3. Nebezpečí závislá na ztrátě odolnosti materiálu s následkem ztráty integrity tlakové sestavy
1. Odolnost konstrukce a způsob jejího získávání
1.1. Vysvětlení pojmu odolnost konstrukce
Odolnost konstrukce „Ro“ je určená volbou materiálu potrubí a jeho tepelným a povrchovým zpracováním. Jde o náhodnou veličinu a lze ji statisticky zpracovat. Každé nebezpečí má svůj druh odolnosti konstrukce. Odolnost konstrukce při prosté únosnosti se udává se v MPa.
-pro prostou únosnost jde o dovolené napětí odvozené z meze kluzu a pevnosti materiálu ve statistickém zpracování, tj. každé zjištěné velikosti dovoleného napětí v určitém statistickém vzorku je přiřazena určitá četnost.
- pro odolnost konstrukce proti únavě jde o únavovou křivku, kde jsou výsledky zpracované statistickými metodami.
- pro odolnost konstrukce proti creepu jde o křivku, která je udána hodnotami pevnosti Rm pro creep. Hodnoty Rm pro creep jsou tabulkové hodnoty pro určité časy.
Uvažuje se většinou Gaussovo normální rozdělení s rozsahem šestinásobku směrodatné odchylky. Rozdělení pravděpodobnosti pro tuto veličinu je svým parametrem měřítka (tj. směrodatnou odchylkou) i parametrem umístění konstantní, nepohyblivé v čase. Bylo by přínosem, kdyby se uvedená návrhová data udávala jako jedno z dat v materiálovém listu či jiné technické normě.
V dalších kapitolách týkajících se jednotlivých nebezpečí bude odolnost konstrukce podrobněji rozepsána.
1.2. Druhy odolností konstrukce v závislosti na typech poruch
1. Poruchový model „píchnutí pneumatiky“. Pro tento poruchový model odpovídá nejlépe rozdělení rovnoměrné. Tj. bez závislosti na historii, neboť hřebík se může vyskytnout se stejnou pravděpodobností, když je pneumatika na začátku i na konci životnosti.
Příkladem pro oblast potrubí je trhlina na potrubí vlivem jednorázového přetížení. Příčinou může zde být neobjevená vada výroby potrubí anebo vadná funkce pojišťovacího ventilu, který způsobí nárůst tlaku nad dovolenou mez.
2. Poruchový model „sjetí (opotřebení) pneumatiky“.Tj. pro poruchový model , který se dá za určitých okolností předvídat.
Jako příklad pro oblast potrubí může být uveden postup koroze anebo eroze na potrubí, kdy je daná a výpočtem ověřená maximální hodnota korozního anebo erozního přídavku a v případě překročení této korozní přirážky je potrubí vyřazeno z provozu
3. Poruchový model „píchnutí na sjeté pneumatice“. Pneumatika se častěji píchne na sjeté pneumatice. V praxi téměř vždy jde o tuto kombinaci.
Jako příklad pro oblast potrubí můžeme uvést únavu materiálu potrubí. Při únavě se nejprve ztrácí mechanické vlastnosti materiálu (tj. vytváří se imperfekce, mikrotrhlina, trhlina) a potom náhle přijde takové zatížení, které potrubí oslabené trhlinou nevydrží a nastane lom.
2. Nebezpečí porušení integrity při překročení dovoleného napětí odvozeného z meze kluzu a/nebo pevnosti materiálu
2.1. Nebezpečí překročení nejvyššího dovoleného tlaku či teploty
Všeobecně platí, při přetížení tlakem hrozí lom v nejvíce namáhaném místě. Zde koresponduje riziko s mezním stavem potrubí, který je nazývaný a počítaný jako kontrola pevnosti.
Po výrobě a montáži a před předávání technického zařízení do provozu existuje systém kontrol (inspekcí), který má za úkol kontrolovat, zda je nově vyrobené zařízení bezpečné. Tento systém je pro potrubí zpracován například v normě ČSN EN 13480-5 Kovová průmyslová potrubí, Část 5. Kontrola a zkoušení. Proto předpokládáme dokonalou výstupní kontrolu, týkající se výroby, montáže i návrhu. Smysl zkoušek po výrobě ještě před předáváním potrubí do provozu je především zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti při provozu, které jsou zapříčiněny imperfekcemi při návrhu a výrobě.
Na nejvyšší dovolený tlak či teplotu je seřízena bezpečnostní výstroj (např. pojišťovací ventil, průtržná membrána) tlakové sestavy. Výpočtový tlak či teplota musí být větší či roven nejvyššímu dovolenému tlaku či teplotě. Minimálně na tyto hodnoty tlaku a teploty má být proveden návrh a pevnostní výpočet potrubí.
Dále by se měl způsob kontroly pro odstranění tohoto rizika za provozu orientovat na tlakovou zkoušku. Výpočet zkušebního tlaku se provádí podle kapitoly 9.3 „Tlaková zkouška“ ČSN EN 13480-5 Kovová průmyslová potrubí Část 5. Kontrola a zkoušení.
Provozovatel zařízení má pod kontrolou určité druhy poruch, neboť „určuje“ provozní zatížení (samozřejmě předpokládáme v rámci všech norem a předpisů), kdežto projektant potrubní trasy může toto provozní zatížení jen předpokládat a na jeho základě může provést u některých mezních stavů výpočet životnosti.
Příčiny překročení jsou různé, např.
- nefunkčnost bezpečnostního zařízení, ať už mechanického tj. pojistný ventil či průtržná membrána anebo elektronického. Vyjádření pravděpodobnosti poruchy tohoto zařízení by mělo být vyjádřeno pomocí úrovně SILu -viz předešlé kapitoly
- ucpání či zamrznutí potrubí vedoucí k bezpečnostnímu zařízení apod.
