Jdi na obsah Jdi na menu
 


2. Minimalizace zatížení hrdel zařízení způsobených potrubím

31. 10. 2021
 

Minimalizace zatížení hrdel od potrubí u vodorovných hrdel

 

obr5.3.jpg

Obrázek Uložení u sacího hrdla čerpadla

 

       obr5.4.jpg

Obrázek Uložení u bočního hrdla aparátu

 

          Z uvedeného vyplývá, že limitující ve výpočtu je zatížení hrdel způsobené potrubím, a to z obou uváděných důvodů. Hrdla od potrubí mohou být zatížena zatíženími způsobující primární i sekundární napětí (např. vlastní hmotností potrubí, média, izolace, klimatickými zatíženími, tepelnou roztažností atd.) V případě, že po provedení výpočtu je zatížení hrdla od potrubí větší než dovolená zatížení, je nutné udělat změny, nejlépe v tomto pořadí: - u dvou podpěr v přímém směru za sebou doplnit směrové zarážky, - těsně u hrdla doplnit pružný závěs (to je účinné, jestliže se samo hrdlo svisle pohybuje), - těsně u hrdla doplnit konstantní závěs. Toto platí v případě, že z nějakých důvodů není možné použít vlnovcový kompenzátor.

          Působení vlnovcového kompenzátoru na potrubí. V případě, že je na hrdlo zapojen kompenzátor, musí na druhé straně kompenzátoru být umístěn pevný bod. Vnitřní podtlak/přetlak ve vlnovcovém kompenzátoru působí na okolní potrubí axiální silou. Síla je určena součinem velikosti vnitřního tlaku a efektivní plochy kompenzátoru. Tento efekt je však změněn tím, že bereme menší plochu, na níž působí vnitřní tlak p.  Tato plocha je rozdíl mezi efektivní plochou kompenzátoru Aef   a plochou odpovídající kruhu o vnitřním průměru hrdla aparátu. Takže tlak pro axiální zatížení hrdla působí na takto vzniklé mezikruží.

          Zbytek síly odpovídající vnitřnímu tlaku ploše dané kruhem o vnitřním průměru hrdla aparátu nepůsobí na hrdlo zařízení či aparátu, ale přímo na těleso zařízení či aparátu. Avšak při velkém tlaku se může běžně stát, že je překročena axiální síla.

           Na pevný bod na druhé straně kompenzátoru však působí síla odpovídající vnitřnímu tlaku působícím na celý průřez Aef .

         Silové působení kompenzátoru na okolní potrubí:

a) Axiální - vliv axiální tuhosti vlnovce

obr.9.9.jpg

 - vliv axiální síly způsobené vnitřním tlakem/pod tlakem

                              Fx=p.Aef

b) Angulární – vliv angulární tuhosti vlnovce

obr.9.10.jpg

   - vliv tření v kloubu

c) Laterální – vliv laterální tuhosti vlnovce

obr.9.11.jpg

d)  Univerzální – vliv více tuhostí vlnovce

          Potrubí u vodorovných hrdel, pomocí kompenzátorů. Podmínka použití kompenzátoru je relativně nižší vnitřní tlak, a to z toho důvodu, aby osová síla od kompenzátoru byla co nejmenší.

      V případě, že je na hrdlo zapojen kompenzátor za účelem snížení zatížení hrdla, musí na druhé straně kompenzátoru být umístěn pevný bod.

        Vnitřní podtlak/přetlak ve vlnovcovém kompenzátoru působí na okolní potrubí axiální silou. Síla je určena součinem velikosti vnitřního tlaku a efektivní plochy kompenzátoru. Tento efekt je však změněn tím, že bereme menší plochu, na níž působí vnitřní tlak p.  Tato plocha je rozdíl mezi efektivní plochou kompenzátoru Aef   a plochou odpovídající kruhu o vnitřním průměru hrdla aparátu. Takže tlak pro axiální zatížení hrdla působí na takto vzniklé mezikruží.

       Zbytek síly odpovídající vnitřnímu tlaku ploše dané kruhem o vnitřním průměru hrdla aparátu nepůsobí na hrdlo zařízení či aparátu, ale přímo na těleso zařízení či aparátu.

       Na pevný bod na druhé straně kompenzátoru však působí síla odpovídající vnitřnímu tlaku působícím na celý průřez Aef .

       Avšak při použití laterálního kompenzátoru tj. kompenzátor s táhly, se axiální síla přenáší právě těmito táhly.

