iPotrubí.cz

Statická zatížení, vyhodnocení napětí, mezní stavy a spoje potrubí

( Základní vztahy, zatížení potrubí, mezní stavy, vyhodnocování napětí houževnatých a křehkých materiálů, kompenzace délkové roztažnosti, stabilita potrubní stěny, únosnost hrdel)

Obsah:

1. Použité veličiny a jednotky.. 9

2. Teoretický základ všeobecný.. 14

2.1. Skořepiny. 14

2.2.  Membránový a momentový stav napjatosti 15

2.2.1. Membránový stav napjatosti 15

2.2.2. Momentový stav napjatosti všeobecně. 16

2.2.3. Momentový stav napjatosti v místech uložení potrubí 16

2.3. Napjatost tenkostěnné rotační skořepiny zatížené vnitřním spojitým zatížením.. 17

2.3.1. Odvození Laplaceovy rovnice. 17

2.3.2. Membránové síly a napětí pro válcový útvar. 18

2.3.3. Membránové síly a napětí pro kuželový útvar. 20

2.3.4. Membránové síly a napětí pro anuloid. 22

2.3.5. Membránové síly a napětí pro kulový útvar. 24

2.3.6. Součinitel tlaku pro tvarovky. 24

2.3.7. Prodlužování přímého potrubí způsobeného vnitřním tlakem – Bourdonův jev. 25

2.4. Tenkostěnné potrubí a základní vzorce. 26

2.4.1. Vzorce pro výpočet charakteristických hodnot potrubního průřezu. 26

2.4.2. Vzorce pro výpočet potrubních hodnot, započítáme-li i délku. 27

2.4.3. Vztah momentu a síly působící na trubku přes způsobené napětí 28

2.5. Charakteristické číslo, SIF a poddajnost 28

2.5.1. Definice charakteristického čísla a součinitelů. 28

2.5.2. Příklady  použití součinitelů v případě ohybu. 29

2.5.2.1. Charakteristické číslo pro ohyb. 29

2.5.2.2. Určení součinitele koncentrace napětí (SIF) pro ohyb. 29

2.5.2.3. Určení součinitele poddajnosti pro ohyb. 30

2.5.2.4. Tlakové ztužení ohybů. 30

2.5.3. Co je to ASME B31J?. 30

2.6. Primární a sekundární napětí a redistribuce napětí v průřezu trubky. 31

2.6.1. Primární a sekundární napětí 31

2.6.2. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách přímé trubky. 32

2.6.2. Trvalé deformace a přerozdělování sekundárního napětí ve stěnách ohybu. 35

2.7. Vliv teploty na materiál potrubí 36

2.7.1. Pohyb hustoty v závislosti na teplotě. 36

2.7.2. Pohyb hodnot součinitele tepelné roztažnosti v závislosti na teplotě. 36

2.7.3. Pohyb pevnosti materiálu v závislosti  teplotě. 37

2.7.4. Pohyb modulu pružnosti v závislosti na teplotě. 37

2.7.5. Pohyb Poissonovy konstanty v závislosti na teplotě. 37

3. Zatížení potrubí. 38

3.1. Rozdělení zatížení 38

3.1.1. Rozdělení zatížení podle provozních podmínek. 38

3.1.2. Rozdělení zatížení podle kritérií dovoleného namáhání a stability. 39

3.1.3. Rozdělení zatížení podle času působení 40

3.1.4. Živá a mrtvá zatížení 41

3.1.5. Rozdělení zatížení podle stochasticity. 41

3.2. Zatížení trvalá. 42

3.2.1. Zatížení tlakem, přímé i odvozené zatížení 42

3.2.1.1. Zatížení tlakem.. 42

3.2.1.2. Volný ustálený výtok z potrubí 43

3.2.1.3. Zatížení potrubí axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 43

3.2.1.4. Zatížení hrdla aparátu axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 43

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

3.2.2.1. Hmotnost potrubí 44

3.2.2.2. Hmotnost tekutiny. 44

3.2.2.3. Hmotnost izolace. 46

3.3. Zatížení působením teploty. 46

3.3.1. Roztažnost potrubí 46

3.3.2. Stratifikace teploty. 47

3.3.3. Pohyb hrdel 47

3.3.4. Zatížení zápornou teplotou. 47

3.4. Příležitostná zatížení 48

