iPotrubí.cz

iPříručka:

Návrh a pevnostní výpočet kovových potrubí

Obsah:

1. Vytvoření potrubní třídy.. 10

1.1. Co umožňuje vytvoření potrubní třídy?. 10

1.2. Systémy značení potrubní třídy. 10

1.3. Základní vzorce a výpočty pro tvorbu potrubní třídy. 11

1.3.1. Použité veličiny a jednotky. 11

1.3.2. Výpočet dovoleného napětí 11

1.3.3. Potrubní třídy pro zatížení potrubí vnitřním tlakem.. 12

1.3.3.1. Membránový stav napjatosti 12

1.3.3.2. Membránové síly a napětí pro válcový útvar 12

1.3.3.3. Membránové síly a napětí pro kuželový útvar a anuloid. 14

1.3.3.4. Součinitel tlaku pro tvarovky typu kolena a redukce. 15

1.3.3.5. Součinitel tlaku pro tvarovky typu T-kusy. 15

1.3.4. Potrubní třídy pro zatížení potrubí vnitřním podtlakem.. 18

1.3.5. Potrubní třídy pro kryogenní kapaliny a chladiva. 19

1.4. Údaje v dokumentu potrubní třídy. 19

1.4.1. Základní údaje a složení potrubní třídy. 19

1.4.2. Tlakoteplotní  tabulka. 20

1.4.3. Výpočet tloušťky stěny. 20

1.4.4. Přídavky tloušťky stěny trubky. 21

1.4.4.1. Znázornění a označení přídavků. 21

1.4.4.2. Korozně-erozní přídavek. 22

1.4.4.3. Záporná výrobní tolerance tloušťky stěny trubky. 23

1.5. Materiály pro potrubí -kovy. 25

1.5.1. Oceli 25

1.5.1.1. Základní vlastnosti ocelí 25

1.5.1.2. Nelegované a nízkolegované oceli. 26

1.5.1.3. Oceli pro nízké teploty. 27

1.5.1.4. Jemnozrnné oceli 27

1.5.1.5. Korozivzdorné oceli 27

1.5.2. Litiny. 28

1.5.2.1. Základní vlastnosti litin. 28

1.5.2.2. Tvárná litina. 29

1.5.3. Neželezné kovy. 30

1.5.3.1. Hliník a jeho slitiny. 30

1.5.3.2. Měď a její slitiny. 30

1.5.3.3. Titan a jeho slitiny. 32

1.5.3.4. Slitiny žáruvzdorné a žárupevné. 34

1.6. Komponenty potrubní třídy. 35

1.6.1. Trubky. 35

1.6.2. Tvarovky. 38

1.6.2.1. Tvarovky všeobecně. 38

1.6.2.2. Normalizované tvarovky. 38

1.6.3. Hladké ohyby ohnuté. 39

1.6.4. Segmentové ohyby. 41

1.6.5. Svařované T-kusy a tvarovky. 45

1.6.6. Příruby. 47

1.6.6.1. Příruby - rozdělení 47

1.6.6.2. Kdy je možno použít normalizované příruby bez výpočtu. 48

1.6.6.4. Principy výpočtů. 49

1.6.6.5. Normy pro příruby. 51

1.6.7. Spojovací materiál 52

1.6.8. Zdvojené (Duplikové) ocelové potrubí 54

1.6.9. Těsnění 58

1.6.10. Kompenzátory. 60

1.6.11. Tlakové hadice. 61

1.6.12. Armatury. 64

1.6.13. Typy zakončení a možnosti spojování potrubních komponent. 68

2. Trasování kovových potrubí. 70

2.1. Všeobecné poznámky. 70

2.2. Základní výpočty potřebné pro určení trasy potrubí 71

2.2.1. Použité veličiny a jednotky. 71

2.2.2. Výpočet vzdálenosti podpěr. 72

2.2.3. Dovolená únosnost podpěr a z ní odvozená vzdálenost podpěr. 74

2.2.4. Výpočet vyložení U-kompenzátoru. 74

2.3. Výběr vhodné trasy a uložení 75

2.3.1. Všeobecně. 75

2.3.2. Pravidla pro volbu druhu a umístění podpěr a závěsů. 76

2.3.2.1. Všeobecná pravidla. 76

2.3.2.2. Podpěry anebo závěsy. 77

2.3.2.3. Jednoduché anebo dvojité závěsy. 77

2.3.4. Zásady volby trasy a uložení pro umožnění tepelné kompenzace. 78

2.3.4.1. Zásady kreslení izometrií v této kapitole. 78

2.3.4.2. Tepelná kompenzace vodorovného potrubí svým tvarem.. 79

2.3.4.3. Tepelná kompenzace svislého potrubí svým tvarem.. 81

2.3.4.4. Tepelná kompenzace kompenzátory vlnovcovými axiálními 82

2.3.4.5. Tepelná kompenzace kompenzátory vlnovcovými angulárními 84