 

obr5.5.jpg

Obrázek Uložení u sacího hrdla čerpadla a hrdla aparátu

obr5.6.jpg

Obrázek Uložení u vodorovného hrdla aparátu anebo turbíny

obr5.7.jpg

Obrázek Uložení u vodorovného hrdla turbíny I.

obr5.8.jpg

Obrázek Uložení u vodorovného hrdla turbíny II.

 

       Z uvedeného vyplývá, že limitující ve výpočtu je zatížení hrdel způsobené potrubím, a to z obou uváděných důvodů. Hrdla od potrubí mohou být zatížena zatíženími způsobující primární i sekundární napětí (např. vlastní hmotností potrubí, média, izolace, klimatickými zatíženími, tepelnou roztažností atd.) V případě, že po provedení výpočtu je zatížení hrdla od potrubí větší než dovolená zatížení, je nutné udělat změny, a to použitím dvojitého kompenzátoru, kde se nepříznivé síly vzájemně ruší.

 

Minimalizace zatížení u hrdel svislých horních

       Potrubí u svislých horních hrdel, pouze podpěrami. Příklad je u potrubí parní turbíny anebo i jiných zařízení, která má také svůj pevný bod.

       Z uvedeného vyplývá, že limitující ve výpočtu je zatížení hrdel způsobené potrubím. Hrdla od potrubí mohou být zatížena zatíženími způsobující primární i sekundární napětí (např. vlastní hmotností potrubí, média, izolace, klimatickými zatíženími, tepelnou roztažností atd.) V případě, že po provedení výpočtu je zatížení hrdla od potrubí větší než dovolená zatížení, je nutné pevný bod simulovat na potrubí dvěma kluzáky s omezením pohybu čelního a do strany. Na hrdlo tak nebudou působit téměř žádné boční síly. Osovou sílu je nutné eliminovat pružným závěsem, a jestliže ani ten nevyhoví, pak konstantním závěsem.

 

obr5.9.jpg

Obrázek Uložení u výtlačného hrdla čerpadla anebo aparátu a turbíny

 

       Potrubí u svislých horních hrdel, pomocí kompenzátorů. Podmínka použití kompenzátorů je relativně nižší tlak, aby osová síla od kompenzátoru byla co nejmenší.

     V případě, že je na hrdlo zapojen kompenzátor za účelem snížení zatížení hrdla, musí na druhé straně kompenzátoru být umístěn pevný bod.

       Vnitřní podtlak/přetlak ve vlnovcovém kompenzátoru působí na okolní potrubí axiální silou. Síla je určena součinem velikosti vnitřního tlaku a efektivní plochy kompenzátoru. Tento efekt je však změněn tím, že bereme menší plochu, na níž působí vnitřní tlak p.  Tato plocha je rozdíl mezi efektivní plochou kompenzátoru Aef   a plochou odpovídající kruhu o vnitřním průměru hrdla aparátu. Takže tlak pro axiální zatížení hrdla působí na takto vzniklé mezikruží.

         Zbytek síly odpovídající vnitřnímu tlaku ploše dané kruhem o vnitřním průměru hrdla aparátu nepůsobí na hrdlo zařízení či aparátu, ale přímo na těleso zařízení či aparátu.

          Na pevný bod na druhé straně kompenzátoru však působí síla odpovídající vnitřnímu tlaku působícím na celý průřez Aef .

          Z uvedeného vyplývá, že limitující ve výpočtu je zatížení hrdel způsobené potrubím, a to z obou uváděných důvodů. Hrdla od potrubí mohou být zatížena zatíženími způsobující primární i sekundární napětí (např. vlastní hmotností potrubí, média, izolace, klimatickými zatíženími, tepelnou roztažností atd.) V případě, že po provedení výpočtu je zatížení hrdla od potrubí větší než dovolená zatížení, je nutné udělat změny, a to použitím dvojitého kompenzátoru, kde se nepříznivé síly vzájemně ruší.

 

obr5.10.jpg

Obrázek Uložení u hrdel turbiny a aparátů

 

          Na uvedených obrázcích se pracuje s předpokladem, že hrdo aparátu 2. se nepohybuje a je dostatečně pevně ukotveno v plášti aparátu (jinak řečeno hrdlo aparátu 2. není problematické a není třeba ho řešit).