3.4.1. Klimatická zatížení 48

3.4.1.1. Zatížení větrem.. 48

3.4.1.2. Zatížení sněhem.. 48

3.4.2. Kvazistatická a dynamická zatížení 49

3.5. Zatížení od jednoho neopakujícího se pohybu podpěry. 50

4. Mezní stavy potrubí – rozdělení a uspořádání. 51

4.1. Seznam a uspořádání mezních stavů potrubí 51

4.2. Mezní stavy únosnosti 51

4.3. Mezní stavy použitelnosti 51

5. Vyhodnocování napětí a jiných mezních stavů únosnosti pro potrubí z houževnatých materiálů.. 53

5.1. Které materiály, vhodné pro výrobu potrubí, jsou houževnaté?. 53

5.2. Vyhodnocování napětí a pružnostní analýza. 53

5.2.1. Hypotéza Tau-max (Max3DShear) 53

5.2.2. Hypotéza HMH (von Mises) 53

5.2.3. Výpočet dovoleného napětí nezávislého na čase. 54

5.2.4. Vyhodnocení napětí od trvalých zatížení 55

5.2.5. Vyhodnocení napětí od občasných ev. mimořádných zatížení 55

5.2.6. Vyhodnocení rozkmitu napětí od teplotní dilatace. 56

5.2.7. Vyhodnocení napětí od pohybu podpěry. 57

5.3. Pevnost závislá na čase. 58

5.3.1. Výpočet potrubí s krípem.. 58

5.3.1.1. Teoretický úvod. 58

5.3.1.2. Pevnostní výpočet kovových potrubí 58

5.3.1.3. Vyhodnocení napětí při výpočtu s krípem.. 59

5.3.2. Koroze a eroze a výpočet potrubí s nimi 60

5.3.2.1. Koroze a eroze  – základní pojmy. 60

5.3.2.3. Pevnostní výpočet. 60

5.3.3. Únavový lom a výpočet potrubí s cyklickým zatížením.. 60

5.3.3.1. Úvodní teorie pro výpočet. 60

5.3.3.2. Pevnostní výpočet. 61

5.3.4. Křehký lom u houževnatých materiálů a ochrana proti němu. 64

5.3.4.1. Materiálová křehkost. 64

5.3.4.2.  Eliminace křehkého lomu. 64

5.3.4.3.  Křehkost způsobená vodíkem.. 66

5.4. Výpočet zkušebního tlaku pro houževnaté materiály. 67

6. Vyhodnocování napětí pro potrubí z křehkých materiálů.. 68

6.1. Které materiály, vhodné pro potrubí, jsou křehké?. 68

6.2. Vyhodnocování napětí a pružnostní analýza. 68

6.2.1. Podmínky pevnosti - Rankinova hypotéza. 68

6.2.2. Saint-Venantova hypotéza maximálního prodloužení 68

6.2.3. Mohrova hypotéza mezní čáry. 68

6.2.4. Modifikovaná Mohrova hypotéza. 69

6.2.5. Výpočet dovoleného napětí nezávislého na čase – odvození součinitele bezpečnosti 69

6.2.5.1. Napjatost v trubce. 69

6.2.5.2. Součinitel bezpečnosti pro kombinaci Mohrovy a Rankinovy hypotézy. 70

6.2.5.3. Součinitel bezpečnosti pro modifikovanou Mohrovu hypotézu. 71

6.2.5.4. Součinitel bezpečnosti v normách. 72

6.2.6. Vyhodnocení osových napětí 73

6.2.7. Vyhodnocení obvodových napětí 73

6.3. Výpočet zkušebního tlaku pro křehké materiály. 73

7. Mezní stavy použitelnosti potrubí. 75

7.1. Nepřekročení průhybu pro spádování potrubí 75

7.1.1. Spádování 75

7.1.2. Určení vzdálenosti podpěr tak, aby nebyly porušeny definované limity pro spádování 76

7.2. Nepřekročení posuvu způsobeného tepelnou dilatací 76

7.2.1. Základní informace o tepelné dilataci 76

7.2.2. Výčet vlivů tepelné roztažnosti 77

7.2.3. Možnosti výpočtu stratifikace teploty. 77

7.3. Vzpěr potrubí 80

7.3.1. Zvlnění potrubí 82

7.4. Periodické kmitání potrubí 84

7.5. Stav omezeného poškození při seizmicitě. 85

8. Kompenzace délkové roztažnosti. 86

8.1. Příčiny nutnosti kompenzace délkové roztažnosti 86

8.1.1. Délková roztažnost potrubí 86

8.1.2. Překročení dovoleného namáhání potrubí, dovoleného posunu a dovoleného zatížení hrdel způsobené délkovou roztažností 87

