4. Statická zatížení a vyhodnocení napětí
1. Normální provozní podmínky:
Vnitřní anebo vnější tlak včetně hydrostatické výšky – včetně osových účinků kompenzátorů, Vlastní tíha potrubí, Tíha izolace, Tíha tekutiny, Teplotní dilatace, Reakce od uložení, pružných a tuhých závěsů, Posuvy podloží a podpěr, Předpětí za studena.
2. Občasné provozní podmínky:
2a. Obecná zatížení:
Výpočet při občasných provozních podmínkách způsobených tlakem a teplotou, Akce bezpečnostních armatur, Hydraulické rázy, Reakce způsobená výtokem, Účinky tlumičů rázů, Klimatická zatížení, Seizmická zatížení – Mezní stav únosnosti (Non-collapse Requirement). Mezní stav únosnosti vyžaduje, aby nenastalo jakékoli porušení konstrukce potrubí
2b. Čistící zatížení:
Vnitřní tlak – včetně osových účinků kompenzátorů, Vlastní tíha potrubí, Tíha izolace, Tíha čistící tekutiny, Teplotní dilatace při teplotě čistění, Reakce od uložení včetně dočasných, pružných a tuhých závěsů, pružné závěsy zaaretované i odaretované, Posuvy podloží a podpěr, Předpětí za studena
2c. Zatížení při proplachování či profukování parou:
Profukovací tlak – včetně osových účinků kompenzátorů, Vlastní tíha potrubí, Tíha izolace, Tíha tekutiny, Teplotní dilatace při profukovací teplotě, Reakce od uložení včetně dočasných, pružných a tuhých závěsů, pružné závěsy zaaretované i odaretované, Posuvy podloží a podpěr, Předpětí za studena, Vypoučtěcí reakční síla, Případná změněná geometrie systému
3. Mimořádné provozní podmínky:
Normální provozní podmínky a dále: Možná mimořádná klimatická zatížení, Výbuch v blízkosti potrubí, Seizmická zatížení, Stav omezeného poškození (Damage Limitation State), který vyžaduje, aby byla zachována minimálně jedna z těchto fukčních úrovní: integrita soustavy anebo minimální provozní úroveň.
4. Zkušební podmínky:
Zkušební tlak včetně hydrostatické výšky, Vlastní tíha potrubí, Tíha izolace, Tíha zkušební tekutiny, Teplotní dilatace při teplotě provádění tlakové zkoušky, Reakce od uložení včetně dočasných, pružných a tuhých závěsů, pružné závěsy zaaretované i
odaretované, Posuvy podloží a podpěr, Předpětí za studena
Rozdělení zatížení podle kritérií dovoleného namáhání
1. Trvalá zatížení (sustained loads - používaná zkratka SUS).
Patří sem zatížení vnitřním tlakem, včetně axiální síly vytvářené kompenzátory anebo při výtoku tekutiny do volného prostoru a zatížení od hmotnosti potrubí, tekutiny (tj.média) a izolace.Tato zatížení vytváření primární napětí.
2. Zatížení teplotní dilatací (jinak též expanzí) (extension loads – používaná zkratka EXT).
Patří sem zatížení teplotní expanzí a zatížení pohyby hrdel aparátů a jiných zařízení, způsobených tepelnou expanzí. Tato zatížení způsobují sekundární napětí.
3. Občasná (či jinak příležitostná) zatížení (occasional loads – používaná zkratka OCC).
Patří zatížení větrem a sněhem (zatížení klimatická) a kombinují se se silovými projevy impulzových a náhodných dynamických jevů, jako je hydrodynamický ráz, odpuštění bezpečnostní armatury, výbuch, zemětřesení. Způsobují primární napětí, proto se kombinují s trvalými napětími z bodu 1.
4. Zatížení od jednoho neopakujícího se pohybu podpěry.
Pohyb podpěry může být způsoben sedáním zeminy anebo zemětřesením. Toto je příležitostné zatížení způsobující sekundární napětí.