 

Minimalizace zatížení hrdel od potrubí u svislých spodních hrdel

         U spodního svislého hrdla můžeme předpokládat, že se nepohybuje svisle ve velkém rozsahu, neboť vzdálenost od uložení bývá malá, čímž nevytváří velkou axiální reakci. Toto bývá zvládnutelné dostatečnou vzdáleností první podpěry od hrdla. Boční síly na hrdlo by se měly zvládnout dvěma kluzáky s bočním vedením s co největší vzájemnou vzdáleností.

 

obr5.11.jpg

Obrázek Uložení u spodních hrdel aparátů

 

           Potrubí u svislých spodních hrdel, pomocí kompenzátorů. V případě, že zatížení hrdla je překročeno je možné použít vlnovcový kompenzátor. Podmínka pro použití je relativně nižší tlak, aby osová síla od kompenzátoru byla co nejmenší.

       V případě, že je na hrdlo zapojen kompenzátor za účelem snížení zatížení hrdla, musí na druhé straně kompenzátoru být umístěn pevný bod.

         Vnitřní podtlak/přetlak ve vlnovcovém kompenzátoru působí na okolní potrubí axiální silou. Síla je určena součinem velikosti vnitřního tlaku a efektivní plochy kompenzátoru. Tento efekt je však změněn tím, že bereme menší plochu, na níž působí vnitřní tlak p.  Tato plocha je rozdíl mezi efektivní plochou kompenzátoru Aef   a plochou odpovídající kruhu o vnitřním průměru hrdla aparátu. Takže tlak pro axiální zatížení hrdla působí na takto vzniklé mezikruží.

           Zbytek síly odpovídající vnitřnímu tlaku ploše dané kruhem o vnitřním průměru hrdla aparátu nepůsobí na hrdlo zařízení či aparátu, ale přímo na těleso zařízení či aparátu.

             Na pevný bod na druhé straně kompenzátoru však působí síla odpovídající vnitřnímu tlaku působícím na celý průřez Aef .

 

 Příklady špatného řešení potrubí z hlediska přetížení hrdel

          Velký pohyb hrdla anebo malé dovolené zatížení hrdla. Přesné napěťové poměry lze získat jedině výpočtem. Je však vždy lacinější zesílit hrdlo, než vymýšlet komplikovaná uložení potrubí tak, aby se do malého dovoleného zatížení hrdla vešla.

       Blízká vzdálenost hrdla a pevného bodu. V případě umístění pevného bodu a hrdla vedle sebe v takové vzdálenosti, která neumožňuje dostatečnou pružnost potrubí, a to za podmínky, že médium má jinou teplotu, než při které probíhala montáž, může dojít k příliš velkému napětí v potrubí anebo příliš velké síle na hrdle. Podobné je to, jestliže jsou dvě hrdla od různých zařízení spojena přímo nejkratší cestou – viz obrázek dále. I zde je toto řežení nevyhovující.

 

obr5.12.jpg

Obrázek Přímé spojení dvou hrdel, špatný návrh potrubí

 

           Jistěže i přímé potrubí má nějakou pružnost, ale ve většině případů tato pružnost nestačí na kompenzaci napětí v potrubí anebo zmenšení sil na hrdle. Uvedené vzniká zabráněnou tepelnou roztažností, způsobenou jinou teplotou média při provozu než při montáži. Z těchto důvodů je nutné, aby byl pevný bod od hrdla oddělen nějakým potrubním ohybem, obloukem či kolenem či podobnou změnou směru potrubí. V takovémto případě je část potrubí namáhána ohybem, který má řádově příznivější pružnost. Přesné napěťové poměry v potrubí a silové poměry na hrdle lze získat jedině výpočtem.

 

Zatížení hrdel tlakové nádoby vibracemi potrubí

           Tlaková nádoba v uvedeném místě na obrázku se může při kmitání porušit dvěma způsoby:

a) Jde o kmitání, kdy se zvětšuje neustále amplituda, až do té velikosti, kdy napětí vyvolané touto amplitudou překročí dovolenou mez. Jde o napětí sekundární.

b) Porušení únavovým lomem. Zatlumené anebo ustálené kmitání vyvolané buzeními, které si dále probereme, a s kterými se nedokážeme vyrovnat jiným způsobem, musí být výpočtem zkontrolováno, zda není překročena mez vysokocyklové únavy. 

 

           Místo, kde se nejčastěji poruší tlaková nádoba kmitáním potrubí je na obrázku.