8.2. Kompenzace přirozeným tvarem potrubí 87

8.3. Kompenzace vložením kompenzátorů tvarem potrubí 87

8.3.1. U-kompenzátory pro kovová potrubí 87

8.4. Použití kompenzátorů vlnovcových, ucpávkových a textilních pro kompenzaci tepelné roztažnosti 88

8.4.1. Použití vlnovcových kompenzátorů. 88

8.4.1.1.  Druhy vlnovcových kompenzátorů. 88

8.4.1.2. Silové působení kompenzátoru na okolní potrubí 91

8.4.2. Ucpávkové kompenzátory. 92

8.4.3. Použití textilních (tkaninových) kompenzátorů. 93

9. Stabilita potrubní stěny.. 94

9.1. Ztráta stability potrubní stěny - boulení stěny všeobecně. 94

9.2. Ztráta stability (boulení) potrubní stěny mezi podpěrami, zatížení osovou silou a ohybovým momentem.. 95

9.3. Ztráta stability potrubní stěny (boulení) mezi podpěrami. Zatížení podtlakem.. 98

9.4. Kombinace různých druhů zatížení z hlediska stability potrubní stěny mezi podpěrami 100

9.5. Ztráta stability potrubní stěny nad podpěrou. 100

9.6. Rozdíl ve stabilitě potrubní stěny u houževnatých a křehkých materiálů. 103

10. Únosnost hrdel aparátů a ostatních zařízení. 104

10.1. Vznik zatížení hrdel 104

10.2.  Přepočet zatížení momentem na zatížení silou. 104

10.3.  Výpočet únosnosti hrdla pro hrdlo tvořené nátrubkem na prostorově klenuté anebo válcové nádobě. 105

10.3.1. Průnik dvou válcových těles – výpočet pomocí WRC 107 a WRC 297. 105

10.3.2. Průnik dvou válcových těles – výpočet pomocí ČSN EN 13445-3 a BS5500. 107

10.3.3. Smaltovaná  hrdla aparátů. 107

10.3.4. Nekovová hrdla aparátů. 107

10.4. Omezení zatížení hrdla technickými normami či jinými ustanoveními 108

10.4.1. Ocelová hrdla deskových výměníků. 108

10.4.2. Hrdla ventilů. 108

10.4.3. Omezení zatížení hrdel u čerpadel 108

10.4.4. Omezení zatížení hrdel u turbín. 108

10.4.5. Ostatní omezení zatížení hrdel 109

11. Výpočet a vyhodnocování napětí v jednotlivých potrubních komponentách.. 110

11.1.  Základní potrubní komponenty. 110

11.1.1. Používání výpočtů v plastické oblasti materiálu. 110

11.1.2. Ohodnocení bezpečnosti plastického výpočtu. 111

11.1.2.1. Všeobecné porovnání pružnostního a plastického výpočtu. 111

11.1.2.2. Porovnání pružnostního a plastického výpočtu pro potrubí namáhané vnitřním tlakem.. 112

11.2. Trubka. 113

11.2.1. Napětí v trubce za ohybu. 113

11.2.2. Výpočet plastické únosnosti trubky pro obvodové napětí 113

11.2.3. Výpočet žeber a výztuh potrubí na základě plasticity. 114

11.2.4. Výpočet maximálních rozměrů napadení důlkovou korozí 115

11.3. Ohyb. 115

11.3.1. Hladký ohyb. 115

11.3.1.1. Součinitel poddajnosti 116

11.3.1.2. Součinitel koncentrace napětí 116

11.3.1.4. Korekce vratné deformace průřezu ohybu při rovinném zatížení 119

11.3.2. Segmentový ohyb. 120

11.3.1.1. Součinitel poddajnosti. 120

11.3.1.2. Součinitel koncentrace napětí pro ohyb. 120

11.3.1.3. Napětí v kritickém místě. 121

11.4. Redukce. 121

11.4.1. Napětí v kritickém místě. 122

11.5. Odbočky, T-kusy. 122

11.5.1. Jednotlivé typy provedení T-kusů a odboček. 122

11.5.2. Součinitel poddajnosti pro T-kusy. 124

11.5.3. Součinitel koncentrace napětí pro T-kusy. 124

11.5.4. Napětí v kritickém místě. 125

11.6. Příruba. 126

11.6.1. Typy výpočtů přírub. 126

11.6.2. Kdy je možno použít normalizované příruby bez výpočtu. 127

11.6.3. Zatížení příruby jako součásti přírubového spoje. 127

11.6.4. Princip pružnostního výpočtu. 128

11.7. Princip plastického výpočtu. 130

11.7. Rovinné zaslepení potrubí 132

11.7.1. Princip pružnostního výpočtu. 132

11.7.2. Princip plastického výpočtu. 134

11.8. Těleso ventilu. 135

11.9. Vlnovcový kompenzátor. 136

11.9.1. Druhy vlnovcových kompenzátorů. 136

11.9.2. Určení kompenzátoru do potrubní větve. 137

11.9.3. Pryžové a plastové kompenzátory. 137

11.9.4. Výpočet vlnovcového kompenzátoru. 138

12. Související technické normy a legislativa.. 140

12.1. Související legislativa. 140

12.2. Související technické normy. 140

12.2.1. Platné původem české technické normy. 140

12.2.2. Evropské normy (harmonizované k PED) 141

12.2.2.1. Tlaková zařízení 141

12.2.2.2. Kovová potrubí 141

12.2.2.3. Čerpadla a deskové výměníky (omezení zatížení hrdel) 144

12.2.3. Německé normy (harmonizované k PED) 145

12.2.4. Eurokódy. 146

12.2.5. Jiné významné normy. 146

12.2.6. Normy USA. 146

12.2.7. Ruské normy. 148

13. Použitá literatura a literatura pro další studium... 149

13.1. Odborná literatura. 149

13.2. Firemní literatura. 152

13.3. Zajímavé internetové adresy. 152