2.2. Nebezpečí překročení korozního přídavku plošnou korozí
Koroze je samovolné, postupné rozrušení kovů či nekovových organických i anorganických materiálů (např. horniny či plasty) vlivem chemické nebo elektrochemické reakce s okolním prostředím. Může probíhat v atmosféře nebo jiných plynech, ve vodě a jiných kapalinách, zeminách a různých chemických látkách, které jsou s materiálem ve styku. Toto rozrušování se může projevovat rozdílně; od změny vzhledu až po úplný rozpad celistvosti. Koroze je způsobena vlivem elektrochemickým. Hlavním činitelem koroze je kyslík, resp. hydroxidová skupina (OH), dále anionty vzniklé z kyselin (CO3, Cl, NO2, SO4 apod.) Vodíkové ionty kyselin se nahrazují ionty kovu, čímž vznikají soli. Koroze působí na potrubí z uhlíkové oceli.
Všeobecně platí, že při úbytku stěny potrubí nad dovolenou mez, hrozí lom v nejvíce namáhaném místě. Zde koresponduje riziko s mezním stavem potrubí, který je též nazývaný a počítaný jako kontrola pevnosti.
Korozí se rozumí samovolné vzájemné působení mezi prostředím a materiálem, které má za následek znehodnocování materiálu.
Koroze vnitřní. Je-li uvnitř potrubí přítomná vlhkost, tj. vodní pára či voda smíšená se vzduchem, potom postupuje i koroze vnitřní. Je možné provést ochranu proti vnitřní korozi např. galvanickým pokovováním a je také možné počítat s korozní přirážkou.
V případě, když potrubí dopravuje vodu a je potrubí vodou plně naplněno bez bublinek, nepředstavuje toto korozní prostředí. Korozní prostředí vzniká v případě vypouštění, napouštění anebo ponechání tohoto potrubí bez vody se zbytky vlhkosti ve vzduchu. Tato koroze se projevuje plošným působením a je charakteristická drobnými šupinatými korozními zplodinami či korozním náletem uvnitř ocelového potrubí. Zde v této kapitole však hodnotíme pouze plošnou korozi.
2.3. Nebezpečí překročení erozního přídavku plošnou erozí
Eroze (tj. druh mechanického opotřebení) působí na potrubí, jestliže je v médiu obsažena též pevná fáze.
Erozní opotřebení je ztráta materiálu z důvodu mechanické interakce s dalšími drobnými pevnými objekty, které bývají unášeny kapalinou nebo plynem. Mění se tak rozměry a i funkčnost výrobku.
Typickým příkladem je opotřebení potrubí, kdy vzduch dopravuje nějaký sypký materiál. Dalším příkladem je parovod, který bývá opotřebován spoustou drobných kapiček vody. Zde v této kapitole však hodnotíme pouze plošnou erozi.
2.4. Překročení dovoleného napětí způsobeného vibracemi
Vibrace potrubí působením rezonance může nastat v průběhu provozování potrubí, i když při převzetí zařízení byla vibrace projektem odstraněna. A to protože se hmotnost a tuhost potrubí během jeho životnosti mění. Například postupuje koroze zvenku i zevnitř, izolace se nasákne nějakou tekutinou, kluzná podpěra na své kluzné ploše se zanese či zkoroduje atd.
Nebezpečí vibrace potrubí je především u potrubního systému, kde je zapojeno pístové čerpadlo či kompresor anebo turbína.
Vibrace může způsobit kromě únavy i tento mezní stav: Napětí od deformace potrubí amplitudou je tak velké, že v potrubí je překročena mez kluzu a následně nastane porucha. Napětí může být ještě zvětšeno koncentrací napětí. Potom odolnost potrubí je dána odolností konstrukce při prosté pevnostní únosnosti určená mezí kluzu či mezí pevnosti popsané v následující kapitole.
2.5. Odolnost konstrukce při prosté pevnostní únosnosti určená mezí kluzu či mezí pevnosti
Je to nejběžnější typ odolnosti konstrukce. Je jí možno aplikovat v různých typech nebezpečí. V kapitolách pojednávajících o nebezpečích, kde se dá tato odolnost aplikovat, to vždy bude uvedeno.
Odolnost konstrukce při prosté únosnosti se udává se v MPa Jde o dovolené napětí odvozené z meze kluzu a pevnosti materiálu ve statistickém zpracování, tj. každé zjištěné velikosti dovoleného napětí v určitém statistickém vzorku je přiřazena určitá četnost. Uvedená odolnost konstrukce je tedy náhodná veličina.
Pokud je dostupný reálný histogram pro mez kluzu či pevnost, je možné použít ho přímo ve výpočtu, je však možné vytvořit jednoduchou úpravou dostatečně přesný návrhový histogram či rozdělení pravděpodobnosti. Uvažuje se většinou Gaussovo normální rozdělení s rozsahem šestinásobku směrodatné odchylky. Rozdělení pravděpodobnosti pro tuto veličinu je svým parametrem měřítka (tj. směrodatnou odchylkou) i parametrem umístění konstantní, nepohyblivé v čase. Bylo by přínosem, kdyby se uvedená návrhová data udávala jako jedno s dat v materiálovém listu či jiné technické normě. Pouze při vybudování takovéto databáze, bude možné uvedené statistické hodnocení spolehlivosti aplikovat do praxe. U prosté pevnostní únosnosti, o kterou se teď jedná, se s účinky od provozního zatížení porovnává odolnost konstrukce, kterou získáme z meze kluzu a z pevnosti materiálu, získáme ji zkoušením více vzorků stejného materiálu na trhacím stroji a jeho statistickým zpracováním. Dostaneme tak rozdělení pravděpodobnosti dovoleného napětí v závislosti na jeho četnosti.
