Únosnost svaru mezi hrdlem a pláštěm tlakové nádoby
Zatížení hrdla tlakových nádob potrubím je jedním z důležitých zatížení svaru mezi hrdlem a pláštěm tlakové nádoby, i když jeho kontrola v provozu je minimální. Proto bychom zde chtěli představit všechny typy zatížení svaru hrdla a pláště tlakové nádoby, které pocházejí především od potrubí.
Problém je v tom, že v čase, když se navrhuje a vyrábí tlaková nádoba, není ve většině případů známý tvar potrubí a tedy i zatížení hrdla od něj. Z organizačních důvodů tak je nutné provádět výpočet zatížení hrdla pro tlakovou nádobu před tím, než je známo přesné zatížení hrdla od potrubí.
Takže posouzení maximálního dovoleného zatížení hrdla a zejména svaru mezi hrdlem a pláštěm může pomoci v tomto: Poskytnout konstruktérům nádob zatížení hrdel, aby mohli navrhnout hrdlo a plášť nádoby ještě před návrhem potrubí. A dále na druhé straně: Poskytnout projektantům potrubí pokyny pro návrhy potrubí, které končí u hrdla tlakové nádoby, aby se zabránilo nadměrnému namáhání námi sledovaného svaru a pláště tlakové nádoby.
Vysvětlení problému zatížení svaru mezi hrdlem a pláštěm tlakové nádoby
Aparát a potrubí se stýkají na přírubě hrdla aparátu – tlakové nádoby. Potrubí tak zejména svou hmotností a tepelnou roztažností působí na tlakovou nádobu.
Každé hrdlo aparátu, tlakové nádoby a ostatních zařízení má svá maximální dovolená zatížení hrdel. Proto reálné zatížení hrdel od potrubí nesmí být vyšší než maximální dovolené zatížení hrdel.
Zatížení hrdel je složeno ze tří sil VI, Vc, P a tří momentů síly MI, Mr, Mc. Tyto síly působí v místě svaru hrdla a pláště tlakové sestavy.
Obrázek č.1 Síly a momenty působící na hrdlo
Zde se často objevují dva v úvodu již zmíněné nejdůležitější problémy. Trvalá zatížení od potrubí a zatížení tepelnou roztažností potrubí působící na svar tlakové nádoby na TN, není konstruktérům tlakových nádob známé v době, kdy jsou tlakové nádoby konstruovány. Jediným známým zatížením je vnitřní tlak a teplota, při kterých bude tlaková nádoba pracovat.
Aby projektanti potrubí, kteří určují uspořádání potrubí a jejich podpěr, a tím i zatížení hrdla, mohli navrhnout potrubí tak, aby nebylo překročeno jejich maximální dovolené zatížení, musí mít toto zatížení definováno. A čím volnější toto zatížení bude, tím lepší pro celkové řešení.
Takže vývoj univerzální metody, která dokáže posoudit optimální sadu zatížení hrdel před zahájením návrhu, je obtížný. Pokud je zatížení příliš nízké, konstrukce potrubí bude drahá. Když je zatížení příliš vysoké, je pro konstrukci hrdla nádoby nutné vyztužení, které může mít za následek zvýšené výrobní nebo materiálové náklady.
Metody navržené v Bulletinech WRC
Metody výpočtu napětí na styku dvou válců anebo válce a koule navržené v bulletinech Rady pro výzkum svařování nebo WRC 107/297/537 jsou uznávanými metodami pro analýzu napětí způsobeného vnějším zatížením válcových a kulových skořepin.
WRC Bulletin 107 je používán od roku 1965. V roce 2010 byl vydán WRC Bulletin 537, který má stejný obsah jako č.107. Rozdíl spočívá pouze v tom, že v bulletinu č. 537 jsou uvedeny vzorce a rovnice, které jsou vhodné pro počítačové zpracování, kdežto Bulletin č.107 poskytuje to samé, ale ve formě grafů a křivek, což je vhodnější pro „ruční“ výpočet. Bulletiny tak hodnotí namáhání jak na vnitřním, tak na vnějším povrchu stěny nádoby a to v osovém i obvodovém směru napětí.
U obou systémů musíme vyhodnotit napětí v místech A,B,C a D, a to z vnější (tj. U) a vnitřní (tj. L) strany. Na levé straně je nakresleno hrdlo na kouli na pravé straně je hrdlo na válcové nádobě. Šipky znamenají zatížení hrdla a nádoby.
Obrázek č.2 Síly a momenty působící na hrdla podle Bulletinu WRC
WRC 107 není doporučeno používat, jestliže má hrdlo velmi tenkou stěnu anebo když jsou parametry v WRC 107 nepřiměřeně překročeny. Výsledky výpočtu podle WRC 107 jsou vždy na konzervativní straně. Vyhodnocení napětí podle WCR 107 není přesně podle ČSN EN 13480 anebo ASME, ale má své hodnocení, viz dále. WCR 107 hodnotí tyto tři kombinace napětí:
- Kombinace je porovnání globálního membránového napětí od vnitřního tlaku s dovoleným napětím a je rovno pD/4t pro osové napětí v nádobě anebo pD/2t pro obvodové napětí v nádobě.
- Kombinace je porovnání součtu globálního membránového napětí od vnitřního tlaku (tj. kombinace 1.), lokálního membránového napětí na průniku ploch obou dílů a lokálního ohybového napětí na průniku ploch obou dílů s dovoleným napětím vynásobeným koeficientem k, který se pohybuje od 1,0 pro trvalé zatížení, do 1,2 pro trvalé plus nahodilé zatížení (např. vít, zemětřesení apod.)
- Kombinace je porovnání součtu z bodu 2., které je zvětšeno o sekundární napětí od tepelné roztažnosti potrubí se součtem dovolených napětí za tepla a za studena, který je vynásoben 1,5.
A poslední, třetí WRC Bulletin 297 byl publikován v srpnu 1984 a rozšiřuje stávající nástroje. WRC 297 se liší od široce používané WRC 107 především v tom, že WRC 297 je určen pro větší d/D poměry (až 0,5), tedy pro nádoby s relativně tlutší stěnou. WRC 297 dále vypočítává namáhání v hrdlu, zatímco WRC 107 vypočítá namáhání pouze v nádobě.
Výpočet pomocí ČSN EN 13445-3. V ČSN EN 13445-3 „Netopené tlakové nádoby“ – Část 3 „Konstrukce a výpočet“ kap. 16.4 „Lokální zatížení hrdel na kulových skořepinách“ a kap. 16.5 „Lokální zatížení hrdel na válcových skořepinách“, je řešena tato problematika pro EU.
V kapitole 16.5.4 ČSN EN 13445-3 je uveden přehled postupu výpočtu a v dalších kapitolách maximální dovolená zatížení. Křivky koeficientů zde uvedených vzorců jsou odvozeny z WCR 297, zatímco dovolená zatížení jsou založena na maximálním součiniteli koncentrace napětí 2,25.