STROJNÍ ČÁSTI POTRUBNÍCH SYSTÉMŮ

STROJNÍ ČÁSTI POTRUBNÍCH SYSTÉMŮ

PŘEDMLUVA

Předložený dokument je sylabus přednášek v předmětu KKS /CMS1. Text je zaměřen na potrubní systémy a jejich části. Po formální stránce bezprostředně navazuje na publikaci [HOS], která ve své obecné úvodní části dává systémový základ pro teorii částí strojů všech aplikačních oblastí. Na systémovém základě konstrukční nauky (Engineering Design Science - EDS) jsou v dokumentu shrnuty poznatky z citované literatury v přehledové formě, tj. předpokládá se, že pro detailní informace se čtenář obrátí k potřebným pramenům. Na tomto místě bychom rádi vyslovili uznání autorům těchto pramenů..

Prof. Ing. Stanislav Hosnedl, Csc., e-mail: [email protected] Doc. Ing. Ladislav Němec, Csc. e-mail: [email protected] Katedra konstruování strojů, Západočeská univerzita, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň,

Upozornění Podle  17 zákona č. 35 ze dne 25. března 1965 Sb. O právu autorském, žádná část této publikace nesmí být publikována a šířena žádným způsobem a v žádné podobě bez výslovného svolení autorů. Pořizování kopií pro interní potřebu uživatele publikace je možné.

Části potrubních systémů str. 1

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz

Obsah: ZÁKLADNÍ PRINCIPY A. PŘENOSOVÉ ČÁSTI

(Trubky a tvarovky)

B. SPOJOVACÍ ČÁSTI C. KOMPENZAČNÍ ČÁSTI

(Spoje trubek) (Kompenzátory)

D. UZAVÍRACÍ A REGULAČNÍ ČÁSTI (Armatury) E. TĚSNICÍ ČÁSTI

(Ucpávky a těsnění)

F. UPEVŇOVACÍ ČÁSTI

(Uložení a upevnění potrubí)

G. IZOLAČNÍ A OCHRANNÉ ČÁSTI (Izolace a ochrana potrubí) H. AKUMULÁTORY TEKUTIN

(Nádrže a tlakové nádoby)

LITERATURA



ZÁKLADNÍ PRINCIPY .1 CHARAKTERISTIKA Literatura:

[BUR] s. 162 - 165, [BOL] s. 618 - 633

V souladu s konstrukční naukou rozvíjenou mezinárodní vědeckou společností WDK se charakteristika každé jednotlivé části potrubního systému (ČPS) odvozuje od transformačního procesu (tj. od hlavního pracovního účinku) probíhajícího v dotyčné ČPS. Dalším hlediskem pro specifikaci charakteristiky ČPS jsou konstrukční znaky (dominantní uživatelská hlediska, pracovní principy). V tomto kontextu části potrubních systémů lze na nejvyšší úrovni charakterizovat jako strojní části (orgány) pro dopravu a akumulaci proudících látek. Tato hlavní funkce bývá často kombinována s funkcemi dalšími, jako je tepelná či chemická izolace dopravované látky od okolí, požadavky sanitární, apod. Části potrubních systémů se v praxi dále kombinují spolu s dalšími technickými systémy, jako jsou čerpadla, výměníky tepla, řídící systémy, atp. Nejběžnější kriteria pro rozdělení potrubních systémů: Užití (v průmyslu, v energetice, potrubí pro dálkovou dopravu a rozvod ,...), účel (přívodní, rozdělovací,...), umístění (vnitřní, vnější, dálková), dopravované medium, materiál potrubí, atd.

.2

STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti)

Stavební struktura je určena následujícími atributy: - Struktura a její prvky Způsoby výroby - Tvary Tolerance - Rozměry Stavy povrchu - Druhy materiálů - Stavební strukturu konkrétních částí potrubních systémů lze najít např. v citované literatuře. Materiály Materiál je jednou ze základních určujících vlastností stavební struktury a u částí potrubních systémů nalezneme velkou materiálovou rozmanitost. Ocel - různého druhu (v závislosti na teplotě, tlaku a chem. vlastnostech dopravovaného media), pro speciální užití - korozivzdorné oceli třídy 17. Litina - pro nižší tlaky a teploty, avšak dobrá odolnost proti korozi. Neželezné kovové materiály - pro zvláštní účely. Umělá hmota, sklo, pryž, (předepjatý) beton.

.3 VLASTNOSTI

(vnější vlastnosti)

(1) KOMPLEXNÍ „UŽITNÉ“ VLASTNOSTI Provoz, údržba, opravy - doprava proudícího media a jeho akumulace; viz. odst .1 spolehlivost často ovlivněna vnitřním pnutím (tepelné dilatace) a chemickou odolností materiálu. Části potrubních systémů str. 3


- údržba obvykle jednoduchá, související přímo s technologickým procesem aplikovaným na pracovní látku. - poruchy potrubních částí se řeší buď opravením, často však výměnou. Výroba, montáž - široká škála používaných rozměrů - montáž usnadněna stavebnicovým řešením potrubního systému (2) KOMPLEXNÍ ČASOVÉ VLASTNOSTI - relativně rychlý návrh (nákup) a montáž. (3) KOMPLEXNÍ NÁKLADOVÉ VLASTNOSTI - provozní náklady malé - náklady na demontáž závisí na rozebíratelnosti, u potrubních částí spojovaných nerozebíratelně (svařování, lepení) značné.

.4

ZÁKLADNÍ POZNATKY PRO NÁVRH A KONTROLU

HLEDISKA: MNOŽSTVÍ , TLAK A DRUH DOPRAVOVANÉ LÁTKY, ROZMĚRY, PEVNOST POTRUBÍ. ČSN řady 13 xxxx. ZÁKLADNÍ ÚDAJE: Jmenovitá světlost DN (dříve Js ) udává přibližně vnitřní průměr potrubí v mm. Jmenovitý tlak PN (dříve Jt) označuje skupinu pracovních přetlaků, odstupňovaných podle rozsahů pracovních teplot. Dle ČSN 13 0010 se PN stanoví podle nejvyššího pracovního přetlaku v určitém pracovním stupni. Pracovní teplota je rozhodující pro určení pracovního stupně. Pracovní stupeň Ps označuje určité rozmezí k sobě přiřazených pracovních přetlaků a teplot. Pracovní stupně se označují římskými číslicemi pro pracovní teploty nad 0°C a písmeny A, B, C pod 0°C. Doplňkové údaje: specifikace dopravované látky, skutečný nejvyšší pracovní přetlak a teplota, pracovní prostředí, montážní údaje, údaje pro zkoušení potrubí, atd. Hlavní parametry částí potrubí tvoří tzv. označení. Na příklad armatura je označena údaji: druh armatury, jmenovitá světlost DN, jmenovitý. tlak PN, pracovní stupeň, nejvyšší pracovní přetlak a nejvyšší pracovní teplota media. Pro kreslení potrubí ve schématech na dispozičních výkresech platí ON 13 0127 až ON 13 0129, dále pak [DRAt]. VÝPOČTY ČÁSTÍ POTRUBNÍCH SYSTÉMŮ Obecné úvahy Základní výpočty: Objemový průtok & zvolená rychlost proudění (& tlaková ztráta) => průměr potrubí. Vlastnosti media & jeho teplota => materiál potrubí Materiál & průměr & max. přetlak => tloušťka stěny Podrobnější výpočty zahrnují: Vliv přesnosti výroby, koroze a eroze na tloušťku stěny. Přídavná namáhání (vlastní tíha, teplotní účinky, rázy dopravovaném mediu, třecí síly v pohyblivých těsněních, atp.). Tlakové a teplotní ztráty v mediu. Části potrubních systémů str. 4