3. Nebezpečí únavového lomu
3.1. Únava – společné zákonitosti
Převážná většina strojů a zařízení je při svém provozu podrobena působení časově proměnných sil jinak řečeno cyklickému namáhání, které způsobuje degradaci materiálu, obecně známou jako „únava materiálu“.
Mezi vlivy, které působí na únavovou únosnost, počítáme:
1. rozkmit napětí,
2. koncentrace napětí vyvolaná hlavně vrubovými účinky, které souvisí s konstrukčními detaily
3. počet cyklů na různých úrovních napětí, který je dán zatěžovacím spektrem tvořeným náhodnými provozními zatíženími.
Tyto tři vlivy jsou pro stanovení únosnosti při únavě rozhodující. Vlivy ostatních parametrů jsou podstatně méně významné. Proto většina normalizovaných zavádí poznatek, že šíření trhlin a počátečních defektů, jež se ve skutečném provedení konstrukce vždy vyskytují, je spojeno hlavně s rozkmitem napětí, zatímco vliv maximálního napětí je ve skutečnosti méně významný.
Únavový lom je výsledkem mikroskopických procesů probíhajících ve struktuře materiálu. Cyklická napětí vytváří skluzové čáry v krystalech kovu, které se vyvíjejí do malých trhlin. Tyto malé praskliny se pak rozmnožují, slučují a vedou k případnému lomu, který obvykle zahrnuje malou až žádnou hrubou plastickou deformaci. Postupné rozrušování kovu při proměnlivém zatěžování má nevratný kumulativní charakter, který se navenek projeví až v samotném závěru únavového procesu růstem makroskopické trhliny a končí únavovým lomem. Únavové selhání zahrnuje progresivní, lokalizované, trvalé strukturální změny v důsledku kolísavých napětí a deformací. Chcete-li přesně odhadnout únavovou životnost (nebo cykly k poruše), je třeba dobře pochopit hnací sílu únavy a parametry odporu. Jako takový je vyžadována přesná charakteristika použitého zatížení a na druhé straně tvar problematického místa a vlastnosti materiálu.
Kromě toho jsou k provádění smysluplných výpočtů zbývající životnosti zapotřebí také údaje o únavových zkouškách, které popisují chování materiálu jako funkci namáhání nebo velikosti namáhání a počet akumulovaných cyklů (parametry únavové odolnosti).
Podle počtu zatěžovacích cyklů, jež vedou k únavovému lomu, rozlišujeme málocyklovou únavu a mnohocyklovou únavu. Pro mnohocyklovou únavu je charakteristické, že k porušení postačuje relativně nízká úroveň napětí, ale potřebný počet cyklů zatížení je řádově 105 a větší. Naopak pro málocyklovou únavu jsou příznačná vysoká napětí přesahující opakovaně mez kluzu, v důsledku čehož vynikají velké plastické deformace. Počet cyklů nepřesahuje počet 104.
3.2. Únava nízkocyklová – základní pojmy
Nízkocyklová únava je způsobena častým přerušováním provozu potrubí, tj. častým najetím a sjetím zařízení. Nezapočítáme-li vložené cykly, potom maximální počet najetí a sjetí bez provedení únavového výpočtu může být 500. V případě, že se únavový výpočet provádí, měl by být návrh potrubí proveden tak, aby potrubí vydrželo bez úhony plánovanou životnost. Proto předpokládáme dokonalou výstupní kontrolu, týkající se výroby, montáže i návrhu, včetně provedeného výpočtu na únavu. V takovémto případě musí být jasně definována maximální životnost potrubí počtem cyklů.
Všeobecně platí, při překročení dovoleného únavového namáhání hrozí lom v nejvíce namáhaném místě. Zde koresponduje riziko s mezním stavem potrubí, který je nazývaný a počítaný jako únavová únosnost.
3.3. Únava nízkocyklová - tepelná.
Hlavním rysem degradačního mechanismu tepelné únavy je, že nemá etapu nukleace vad a mikrotrhlinky vznikají během několika málo prvních cyklů. To je způsobeno velkým teplotním a následně deformačním gradientem na povrchu tělesa při teplotních šocích. Významu tento mechanismus nabývá při teplotním rozdílu větším jak 150°C mezi médiem a stěnou. Charakteristickým rysem tepelné únavy je častá změna teploty vyvolávající častou změnu napětí, což může vést až k nukleaci defektu ve velmi krátkém čase. Mezi čtyři nejdůležitější teplotní zatížení patří:
- teplotní rozvrstvení (rozložení) po průřezu na vodorovných úsecích potrubí
- teplotní spád ve směru osy potrubí
- míchání teplého a studeného média v T-kusech
- teplotní šoky a častá změna teploty (odstavení, najíždění)
3.4. Únava nízkocyklová v důsledku teplotních a tlakových cyklů
Tento typ únavového selhání v materiálu mohou vyvolat teplotní i tlakové cykly dohromady.
Sledování skutečného počtu základních cyklů by mělo být upraveno v provozním řádu. Jedním ze způsobů takovéhoto sledování je kontinuální sledování a zápis provozního tlaku a teploty.
3.5. Únava nízkocyklová, kde spolupůsobí koroze
Vysoce korozivní prostředí může způsobit uvedený typ únavy materiálu. Počáteční trhlina je obvykle vytvořena lokální korozí, například důlkovou korozí, která také zhoršuje kovový povrch a zvyšuje se tendence k únavě kovu vytváření koncentrátorů napětí.
3.6. Únava vysokocyklová– základní pojmy
Velice častou příčinou vysokého počtu zatěžovacích cyklů jsou provozní vibrace vznikající v důsledku přítomnosti budícího zdroje, což jsou nejčastěji točivé stroje. Mimo známou otáčkovou frekvenci točivých strojů se mohou v systémech také generovat tlakové pulzace při kmitání vodního sloupce, pokud systém není dokonale odvzdušněn, k vodním rázům při změněn skupenství dodávané kapaliny (voda, pára), popřípadě ke kavitaci.
3.7. Vibrace indukované rotačními stroji
Vibrace potrubí působením rezonance může nastat v průběhu provozování potrubí, i když při převzetí zařízení byla vibrace projektem odstraněna. A to protože se hmotnost a tuhost potrubí během jeho životnosti mění. Například postupuje koroze zvenku i zevnitř, izolace se nasákne nějakou tekutinou, kluzná podpěra na své kluzné ploše se zanese či zkoroduje atd.
Nebezpečí vibrace potrubí je především u potrubního systému, kde je zapojeno pístové čerpadlo či kompresor anebo turbína.
Vibrace může způsobit mezní stavy dvojího druhu:
- Napětí od deformace potrubí amplitudou je tak velké, že v potrubí je překročena mez kluzu a následně nastane porucha. Napětí může být ještě zvětšeno koncentrací napětí.
- Vibrace způsobí vysokocyklovou únavu.
3.8. Akusticky indukované vibrace potrubí
Tento mechanismus vzniku vibrací bývá pozorován až při provozu zařízení. Akusticky indukované vibrace na druhé straně v tlakových potrubích jsou za regulačními ventily těžko identifikovatelné, pokud nejsou ventily otevřeny na úrovni, kdy ventil vibrace indukuje. Akustické vibrace se vyskytují za armaturami redukujícími tlak a nejčastěji v potrubích pro páry a plyny. Akustické vibrace mívají frekvenci 300 až 1 500Hz, nejsou tak rozeznatelné vizuálně, ale rozeznáme je dotykem a v některých případech mohou být slyšitelné.
Obr. Schéma akusticky indukované vibrace
Může tak vzniknout porucha, která nemá zjevnou příčinu. Část akustické energie se přenáší na stěnu potrubí, což způsobuje oscilaci potrubí, jehož stěny mohou mít stejnou či podobnou vlastní frekvenci. Tvary vlastních frekvencí skořepiny potrubí tak způsobují deformaci stěny potrubí. Vibrace stěny skořepiny v bezešvém nebo svařované trubce bez geometrických nespojitostí neumožňují podstatné střídavé namáhání a představují nízké riziko únavového praskání. Střídavé napětí při geometrických nespojitostech, jako jsou odbočné spoje a svařované podpěry potrubí, jsou však zesíleny koncentrací napětí.
Obrázek Vliv nesousedících nespojitostí na napětí ve vibracích režimu skořepiny
Vibrace může způsobit mezní stavy dvojího druhu:
- Amplituda vibrace stěny potrubí po zesílení koncentrátorem napětí je tak velká, že v potrubí je překročena mez kluzu a následně nastane porucha. Odolnost konstrukce při prosté pevnostní únosnosti určená mezí kluzu či mezí pevnosti.
- Vibrace způsobí vysokocyklovou únavu, neboť počet cyklů vzhledem k frekvenci narůstá obrovskou rychlostí.
3.9. Odolnost konstrukce proti únavě
Odolnost konstrukce proti únavě se skládá ze dvou fází. Jde o poruchový model „Píchnutí na sjeté pneumatice“ První část je vlastní odolnost vůči únavě reprezentovaná při projektu výpočtem a je popsaná v kapitole. Druhá část je čistě nahodilá a je reprezentována již popsanou odolností při prosté pevnostní únosnosti určené mezí kluzu či mezí pevnosti.
Vlastní odolnost konstrukce proti únavě je daná únavovou křivkou. Je výhradně výsledkem zkoušek. Základní podmínkou hodnocení únavových vlastností je statistické zpracování únavových zkoušek. Souborem dat v logaritmických souřadnicích je proložena pomocí regresní analýzy přímka a a dále je určeno horní a dolní omezení oblasti přímkami b. V normě ČSN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí a v ní uveřejněných výkladech reprezentuje přímka b pravděpodobnost bezporuchového stavu na úrovni 95%, Gaussova rozdělení pravděpodobnosti to představuje Bezpečnou výpočtovou životnost(Lb). My však v této úvaze potřebujeme získat Střední výpočtová životnost (L50) a Maximální výpočtová životnost (Lm). Střední výpočtová životnost (L50) tak odpovídá křivce a a Maximální výpočtová životnost (Lm) tak odpovídá křivce b avšak z druhé strany křivky a.
Z rozboru experimentálních hodnot vyplývá:
a) Pro počet cyklů 104 až 106 v grafu v dvoulogaritmickém vyjádření dobře vystihuje závislost veličin přímka.
b) Při počtu cyklů větším než 106 je pokles únavové křivky standardních vzorků velmi nepatrný. Přitom však rozptyl výsledků zkoušek v této oblasti vysokých počtů cyklů bývá značný, neboť v oblasti malých rozkmitů napětí se vyskytuje mnoho nešířících se únavových trhlin, které sice vznikly, ale nedospěly do labilního stavu. U skutečných těles s větším rozměrem a složitějším obrazcem vlastních pnutí a různým stupněm efektnosti se naopak ukazuje, že mezní křivka životnosti stále klesá i při vysokém počtu cyklů
Obr. Zpracování únavových zkoušek
4.Nebezpečí skrývající se za lokálním úbytkem materiálu ve stěně potrubí
4.1.Všeobecné údaje
Lokální úbytek materiálu může mít poměrně velkou plochu anebo může tvořit naopak důlek či jamku. Může být i několik jamek vedle sebe. Poměrně velká plocha úbytku materiálu může být např. u kolena, kde dochází k erozi, pak v takovémto případě tato plocha je vnější strana kolena, kde je opotřebení vyšší. Anebo to může být i koroze pod izolací, jestliže podmínky pro její vznik nejsou po celé délce potrubí stejné.
Zde musíme posuzovat výpočtem, nejlépe metodou FEA, jestli potrubí vydrží s predikcí, jak dlouho ještě vydrží. U důlkové koroze můžeme též vycházet z výpočtů v této kapitole, můžeme zde použít jak lomovou mechaniku, tak speciální v kapitole uvedenou teorii. Všeobecně platí, že při úbytku stěny potrubí nad dovolenou mez, hrozí lom v nejvíce namáhaném místě.
U koroze se zde může uplatňovat:
- Již probraná klasická plošná koroze.
- Koroze pod tepelnou izolací. Koroze pod izolací je forma vnější koroze, která může být způsobená zachycenou vodou či vlhkostí na površích potrubí pokrytých izolací. Vzhledem k tomu, že tyto povrchy nejsou obecně přístupné pro vizuální kontrolu, nelze nástup koroze snadno identifikovat a v extrémních případech může dojít k silné korozi s následným poškozením integrity systému.
- Důlková koroze. Tato koroze může být způsobena různými způsoby, např. místem vstupu a výstupu bludných proudů, mikrobiální korozí mezi trubkou a izolací a i lokálním rychlejším postupem původně plošné koroze.
- Speciální druhy koroze uvedené v kapitole pro potrubí v zemi.
Dále v potrubí působí eroze. Eroze materiálu je opotřebení pevného tělesa působením dalšího pevného tělesa. Eroze působí na potrubí, jestliže je v médiu obsažena též jiná, hustější fáze. Jde o pevnou látku v kapalině anebo v plynu, také může jít o kapalinu v plynu. Erozní opotřebení je ztráta materiálu z důvodu mechanické interakce s dalšími drobnými pevnými objekty, které bývají unášeny kapalinou nebo plynem.
Typickým příkladem je opotřebení potrubí, kdy vzduch dopravuje nějaký sypký materiál. Dalším příkladem je parovod, který bývá opotřebován spoustou drobných kapiček vody. Zde v této kapitole hodnotíme pouze lokální úbytek materiálu ve stěně potrubí, tj např. již zmínění případ vnější strany kolena při erozi.
V potrubí z vnitřní strany může působit též kavitace. Kavitace je vznik dutin v kapalině při lokálním poklesu tlaku, následovaný jejich implozí. Pokles tlaku může být důsledkem lokálního zvýšení rychlosti, případně průchodu intenzivní akustické vlny v periodách zředění. Při vymizení podtlaku, který kavitaci vytvořil, její bublina kolabuje za vzniku rázové vlny s destruktivním účinkem na okolní materiál. Hroutící se bubliny, které implodují v blízkosti kovového povrchu, způsobují cyklické namáhání opakovaným implozí a úbytek materiálu. Uvedené nastává zejména, když je kapalina donucena náhle změnit směr. U potrubí to může nastat např. u čerpadel, u redukčních ventilů, u filtrů a v jejich blízkosti.
4.2.Odolnost konstrukce při lokálním úbytku materiálu
Odolnost konstrukce proti korozi/erozi se skládá ze dvou fází. Jde o poruchový model „Píchnutí na sjeté pneumatice“ První část je vlastní odolnost vůči korozi/erozi reprezentovaná při projektu korozním/ erozním přídavkem. Tato první část odolnosti konstrukce proti korozi a/nebo opotřebení představuje výpočtem popř. zkouškami stanovená doba Tal , za kterou ubyde (zmizí) celý přídavek na korozi nebo opotřebení cmax. Doba Tal , za kterou ubude (zmizí) celý přídavek na korozi/erozi je určená v kapitole životnost potrubí a celý přídavek na korozi/ erozi se určuje zkouškami.
Druhá část je čistě nahodilá a je reprezentována již popsanou odolností při prosté pevnostní únosnosti určené mezí kluzu či mezí pevnosti.
5. Nebezpečí překročení maximální dovolené deformace způsobené creepem
5.1. Creep – základní pojmy
Creepová deformace je funkce druhu materiálu, doby expozice, teploty a napětí. V závislosti na velikosti napětí a jeho trvání, se deformace může stát tak velkou, že díl konstrukce již nemůže vykonávat svou funkci. Prakticky každý materiál bude mít creepové deformace při teplotách blížících se teploty jeho tavení.
Stadia creepu:
I. V počátečním stavu, známém jako primární creep (tečení), je rychlost deformace relativně vysoká, ale zpomaluje se.
II. Rychlost deformace nakonec dosahuje minimum a stává se konstantní. Toto je známé jako sekundární creep (tečení) ustáleného stavu. Tento stupeň je nejvíce prozkoumán. Pro toto sekundární stadium creepu je charakteristická konstantní creepová deformační rychlost. Závislost napětí a rychosti deformace závisí na creepovém mechanismu.