Zatížení trvalá podle PED 2014/68/EU Pressure Equipment Directive
1. Zatížení tlakem Označení tlaku v Caesaru II je P1, P2, ……………..
Výpočet zkušebního tlaku se provádí podle kapitoly „Tlaková zkouška“ dle PED a harmonizovaných norem. Dle této normy platí, že zkušební tlak nesmí být menší než větší ze dvou hodnot určených následovně:
Ptest = 1,25. PS. ftest/fTS nebo Ptest = 1,43. PS
Označení zkušebního tlaku (hydrotestu) v Caesaru II je PH
Vzájemné rušení jednotlivých sil v potrubí je přerušeno. Platí:
Fx=p.Apr
Apr je však pro jednotlivé případy různá.
1. Pro volný výtok je to vnitřní průměr potrubí. v Caesar II má označení F.
2. Pro kompenzátor je to efektivní průměr stanovený výrobcem, blízký vnitřnímu většímu průměru vlny kompenzátoru.
3. Jestliže je kompenzátor umístěn přímo na hrdlo aparátu, pak se axiální zatížení hrdla vypočítá z efektivní plochy kompenzátoru, od které je odečtena vnitřní průřezová plocha hrdla.
Síla od kompenzátoru se do Caesaru II nezadává, je zadána automaticky.
3. Zatížení vlastní hmotností tekutiny, potrubí a izolace
Hmotnost potrubí. Vypočítává se z rozměrů potrubí a z hustoty materiálu potrubí.
Hmotnost tekutiny. Vypočítává se z vnitřního rozměru potrubí a z hustoty tekutiny v něm obsažené. Jde o kapaliny a plyny. Vzorec pro přepočet hustoty plynu pro tlak a teplotu v potrubí.
p a t - tlak a teplota plynu v potrubí, ρ0 - hustota z tabulky, p0 = 0,1MPa,γ=0,00366 K-1
Hmotnost izolace. Vypočítává se z vnějšího rozměru potrubí, z tloušťky izolace a z její hustoty. Je nutné též započítat koeficient stlačení izolace při jejím montáži. Též se započítává oplechování izolace.
Označení vlastních hmotností v Caesaru II je W
Zatížení od tepelné dilatace (EXP)
Svislá i vodorovné vzdálenosti (lx, ly, lz) hrdla od pevného uchycení zařízení k základu,
Rozdíl teplot (Δt) média mezi montážní a návrhovou teplotou a
součinitel tepelné roztažnosti (α) materiálu, z kterého je zařízení vyrobeno.
2. Zatížení a napětí od zabráněné tepelné dilatace hrdel a přípojných bodů
Pohyby hrdel a přípojných bodů vynucených tepelnou roztažností jsou složeny ze tří posuvů u, v a w (ve směru os x, y a z) a tří rotací okolo os.
Označení namáhání od pohybu hrdel v Caesaru je D1, D2, D3
Platí pro oboje stejný vzorec z předchozí stránky.
3. Banánový efekt - stratifikace. Mezi zatížení teplotou patří i banánový efekt. Jestliže je vodorovné potrubí
naplněno kapalinou jen z části, dolní část potrubí má jinou teplotu (dejme tomu vyšší) než horní, prázdná.
Dolní část potrubí se od teploty více roztahuje a potrubí se prohne do podobného tvaru, jako má banán. I zde
jde o sekundární napětí.
4. Zatížení zápornou teplotou. U některých materiálů dochází při snižování teploty k tzv. přechodové teplotní
oblasti, tj. k prudkému snížení plastických vlastností až do křehkého stavu. Tím, za určitých podmínek, vzniká
nebezpečí křehkého lomu.
Jsou dvě hlavní skupiny média, kde se nízké teploty používají:
a) Kryogenní kapaliny, jsou látky, které mají za normální teploty a běžného tlaku plynné skupenství. Při
zchlazení na velmi nízkou teplotu se však stávají kapalinami. Bod jejich varu bývá zpravidla nižší než -150 °C.
