Zatížení hrdla tlakové nádoby
Zatížení tlakových nádob potrubím je jedním z důležitých zatížení tlakové nádoby, i když jeho kontrola v provozu je minimální. Proto bychom zde chtěli představit všechny typy zatížení hrdla tlakové nádoby od potrubí, aby si všichni zúčastnění pracovníci na výrobě i provozu tlakových zařízení dokázali udělat představu.
Zatížení hrdel tlakových nádob
Aparát a potrubí se stýkají na hrdle 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 nesmí tak být vyšší než maximální dovolené zatížení hrdel.
Obrázek č.1 Síly a momenty působící na hrdlo
Zatížení hrdel je složeno ze tří sil Fx, Fy, Fz a tří momentů síly Mx, My, Mz.
Hrdlo jako celek se skládá z příruby s těsněním, z nátrubku a ze svarového spoje mezi nátrubkem a pláštěm nádoby. Alternativně může též být složeno pouze z nátrubku, který je přivařen z jedné strany k plášti nádoby a z druhé strany přímo k potrubí. Hrdlo musí odolat těmto omezením:
- Namáhání válcové či kulové skořepiny aparátu od zatíženého hrdla. Nejrizikovější je namáhání styku mezi válcem, které tvoří hrdlo a válcem anebo koulí, kterou tvoří vlastní těleso tlakové nádoby.
- Namáhání nátrubku mezi aparátem a přírubou
- Dovolené namáhání vlastní příruby
- Tlak na přírubové těsnění, anebo přímo výpočet přírubového spoje.
- Maximální zatížení hrdla s výstelkou. Výstelku může tvořit nějaký plast anebo jde o smaltovou nádobu.
Zatížení hrdla vlastní hmotností potrubí a klimatickými zatíženími působícími na potrubí
Potrubí svou hmotností (viz spojité zatížení na obrázku) působí na tlakovou nádobu. Dále může být zatížení hrdel způsobeno klimatickými zatíženími (tj. sněhem a větrem působícím na potrubí). V případě zatížení sněhem působí na potrubí též spojité zatížení směrem zezhora dolů. V případě zatížení větrem však na potrubí působí vodorovné spojité zatížení a vyvolává reakce působící vodorovně.
Vítr však může způsobovat na potrubí též Karmánovy proudy, které potrubí rozvibrují. O vibracích však až dále.
Obrázek č.2 Síly a momenty působící na hrdlo od zatížení vlastní hmotností potrubí
Zatížení hrdla tepelnou roztažností potrubí a aparátu a jimi způsobenou nízkocyklovou únavou
Potrubí tak svou tepelnou roztažností působí na tlakovou nádobu. Je však možný i způsob opačný, tj. působením tepelné roztažnosti tlakové nádoby se začne pohybovat hrdlo vůči potrubí, a tím je zatíženo též hrdlo tlakové nádoby.
Obrázek č.3 Síly a momenty působící na hrdlo od tepelné roztažnosti
Tato zatížení však cyklují, tj. ohřívají se a následně ochlazují. Cyklování teploty způsobuje i cykly v tepelné roztažnosti tlakové nádoby či kotle a v potrubí, jak bylo již dříve vysvětleno. Dochází tak k pohybu hrdla a ke změnám v jeho zatížení. Jestliže nejsou totožné předpoklady únavového výpočtu (tj. například počty cyklů, amplituda napětí apod.) s realitou anebo se tyto předpoklady v průběhu provozu změní, může uvedený stav způsobovat nízkocyklovou únavu. Nízkocyklová únava se může začít projevovat i na konci spočítané životnosti. Největší koncentrace napětí je ve svaru nátrubku hrdla a pláště tlakové nádoby. Zde se může rozvinout trhlina, která může způsobit pohromu.
Obrana proti uvedenému je použití vhodné NDT a následná oprava hrdla popřípadě změna uložení potrubí podle pravidel v předchozích kapitolách.
Zatížení hrdla dynamickými zatíženími způsobujícími vibrace potrubí
Protože se v provozu mění tuhost i hmotnost potrubí, může v případě existence budícího zdroje, potrubí začít kmitat. Tyto vibrace mohou způsobovat vysokocyklovou únavu nejen v potrubí, ale i na hrdle tlakové nádoby či kotle. Největší koncentrace napětí je ve svaru nátrubku hrdla a pláště tlakové nádoby. Zde se pak může rozvinout trhlina, která může způsobit pohromu. Obrana proti uvedenému je zamezení kmitání potrubí podle dále uvedených pravidel.
Tlaková nádoba v uvedeném místě na obrázku se může při kmitání porušit dvěma způsoby:
a) Jde o kmitání, kdy se zvětšuje neustále amplituda, až do té velikosti, kdy napětí vyvolané touto amplitudou překročí dovolenou mez.
b) Porušení únavovým lomem. Zatlumené anebo ustálené kmitání vyvolané buzeními, které si dále probereme, a s kterými se nedokážeme vyrovnat jiným způsobem, musí být výpočtem zkontrolováno, zda není překročena mez vysokocyklové únavy.
Místo, kde se nejčastěji poruší tlaková nádoba kmitáním potrubí je na obrázku.
Obrázek č.4 Příklad místa vzniku únavového lomu
Trvalé vibrace mohou být způsobeny především harmonickými zatíženími jako:
a) Vítr (zde se může projevit jako Karmánovy víry a vibrace jimi způsobené)
b) Vibrace od připojených zařízení (čerpadlo, turbína)
c) Pulzace tekutiny (způsobená např. pístovým kompresorem)
d) Vibrace od průtoku tekutiny (např. při náhlé změně DN bez redukce, vložená trubka do průtoku tekutiny, trubka ve větru tj. von Karmánovy víry)
Tyto vibrace vznikají rezonancí potrubí, kde na budící straně jsou uvedená budící kmitání a na straně druhé jsou vlastní frekvence potrubí.
Nebezpečné vibrace mohou být způsobeny i opakujícím se jednorázovým impulzem (rázem), vycházející z
a) Hydraulického rázu
b) Odpuštění bezpečnostní armatury
c) Průtoku vícefázové tekutiny.
Problém, kmitání je možno řešit těmito způsoby: Řešení uložení potrubí přeladěním. Přeladění vlastní frekvence znamená upravit potrubí tak, aby některá z vlastních frekvencí nebyla v rezonanci s budící frekvencí od rotačních strojů, prouděním tekutiny a prouděním větru okolo potrubí. Přeladění je vhodné tehdy, když je budící spektrum jednoznačné, tj. harmonické a můžeme je provádět změnou hmotnosti a tuhosti potrubí.
Řešení uložení potrubí zatlumením. Zatlumení provádíme speciálními typy tlumících komponentů uložení, použití omezovače kmitání anebo tlumiče kmitání.