III. Ve třetím stupni creepu se rychlost deformace exponenciálně zvyšuje. Začínají se projevovat lokální poruchy a zmenšuje se plocha průřezu až do lomu
Obr. 3.4. Stadia creepu
Všeobecná rovnice creepu:
Kde ε je poměrné prodloužení
t je čas
σ je napětí
C, m, b jsou konstanty
Zjednodušením pro druhé stadium získáme Nortonův vztah:
Způsob kontroly. V materiálových normách jsou obvykle udávány referenční hodnoty meze tečení pro 1% plastického creepového prodloužení, proto právě tuto deformaci hlídáme. Dovolená měření se nejjednodušeji realizují jako opakované měření délky určeného úseku. K tomuto účelu se určuje úsek potrubí, který je v době měření bez izolace a za teploty okolí. Může se měřit i obvod potrubí. Ten však vypovídá pouze o creepové deformaci způsobené vnitřním tlakem. Vhodným zařízením se může provádět i kontinuální sledování a predikce životnosti.
5.2. Odolnost konstrukce proti creepu
Odolnost konstrukce proti creepu odpovídá modelu sjetí (opotřebování) pneumatiky a udává ji křivka, která je udána hodnotami pevnosti Rm pro creep. Hodnoty Rm pro creep jsou tabulkové hodnoty pro určité časy. Hodnoty Rm jsou vlastní jednotlivým materiálům. Norma ČSN EN 12952-4 „Vodotrubné kotle a pomocná zařízení“ Část 4: „ Provozní výpočty očekávané doby života kotle“ udává hodnoty pro výpočet bezpečné životnosti hodnotu 0,8 x pevnost materiálu pro creep. Naopak pro maximální dobu životnosti volíme 1,2 x pevnost materiálu pro creep, viz dále.
Obr. 3.5. Zpracování zkoušek creepu
Uvedená odolnost konstrukce při creepové únosnosti se dá označit jako náhodná, pohyblivá v čase (tj. závislá na době působení creepu). Konkrétní rozdělení pravděpodobnosti únavové únosnosti je parametrem měřítka (tj. směrodatnou odchylkou) stejné, ale parametrem umístění je pohyblivé v čase - konkrétně je závislé na době působení creepu - a klesá.
Odolnost konstrukce proti creepu udává křivka, která je udána hodnotami pevnosti Rm pro creep. Hodnoty Rm pro creep jsou tabulkové hodnoty pro určité časy. Hodnoty Rm jsou vlastní jednotlivým materiálům. Zpracovává se pro různé teploty.
Teoretická doba života Tal se vypočítá pro každou naměřenou hodnotu dvojice teplota/zatížení. Tal se stanoví jako průsečík přímky napětí a dolní mezní křivky meze pevnosti při tečení materiálu při průměrné teplotě jednotlivých teplotních přírůstků. Provozní doby při jednotlivých přírůstcích namáhání od jednotlivých dvojic teploty/zatížení se sečtou, přičemž se zohlední teplotní příspěvky k měření nejistot a teplotním asymetriím.
6. Speciální nebezpečí pro potrubí uložená v zemi
6.1. Nebezpečí způsobená tlakem nadloží a pohyby podloží
Hlavním rizikem pro potrubí uložená v zemi jsou náhlé anebo i postupné posuny podloží anebo přitížení nadložím. Náhlé posuny podloží mohou být způsobeny roztáním zmrzlé zeminy podloží, náhlý sesuv půdy na poddolovaném území anebo jako následek zemětřesení. Postupné posuny podloží mohou být způsobeny postupným sesedáním podloží, které je tvořeno násypem. Násyp je nestabilizovaná nasypaná zemina, vznikající např. po rekultivaci povrchových dolů.
Přitížení nadložím je způsobeno roztáním zmrzlé zeminy anebo změnou zatížení způsobeným změnou dopravního provozu na povrchu. Jestliže je potrubí uloženo v nezámrzné hloubce, děje se přetvoření nadloží, po zmrznutí a roztání zeminy pouze nad potrubím. Tím se vytvářejí dutiny (kaverny) např. vytvořené spláchnutím části zeminy do kanalizace a následný sesuv, propad ulice.
6.2. Nebezpečí způsobená speciálními druhy koroze
Koroze vnějšího povrchu. Musí se zde počítat s korozní agresivitou vnějšku potrubí Im3 dle ČSN EN ISO 12944-2.
Protože zde nemáme přístup k údržbě povrchové úpravy vnějšího povrchu, vyskytují se zde různé druhy a typy speciálních korozí. Je to:
- Prostá půdní koroze se projevuje plošným působením, které však zasahuje do malé hloubky a je charakteristická šupinatými korozními zplodinami, případně korozním náletem. Prostá půdní koroze je výsledkem působení korozních makročlánků a mikročlánků v půdě. Korozní agresivita půdy v okolí potrubí podmiňuje vznik korozních článků a rychlost půdní koroze. Korozní agresivita půdy se dá určit měřením rezistivity půdy Wennerovou metodou podle ČSN 03 8363.
- Důlková koroze, způsobená stejnosměrnými bludnými proudy, se vyznačuje velkou strmostí stěn oválných důlků, povrch kovu je zcela bez korozních zplodin. Průměr důlků může dosáhnout až několika centimetrů. Důlky se mohou i spojovat a kopírovat vadu na izolaci. Koroze střídavými bludnými proudy se vyznačuje mnohem menší strmostí stěn důlků, napadení je tvořeno kulatými drobnými otvory, které se spojují.
- Mikrobiální koroze vzniká v dutinách mezi stěnou ocelového potrubí a izolací za předpokladu, že jsou tyto prostory vyplněny vodou. Anaerobní bakterie zde mohou redukovat sírany rozpuštěné v půdě. Po sejmutí izolace je povrch tvořen krustami s měkkou rezavě hnědou vrstvou. Důlky jsou vyplněny černou hmotou a mají nepravidelně rozeklané okraje.
Koroze vnitřního povrchu probíhá stejně jako u potrubí nadzemního, viz kapitola 3.3.3.2. Nebezpečí překročení korozního přídavku plošnou korozí.
6.3. Údržba vnějšku potrubí pro korozní agresivitu - Im3 ponor do půdy
Izolace potrubí proti korozi v zemi
Asfaltové izolace
Stará asfaltová
Asfaltová plus 2x skelná rohož
Asfaltová plus skelná rohož s tapatenem
Asfaltová plus skelná rohož s PVC páskou
Asfaltová plus 3x a více skelná rohož
Plastové izolace
Izolační páska smršťovací PE 2+2 vrstvy
Izolační páska smršťovací PE 3+2 i více vrstev
Izolační páska PVC 2 vrstvy
Tovární izolace sintrovaná
Tovární izolace extrudovaná PE normální
Tovární izolace extrudovaná PE zesílená
Termosetové izolace
Epoxidehtová
Epoxidová
Polyuretanová
Polyuretandehtová
Příklad použití
Potrubí v zemi izolovaná proti zemní vlhkosti. Vnější povrch bude proveden s tovární PE izolací dle DIN 30 670 (Polyetylénová izolace ocelových trubek a tvarovek) vyhovující elektrojiskrové zkoušce. Doizolování továrně zhotovených ohybů 5D bude provedeno pomocí termosetového nástřiku. Spojování potrubí se prování zásadně svařováním. Pro použití v zemi se spoj izoluje pomocí třívrstvých smršťovacích PE manžet.
6.4. Odolnost konstrukce
Odolnost konstrukce při zatížení nadložím či podložím je většinou daná prostou pevnostní únosností. Odolnost konstrukce při prosté pevnostní únosnosti určená mezí kluzu či mezí pevnosti.
Odolnost konstrukce proti korozi vnitřního i vnějšího povrchu odpovídá prosté pevnostní únosnosti určená mezí kluzu či mezí pevnosti.
Odolnost konstrukce proti korozi vnitřního povrchu způsobující na vnějším povrchu potrubí důlky, tj. důlková koroze, je jiná. Výpočet limitních rozměrů důlku při poškození důlkovou korozí.
7. Speciální nebezpečí pro plastová potrubí za provozu
7.1. Plastová potrubí – základní pojmy
Plasty jako takové mají řadu společných vlastností, odlišných od kovů. Jedna z hlavních takovýchto vlastností je tečení materiálu i za normálních teplot v rozsahu daleko větším než u kovů. Plastový materiál se na molekulární úrovni skládá z velkého počtu dlouhých řetězců. Když na materiál začne působit síla, tyto řetězce se okamžitě deformují a způsobují tak počáteční deformaci. Je-li materiál vystaven stálému zatížení, řetězce se budou vlivem této síly pohybovat vzájemně vůči sobě a budou způsobovat creep (tj. neustále rostoucí deformaci). Struktura řetězce se však nemění. Z toho vyplývá, že jestliže se toto stálé zatížení během svého působení zvýší, materiál jeví stejnou okamžitou reakci jako při počátečním zatížení.
Z tohoto důvodu se u plastů určuje srovnávací napětí. Toto napětí je vzhledem k tečení závislé i na životnosti potrubí a na teplotě tekutiny. Toto napětí se určuje z grafu, který vydává výrobce plastu nebo norma. Odečtená hodnota napětí je materiálová konstanta a zohledňuje tak pokles pevnosti v závislosti na teplotě i pokles pevnosti v závislosti na čase.
Další typické vlastnosti plastů jsou dány následujícím výčtem:
- Houževnatost
- Velká tepelná roztažnost (oproti ocelím řádově)
- Malé hodnoty modulu pružnosti (oproti ocelím řádově)
- Velká chemická odolnost
- Nízká teplota maximální použitelnosti. Podle druhu plastu se jedná o 100°C až 190°C.
V kaučukovitém stavu se při působení mechanického napětí řetězce rozvinují snadno, ale potřebují k tomu určitou dobu. Po uvolnění napětí se opět pozvolna vracejí do původního neuspořádaného stavu, který je pro ně nejstabilnější. Tato zpožděně elastická deformace se nazývá viskoelastická deformace a je charakteristická právě pro chování plastů.
Z uvedeného trhací zkoušky se odvozují pevnost, mez kluzu, prodloužení a modul pružnosti. Ze vztahu modulu pružnosti v tahu a modulu pružnosti ve smyku je možné určit Poissonovo číslo. Uvedené veličiny se mění s teplotou vzorku: Pevnost i mez kluzu u plastů s rostoucí teplotou klesá, modul pružnosti s rostoucí teplotou klesá, Poissonovo číslo s rostoucí teplotou stoupá.
Viskoelasticita. Deformační změny plastu nejsou dány jen napětím, ale i velikostí a dobou působení mechanického namáhání. Tato viskoelastická deformace se projevuje, zejména u plastů v kaučukovitém stavu a nepatrně i ve sklovitém stavu. Tyto deformace jsou příčinou tečení (creepu) a relaxace napětí v plastu.
