iPotrubí.cz

Navrhování průmyslových potrubí z plastů

Obsah:

1. Použité veličiny a jednotky.. 11

2. Teoretický základ pro plasty.. 16

2.1. Základní informace o plastech. 16

2.2. Struktura plastů. 16

2.2.1. Molekulární struktura plastů. 16

2.2.2. Nadmolekulární struktura plastů. 17

2.3. Společné vlastnosti plastů. 19

2.3.1. Základní vlastnosti plastů. 19

2.3.2. Termodynamické vlastnosti plastů. 20

2.3.3. Mechanické vlastnosti plastů. 21

2.3.4. Tepelné vlastnosti plastů. 24

2.3.5. Elektrické vlastnosti plastů. 25

2.3.6. Chemická odolnost plastů. 26

2.4. Viskoelasticita, viskoplasticita. 27

2.4.1. Viskoelasticita. 27

2.4.2. Viskoplasticita. 27

2.5. Reologické modelování 27

2.5.1. Základní články reologických modelů. 27

2.5.2. Kelvin-Voigtův model 28

2.5.3. Maxwellův model 29

2.5.4. Norton-Hoffův model 30

3. Teoretický základ pro skořepiny z plastů.. 32

3.1. Skořepiny. 32

3.2. Všeobecná rovnice skořepiny. 32

3.3.  Membránový a momentový stav napjatosti 33

3.3.1. Membránový stav napjatosti 33

3.3.2. Momentový stav napjatosti všeobecně. 34

3.3.3. Momentový stav napjatosti v místech uložení potrubí 34

3.4. Napjatost tenkostěnné rotační skořepiny zatížené vnitřním spojitým zatížením... 35

3.4.1. Odvození Laplaceovy rovnice. 35

3.4.2. Membránové síly a napětí pro válcový útvar. 36

3.4.3. Membránové síly a napětí pro kuželový útvar. 39

3.4.4. Membránové síly a napětí pro anuloid. 41

3.4.5. Membránové síly a napětí pro kulový útvar. 44

3.4.6. Prodlužování přímého potrubí způsobeného vnitřním tlakem – Bourdonův jev. 45

3.5. Součinitelé SIF a poddajnosti 46

3.6. Primární a sekundární napětí 46

3.7. Viskoelasticita, viskoplasticita. 46

3.7.1. Viskoelasticita. 46

3.7.2. Primární a sekundární napětí a jejich pohyb v čase. 47

3.7.3. Modul viskoelasticity a jeho pohyb v čase. 47

3.7.4. Viskoplasticita. 49

3.8. Popis mechanismu porušení plastů. 50

3.8.1. Porušení při prostém namáhání 50

3.8.2. Porušení creepem.. 51

3.8.3. Porušení potrubí vůči pomalému šíření trhliny (SCG), tj. kumulativnímu poškození za určitý čas (únava). 51

3.8.4. Porušení rychlým růstem trhliny (RCP). 51

3.9. Rozměrové řady plastových trubek. 51

3.10. Minimální požadovaná pevnost a jmenovitý tlak. 52

4. Zatížení potrubí 53

4.1. Rozdělení zatížení 53

4.2. Zatížení trvalá. 54

4.2.1. Zatížení tlakem, přímé i odvozené zatížení 54

4.2.1.1. Zatížení tlakem.. 54

4.2.1.2. Volný ustálený výtok z potrubí 55

4.2.1.3. Zatížení potrubí axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 55

4.2.1.4. Zatížení hrdla aparátu axiální silou od vlnovcového kompenzátoru. 55

4.2.1.5. Zkušební tlak pro plastová průmyslová potrubí 55

4.2.2. Zatížení vlastní hmotností tekutiny, potrubí a izolace a potrubních dílů. 57

4.2.2.1. Hmotnost potrubí 57

4.2.2.2. Hmotnost tekutiny. 57

4.2.2.3. Hmotnost izolace. 57

4.3. Zatížení působením teploty. 57

4.3.1. Názvosloví teploty. 57

4.3.2. Roztažnost potrubí 58

4.3.3. Pohyb hrdel 58

4.4. Příležitostná zatížení 58

4.4.1. Klimatická zatížení 58

4.4.1.1. Zatížení větrem.. 58

4.4.1.2. Zatížení sněhem.. 59

4.4.2. Dynamická zatížení a jejich kvazistatická řešení 59

4.4.2.1. Rozdělení dynamických zatížení 59

4.4.2.2. Výpočet kvazistatických zatížení 60

4.4.2.3. Dynamický součinitel zatížení (DLF). 60

4.5. Zatížení od jednoho neopakujícího se pohybu podpěry. 61

5. Tvorba potrubní třídy plastových potrubí 62

5.1. Co umožňuje tvorbu potrubní třídy?. 62

5.2. Systémy značení potrubní třídy. 62

5.3. Konstrukce potrubní třídy. 62

5.3.1. Základní údaje a složení potrubní třídy. 62

5.3.2. Tlakoteplotní  tabulka. 63

5.3.3. Výpočet tloušťky stěny. 63

5.3.4. Potrubní třídy pro zatížení potrubí vnitřním podtlakem.. 65

5.3.5. Tvorba potrubní třídy pro potrubí v zemi 65

5.3.5.1. Potrubí zatížené nadložím.. 65

5.3.5.2.  Omezení tloušťky stěny příčnou deformací či tuhostí 66

5.4. Přídavky tloušťky stěny trubky. 66

5.5. Komponenty potrubní třídy. 67

5.5.1. Trubky. 67

5.5.2. Tvarovky. 67

5.5.3. Segmentové oblouky. 67

5.5.3. Spojování 68

5.5.4. Příruby. 69

5.5.5. Spojovací materiál 69

5.5.6. Těsnění 71

5.5.7. Vlnovcové kompenzátory. 72

5.5.9. Průmyslové armatury. 72

6. Materiály pro plastová potrubí 74

6.1. Polyetylén (PE) 74

6.2. Polypropylén (PP) 75

6.3. Polybutén (PB) 76

6.4. Polyvinylchlorid (PVC) 77

6.5. Polyvinylidenfluorid (PVDF) 77

6.6. Akrylonitrilbutadyenstyrén (ABS) 78

6.7. Perfluoralkoxy-copolymer (PFA) 79

7. Mezní stavy potrubí – rozdělení a uspořádání 80

7.1. Seznam a uspořádání mezních stavů potrubí 80

7.2. Mezní stav únosnosti 80

7.3. Mezní stav použitelnosti 80

7.4. Vyhodnocování napětí a jiných mezních stavů únosnosti pro potrubí z plastů. 81

7.4.1. Které materiály sem patří?. 81

7.4.2. Překročení dovolené krátkodobé pevnosti při prvním nájezdu potrubí 81

7.4.2.1. Odvození a výpočet dovoleného napětí při tomto mezním stavu. 81

7.4.2.2. Určování koeficientu bezpečnosti 81

7.4.2.3. Vyhodnocení napětí od trvalých a občasných zatížení 82

7.4.2.4. Vyhodnocení napětí od zatížení tepelnou roztažností 82

7.4.3 Pevnost na konci plánované životnosti 83

7.4.3.1. Odvození a výpočet dovoleného napětí při tomto mezním stavu. 83

7.4.3.2. Vyhodnocení napětí od trvalých zatížení 83

7.4.3.3. Vyhodnocení napětí od občasných ev. mimořádných zatížení 83

7.4.3.4. Vyhodnocení rozkmitu napětí od zatížení teplotní dilatací 84

7.4.5. Odolnost potrubí vůči pomalému šíření trhliny (SCG), tj. kumulativnímu poškození za určitý čas (únava). 85

7.4.6. Odolnost proti rychlému růstu trhliny (RCP). 86

7.4.7. Vzpěr potrubí a zvlnění potrubí 87

7.4.7.1. Vzpěr potrubí 87

7.4.7.2. Zvlnění potrubí 89

7.4.8. Stabilita potrubní stěny. 91

7.4.8.1.  Ztráta stability potrubní stěny - boulení stěny všeobecně. 91

7.4.8.2. Ztráta stability (boulení) potrubní stěny mezi podpěrami, zatížení osovou silou a ohybovým momentem.. 93

7.4.8.3. Ztráta stability potrubní stěny (boulení) mezi podpěrami. Zatížení podtlakem.. 96

7.4.8.4. Kombinace různých druhů zatížení z hlediska stability potrubní stěny mezi podpěrami 98

7.4.9. Plastová hrdla aparátů. 98

7.4.10. Výpočet potrubních spojů. 99

7.4.10.1. Zatížení potrubního spoje. 99

7.4.10.2.  Přepočet zatížení momentem na zatížení silou u přírubového těsnění 99

7.4.10.3. Kontrola tlaku na těsnění v přírubovém spoji 99

7.4.10.4. Pevnostní výpočet přírubového spoje Raylor-forgeovou metodou. 100

7.5. Vyhodnocování mezních stavů použitelnosti pro plastová potrubí 101

7.5.1. Nepřekročení průhybu pro spádování a odvzdušňování potrubí 101

7.5.2. Nepřekročení posuvu způsobeného tepelnou dilatací 101