Jednotlivé kryogeny se stávají kapalinami za různých tepelných podmínek a různých tlaků, ale pro všechny je
společné to, že jsou extrémně chladné a že i z jejich malého množství může vzniknout velký objem plynu.
b) Chladiva jsou chemické látky nebo směsi látek používané v tepelném cyklu, kde podléhají fázové přeměně z
plynu na kapalinu a zpět. Hlavní oblasti použití chladiv jsou chladničky/mrazničky, klimatizace a tepelné
čerpadlo.
Zatížení příležitostná (OCC)
1. Klimatická zatížení. Zatížení větrem. V případě umístění potrubí v hale se klimatická zatížení
nezapočítávají.
EN 1991-1-4 Eurokód 1:Zatížení konstrukcí. Část 1-4 Obecná zatížení- Zatížení větrem
Podle normy se určí patřičná větrová oblast. Větrové oblasti udávají výchozí základní rychlost větru v m/s.
Dále se aplikují součinitelé pro určení základní rychlosti větru (kde je např. součinitel pravděpodobnosti)
- součinitelé pro určení střední rychlosti větru (tj. započítává se druh terénu)
- součinitelé pro výpočet maximálního dynamického tlaku (tj. započítává se součinitel expozice, který je závislý na výšce nad terénem)
- a součinitelé pro výpočet tlaku větru na konstrukci (kde se zohledňují vlastnosti konstrukce a to, že jde o potrubí).
2. Klimatická zatížení. Zatížení sněhem. V případě umístění potrubí v hale se klimatická zatížení
nezapočítávají.
EN 1991-1-3 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí. Část 1-3 Obecná zatížení- Zatížení sněhem.
Podle normy se určí patřičná sněhová oblast. Sněhové oblasti udávají základní tlak sněhu sk v kN/m2. Pro
potrubí potom platí, že zatížení potrubí na 1m délky je s = 1,73.D. sk v kN/m .
Označení sněhu v Caesaru II je U1, U2, U3
3. 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.
4. Seizmická zatížení
Dynamickými zatíženími se věnují kapitoly dále.
Kvazistatická řešení
Vyhodnocování napětí podle EN13480-3
Čili minimum z: meze kluzu anebo smluvní meze kluzu při nejvyšší dovolené teplotě děleno 1,5 a z meze pevnosti děleno 2,4
V Load Case Editoru je označen jako SUS
k je součinitel, který udává ČSN EN 13480-3,
V Load Case Editoru je označen jako OCC
Kde N je počet cyklů
fc je dovolené primární napětí za studena
fh je dovolené primární napětí za tepla
Ec je modul pružnosti za studena
Eh je modul pružnosti za tepla
V Load Case Editoru je označen jako EXP
OPE v Load Case Editoru znamená, že není přiřazena žádná dovolená hodnota
Vyhodnocení napětí od trvalých zatížení. SUS: zatížení trvalá způsobující primární napětí, tj.
od zatížení způsobená hmotnostmi (např. potrubí, média, izolace, ovládání ventilů apod.) a zatížení
vnitřním tlakem.
který je dále znázorněn graficky na ose. Modře je znázorněna pravá strana nerovnic, červeně je
znázorněna strana levá.
V Load Case Editoru je označen jako W+P
OCC: zatížení příležitostná způsobující primární napětí. (tj. i dynamická, která jsou ve vzorci obsažena v MB). Jde o primární osová napětí, zvětšená o hodnoty uvedené v kapitole.
Jedná se zde o primární osová napětí, zvětšená o hodnoty uvedené v kapitole.
který je dále znázorněn graficky na ose:
k - je zde součinitel současnosti občasných a mimořádných zatížení.
V Load Case Editoru je označen jako
W+P + ((W+P+T+F)-(W+P+T)) = např. L3+(L2-L1) = L3+L5
F je příklad příležitostného zatížení
EXP: zatížení způsobená tepelnou roztažností (je to sekundární napětí) Jedná se zde o sekundární osová napětí. Platí zde vztah:
sC=< fa jinak v normě 
který je dále znázorněn graficky na ose:
V Load Case Editoru je označen jako (W+T+P) – (W+P) = např.L1-L3
když nevyhoví předchozí vztah, může též platit vztah:
který je dále znázorněn graficky na ose:
jinak sD=< 3.f
který je dále znázorněn graficky na ose:
