Jdi na obsah Jdi na menu
 


2. Vypořádání některých nebezpečí ve fázi návrhu tlakové sestavy závislých na vlastnostech konstrukce a hydraulických jevech

15. 1. 2022

1. Volba vhodných materiálů

1.1. Volba vhodných materiálů z důvodů vyhovující pevnosti potrubí

Projektant by měl rizika snižovat, proto musí nejprve vyhodnotit pevnost potrubí. Pevnost potrubí tak, jak je chápána v normách není závislá na době provozu. Pevnost potrubí je stejná na začátku i na konci provozu zařízení.

Při výpočtu pevnosti potrubí jsou zde porovnávána napětí od uvedených zatížení s napětími dovolenými. Dovolená napětí se získávají z údajů o pevnostech a o mezích kluzu, které jsou uvedeny v normách, týkajících se použitého materiálu. Abychom získali tato dovolená napětí, musíme pevnost a mez kluzu vydělit bezpečnostními koeficienty. Uvedené však platí pouze pro houževnaté materiály.

Normy předepisují, aby pevnost potrubí odolávala zatížením trvalým, zatížením teplotou a zatížením příležitostným.

Zatížení tlakem (trvalé zatížení) a zatížení teplotou určuje projekt celého zařízení. Aby nebylo takovéto zatížení překročeno, jsou zde instalovány bezpečnostní prvky (ať již na principu mechanickém či elektrickém), které uvedená zatížení hlídají. Bezpečnostní prvky na mechanickém principu jsou pojišťovací ventil či průtržná membrána.

Zatížení příležitostná se rozdělují zatížení klimatická a dynamická. Klimatická zatížení jsou zatížení sněhem a zatížení větrem. Dynamická zatížení se rozdělují na zatížení rázem (hydraulický ráz, průtok dvou fází potrubím, akce pojišťovacího ventilu atd.), zatížení a zatížení zemětřesením. Klimatická i dynamická zatížení se kontrolují jenom výpočtem. Velikosti zatížení klimatických, zatížení zemětřesením a některých zatížení rázem jsou dány příslušnými technickými normami. Samozřejmě se může stát, že příležitostná zatížení jsou větší, a to zcela mimořádně, než určuje norma. Norma pak udává anebo by měla udávat, jaká je pravděpodobnost, že zatížení bude větší, abychom s tím v analýze rizik projektu mohli počítat.

Potrubí zatížené některými druhy rázů se vypočítávají pomocí všeobecně známých fyzikálních zákonů, technická norma potom určuje jen některé konstanty.

Zatížení kmitáním potrubí (rezonancí) se čistě určuje všeobecně známými fyzikálními zákonitostmi, a jestliže hrozí nebezpečí (tj. výrazné budící síly a frekvence), tento výpočet se má provádět. Zatížení kmitáním potrubí se však může objevit po nějaké době, v průběhu provozu potrubí. Kmitání se může se objevit, i když v době začátku provozu zařízení nekmitá. Příčin tohoto jevu je několik, například: Změna tuhosti potrubí (např. postupem koroze), koeficientů tření u kluzných podpěr (fungují jako tlumič kmitání) atd. Z tohoto důvodu se analýza rizik musí vypořádat i s tímto jevem.

Jde o vypořádání rizik pasivní bezpečností.

 

1.2. Volba vhodných materiálů z důvodů odstranění křehkého lomu

Riziko křehkého lomu není za provozu kontrolovatelné, i když hrozí při jeho vzniku zničení celého potrubí. Celé odstranění rizika křehkého lomu se děje ve fázi projektování, výroby a zkoušek. 

Křehký lom je náhlý nestabilní lom, který nastává při nominálním napětí, které je nižší než makroskopická mez kluzu. Patří mezi mezní stavy konstrukce, kdy v důsledku nejrůznějších příčin ztrácí konstrukce plnit funkci, pro kterou je určena.

Je však nutno podotknout, že se na potrubí většinou nacházejí velmi malé výrobní vady. Měli bychom tedy navrhovat konstrukci, která je velmi odolná vůči takovýmto imperfekcím. Tolerance konstrukce vůči poškození je termín používaný k popisu odolnosti konstrukce vůči těmto imperfekcím (a dalším poškozením) bez selhání.

Křehký lom se šíří kolmo na směr většího hlavního napětí, tedy u potrubí je to kolmo na směr obvodového napětí, tedy na stěně potrubí ve směru osy. Rychlost šíření křehkého lomu je rovná rychlosti šíření zvuku v daném materiálu, z kterého je potrubí vyrobeno. Protože rychlost poklesu tlaku v potrubí bývá nižší než rychlost šíření křehkého lomu, proto se křehký lom šíří až k nějaké překážce. Může tak zničit celé potrubí v jediném okamžiku.

Porovnáme-li metodiku hodnocení křehkého lomu, kterou nám předepisuje norma ČSN EN 13480-2 Kovová průmyslová potrubí, část 2. Materiály anebo přístup výpočtu pro křehké materiály i za normálních teplot a lomovou mechaniku, nepodobají se. Při výpočtu v projektu také postupujeme jinak u houževnatých materiálů za nízkých teplot a přirozeně-křehkých materiálů, tj. křehkých i za normálních teplot.