Proudění potrubím lze většinou uvažovat za stacionární (ustálené) jednorozměrné proudění d.c vazké tekutiny. Druh proudění charakterizuje Reynoldsovo číslo: Re = , kde d [m]je průměr ν potrubí, c [m.s-1] je střední rychlost proudění a ν [m2s-1 ]je kinematická viskozita. O 4 OV = m , kde QV [m3.s-1] je objemový průtok, Qm [kg.s-1] je hmotnostní Dále platí: Re = π d .ν d .η průtok a η[Pa.s] je dynamická viskozita. Základními vztahy při výpočtech průměrů potrubí jsou rovnice kontinuity (zákon zachování hmoty Q v proudění) QV = m = S . c (1) ρ a Bernoulliho rovnice (zákon zachování celkové energie v proudění): p c 2 ∆p z h+ + + = konst . (2) γ 2g γ Tlaková ztráta ∆pz . se počítá na základě experimentálních podkladů a je složena ze ztráty třením podél obtékaného povrchu ∆pz λ a ztrát lokálními odpory ∆pz ζ : ∆pz = ∆pz λ + ∆pz ζ (3) Tlaková ztráta třením pro laminární i turbulentní proudění se vypočítá z Weissbachova vztahu l c2 ∆p zλ = λ ρ (4) d 2 kde l je délka potrubí a součinitel třecích ztrát λ se určuje zvlášť pro proudění laminární a turbulentní. Rozhraní mezi laminárním a turbulentním prouděním (neuvažujeme-li přechodovou oblast) je určeno kritickou rychlostí proudění a je vyjádřeno hodnotou Reynoldsova čísla Re = d . ckrit / ν = 2320. Pro oblast laminárního proudění, kdy nerovnosti povrchu jsou menší než tloušťka mezní vrstvy, platí pro tlakovou ztrátu Hagen - Poiseuilleův vztah 32.η .l.c ∆p zL = (5) d2 Ze vztahů (4) a (5) plyne pro součinitel laminárního tření λ = 64 / Re. Pro oblast turbulentního proudění lze v literatuře najít řadu experimentálních vztahů a diagramů pro určení součinitele tření λ v závislosti na poměrné drsnosti vnitřního povrchu trubek k/d (tj. drsnost k průměru trubky) a na Reynoldsově čísle Re = d . c / ν (např. v [BOL]). Absolutní drsnost k se liší pro různé povrchy velmi podstatně, až o několik řádů (např. pro úplně hladký povrch k = 0,0015 mm, pro litinové trubky s nánosy k = 1,5 až 4 mm). Při proudění potrubím nekruhového průřezu lze použít vztahů pro Re a ∆pz λ po dosazení hydraulického průměru dh místo průměru d: dh = 4 . S / o, kde S[m2] je plocha průřezu a o [m] je omočený obvod. Tlaková ztráta místním odporem je rovněž úměrná kinetické energii a je dána vztahem c2 ∆p zς = ς ρ (6) 2 kde ζ je ztrátový součinitel, určovaný většinou empiricky (viz např. [BOL]). Do výpočtu celkové ztráty se součinitel ζ zahrnuje pomocí rovnomocné délky, což je délka přímé trubky, která má stejný odpor třením, jako místní odpor. Rovnomocnou délku vypočteme porovnáním vztahů pro ∆pz λ a ∆pz ζ : ζ . c2/2 . ρ = λ . l ζ / d .c2/2 . ρ , odtud rovnomocná délka: l ζ = ζ d / λ Části potrubních systémů str. 5


Pro výpočet celkové tlakové ztráty třením i místními odpory pak vztah (3) vyjádříme jako L c2 ∆p z = λ (7) ρ d 2 kde celková délka L = Σ l + d/λ . Σζ , tj. součet všech délek přímých částí a součet délek rovnomocných. Výpočet průměru potrubí : a) Z rychlosti proudění: vycházíme z rovnice kontinuity (1), potom  4 Qm  d=  (8)   π ρ c Objemový nebo hmotnostní průtok je obvykle zadán. Volba rychlosti proudění se provádí podle zvyklostí v daném oboru. Pro útvary s velkým počtem vřazených odporů volíme nižší rychlosti . b) Z tlakové ztráty Při zadané tlakové ztrátě ∆pz můžeme průměr potrubí vypočítat z rov. (7) po dosazení rychlosti z rov. (1):  8 λLQV ρ   8 λLQ m   = 5  2  d = 5  2 (9) ∆p z  π  π ρ∆p z  kde ovšem veličiny λ, L musí odpovídat zadané tlakové ztrátě ∆pz . Je-li předepsána tlaková ztráta ∆pz v potrubí, postupujeme také tak, že ji vypočteme pro průměr potrubí navržený předběžně. Je-li vypočtená hodnota větší než je předepsaná, je třeba zvětšit průměr potrubí a naopak.

Poznámky:  -------Střední rychlost proudění c se volí podle zkušeností v určitém oboru, např.: voda 1 ÷ 3 m/s voda (místní sí’t) 0,6 ÷ 0,8 m/s olej 1 ÷ 7 m/s stlačený vzduch 3 ÷ 10 m/s plyn 3 ÷ 15 m/s sytá pára 10 ÷ 25 m/s přehřátá pára 30 ÷ 60 m/s Pozn: Dosti podstatně se liší rychlosti pro kapaliny a plyny. Pro potrubní útvary s velkým počtem vřazených odporů volíme rychlosti spíše nižší. Vliv stlačitelnosti dopravované látky: Kapaliny můžeme považovat za nestlačitelné. Při proudění plynů a par se však jejich hustota mění vlivem expanze způsobené tlakovou ztrátou. Přitom je nutno respektovat jak mnoho se stavové vlastnosti skutečného plynu liší od plynu ideálního. Bližší viz. např [BOL]). -------- 



Dovolené namáhání [BOL] s. 635: Pracovní přetlak (teplota) je přetlak (teplota) pracovní látky, který se za provozu pravidla udržuje. Nejvyšší pracovní přetlak (teplota) je nejvyšší hodnota, která smí být za provozu dosažena.. Pro pojistné ventily je to tlak rovný otevíracímu tlaku. Zkušební přetlak (teplota) je přetlak (teplota) zkušební látky, kterou se zkoušejí armatury nebo jejich části na pevnost. Výpočtový přetlak, který se uvažuje při pevnostním výpočtu, je nejvyšší pracovní přetlak popř. zvětšený o tlak hydrostatický, je-li 5% nebo více nejvyššího pracovního přetlaku. Výpočtová teplota je nejvyšší pracovní teplota látky, která danou součást obtéká, popř. výpočtem určená teplota části, která nebude při provozu překročena. Do teploty 380°C (přibližně 400°C) je kriteriem při pevnostním výpočtu pro materiály v houževnatém stavu (např. ocel, ocel na odlitky) mez kluzu, pro materiály v křehkém stavu (např. litina, neželezné kovy) mez pevnosti, při výpočtové teplotě t. σ σ σ D = Kt , σ D = Pt k1 k2 Od teploty 400°C se dovolené napětí odvozuje z meze pevnosti při tečení (creep) nebo z meze tečení při zvolené hodnotě trvalého prodloužení, a to pro předpokládanou životnost při výpočtové teplotě. Uvažuje se hodnota, která je k dispozici nebo jsou-li k dispozici obě, volí se σTpt 5 10 . σ σ 5 5 σ D = TPt 10 , σ D = TPt 10 / 1 k3 k4 5 σTpt 10 je mez pevnosti při tečení při porušení za 105 hod. při teplotě t. σTpt 105/1 je mez pevnosti při tečení 1% plastické deformace za 105 hod. při teplotě t. Pokud se u některých součástí předpokládá jejich častější výměna, nebo jsou zatíženy jen občas, je možno uvažovat životnost zkrácenou. Stanovení vhodné bezpečnosti, zejména při zvýšených pracovních teplotách, je záležitost složitá a vychází se většinou ze zkušeností. Obecně je nutno při volbě bezpečnosti uvážit: - Provozní namáhání: silové účinky na konstrukci a jejich časový průběh, dále i namáhání dané teplotním gradientem. - Materiálové charakteristiky: v oblasti creepu nejsou pro všechny materiály dostatečně ověřeny dlouhodobé vlastnosti (zejména mez kluzu), takže je mnohdy nutno používat krátkodobých hodnot, což ovšem vyžaduje volit vyšší hodnoty bezpečnosti. - Přesnost výpočtové metodiky Z uvedeného vyplývá, že volba bezpečnosti není záležitost jednoduchá. Obvykle se volí pro výpočty vycházející z meze kluzu v tahu bezpečnost k = 1,5 až 4.0 a pro výpočty vycházející z meze tečení k = 1,2 až 3.0. Vyšší hodnoty se volí zpravidla pro součásti z odlitků, kde je větší pravděpodobnost výskytu vad v materiálu, zejm. při cyklickém zatížení. Pro potrubní části složitějších tvarů, např. armatury, je stěžejní návrh tloušťky stěny ev. kontrolní výpočet v místech předpokládaných nebezpečných průřezů. Pokud se nepodaří určit skutečné hodnoty napětí, provádí se srovnávací výpočet napětí náhradních tvarů vepsaných a skutečné hodnoty napětí získáme zavedením empiricky zjištěných koeficientů (např. podle tenzometrických měření napjatosti ve stěně). Zkoušení prvků potrubních systémů Ve dvou fázích: 1. vyrobené prvky (tj. u výrobce) 2. smontované potrubí (po skončení montáže, před izolováním a konečnými nátěry). Části potrubních systémů str. 7