2.3.4.6. Uložení potrubí u T-kusů. 84

2.3.4.7. Uložení potrubí u bypassů. 85

2.3.4.8. Uložení potrubí u rozvaděče. 86

2.3.5. Uložení potrubí u hrdel zařízení s omezeným zatížením.. 87

2.3.5.1. Uložení potrubí u hrdel vodorovných. 87

2.3.5.2. Uložení potrubí u hrdel svislých horních. 90

2.3.5.3. Uložení potrubí u hrdel svislých spodních. 92

2.3.6. Staré neplatné oborové normy pro potrubní podpěry. 93

2.4. Možnosti průchodu potrubí zónou s nebezpečím výbuchu. 94

2.5. Minimální vzdálenosti potrubí mezi sebou a ostatními překážkami 95

2.5.1. Výtah vzdáleností potrubí mezi sebou a ostatními překážkami 95

2.5.2. Seznam použitých norem.. 96

3. Zatížení potrubí. 97

3.1. Rozdělení zatížení 97

3.1.1. Rozdělení zatížení podle provozních podmínek. 97

3.1.2. Rozdělení zatížení podle kritérií dovoleného namáhání a stability. 98

3.1.3. Rozdělení zatížení podle času působení 99

3.1.4. Rozdělení zatížení podle stochasticity. 100

3.2. Zatížení trvalá. 101

3.2.1. Použité veličiny a jednotky. 101

3.2.2. Zatížení tlakem, přímé i odvozené zatížení 101

3.2.2.1. Zatížení tlakem.. 101

3.2.2.2. Volný ustálený výtok z potrubí 102

3.2.2.3. Zatížení potrubí axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 102

3.2.2.4. Zatížení hrdla aparátu axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 103

3.2.3. Zatížení vlastní hmotností tekutiny, potrubí a izolace a potrubních dílů. 103

3.2.3.1. Hmotnost potrubí 103

3.2.3.2. Hmotnost tekutiny. 103

3.2.3.3. Hmotnost izolace. 105

3.3. Zatížení působením teploty. 105

3.3.1. Použité veličiny a jednotky. 105

3.3.2. Roztažnost potrubí 105

3.3.3. Roztažnost připojených zařízení 106

3.3.4. Stratifikace teploty. 106

3.3.5. Zatížení zápornou teplotou. 106

3.4. Příležitostná zatížení 107

3.4.1. Použité veličiny a jednotky. 107

3.4.2. Klimatická zatížení 107

3.4.2.1. Zatížení větrem.. 107

3.4.2.2. Zatížení sněhem.. 108

3.4.2.3. Zatížení klimatickou námrazou. 109

3.5. Zatížení potrubí za ventilem po rychlém škrcení tekutiny. 110

3.6. Zatížení od jednoho neopakujícího se pohybu podpěry. 110

4. Mezní stavy platné pro potrubí. 111

4.1. Uspořádání mezních stavů potrubí 111

4.2. Mezní stavy únosnosti pro potrubí- seznam.. 111

4.3. Mezní stavy použitelnosti pro potrubí - seznam.. 112

4.4. Vyhodnocování mezních stavů únosnosti 112

4.4.1. Vyhodnocování napětí a pružnostní analýza houževnatých materiálů. 112

4.4.1.1. Použité veličiny a jednotky. 112

4.4.1.2. Které materiály, vhodné pro výrobu potrubí, jsou houževnaté?. 113

4.4.1.3. Výpočet dovoleného napětí nezávislého na čase. 114

4.4.1.4. Vyhodnocení napětí od trvalých zatížení 115

4.4.1.5. Vyhodnocení napětí od občasných ev. mimořádných zatížení 116

4.4.1.6. Vyhodnocení rozkmitu napětí od teplotní dilatace. 117

4.4.1.7. Vyhodnocení napětí od pohybu podpěry. 118

4.4.2. Pevnost závislá na čase. 119

4.4.2.1. Použité veličiny a jednotky. 119

4.4.2.2. Výpočet potrubí s creepem.. 120

4.4.2.3. Koroze a eroze a výpočet potrubí s nimi 122

4.4.2.4. Únavový lom a výpočet potrubí s cyklickým zatížením.. 123

4.4.2.5. Křehký lom u houževnatých materiálů a ochrana proti němu. 126

4.4.2.6.  Křehkost způsobená vodíkem.. 128

4.4.2.7. Výpočet zkušebního tlaku pro houževnaté materiály. 129