Hodnocení křehkých lomů u houževnatých materiálů podle uvedené normy používá kritéria založená na zkušenostech a definuje minimální úroveň houževnatosti materiálu tak, aby konstrukce mohla tolerovat přiměřenou úroveň velmi malých výrobních vad. 

U některých typů ocelí (např. nízkouhlíkových, nízkolegovaných apod.) dochází v tzv. přechodové teplotní oblasti k prudkému snížení plastických vlastností. Původně plastická ocel přechází, při snižování teploty, do křehkého stavu. Tím, za určitých podmínek, vzniká nebezpečí křehkého lomu.

Hlavní eliminace křehkého lomu spočívá ve výběru materiálu. Musí být použitý materiál, který je v souladu s ČSN EN 13 480-2 Kovová průmyslová potrubí, část 2. Materiály. V normě jsou uvedeny i nejnižší teploty pro použití materiálů v tlakových sestavách. Dále musí být dodrženy minimální požadavky na nárazovou práci (v J) anebo vypočítanou vrubovou houževnatost (v J/cm2), při stanovených teplotách. Pro nízké teploty musí být prokázáno dodržení hodnoty vrubové houževnatosti stanovené normou a provedené pro teplotu TS. Vychází se zde ze skutečnosti, že pro vznik křehkého lomu je nutno splnit současně tři podmínky:

-      nadkritická velikost napětí od provozního zatížení kolmo na trhlinu

-      přítomnost vady typu trhliny

-      nízká hodnota lomové houževnatosti materiálu při dané teplotě.

Pokud některá z těchto podmínek není splněna, nedochází ke vzniku křehkého lomu.

V ČSN EN 13 480-2 Kovová průmyslová potrubí, část 2. Materiály jsou též stanoveny tři metody jak vyřešit riziko křehkého lomu:

  1. Metoda založená na praxi. Hlídá hodnotu lomové houževnatosti materiálu.
  2. Metoda odvozená z principů lomové mechaniky a z provozní zkušenosti. Hlídá též hodnotu lomové houževnatosti materiálu. Citovaná norma EN 13 480-2  též uvádí nomogramy, pomocí kterých je možno nahradit stanovenou hodnotu vrubové houževnatosti provedenou při teplotě. První dvě podmínky jsou záležitostí pevnostního výpočtu a nedestruktivní kontroly výrobku.
  3. Metoda založená na aplikaci lomové mechaniky.  Jiná možnost, je využití zákonitostí lomové mechaniky a určit dovolené mechanické napětí, při němž se křehký lom pro daný materiál a danou teplotu TS nešíří. Dále je nutno výpočtem zkontrolovat, zda takto získané dovolené napětí není překročeno. V případě kladného výsledku je možno uvedený materiál akceptovat. Výpočet napětí, při kterém se trhlina již nešíří, je možné určit z teorie pro  napětí, kdy nedochází k růstu trhliny.

Riziko křehkého lomu u křehkých materiálů i za normálních teplot. Křehký materiál je takový, u něhož nedochází porušením ke vzniku plastických deformací a které mají pevnost v tahu výrazně nižší než pevnost v tlaku. Tyto materiály nemají plastický stav a porušují se přímo křehkým lomem. Patří sem litina. Patří sem plasty, které se používají (provozují) za skelného stavu (tj. PVC). Patří sem ještě sklo a keramika. Zde se ve výpočtu používá poměrně velký koeficient bezpečnosti pro výpočet dovoleného napětí. Jak je možné odvodit z definice křehkého materiálu, nemá tento plastickou oblast a všechny lomy tohoto materiálu jsou křehké, tj. zlomí se najednou. 

Ještě jednou je nutno připomenout, že celé odstranění popsaného rizika křehkého lomu se děje ve fázi projektování, výroby a zkoušek.

Problematiku křehkého, ale i plastického lomu řeší lomová mechanika. U potrubí má svoje praktické uplatnění zejména u vad vzniklých při provozu. 

Jde o vypořádání rizik pasivní bezpečností.

 

1.3. Volba vhodných materiálů z důvodů chemické odolnosti

Chemickou odolnost kovů, plastů i ostatních materiálů je možné najít v technických normách, v literatuře a na různých adresách internetu. 

Celkově lze uvést, že materiály pro průmyslová potrubí jsou uvedeny v ČSN EN 13480-2 Kovová průmyslová potrubí, část 2. Materiály. Materiály pro ropovody a plynovody jsou uvedeny ČSN EN ISO 3183

Volíme vždy materiál s dostatečnou chemickou odolností.