Způsoby zkoušek se liší u jednotlivých částí potrubí a musí být uvedeny v technické dokumentaci potrubí. Běžně se zkoušejí tlakem vodou za studena (ČSN 130010). Nepropustnost se někdy zkouší beztlakově petrolejem. Teplovodní potrubí se zkouší teplonosnou látkou (voda, pára) v provozních parametrech. U dálkových potrubí se zkoušejí jednotlivé úseky tlakovým vzduchem. Svary se kontrolují vizuálně, ultrazvukem, rentgenem nebo zářičem β. Obdobně se zkoušejí skryté vady a tloušťka trubek.

A. PŘENOSOVÉ ČÁSTI Literatura:

[BUR] str. 162 - 165 [ČER] str. 1089 - 1097

[BOL] str. 618 - 642

1. TRUBKY 1.1 CHARAKTERISTIKA

(konstrukční znaky)

Strojní části (orgány) sloužící k vedení (= hlavní funkce) dopravované látky.

1 .2 STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti) TYPICKÁ PROVEDENÍ Mezikruhové přímé válce s relativně malým poměrem tlouštky mezikruží k vnějšímu průměru

MATERIÁLY - viz. kap. [Základní principy]/.2: STAVEBNÍ STRUKTURA TVARY A ROZMĚRY Tvary a rozměry trubek jsou normalizovány nebo určeny výrobním programem podniku.

1.3

VLASTNOSTI


(1) KOMPLEXNÍ „UŽITNÉ“ VLASTNOSTI (2) Provoz, údržba, opravy - viz. kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI - spolehlivost často ovlivněna vnitřním pnutím (tepelné dilatace) a chemickou odolností materiálu trubek. - údržba přímých trubek obvykle jednoduchá, související přímo s technologickým procesem aplikovaným na dopravované medium. - poruchy trubek se řeší buď opravením, nebo často výměnou trubky. Části potrubních systémů str. 8


Výroba, montáž - viz. kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI - výroba technologicky nenáročná, buď jako trubky svařované nebo bezešvé.

(2) KOMPLEXNÍ ČASOVÉ VLASTNOSTI - viz. kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI (3) KOMPLEXNÍ NÁKLADOVÉ VLASTNOSTI - viz. kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI - „hospodárný průměr“ potrubí: Pro dopravu určitého množství pracovní látky o požadovaném výstupním tlaku je nutno zvolit nejen průměr, ale i potřebný vstupní tlak. Obě veličiny jsou vzájemně závislé, velký průměr (malé rychlosti, malé tlakové ztráty,velká hmotnost) vyžaduje malý tlak a opačně. V případě větších potrubních systému je vhodné vypočítat tzv. „hospodárný průměr“ potrubí, při kterém budou celkové náklady nejnižší - viz diagram. Křivka 1 = náklady na celkovou energii pro vyvození potřebného vstupního tlaku ( nákl. na spotřebovanou energii, nákl. na obsluhu a údržbu, náklady na tepelné ztráty (u parního potrubí),...), Křivka 2 = amortizace pořizovacích nákladů (vlastní potrubí, armatury a uložení, tepelná izolace, montážní práce,...), Křivka 3 = součet všech nákladů, její minimum určuje nejvýhodnější průměr. K tomuto průměru se volí nejbližší normalizovaný průměr.

1.4

POZNATKY PRO NÁVRH A KONTROLU

HLEDISKA:

MNOŽSTVÍ DOPRAVOVANÉ LÁTKY A PRŮMĚR TRUBKY

PRÚMĚRY TRUBEK se počítají s přihlédnutím k ostatním prvkům potrubního systému (spoje trubek, tvarovky,...), které mají vliv zejména na místní hydraulické odpory, atp. (viz. kap [Základní principy]/. 4) - TLAK V TRUBCE A JEJÍ PEVNOST Vycházíme z podmínek maximálního tlaku a teploty za provozu. K tomuto se přičítají přídavná namáhání, např.: - vlastní tíha vyvolává ohybový moment u potrubí vodorovného, osové síly u potrubí svislého, - tlak zeminy na potrubí uložené v zemi - nevykompenzované tepelné dilatace - značná tepelná pnutí na začátku a na konci provozu v důsledku rozdílné teploty na vnitřním a vnějším plášti trubky - nepřesnosti tvaru, např. neokrouhlost profilu - změny zatížení a rázy v potrubí (+ místní vruby, jako např. připojení odboček, ap.). Únavové lomy jsou v potrubní technice méně časté (nízký počet cyklů) a proto



se výpočet na únavu většinou neprovádí. U tepelně namáhaných potrubí (dilatace) však mohou náhlé a časté změny teploty mít na únavu značný vliv (=> důraz na opracování svarů - broušení, leštění, ap.). Rozhodnutí o výpočtu na únavu - viz normy. Teoretická tloušťka stěny trubek kruhového průřezu Dle teorie silnostěnných nádob se určí radiální napětí, tečné napětí ve stěně trubky: K K σ r = K 1 − 22 , σ t = K 1 + 22 , r r 2 2 2 p.r p.r .r kde: K 1 = 2 1 2 , K 2 = 2 1 2 2 , r2 − r1 r2 − r1 p = výpočtový přetlak, r1,r2 = vnitřní a vnější poloměr trubky, r = obecný poloměr Pro stěnu o tloušťce s lze určit střední tečné a radiální napětí: p.d1 − p.r1 p −p −p σ tS = = ≈ σ rs = = 2.s a −1 r1 + r2 a + 1 2 Při výpočtech se často střední radiální napětí bere přibližně rovno –p/2, což činí výpočet bezpečnější. Maximální napjatost vzniká na vnitřním povrchu trubky (index napětí 1). Redukované napětí na vnitřním povrchu je podle hypotézy maximálního tečného napětí: r a2 +1 2.a 2 σ redτ max = σ t1 − σ r1 = p. 2 + p = p. 2 , kde a= 2 , r1 a −1 a −1 podle hypotézy HMH: 3.a 2 2 2 2 = [σ t1 + σ o + σ r1 − (σ t1σ o + σ t1σ r1 + σ o σ r1 )] = p. 2 σ red HMH a −1 redukované napětí dle max. smykového napětí, vypočtené ze středních hodnot (tenkostěnná nádoba) je: a +1 σ redτS = σ tS − σ rS = p 2.(a − 1) . Z rozborů (např. v [BOL]) vyplývá, že v oblasti nečastěji se vyskytujících poměrů a kolem hodnoty 1,2 dává výpočet podle hypotézy HMH, v praxi nejužívanější, téměř stejné výsledky jako výpočet podle hypotézy τmax pro střední napětí, σts = pd1 / 2s, σrs = -p / 2, (σo << σt ). Proto se jí pro výpočet potrubí často používá a je též použita v ON 13 1010. Z pevnostní podmínky σred ≤ σD se vypočítá poměr a = d2 / d1 a následně se volí tloušťka stěny s. Zjednodušený výpočet s: Jsou-li splněny další předpoklady uvedené v ČSN, zejména: - Poměr „vnější průměr trubky / tloušťka“ není extrémně malý či velký (viz ČSN) - Úchylky rozměrů, zejména neokrouhlost, v mezích předpisů - Není nutno uvažovat přídavná namáhání - Příčné svary jsou provedeny kvalitně a podle předpisů - není nutno uvažovat jejich vliv - teplota stěny trubky t ∈ 〈-20 , 575 〉 °C Užitím hypotézy τmax pro střední napětí pak pro návrh tloušťky stěny dostáváme: Části potrubních systémů str. 10