7.5.3. Mezní stlačení zeminou. 102

7.6. Určení vzdálenosti podpěr tak, aby nebyly porušeny mezní stavy potrubí 102

7.6.1. Mezní stavy potrubí mající vliv na vzdálenost podpěr. 102

7.6.2. Dovolené napětí v materiálu potrubí a z něj odvozená vzdálenost podpěr. 103

7.6.3. Maximální vzdálenost podpěr vypočítaná z dovoleného průhybu. 103

7.6.4. Dovolená únosnost podpěr a z ní odvozená vzdálenost podpěr. 104

8. Kompenzace délkové roztažnosti plastových potrubí 105

8.1. Příčina nutnosti kompenzace délkové roztažnosti 105

8.2. Kompenzace přirozeným tvarem potrubí 105

8.3. Klasická kompenzace délkové roztažnosti v kombinaci s klasickým uložením... 105

8.3.1. Kompenzační tvary plastů v principu totožné s ocelovými 105

8.3.2. Kompenzační tvary potrubí specifické pro plasty – dilatační smyčky. 106

8.3.3. Kompenzace vlnovcovými kompenzátory. 107

8.2.4. Uložení klasické. 110

8.2.4.1. Zásady používání podpěr. 110

8.2.4.2. Příklady použití sestavy podpěr. 111

8.3. Klasická kompenzace v kombinaci s uložením do korýtek. 112

8.3.1. Zásady používání podpěr. 112

8.3.2. Maximální možná délka potrubí bez korýtka. 112

8.3.4. Příklady použití sestavy podpěr. 112

8.4. Klasická kompenzace v kombinaci s plastovým potrubím s korzetem... 114

8.4.1. Popis korzetu plastového potrubí 114

8.4.2. Spojování potrubí v korzetu. 116

8.4.3. Kompenzování délkové roztažnosti 116

8.4.4. Výpočet plastového potrubí s korzetem.. 116

8.5. Kompenzace plastových potrubí „pevnou montáží“. 120

8.5.1. Úvodní informace. 120

8.5.2. Příklady výpočtu. 120

8.5.3. Vzdálenost  podpěr při „pevné montáži“. 122

9. Uložení a podpěry potrubí 125

9.1. Výběr vhodného uložení 125

9.2. Výpočet únosnosti a konstrukce podpěr. 125

9.3.1. Provádění výpočtu. 125

9.3.2. Výpočet tuhosti pružného závěsu či podpěry. 126

9.4. Upravená uložení klasická pro plastová potrubí 128

9.4.1. Důvody nutnosti úpravy uložení 128

9.4.2. Některé klasické podpěry či závěsy ve verzi pro plastová potrubí 129

9.5. Uložení do korýtek. 131

9.6. Uložení plastových potrubí s využitím korzetu. 133

9.7. Uložení plastových potrubí při „pevné montáži“. 135

10. Plastová potrubí v zemi. 137

10.1. Základy mechaniky zemin. 137

10.1.1. Charakteristické vlastnosti zemin. 137

10.1.2. Hodnoty charakteristických vlastností zemin. 138

10.1.3. Napjatost, deformace, pevnost a tlak zeminy. 138

10.2. Základní druhy působení zeminy na potrubí 139

10.2.1. Působení nadloží (zasypu) na potrubí 139

10.2.1.2. Zatížení hmotností nadloží (zásypu) a zatížení povrchu terénu. 139

10.2.1.3. Druhy výkopu. 141

10.2.1.4. Výpočet tuhosti nadloží (násypu) a její mezní hodnota. 142

10.2.2. Zatížení vodorovným tlakem zeminy  způsobeným svislými zatíženími při širokém výkopu. 142

10.2.2.1. Základní vztahy. 142

10.2.2.2. Výpočet tuhosti zeminy, která působí z boku a její mezní hodnota. 144

10.2.3. Zatížení povrchu terénu – statická i dynamická. 144

10.2.3.1. Základní vztahy. 144

10.2.3.2. Roznášení zatížení povrchu terénu konstrukcí komunikace. 145

10.2.4.  Působení podloží na potrubí 145

10.2.4.1. Základní vztahy. 145

10.2.4.2. Výpočet tuhosti zeminy podloží a její mezní hodnota. 146

10.2.5. Shrnutí zatížení působením zeminy násypu v příčném směru trubky. 146

10.2.6. Zatížení potrubí v jeho podélné ose. 148