4.4.3. Vyhodnocování napětí pro potrubí z křehkých materiálů. 130

4.4.3.1. Použité veličiny a jednotky. 130

4.4.3.2. Které materiály, vhodné pro potrubí, jsou křehké?. 130

4.4.3.3. Vyhodnocování napětí a pružnostní analýza. 130

4.4.3.4. Vyhodnocení osových a obvodových napětí 135

4.4.3.5. Výpočet zkušebního tlaku pro křehké materiály. 136

4.4.4. Stabilita potrubní stěny. 137

4.4.4.1. Použité veličiny a jednotky. 137

4.4.4.2. Ztráta stability potrubní stěny - boulení stěny všeobecně. 137

4.4.4.3. Ztráta stability potrubní stěny mezi podpěrami. Zatížení osovou silou a ohybovým momentem.. 139

4.4.4.4. Ztráta stability potrubní stěny mezi podpěrami. Zatížení podtlakem.. 142

4.4.4.5. Kombinace různých druhů zatížení z hlediska stability potrubní stěny mezi podpěrami 144

4.4.4.5. Ztráta stability potrubní stěny nad podpěrou. 144

4.4.4.6. Rozdíl ve stabilitě potrubní stěny u houževnatých a křehkých materiálů. 147

4.4.5. Únosnost hrdel aparátů a ostatních zařízení 147

4.4.5.1. Použité veličiny a jednotky. 147

4.4.5.2. Vznik zatížení hrdel 148

4.4.5.3.  Přepočet zatížení momentem na zatížení silou. 148

4.4.5.4.  Výpočet únosnosti hrdla tvořeného nátrubkem na prostorově klenuté anebo válcové nádobě. 149

4.4.5.5. Omezení zatížení hrdla technickými normami či jinými ustanoveními 152

4.4.6. Výpočet potrubních spojů. 153

4.4.6.1. Použité veličiny a jednotky. 153

4.4.6.2. Zatížení potrubního spoje. 153

4.4.6.3. Kontrola tlaku na těsnění v přírubovém spoji 154

4.4.6.4. Pevnostní výpočet přírubového spoje. 155

4.4.6.5. Těsnostně-pevnostní výpočet přírubového spoje. 157

4.4.6.6. Výpočet utahovacího momentu z předepsané osové síly ve šroubu. 161

4.4.6.7. Potrubí s objímkovými spoji 162

4.4.6.8. Výpočet svařovaného spoje. 165

4.5. Mezní stavy použitelnosti potrubí 166

4.5.1. Použité veličiny a jednotky. 166

4.5.2. Nepřekročení průhybu pro spádování potrubí 167

4.5.2.1. Spádování 167

4.5.2.2. Určení vzdálenosti podpěr tak, aby nebyly porušeny definované limity pro spádování 168

4.5.3. Nepřekročení posuvu způsobeného tepelnou dilatací 169

4.5.3.1. Základní informace o tepelné dilataci 169

4.5.3.2. Výčet vlivů tepelné roztažnosti 170

4.5.4. Vzpěr potrubí a zvlnění potrubí 170

4.5.4.1. Vzpěr potrubí 170

4.5.4.2. Zvlnění potrubí 172

4.5.5. Potrubí zatížené pohybem podpěry. 175

4.5.6. Kmitání potrubí 175

5. Teoretický základ pro kovové potrubí. 176

5.1. Použité veličiny a jednotky. 176

5.2. Skořepiny. 177

5.3. Všeobecná rovnice skořepiny. 178

5.4. Membránový a momentový stav napjatosti 179

5.4.1. Membránový stav napjatosti 179

5.4.2. Momentový stav napjatosti všeobecně. 179

5.4.3. Momentový stav napjatosti v místech uložení potrubí 180

5.5. Napjatost tenkostěnné rotační skořepiny zatížené vnitřním spojitým zatížením.. 181

5.5.1. Odvození Laplaceovy rovnice. 181

5.5.2. Membránové síly a napětí pro válcový útvar. 182

5.5.3. Membránové síly a napětí pro kuželový útvar. 185

5.5.4. Membránové síly a napětí pro anuloid. 187

5.5.5. Membránové síly a napětí pro kulový útvar. 190

5.5.6. Prodlužování přímého potrubí způsobeného vnitřním tlakem – Bourdonův jev. 191

5.6. Tenkostěnné potrubí a základní vzorce. 192

5.6.1. Vzorce pro výpočet charakteristických hodnot potrubního průřezu. 192

5.6.2. Vzorce pro výpočet potrubních hodnot, započítáme-li i délku. 193