p(d1 + s) p(d 2 − s) = ≤σD 2s 2s p p = d2 s = d1 2σ D − p 2σ D + p σ red =

Odtud tloušťka stěny

V případě, že je třeba respektovat změnu napjatosti s ohledem na tloušťku stěny, užijeme pro výpočet redukovaného napětí na vnitřním povrchu hypotézu HMH. 2 3d d2 1 Pak bude: σ red = p. 2 2 2 a pro návrh tloušťky stěny upravíme na vztah = d1 d 2 − d1 p 3 1− σ Dov Uvedené vztahy platí pouze při namáhání trubky od vnitřního přetlaku. V případě přídavných namáhání je nutno dle vztahů pro výpočet namáhání křivých prutů určit přídavná napětí a pro výpočet redukovaného napětí použít základních vztahů. Pro teploty do 400°C se volí σD = σKt / kK, kK ∼ 1,5 (bezp. vůči mezi kluzu v tahu) pro teploty nad 400°C se bezpečnost volí vzhledem k mezi tečení materiálu v tahu σTt (tj. napětí, které způsobí za danou dobu při dané teplotě určitou velikost poměrného trvalého prodloužení, např. 1% za 105 h). Pro výpočet teoretické tloušťky stěny svařované trubky (požadována dobrá svařitelnost materiálu) platí obdobná omezení jako pro trubky hladké. Dovolené napětí σD se pro svar podélný snižuje na hodnotu v.σD, kde v je součinitel svarového spoje daný poměrem pevnosti svaru k pevnosti základního materiálu, pro svar šroubovicový se stoupáním šroubovice γ na hodnotu vs.σD, ( vs = v/ψ , ψ = ψ(γ) ∈ 〈0.5, 1.0〉 ). Výrobní tloušťka Výpočtová tloušťka stěny je: sv = s + c1 + c2 s = teoretická tloušťka stěny stanovená výpočtem z pevnostní podmínky c1 = přídavek na korozi a erozi (cca 0,5 až 3 mm, ČSN 131010). Toto má smysl jen u rovnoměrné povrchové koroze. Jiný typ povrchové koroze, např. důlky, nebo dokonce koroze podpovrchová může být mnohem nebezpečnější a nutno ji řešit dalšími postupy korozivní ochrany. c2 = přídavek na nepřesnost výroby Na základě výpočtové tloušťky se volí tloušťka výrobní, která je přiřazena ke jmenovité světlosti trubek, nebo se volí dle podkladů výrobního závodu. Namáhání ohnuté trubky Ohýbání trubek způsobí mírnou oválnost průřezu. Na straně tahového napětí je stěna zeslabena. Poloha neutrálné osy a moment setrvačnosti se tím mění. S tím spojená větší pružnost ohnuté trubky se ve výpočtech uvažuje fiktivním zvětšením délky oblouku. L Výpočtová délka kruhového oblouku trubky kruhového průřezu je L = S , Ka 1 + 12λ2 kde Ls je skutečná délka těžištní čáry a Ka je Karmánovo číslo Ka = 10 + 12λ 2 2 λ [1] – rozměrová charakteristika: λ = 4t . R/ds , t [mm] - tloušťka trubky, R [mm]– poloměr oblouku, ds [mm] – střední průměr trubky Ohybové napětí hladkých ohnutých trubek s ohledem na zploštění průřezu: Kromě ohybového napětí vzniká zploštěním trubky také napětí obvodové: které se při výpočtu většinou neuvažuje.

σ oR = β .σ o σ tR = γ .σ o



σoR [Mpa] je ohybové napětí oblouku , σo [Mpa] je vypočtené ohybové napětí β je součinitel osového napětí v ohybu trubky

2 1 5 + 6λ 2 3 Ka 18 18λ γ = 12λ 2 + 1 β =

γ je součinitel obvodového napětí v ohybu trubky

2. TVAROVKY 2.1

CHARAKTERISTIKA (konstrukční znaky)

Strojní části (orgány) s hlavní funkcí změny toku dopravované látky, např. k dělení, spojování, změny směru a průřezu toku.

2.2

STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti)

TYPICKÁ PROVEDENÍ Ohyby (hladké nebo záhybové), oblouky, kolena, odbočky, přechody, zaslepovací dna a slepé příruby. Tvarovky pro závitové spojení se označují jako fitinky. Všechny druhy tvarovek jsou vesměs normalizované. ohyb hladký

ohyb záhybový

koleno svařované

Tvarovky z temperované litiny koleno odbočka redukce zátka

Ohyby hladké se vyrábějí z ocelových trubek ohýbáním za studena (do Js 80) či za tepla (od Js40), ohyby záhybové jen ohýbáním za tepla. Poloměry hladkých ohybů vyráběných za studena bývají v rozsahu R = (3 až 5) D, pro ohyby záhybové R = (3 až 4) D. Při ohýbání trubek dochází k zeslabení tloušťky stěny na vnějším poloměru. Přípustné hodnoty zeslabení jsou dány normou. Po ohnutí trubek (za studena i za tepla) následuje podle druhu materiálu jejich tepelné zpracování. Oblouky svařované se používají při větších rozměrech potrubí a vyrábějí svařováním čtyř nebo pěti segmentů (poloměr R ≈ (1÷2) D). Oblouky lité jsou vhodné pro malé poloměry (R ≈ D) a nedochází u nich k zeslabení stěny v ohybu. Pro závitové trubky se používají tzv. fitinky z temperované litiny nebo fitinky ocelové.

MATERIÁLY - viz. kap. [Základní principy]/ .2: STAVEBNÍ STRUKTURA Části potrubních systémů str. 12


2.3 VLASTNOSTI


(1) KOMPLEXNÍ „UŽITNÉ“ VLASTNOSTI Provoz, údržba, opravy - viz. kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI Výroba, montáž - viz. kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI - montáž usnadněna stavebnicovým řešením potrubního systému (2) KOMPLEXNÍ ČASOVÉ VLASTNOSTI - viz. kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI (3) KOMPLEXNÍ NÁKLADOVÉ VLASTNOSTI - viz. kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI

2.4 POZNATKY PRO NÁVRH A KONTROLU Viz. též: A. CHARAKTERISTKA Základní rozměry tvarovek se odvozují od rozměrů připojovaných trubek (normalizovány).