 

urvane-hrdlo.jpg hrdlo.jpg

Obrázek Příklad místa vzniku únavového lomu

 

           Kmitání potrubí mohou způsobit všechny typy dynamického zatížení, tyto jsou vyjmenovány dále:

Dynamická zatížení. Vlastní dynamická zatížení rozdělujeme podle principu působení na:

1. Náhodná dynamická zatížení

a) Vítr

b) Zemětřesení

2. Harmonická zatížení

a) Vibrace od připojených zařízení (čerpadlo, turbína)

b) Pulzace tekutiny (způsobená např. pístovým kompresorem)

c) Vibrace od průtoku tekutiny (např. při náhlé změně DN bez redukce, vložená trubka do průtoku tekutiny, trubka ve větru tj. von Karmánovy víry)

3. Zatížení způsobená impulzem (rázem)

a) Hydraulický ráz

b) Odpuštění bezpečnostní armatury

c) Výbuch v blízkosti potrubí

d) Slug flow (Průtok vícefázové tekutiny), atd.

      Nejhorší zatížení z uvedeného hlediska jsou zatížení harmonická, neboť ty působí dlouhodobě. Vznikají rezonancí potrubí, kde na budící straně jsou v bodě 2 uvedená budící kmitání a na straně druhé jsou vlastní frekvence potrubí, kterých může být nekonečně mnoho.

        Problém, kmitání je možno řešit těmito způsoby: Řešení uložení potrubí přeladěním. Přeladění vlastní frekvence znamená upravit potrubí tak, aby některá z vlastních frekvencí nebyla v rezonanci s budící frekvencí od rotačních strojů, prouděním tekutiny a prouděním větru okolo potrubí. Přeladění je vhodné tehdy, když je budící spektrum jednoznačné, tj. harmonické a můžeme je provádět změnou hmotnosti a tuhosti potrubí.

      Řešení uložení potrubí zatlumením. Zatlumení provádíme speciálními typy tlumících komponentů uložení, použití omezovače kmitání anebo tlumiče kmitání. 

Závěr:

       Zatížení tlakových nádob potrubím je jedním z důležitých zatížení tlakové nádoby, i když jeho kontrola v provozu je minimální. Proto jsme zde představili všechny typy zatížení tlakové nádoby od potrubí a všechna omezení, které by měli být brány v úvahu. A přispěje i k rozšíření obzoru pro všechny pracovníky pracující v oboru.

Použitá literatura a literatura pro další studium

1.         NV č. 219/2016 Sb., Směrnice PED, kterým se stanoví technické požadavky na tlaková zařízení. 2014/68/EU Pressure Equipment Directive (PED)

2.         Wichman K. R., Hopper A. G., Mershon L. J.: Local Stresses in Spherical and Cylindrical Shells due to External Loadings, Welding Reseach Council Bulletin č. 107, 1965, revidováno 1979

3.         Mershon J. L., Mokharian K., Ranjan G. V., Rodabaugh E. C.: Local stresses in Cylindrical Shells due to External Loadings on Nozzles – Supplement to WRC Bulletin No. 107 – (Revision I), Welding Reseach Council Bulletin č. 294, 1987

4.         Rodabaugh E. C.: Stress indices, pressure design and stress intensification factors for laterals in piping, WRC Bulletin č. 360, 1991

5.         Lukavský J.: Přírubové spoje – dosažení požadované těsnosti, článek na portálu TLAKinfo, 1908, též Zpravodaj ATZ č.2/2008

6.         Kaláb K.: Návrh a výpočet dynamicky namáhaného šroubu přírubového spoje. Vysokoškolská příručka, VŠB-TU Ostrava, 2013

7.         Pospíšil F.: Závitová a šroubová spojení, SNTL Praha, 1968

8.         CAEPIPE, User’s Manual, SST Systems, Inc., 2003

9.         CAESAR II Version 5.00 Applications Guide, COADE/ Engineering Physics Software, Inc, 2005

10.       Guide for ASME Stamps Holders, Use of ASME Section VIII, Division 1 to Meet the EC Pressure Directive (2014/68/EU)

11.       ČSN EN 1092-1 Příruby a přírubové spoje – Kruhové příruby pro trubky, armatury, tvarovky a příslušenství s označením PN – Část 1: Příruby z oceli

12.       ČSN EN 1092-2 Příruby a přírubové spoje – Kruhové příruby pro trubky, armatury, tvarovky a příslušenství s označením PN – Část 2: Příruby z litiny