vláken. V případě namáhání v osovém tlaku je rozhodující tlaková pevnost pryskyřice. A při smyku je limitující vzájemná soudržnost vláken a pryskyřice.   Výrobci laminátových aparátů vydávají proto dokument o maximálním zatížení hrdel svých výrobků. Jako příklad omezení zatížení hrdel můžeme uvést firmu Plasticon Europe.

        Hrdla plastových nádob. Každý výrobce plastových aparátů určí pro své výrobky hodnoty dovoleného namáhání hrdel. Jsou vždy limitující vlastnosti použitého materiálu. Výpočet se provádí podle norem:

ČSN EN 12573-2 Svařované stabilní beztlakové termoplastické nádrže – Část 2: Výpočet vertikálních válcových nádrží

ČSN EN 12573-4 Svařované stabilní beztlakové termoplastické nádrže – Část 4: Konstrukce a výpočet přírubových spojů

Výrobci plastových aparátů vydávají proto dokument o maximálním zatížení hrdel svých výrobků.

        Omezení zatížení hrdla technickými normami či jinými ustanoveními. Hrdla běžných válcových výměníků. Žádná evropská norma harmonizovaná k PED neřeší problematiku numerického limitování zatížení hrdel ocelových výměníků. Norma TEMA  v čl. RBC-10.6 odkazuje na správnou inženýrskou praxi, což jsou v podstatě ustanovení z předešlých kapitol. Dále zde platí norma HEI a to je „Heat Exchange Institute Standard For Closed Feedwater Heaters“. Zvlášť jsou předepsána max. dovolená zatížení hrdel pro vzduchem chlazené výměníky, a to v API 661 „Air-cooled Heat Exchangers for General Refinery Service“.

       Omezení zatížení hrdel deskových výměníků. Zvlášť jsou předepsána max. dovolená zatížení hrdel pro vzduchem chlazené deskové výměníky, a to v API 661 „Air-cooled Heat Exchangers for General Refinery Service“.

           Omezení zatížení hrdel kotlů. Max. dovolená zatížení hrdel pro topené kotle je předepsána v API 560 „Fired Heaters for General Refinery Service“