B. SPOJOVACÍ ČÁSTI 1. SPOJE POTRUBÍ Literatura:

[BUR] str. 166 - 167 [ČER] str. 1097 - 1109

1.1 CHARAKTERISTIKA

[BOL] str. 653 - 662


Strojní části (orgány) sloužící ke spojování částí potrubních systémů. Hlavní funkci „spojit části potrubí“ můžeme rozdělit na dvě důležité vedlejší funkce - zabránit odlehnutí sousedních části potrubí (tj. přenášet síly a momenty mezi spojenými částmi) a těsnit dopravovanou látku. Orgán „spoj potrubí“ tedy zahrnuje orgán „vlastní spoj“ a orgán „těsnění“ Základní dělení spojů je na spoje rozebíratelné a nerozebíratelné.



1.2 STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti) TYPICKÁ PROVEDENÍ Přírubové spoje Rozebíratelné spojení. Základní typy a rozměry jsou normalizované. Přírubový spoj se sestává z dvou přírub, těsnícího kroužku a spojovacích šroubů. Příruby mohou být s hrdlem nebo ploché (e). Příruby mohou být buď pevné nebo točivé (f). Čelní plochy se upravují podle požadavků na kvalitu spoje - hrubá nebo hladká těsnící lišta (a), centrování pomocí nákružku+výkružku (b), nebo pera+drážky (c). Úprava čelních ploch je normalizována dle jmenovitého tlaku a teploty. Důležitou součástí je těsnění, které může být buď ploché z mědi, hliníku či měkké oceli (e), nebo hřebenové z tvrdé oceli nebo metaloplastické (d,f). Tvary a rozměry těsnění jsou podle DN a PN stanoveny v ČSN 13 1550.

Šroubení a spojky Rozebíratelné spojení. Šroubení jsou normalizována v ČSN 13 7700. Těsnost dosažena utažením přesuvné matice, těsnící plocha je kuželová (bez těsnění) nebo čelní (+ těsnící kroužky hliníkové či měděné). Používá se ke spojení trubek i k připojení trubek k jiným částem. Šroubení se provádí jako pájená (a,b) či nepájená (c,d). Na obr. e je šroubení zátkové. Spojky se používají při požadavku na rychlou montáž a demontáž např. pro potrubí přenosná, důlní, požární, ap. Bývají kulové nebo kloubové, někdy s bajonetovým závitem. Většinou jsou normalizovány. Na obr. f je spojka pro vysokotlaké potrubí Tato spojka umožňuje spojení také tehdy, kdy nelze použít svarového spoje s ohledem na různé materiály spojovaných součástí.

Spoje hrdlové U hrdlových spojů má trubka na jednom konci hrdlo do něhož se konec druhé trubky zasouvá. Spoj se utěsní koutovým svarem nebo se utěsní těsnícím materiálem (konopným provazem, těsnící pastou) a ústí těsnícího otvoru se zalije asfaltem, cementem, olovem. obr. a) hrdlový spoj litinových trub obr. b) hrdlový spoj ocelových trubek Rozebíratelnost závisí na provedení těsnění, většinou obtížná Části potrubních systémů str. 14


Spoje závitové Zejména pro vodovodní a plynovodní potrubí pro spojování závitových trubek a k připojování tvarovek se závitem (fitinky). Ve spojovaných částech, popř. nátrubcích je vnitřní nebo vnější trubkový závit, a to válcový nebo kuželový. Těsnění konopnými vlákny (napuštěnými fermeží, barvou nebo olejem) vloženými do závitu, nebo těsnící pastou. Rozebírání pak bývá dosti obtížné.

Spoje svarové Nevýhoda – spoje nerozebíratelné, výhoda – zaručená těsnost. Svařování - malé tloušťky plamenem, velké tloušťky el. proudem. Pro úpravu návarových ploch a provedení svaru platí zásady pro svařované spoje potrubí ČSN 131070. Zvýšená pozornost se věnuje zkoušení svařovaných spojů. Základní podmínkou pro úpravu rozměrů a tvaru svarových ploch je minimální styk svarových ploch: s0 = s + c, kde s je teoretická (vypočtená) tloušťka stěny, c je přídavek na korozi a erozi. Nejsou-li tloušťky takové, aby byl zaručen minimální styk s0, je třeba upravit konce podle ustanovení normy.

Spoje lepené Lepení se používá nejvíce pro trubky z umělých hmot, popř. skla. Lepení na čelech konců je nevhodné zejména u spoje namáhaného na ohyb, proto se spoj slepuje na válcové ploše, která se vytvoří překrytím obou částí. Někdy se lepení kombinuje s dalším způsobem spojení (závitem, přírubami, apod.). Vždy je třeba pamatovat na malou odolnost lepeného spoje v tzv. „loupání“.



MATERIÁLY - viz. kap. [Základní principy]/ .2: STAVEBNÍ STRUKTURA

1.3 VLASTNOSTI


viz. kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI

1.4


HLEDISKA: - ROZMĚRY, TĚSNĚNÍ PROVOZNÍHO TLAKU Normalizované spojovací orgány (příruby, fitinky, atd.) se nakupují dle určujících veličin (DN, PN, stavební délka, atd.). Ostatní spoje (závitové, svařované) se navrhují (dimenzují) dle příslušných poznatků z předmětu Části strojů. Velmi důležitou částí potrubního spoje je těsnění. Kromě běžných těsnících kroužků se používají i těsnění speciální (ČSN 131010).

Přírubový spoj se počítá jako předepjatý s uvažováním deformace, dané rozdíly teplot (ON 13 1010, [BOL]). Pevnostní výpočet přírub uvádí norma ČSN 13 1010.

Síla od účinku pracovního media v potrubí je Fp’ , síla od tlaku pracovní látky na plochu mezikruží mezi účinným průměrem těsnění Dp (na němž působí výslednice sil na těsnění) a vnitřním průměrem D je Fp’’, celková síla od účinku pracovní látky je Fp: π π π F p = p D 2 , F p'' = p D 2 , F p = F p' + F p'' = p D 2p 4 4 4 Síly ve šroubech Fs vyvolají těsnící sílu. Síla pro prvé stlačení těsnění, nutná k deformaci těsnění a vyrovnání nerovností těsnících ploch přírub (bez působení pracovního tlaku) Ft 0 = π .D p .bv .q , kde bv je výpočtová šířka těsnění a q je měrný tlak pro dosažení plné těsnivosti spoje (bv,, q viz. norma). Přírubový spoj musí být dimenzován pro maximální sílu, pro nízké tlaky může být předpětí menší (viz. norma). Při působení pracovního tlaku p bude těsnění odlehčeno na sílu Ftp = π .D p .bv .m. p.k t , kde m je součinitel podle druhu těsnění a kt je bezpečnost (podle ON 13 1010 kt = 2). Zbytkové předpětí nesmí poklesnout pod hodnotu Ftp. Většina těsnění má sklon k tečení za vysokých teplot. Mezní síla pro tečení Ftb = π .D p .bv . p b , kde pb je tlak, při kterém těsnění ztrácí odolnost proti tečení. Dovolené hodnoty pb viz v normě. Zbytkové předpětí nesmí být větší než Ftb. Pro přírubové spoje s tvrdým těsněním se volí závislost Ft + Ftp < Ftb. Příruba je namáhána ohybovými momenty od zatěžujících sil. Maximální napětí je v místě přechodu kuželové části do listu příruby. Je-li však kuželová část krátká, může vzniknout maximální napětí o v místě přechodu do válcové části. Je proto nutné kontrolovat obě místa. Dále je nutná kontrola listu příruby (její tloušťky). Řešení je poměrně složité a provádí se metodou konečných prvků. Návrh, resp. kontrolu přírubových šroubů je nutné provést pro maximální namáhání, které může nastat při montáži či provozu. Výpočet šroubů se provádí podle obecných zásad pro výpočet předepjatého šroubového spoje. Namáhání se skládá ze tří složek a) napětí tahové od maximální síly ve šroubu Části potrubních systémů str. 16


b) přídavné ohybové napětí, které vzniká v důsledku nerovnosti dosedacích ploch c) smykové napětí od kroutícího momentu při utahování. V souhlase s normou lze předpokládat, že ohybové napětí nebude významné, pokud při výrobě a při montáži bude pamatováno na správné opracování a zajištění rovnoběžnosti dosedacích ploch pro matice přírubových šroubů. F Pro výpočet pak bude platit σ red = σ t2 + (ατ ) 2 ≤ σ D , přičemž σ t = Š max πd 2 n min 4 Výpočet je třeba provést a) pro provozní stav, kdy za sílu se dosadí maximální síla FŠmax b) pro stav po montáži, kdy se za sílu dosadí montážní předpětí Fmax = FS0 c) pro tlakovou zkoušku za studena, kdy pro určení maximální síly se uvažuje zkušební přetlak pz a teplota 20 °C (viz. ČSN 13 1010).