10.2.6.1. Základní vztahy. 148

10.2.6.2. Výpočet tuhosti zeminy působící v ose potrubí a její mezní hodnota. 149

10.3. Mezní stavy únosnosti plastových potrubí v zemi 150

10.3.1. Napětí v potrubí způsobené působením hmotností nadloží (zásypu). 150

10.3.1.1. Výpočet napětí pro potrubí zatížené nadložím tvořeným zeminou vodou nesaturovanou pro úzký výkop. 150

10.3.1.2. Výpočet napětí pro potrubí zatížené nadložím tvořeným zeminou vodou nesaturovanou s vytvarovaným ložem.. 152

10.3.1.3. Výpočet napětí pro potrubí zatížené nadložím tvořeným zeminou vodou saturovanou. 153

10.3.2. Napětí způsobené roztažností potrubí v podélné ose. 153

10.4. Mezní stavy použitelnosti plastového potrubí v zemi 155

10.4.1. Uvažované mezní stavy. 155

10.4.2. Výpočet příčných deformací průřezu. 155

10.4.3. Příčné deformace způsobené vzpěrem až k vychýlení nad zeminu. 157

11. Předizolovaná, bezkanálová plastová potrubí v zemi 159

11.1. Základní rozdělení 159

11.1.1. Sdružené potrubí 159

11.1.2. Suvné potrubí 159

11.1.3. Vakuované potrubí 160

11.2. Možnosti použití předizolovaných plastových potrubí 160

11.3. Konstrukce sdruženého potrubí 161

11.3.1. Zatížení potrubí zeminou. 161

11.3.2. Kompenzace tepelných dilatací 161

11.3.3. Složení sdruženého potrubí: plastová vnitřní trubka, PUR a plastová vnější trubka. 162

11.3.3.1. Všeobecné informace. 162

11.3.3.1. Vlastnosti používaných komponentů: 163

11.3.3.2. Materiálové hodnoty jednotlivých složek potrubí 163

11.3.3.3. Mezní stavy v tomto sdruženém potrubí 164

11.4. Konstrukce suvného potrubí 164

11.4.1. Konstrukce suvného potrubí 164

11.4.2. Kompenzace tepelných dilatací 164

12. Možnosti výpočtu programem pro pevnostní výpočty potrubí 165

12.1. Základní informace. 165

12.2. Kombinace zatížení pro výpočet a vyhodnocení napětí 165

12.3. Rozdílné a neprobádané jevy u plastů, důležité pro výpočet 167

12.4. Výpočet plastových potrubí v zemi 167

12.5. Výpočet předizolovaného bezkanálového potrubí v zemi 168

12.6. Výpočet plastových potrubí podle GOST. 169

12.7. Technické normy pro získání materiálových vlastností plastů. 170

13. Náhrada kovových potrubí za plastové.. 171

13.1. Seznam nebezpečí při náhradě potrubí za plastové a opatření proti tomuto nebezpečí 171

13.1.1. Omezení tlaku a teploty. 171

13.1.2. Nebezpečí vysoké tepelné roztažnosti 171

13.1.3. Nebezpečí stárnutí plastů vlivem UV záření 171

13.1.4. Nebezpečí vzniku elektrostatického náboje v zónách s nebezpečím výbuchu. 171

13.1.5. Nebezpečí zabránění boje s požárem.. 172

13.1.6. Nebezpečí chybného spojení plastových a kovových potrubí 172

13.2. Důvody, proč se i přes uvedená nebezpečí plastová potrubí prosazují 172

13.2.1. Cenová úroveň. 172

13.2.2. Chemická odolnost plastových potrubí 173

13.2.3. Schopnost tlumení kmitů a rázů. 173

13.3. Některé případy náhrady kovových potrubí plastovými 173

13.3.1. Kanalizační přípojky a stokové sitě. 173

13.3.2. Rozvody vody. 174

13.3.3. Rozvody zemního plynu. 176

13.3.4. Průmyslové aplikace. 176

13.3.5. Rozvody vzduchu. 177

14. Použitá literatura a literatura pro další studium... 178

14.1. Související legislativa. 178

14.2. Související technické normy. 178

14.3. Literatura. 179

14.4. Firemní literatura. 180

14.5. Zajímavé internetové adresy. 180