 

2. Volba vhodné konstrukce pro vyřešení nebezpečí vyplývajících z mezních stavů použitelnosti.

Mezi mezní stavy použitelnosti potrubí (také se používá název: stav omezeného poškození) počítáme:

1. Nepřekročení takového průhybu potrubí, který neumožňuje odvzdušnění potrubí nebo vypouštění kapaliny z potrubí

2. Stabilita potrubí vůči vzpěru (např. při pevné montáži u plastů), tj. vyosení bez „zlomení“ potrubí

3. Nepřekročení takového posuvu potrubí způsobeného tepelnou dilatací, který narušuje minimální dovolenou vzdálenost mezi potrubími či mezi potrubím a jiným objektem. Dále může narušovat povolenou hodnotu vychýlení závěsu.

Tyto mezní stavy umožňují potrubí plnit svoji základní funkci. Je však špatné, když je potrubí v takovémto stavu již od začátku provozu, jestliže to tak je, je to chyba projektanta. Dodržení technických norem. Jde o vypořádání rizik pasivní bezpečností.

 

3. Volba vhodné konstrukce využíváním systémů aktivní bezpečnosti

3.1. Pojišťovací ventil a průtržná membrána

Místo způsob instalace a výpočet dimenze uvedených zařízení je určen v příslušných technických normách tak, aby tato zařízení plnila svůj účel. Tímto účelem je řízení rizika překročení maximálního dovoleného tlaku.

 

3.2. Jiné systémy aktivní bezpečnosti na mechanickém základu

Jako příklady jiných systémů aktivní bezpečnosti na mechanickém základu můžeme uvést: Tlumič hydraulických pulzů, Tlumící zařízení hydraulických rázů, tlumiče vibrací potrubí, omezovače vibrací potrubí, které povolují pomalý pohyb způsobený tepelnou dilatací a zablokují rychlý pohyb způsobený např. zemětřesením. Jistě lze přijít i na další.

 

3.3. Elektronické systémy

Elektronické systémy hlídají většinou nepřekročení nejvyšší dovolené teploty a nejvyššího dovoleného tlaku. Mohou však i kontrolovat jiné hodnoty např. průběh provozních hodnot teploty a tlaku, napětí v trubkách či případné vibrace. Systém je tvořen příslušnými čidly či snímači, zpracováním jejich signálu, upozorněním na řídícím panelu anebo přímo zásahem spočívající v uzavření či otevření dálkově ovládaného ventilu, vypnutím či změnou otáček čerpadla atd.

 

3.4. Zdvojené (duplikované) potrubí

Duplikované potrubí se ve velké většině používá pro ohřívání či chlazení vnitřního média, to však není náš případ. V tomto článku se zabýváme případem, kdy je nutné snížit pravděpodobnost poruchy potrubí, z důvodů dopravy velmi nebezpečné látky, jako je chlor či chlorovodík.

Samotnou instalaci duplikovaného potrubí je možné zařadit do systému pasivní bezpečnosti. Avšak instalace čidla (a následného elektronického systému) detekujícího dopravovanou látku do prostoru mezi vnější a vnitřní prostor, učiní z celého zařízení systém aktivní bezpečnosti.

Takto může být řízeno riziko úniku nebezpečné látky.

 

4. Příklad vhodné konstrukce pro vypořádání rizika inherentní bezpečností.

Jestliže je zdrojem tlaku odstředivé čerpadlo na kapalinu, bývá konstruováno na určitou výtlačnou výšku uvedené kapaliny. Tato výtlačná výška reprezentuje maximální tlak v potrubí, kterého lze čerpadlem dosáhnout. Jestliže i následující systém pracuje s tímto tlakem a není třeba ho redukovat, můžeme tento maximální tlak prohlásit za maximální dovolený tlak a návazné potrubí (ev. i další zařízení) navrhnout minimálně na tento tlak, nepotřebujeme v tomto systému žádné další hlídání tlaku.

 

5. Volba vhodné konstrukce pro vypořádání nebezpečí závislých na hydraulických jevech

5.1. Pulzace tekutiny

Pulzaci se dá zabránit vložením hydraulického tlumiče pulzace. Konkrétnější údaje lze nalézt v literatuře v poslední kapitole.

 

5.2. Rázy a impakty

            V případě dlouhého potrubí se dají předpokládat hydraulické rázy. Dále rázy nastávají v případě dopravy média skládajícího se z více fází (např. pevná látka ve vodě nebo vzduchu, či kapalina v plynu). Dále můžeme rázy předpokládat v případě instalace pojišťovacího ventilu anebo průtržné membrány. Jak toto má být v projektu řešeno najdeme např. v literatuře v poslední kapitole.

 

6. Volba vhodné konstrukce dodržením norem a správné inženýrské praxe.

Za řešení, kde jsou vypořádána všechna nebezpečí a rizika se považuje takové řešení, které splňuje požadavky:

- právních předpisů (tj. zákona 22/97 Sb., dále jde zejména o Nařízení vlády č. 218/2015Sb.. Směrnice 2014/68/EU (PED),  popř. jiných právních předpisů),

- harmonizovaných technických norem, jde zejména o normu ČSN EN 13480 Kovová průmyslová potrubí

- ostatních technických norem

- stavu vědeckých a technických poznatků, známých v době tvorby řešení

- správné inženýrské praxe.

Jde o vypořádání rizik pasivní bezpečností.