C. KOMPENZAČNÍ ČÁSTI Literatura:

[BUR] str. 167 - 169 [ČER] str. 1109 - 1111

.1 CHARAKTERISTIKA

[BOL] str. 647 - 651


Kompenzační části slouží k vyrovnávání tepelných dilatací v potrubí tam, kde nestačí vykompenzace vlastní pružností potrubí.

.2 STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti) TYPICKÁ PROVEDENÍ A) KOMPENZAČNÍ ÚTVARY Skládají se z přímých trubek spojených ohyby, tepelné deformace jsou vyrovnávány vlastní pružností útvaru. Kompenzační útvary jsou s potrubím svařeny v jeden celek. Rovinné komp. útvary mají zpravidla tvar písmen L, Z, P, S, U, prostorové se skládají zpravidla ze dvou rovinných útvarů umístěných ve dvou vzájemně kolmých rovinách. Vyložení A je nutno s ohledem na průměr trubky a délku l útvaru, na níž má dojít k vyrovnání, volit tak, aby namáhání nepřekročilo dovolené meze. Části potrubních systémů str. 17


Vzhledem k častému použití určitých tvarů jsou v odborné literatuře udány vztahy pro souřadnice těžiště, momenty setrvačnosti těchto tvarů a určují se ohybové napětí při deformacích, popř. pro dovolené napětí vyrovnávací schopnost útvaru. Montáž se provádí často s předpětím, čímž se kompenzační schopnost útvaru zvětší. Pro prostorové kompenzační útvary jsou většinou rozhodující namáhání ve spojení. .

B) KOMPENZÁTORY Kompenzátor U Kompenzátor tvaru U je vytvořen z trubky vytvarované do písmene U. Vkládá se mezi přímé úseky a vytváří tak kompenzační útvar tvaru U. Teplotní dilatace se vyrovnává pružností ohnuté trubky. Tento kompenzátor, s hladkými nebo záhybovými ohyby je normalizován v ON 13 2701, proto se jeho výpočet provádí jen ve zvláštních případech. Ucpávkový kompenzátor Má velkou vyrovnávací schopnost, vyžaduje však souosost spojovaného potrubí. Díky svému malému průměru je vhodný pro potrubí velkých průměrů.Pozornost je třeba věnovat utěsnění, takže teplota pracovní látky (cca. do 250°C) je omezena druhem ucpávky. Síla do ukotvení má tři složky: osová síla v potrubí F1, síla na čelní plochu vnitřní trubky F2 a třecí odpor v ucpávce F3 π π F1 = .d 12 . p , F2 = (d 22 − d 12 ). p , F3 = π .d 2 .l u .q u . f u 4 4 kde d1, d2 je vnitřní a vnější průměr vnitřní trubky, lu je délka ucpávky, qu je měrný tlak v ucpávce a fu je součinitel tření v ucpávce. Protože výsledná síla, kterou je třeba zachytit v ukotvení, může mít značnou velikost, dělají se kompenzátory odlehčené, tj. vytvořením určitého vnějšího prostoru se stejným přetlakem vzniká tahová síla, která se vyrovná s tlakovou silou od vnitřního přetlaku.

Kompenzátory s pružnými prvky bez těsnění Napětí v pružném prvku je dáno superpozicí napětí od dilatací a od vnitřního přetlaku. Tyto dva vlivy jsou protichůdné - čím bude prvek tužší, tím větší budou větší přídavná napětí od deformace, tím však bude větší únosnost prvku vůči vnitřnímu přetlaku. Proto se pro malé tlaky používají kompenzátory s velkým vyložením a naopak. Malá kompenzační schopnost se zvětšuje konstrukcí s větším počtem pružných prvků. Deformace všech prvků není naprosto stejná, což je nutno při výpočtu respektovat. Čočkový kompenzátor je nejjednodušší kompenzátor. Pro malé tlaky se používá kompenzátor s velkým vyložením (tj. s velkým poměrem vnějšího a vnitřního průměru) a naopak. Malá kompenzační schopnost se zvětšuje použitím většího počtu kompenzátorů. Části potrubních systémů str. 18


Vlnový kompenzátor používán do teploty 300°C a pro největší světlosti potrubí. Vodící trubka (zpravidla) slouží k zábraně vybočení a dále k zábraně víření proudící látky. Mají-li se kompenzovat i příčné deformace, nepoužívá se vodící trubka.

Pryžový kompenzátor Používán pro nižší teploty a tlaky pracovní látky. Jejich rozměry a vlastnosti jsou normalizované.

Kloubový kompenzátor Pružný prvek má funkci kloubu. Užívá se pro rovnoběžné či mimoběžné osy připojených potrubí. Ve směru osovém se nedeformuje, neboť je opatřen táhly, umožňuje pouze natočení kolmo k ose.

MATERIÁLY - viz. kap. [Základní principy]/ .2: STAVEBNÍ STRUKTURA

.3 VLASTNOSTI


viz kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI

.4 POZNATKY PRO NÁVRH A KONTROLU HLEDISKA: - TEPELNÉ DILATACE A PEVNOST MATERIÁLU POTRUBÍ Vliv tepelné roztažnosti materiálu na namáhání potrubí : V důsledku teplotních rozdílů při montáži a provozu ⇒ dilatace potrubí ⇒ přídavné silové účinky na potrubí ⇒ přídavná napětí v potrubí. Kompenzační útvary (S,U,Z,...) se navrhují s použitím postupů pro výpočet deformací a namáhání potrubí vlivem tepelné dilatace (viz nauka „Pružnost a pevnost“).



1. Výpočet tepelných dilatací (schematicky) V ortogonálním souřadném systému [O;x,y,z] koncové body potrubí A, B jsou určeny vektory rA=[xA,yA,zA]T a rB = [xB,yB,zB]T. Vektor spojující koncové body označme l =[lx,ly,lz]T. l = rB - rA tj. lx = xB - xA, ly = yB - yA, lz = zB - zA. Změna vektoru ∆l = [∆x,∆y,∆z] (∼ dilatace potrubí) potom je: ∆x = lxα∆t, ∆y = lyα∆t, ∆z = lzα∆t. Tepelné dilatace mohou být velmi velké zejména pro vysoké teploty a austenitické oceli.

2. Výpočet namáhání potrubí (schematicky): Není-li možná volná deformace potrubí, tj. útvar je upevněn v krajních bodech A, B, vznikne v potrubí tzv. tepelné pnutí, které vyvolává druhotné namáhání potrubí. U rovinných útvarů je to namáhání osové, u prostorových útvarů vzniká i namáhání smykové. Potrubí v souřadném systému [O;x,y,z] nahradíme těžištní čárou (množina středů průřezů) a rozdělíme ji na jednotlivé přímé a obloukové úseky. Každý úsek uvolníme a pro jeho uvedení do původního tvaru nutno na volný konec připojit sílu F = [Fx,Fy,Fz] a moment M = [Mx,My,Mz]. Přetvárnou práci přidané síly a momentu vyjádříme Castiglianovou větou a z deformačních podmínek pak určíme hledané účinky F,M. 3. Výpočet přídavných napětí (schematicky): Ve zvoleném bodě těžištní čáry vyjádříme vnitřní silové a momentové účinky (výslednou sílu, ohybový a kroutící moment) a z nich pak pro odpovídající průřezové charakteristiky určíme napětí v průřezu. Pro výpočet potrubních útvarů najdeme v lit. různé systémy pro usnadnění výpočtů. I za pomocí těchto tabelárních podkladů je „ruční“ výpočet složitějších útvarů pracný a stále více se uplatňují počítačové programy. Vyrovnávací schopnost útvaru se musí rovnat hodnotám deformací a namáhání od dilatace. Montáž útvaru se provádí často s předpětím, čímž se jeho kompenzační schopnost zvětší. Někdy nelze (zejména z prostorových důvodů) použít kompenzačních tvarů potrubí a je nutno proto použít kompenzátorů souosých s potrubím. Základní rozměry kompenzátorů se odvozují od rozměrů připojovaných trubek a jejich tepelných dilatací. K určeným rozměrům se přiřazují kompenzátory normalizované.