5.7. Charakteristické číslo, SIF a poddajnost 193

5.7.1. Definice charakteristického čísla a součinitelů. 193

5.7.2. Příklady použití součinitelů v případě ohybu. 194

5.7.2.1. Charakteristické číslo pro ohyb. 194

5.7.2.2. Určení součinitele intenzifikace napětí (SIF) pro ohyb. 194

5.7.2.3. Určení součinitele poddajnosti pro ohyb. 195

5.7.2.4. Tlakové ztužení ohybů. 195

5.7.3. Co je to ASME B31J?. 196

5.8. Primární a sekundární napětí a redistribuce napětí v průřezu trubky. 197

5.8.1. Primární a sekundární napětí 197

5.8.2. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách přímé trubky. 197

5.8.3. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách ohybu. 201

6. Výpočet únosnosti a konstrukce podpěr.. 203

6.1. Výpočet únosnosti podpěr. 203

6.1.1. Použité veličiny a jednotky. 203

6.1.2. Zatížení podpěr. 203

6.1.3. Konstrukční teploty a dovolené napětí u podpěr. 203

6.1.4. Materiál podpěr. 204

6.1.5. Všeobecné pokyny pro výpočet podpěr. 205

6.1.6. Výpočet tuhosti pružného závěsu či podpěry. 206

6.2. Konstrukce podpěr pro ocelová potrubí 207

6.2.1. Kotvení 207

6.2.2. Kluzná tuhá podpěra. 209

6.2.3. Směrová zarážka. 210

6.2.4. Směrová zarážka ve všech směrech. 213

6.2.5. Vedení 214

6.2.6. Pružná podpěra. 214

6.2.7. Tuhý závěs. 215

6.2.8. Pružný závěs. 217

6.2.9. Konstantní závěs. 218

6.2.10. Provedení uložení se vzpěrnými tyčemi 219

7. Způsoby pevnostních výpočtů potrubí. 220

7.1. Použití specializovaných počítačových programů. 220

7.1.1. Metoda konečných prvků a její využívání pro uvedené programy. 220

7.1.1.1. Metoda konečných prvků. 220

7.1.1.2. Zjednodušení metody konečných prvků pro potrubní systémy. 222

7.1.2. Obvyklá základní struktura výpočetního programu pro pevnostní výpočet potrubí 223

7.1.2.1. Préprocesor 223

7.1.2.2. Solver 224

7.1.2.3. Postprocesor 224

7.1.2.4. Přídavné výpočtové moduly, které mohou základní strukturu programu doplňovat 225

7.1.3. Hodnocení výpočetních programů pro pevnostní výpočty potrubí a jejich výčet. 225

7.1.3.1. Druhy výpočetních programů potrubí 225

7.1.3.2. Výčet nejznámějších programů počítající potrubní systém jako celek. 225

7.1.3.3. Výčet programů počítající jednotlivé části potrubí 227

7.1.3.4. Výčet programů počítající potrubní přírubový spoj 227

7.1.3.5. Kritéria pro hodnocení programů. 227

7.2. Zjednodušená výpočtová analýza potrubí – nosníková metoda. 230

7.2.1. Použité veličiny a jednotky. 230

7.2.2. Zjednodušení používání nosníkové metody. 231

7.2.3. Veličiny, které se získávají pomocí této metody. 231

7.2.3.1. Zatížení a vnitřní síly a momenty. 231

7.2.3.2. Osová napětí 232

7.2.3.3. Průhyby a deformace. 232

7.2.3.4. Zatížení podpěr 233

7.2.4. Příklady používání zjednodušené výpočtové analýzy. 233

7.2.4.1. Potrubí zatížená vlastní hmotností 233

7.2.4.2. Potrubí zatížená tepelnou expanzí 235

7.2.4.3. Potrubí zatížené pohybem podpěry. 237

8. Použitá literatura a literatura pro další studium... 240

8.1. Odborná literatura: 240

8.2. Firemní literatura. 244

8.3. Legislativa. 245

8.4. Normy. 245

8.4.1. Evropské normy. 245

8.4.2. České normy. 247

8.4.3. Německé normy (harmonizované k PED) 247

8.4.4. Normy USA. 248

8.4.5. Ruské normy. 250

8.5. Zajímavé internetové adresy. 250