7.2. Plastová potrubí – nebezpečí vznikající při provozu
Koroze plastů. Plastová potrubí přicházejí často do styku s ropnými produkty a chemikáliemi, které mohou být ve stavu tuhém, kapalném nebo plynném. Při vzájemném působení těchto především kapalných látek s plasty může dojít k absorpci chemické látky, která může způsobit fyzikální nebo chemické změny plastu. Tomuto jevu říkáme koroze plastů.
Chemické změny v plastu. Dochází k chemické reakci dopravované látky s plastem nebo některou jeho složkou. Změny jsou nevratné a způsobují trvalé změny vlastností plastu, případně až jejich úplnou a nevratnou destrukci. Působí tak především kyseliny, zásady (zásada je protikladem kyseliny) a oxidační látky.
Fyzikální změny v plastu. Dopravovaná chemikálie je absorbována plastem a způsobuje jeho bobtnání, které může pokračovat až k rozpuštění plastu v chemikálii (rozpouštědle). Tyto změny jsou vratné a po odstranění rozpouštědla (např. vysušením) nabývá plast původních vlastností (příkladem je např. polyamid rozpustný kyselinou mravenčí).
Nebezpečí stárnutí plastů vlivem UV záření. Každý polymer, tedy i plasty, z nichž se vyrábí, potrubí se rozkládá vlivem UV záření. Tomuto lze zabránit takto:
- použitím polybutenu, který je odolnější anebo vhodných aditiv, které se do plastu přidávají.
- použitím tepelné izolace, která nejen že brání úniku tepla, ale i přístupu UV záření anebo jiných způsobů zakrytí
- instalací pod zemí, kde je přístupu UV záření zabráněno zeminou anebo instalací v hale, neboť okna uv záření nepropouštějí.
Nebezpečí vzniku elektrostatického náboje v zónách s nebezpečím výbuchu. V případě, že je potrubí vedeno zónami s nebezpečím výbuchu, je nutné ho chránit proti vzniku elektrostatického náboje, který vzniká na povrchu plastových potrubí např. protékáním média.
Zóna s nebezpečím výbuchu může být vně i uvnitř trubky. Uvnitř trubky vzniká vždy, když médiem je hořlavá tekutina. Zóna s nebezpečím výbuchu dále vzniká okolo přírubového spoje potrubí, kterým protéká hořlavá tekutina. Může sem však zasahovat i zóna, která nemá s potrubím nic společného.
Zabránění rychlosti působení těchto jevů může být provedeno v projektu, avšak provozní pracovníci mají být o hrozících nebezpečích informováni.
7.3. Odolnost konstrukce
Z uvedeného je jasné, že se s časem u plastových potrubí mění nejen nebezpečí odpovídajícím mezním stavům únosnosti, ale i nebezpečí odpovídající mezním stavům použitelnosti. Mění se zde s časem nejen dovolené napětí, ale i modul pružnosti a proto i průhyby a posuny.
U průhybu a posuvy jde o poruchový model „sjetí pneumatiky“, kdy mez udává deformace, která ještě umožňuje vypuštění a odvzdušnění potrubí.
U překročení dovoleného napětí jde o poruchový model „píchnutí sjeté pneumatiky“, kdy v první části jde o snižování dovoleného napětí a poté o část čistě nahodilou a je reprezentována již popsanou odolností při prosté pevnostní únosnosti určené mezí kluzu či mezí pevnosti.
8. Nebezpečí úniku tekutiny u přírubového spoje
U přírubového spoje existuje únik tekutiny, který můžeme nazvat jako projektovaný anebo zcela náhodný, při poruše přírubového spoje.
Projektovaný únik znamená, že přes každý přírubový spoj uniká vždy nějaké malé procento média. Únik je možný ve dvou cestách: První je mezi těsněním a těsnicí plochou, druhá průchodem těsnicím materiálem. První závisí na tom, jak těsnění dokáže zaplnit výstupky a prohlubně drsností a vlnitostí těsnicích ploch. Druhá je dána vlastností těsnicího materiálu: je to porézní těleso, které při stlačování těsnění z pórů vytlačuje vzduch, přičemž se póry zmenšují a tím se stává materiál těsnění těsnějším.
Jestliže chceme tyto úniky kontrolovat, použijeme pro výpočet přírubového spoje normu ČSN EN 1591-1. Zdroje emisí by zejména u vybraných anorganických a organických látek neměly překročit předepsané hodnoty. Povolené emise – jinými slovy množství netěsností – jsou tím definovány.
Tři třídy netěsností pro měkká těsnění odpovídají množstvím netěsností:
a) třída L1,0 (1 mg/s.m): požadavkům pro utěsnění většiny kapalin a nízkotlakých plynů, např. u rozvodů tlakového vzduchu;
b) třída L0,1 (0,1 mg/s.m): která přibližně kopíruje hodnotu 1 ml/min dusíku a je vhodná pro utěsnění kapalin s nízkým povrchovým napětím (např. naftu) a parám a plynům s vyšším přetlakem a teplotou;
c) třída L0,01 (0,01 mg/s.m): vhodná pro utěsnění nebezpečných látek, definovaných jako hořlavé, výbušné, jedovaté, toxické apod.)
Z běžných těsnicích materiálů se pro třídu L1,0 a L0,1 hodí vláknitopryžová těsnění a expandovaný grafit v průmyslové čistotě, v třídě L0,01 PTFE nebo grafit v jaderné čistotě nebo kombinované těsnicí materiály a kovová těsnění, která mohou dosáhnout i vyšší těsnosti.
Náhodný únik je způsobený přetížením šroubového spoje v provozu či špatným projektem, který je opřen o špatný anebo žádný výpočet šroubového spoje. Dále je zde možnost materiálové vady u příruby, spojovacího materiálu i u těsnění.