D. UZAVÍRACÍ A REGULAČNÍ ČÁSTI Literatura:

[BUR] str. 169 - 173 [ČER] str. 1102 - 1109

.1 CHARAKTERISTIKA

(ARMATURY)

[BOL] str. 662 - 681


ČSN 133060 „Potrubní průmyslové armatury“ Armatury slouží k ovládání proudění dopravované látky. Základní funkce armatur obecného použití jsou: 1. Uzavírací: hlavní funkcí je úplné uzavření potrubí. 2. Zpětné: hlavní funkcí je zamezit zpětnému proudění pracovní látky 3. Regulační: hlavní funkcí je regulace množství a tlaku (před nebo za armaturou). 4. Pojistné: hlavní funkci je ochrana potrubí, nádob, kotlů, ap. před zvýšeným tlakem. Pro zvláštní požadavky se používají armatury speciálního použití s funkcemi např.: Vyprazdňovací: hlavní funkcí je vypouštění pracovní látky, kondenzátu, kalů, plynů z potrubního systému Kontrolní a měřící: hlavní funkcí je umožnit kontrolu a měření množství a stavu pracovní látky, atp. Pracovní princip a orgánová struktura základních druhů armatur:

Ventil

Šoupátko

Klapka

Kohout

.2 STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti) MATERIÁLY - viz. kap. [Základní principy]/ .2 : STAVEBNÍ STRUKTURA



TYPICKÁ PROVEDENÍ armatur obecného použití 1. Armatury uzavírací:

Ventil

Kohout

Šoupátko



2. Armatury zpětné: Ventil

Klapka

3. Armatury regulační Orgánová struktura: - ventil jednosedlý Stavební struktura ventilu jednosedlého

-ventil dvousedlý



4. Armatury pojistné: Ventil s pružinou

Ventil se závažím

Některé typy armatur se opatřují obtokem (viz. obr.) - u uzavíracích armatur pro částečné vyrovnání tlaku a teplot před a za armaturou, u zpětných armatur pro vypouštění prac. látky z potrubí za armaturou, u redukčních ventilů pro udržení chodu při poruše redukčního ventilu, u zpětných armatur slouží obtok k vypouštění pracovní látky z potrubí za zpětnou armaturou. Pro určitý rozsah jmenovitých světlostí DN hlavní armatury je normou ČSN 13 3080 přiřazena jmenovitá světlost obtoku DN0.

.3 VLASTNOSTI


viz kap. [Základní principy]/ .3: VLASTNOSTI

.4


MASTERY STAVEBNÍ STRUKTURY A POPIS JEJICH FUNKCE (viz též TYPICKÁ PROVEDENÍ) Části potrubních systémů str. 24


Ventily Ventily uzavírací: vřeteno koná šroubový (vřeteno otáčivé) nebo posuvný (vřeteno neotáčivé) pohyb. Na jeho konci je otočná kuželka, která dosedá do otvoru s těsnící plochou. Ventily mají velké místní tlakové ztráty, proto se někdy navrhuje vřeteno skloněné. Průtok pracovní látky směřuje většinou pod kuželku, pro velké síly na vřeteno (>40000N) se navrhuje opačný směr průtoku. Kuželka uzavíracího ventilu (návar Real)pro šroubení a) s vnějším závitem b) s vnitřním závitem

Ventily regulační mají tvar kuželky navržen v závislosti na charakteristice regulace (přímková, křivková). Ventily se vyrábějí buď jednosedlé, nebo pro snížení ovládací síly dvousedlé. Kuželka jednosedlového regulačního ventilu

Kuželka dvousedlého regulačního ventilu

Ventily pojistné: při překročení nastaveného otevíracího přetlaku se ventil samočinně otevře a část media vypustí. Následným poklesem pracovního přetlaku se ventil samočinně uzavře. Nastavení otevíracího přetlaku pružinou nebo závažím. Ventily zpětné: zajišťují proudění pracovní látky pouze v jednom směru, tj poklesu průtoku (k nule) se samočinně uzavřou. Kohouty Uzavírají průtok pootočením kužele (s průtokovým otvorem) v tělese kohoutu. Dle způsobu utěsnění kužele v tělese známe kohouty

a) obyčejné, b) ucpávkové c) ucpávkové s víkem.



Kromě přímých jednocestných kuželů se vyrábějí též kohouty trojcestné s průtokem ve tvaru L nebo T (podle tvaru otvoru v kuželi). Šoupátka Uzavírají průtok vtlačováním klínové desky mezi dvě dosedací plochy. Přednostně se užívají pro velké průměry potrubí, pro husté pracovní látky a pro obousměrný průtok. Nevýhody: velký zdvih, nebezpečí zadírání dosedacích ploch (snížení zadíraní pomocí obtoku!). Zpětné klapky Zajišťují proudění pracovní látky pouze v jednom směru. Oproti zpětnému ventilu mají nižší tlakové ztráty při proudění, avšak při uzavření průtoku vyvolávají v potrubí větší rázy (zvláště u kapalin). Volba použití určitého typu armatury musí vycházet z provozních vlastností armatur. Ve ventilech vzhledem k ohybu toku vznikají větší tlakové ztráty než u šoupátek a kohoutů. Kohouty a ventily bývají levnější než šoupátka pro tytéž parametry. Ventily jsou snáze opravitelné za provozu. Kohouty a šoupátka mají oproti ventilům výhodu rychlejšího otevření, což může vést k rázům v potrubí. Ovládání armatur bývá ruční (pákou, kolem) či pomocí servomotoru ( a přímo, nebo b - prodlouženým vřetenem), případně se používá i převodovka. Při požadavcích na vyšší rychlost ovládání se používá ovládání hydraulické nebo pneumatické.

Armaturová převodovka s kuželovým soukolím

Armaturová převodovka s čelním soukolím

HLEDISKA.:

- MNOŽSTVÍ A TLAK DOPRAVOVANÉ LÁTKY, ROZMĚRY, PEVNOST

Návrh uživatelem armatury: Části potrubních systémů str. 26


Označení armatury: Hlavní údaje: Druh armatury (norma, evidenční číslo), jmenovitá světlost DN, jmenovitý tlak PN. Další údaje: údaj o pracovní látce, o její nejvyšším pracovním přetlaku a nejvyšší pracovní teplotě. Příklad.: Ventil regulační, ruční, nárožní DN 80, PN 16 V 40 211 - 616, pro páru 0,8 MPa, 200°C, Qmax = 2000 kg/h Návrh armatury dané funkce vychází ze stanovení připojovacích rozměrů a výpočtových hodnot (max. pracovní přetlak a max. pracovní teplota) a dále z vlastností funkcí (hodnot funkčních parametrů). Armatury uživatel většinou nekonstruuje, nýbrž je nakupuje jako potrubní komponenty. Uzavírací a zpětné armatury se volí vždy se stejnou světlostí, jako má potrubí. Připojovací rozměry musí být voleny podle normy spoje. Podle způsobu připojení jsou armatury přírubové, přivařovací, nátrubkové (vnitřní závit), čepové (vnější závit), se šroubením, hrdlové a kombinované (např. jeden konec přivařovací, druhý přírubový). Pro připojení armatur k potrubí je pro daný typ armatury a pro daný DN a PN normalizována tzv. „stavební délka armatury“ (ČSN 1312xx). Návrh výrobcem armatury: - viz. kap. [Základní principy]/ .4: POZNATKY Základem návrhu a pevnostního výpočtu armatury je silový výpočet. Výsledná síla, resp. moment (nejčastěji hledáme velikost ovládacích sil a momentů) se skládá z několika složek, z nichž některé jsou společné pro více typů armatur a některé jsou specifické pro určitý typ armatury. Některé typické složky sil a momentů: - tlaková síla na uzavírací element - těsnicí síla na těsnících plochách - tlaková síla prostředí na vřeteno

- odpor tření v ucpávce - točivý moment na vřetenu - točivý moment v uložení vřetenové matice

. Pevnostní výpočet armatur je aplikací statických výpočtů základních strojních částí. Následující pevnostní výpočet jednotlivých částí armatur je aplikací výpočtu tlakových nádob a jiných strojních součástí. Namáhání je uvažováno jako statické.U pojistných armatur se nejčastěji dimenzuje pojistný orgán (pružina, závaží) vzhledem k otevíracímu přetlaku.

E. Literatura:

TĚSNICÍ ČÁSTI

[BOL] s.684 - 704

-.1 CHARAKTERISTIKA


Orgány zabraňující pronikání plynných nebo kapalných látek. Části potrubních systémů str. 27


Tyto orgány často (ne však výlučně) funkčně souvisejí s orgány spojovacími, u nichž zajišťují vedlejší funkci "těsnost" spoje. Mírou funkční nedokonalosti je "netěsnost". Je vyjádřená průnikem těsněné tekutiny a udává se hmotností (objemem) proniklé těsněné tekutiny za jednotku času. Těsnění je strojní součást (orgán), jehož funkcí je zabránit pronikání těsněného media. Ucpávka je skupina strojních součástí (orgánů), jejichž funkcí je zabránit, nebo na přijatelnou míru omezit pronikání těsněného media. Jedna nebo více tuhých strojních částí se může vůči ucpávce pohybovat.

1. TĚSNĚNÍ 1.2 STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti) TYPICKÁ PROVEDENÍ Příklady těsnících kroužků přírub – těsnění ploché z mědi, hliníku, měkké oceli, nebo hřebenové z tvrdé oceli nebo metaloplastické (vlnitý obal plněný azbestem).

MATERIÁLY Pro nízké pracovní tlaky se používá nejčastěji těsnící tmel. Pro neagresivní látky (při nízkých tlacích): pryž, olejovaný papír, fíbr, pro agresivní látky: plasty, např. PVC. Nejběžnější těsnícím materiálem je osinek: materiál je dodáván ve tvaru desek, z nichž se tvar těsnění vysekává a jednotlivé části se slepují nebo spojují na zámek Osinkové těsnění se montuje zásadně suché. Těsnění kruhového průřezu z pryže či osinkopryže, (ČSN 02 9050) se používá tehdy, když je žádoucí snížit přítlačnou sílu pro utěsnění. Kovová těsnění z neželezných kovů (olovo, hliník, mosaz, měď) nebo z korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí se používají pro těsnění agresivních látek a látek o vysokých pracovních parametrech (tlak, teplota). Dosedací plochy jsou buď hladké nebo tvarované (hřebenové, čočkové). Části potrubních systémů str. 28


TVARY Tvar dosedacích ploch je závislý na druhu těsnění a na tlakových poměrech utěsňovaných látek. Hladké dosedací plochy se obrobí podle druhu těsnění (pro měkká těsnění je drsnost povrchu Ra=6,3 až 12,5 ; pro kovová těsnění Ra=0,8 až 1,6 ). Pro vyšší tlaky jsou stykové plochy tvarované ve smyslu drážka a pero, nebo jsou stykové plochy vroubkované.

1.3 VLASTNOSTI



1.4


HLEDISKA: - TĚSNOST, DOVOLENÉ NAPĚTÍ, DOVOLENÁ TEPLOTA, ŽIVOTNOST. Základní určující faktory:

- těsnicí spoj pohyblivý / nepohyblivý. - fyzikálně chemické vlastnosti těsněné látky

Těsnící prvek má stykové plochy, které na sebe navazují a které svým tvarem a fyzikálními vlastnostmi se bezprostředně podílejí na utěsnění. Těsnící spára je prostor mezi těsnicími plochami. Těsnící tekutina je tekutina přiváděná do těsnící spáry k utěsnění spoje, ke zmenšení třecích ztrát a opotřebení. Těsnění může být ve styku nepohyblivém nebo pohyblivém. U pohyblivého těsnění vznikají třecí ztráty, což je příkon potřebný k překonání mechanických a hydraulických odporů třecích ploch těsnění proti pohybu. Životnost těsnění je doba, po kterou je schopno konat svoji požadovanou funkci. Zatížitelnost těsnění je schopnost plnit požadovanou funkci, určenou mezními podmínkami, při kterých těsnění vykazuje stanovenou spolehlivost. Těsnění nepohyblivých součástí Nejdokonalejším těsněním je dáno materiálovým spojením (svařování, pájení, lepení). U rozebíratelných spojů se dobré těsnivosti dosahuje přesným zabroušením stykových ploch a jejich vzájemným utažením pro vytvoření bezpečného předpětí. Zpravidla se však mezi stykové plochy vkládá těsnění, nejčastěji je to tzv. těsnění stlačované, u něhož se dosáhne těsnicího účinku pružnou deformací těsnících prvků přítlačnou silou. Rozeznává se stlačované těsnění ploché a tvarové. Výpočet podle ČSN 69 0010 spočívá v kontrole tlaku v těsnění. Ten musí odpovídat těsnícímu tlaku pt, tj. tlaku mezi těsněním a dosedacími plochami. Velikost těsnícího tlaku je omezena schopností odolávat plastické deformaci, která nesmí u těsnění nastat. Těsnící tlak je při stálé provozní síle Fp závislý na šířce těsnění bt. Šířka těsnění se proto navrhuje malá, aby těsnící tlak byl při stále (malé) provozní síle dostatečně velký. U těsnění např. přírubových spojů se na kvalitu spoje negativně projevuje tečení materiálu (creep) za vyšších teplot. Pro zajištění potřebné těsnící síly je pak nutno šrouby přírub za provozu dotahovat . Těsnění pohyblivých součástí U pohyblivých součástí mohou nastat dva relativní pohyby stykových ploch -posuv a otáčení, které mohou nastat i současně. Z vypočtené třecí síly [BOL] se následně počítá ztracený třecí výkon. U posuvného pohybu je nejběžnějším těsněním výplňové těsnění stlačované, a to buď měkké nebo kovové. Tato těsnění jsou různého druhu: hnětací, provazcová, těsnící kroužky. Části potrubních systémů str. 29


Hnětací těsnění se vyrábějí ze zrněných sypkých materiálů. Používají se pro těsnění součástí s malou relativní rychlostí., do ucpávkových prostorů se pěchují. Provazcová těsnění se dodávají v běžných metrech, mají čtvercový průřez. Provazce jsou buď uvnitř vyztuženy kovovým nebo pryžovým jádrem. Stlačovaná těsnění mají velkou kluznou plochu, značné tření, vyvíjejí mnoho tepla, které se musí odvádět. Napouštějí se mazivem, které se utažením těsnění postupně vyčerpá a tření se zvyšuje. Rozměry těsnících provazců a těsnícího prostoru jsou určeny normou ČSN 11 0109 a ČSN 02 9010. Těsnící kroužky se pohybují jak pro součásti vzájemně se pohybující, tak součásti vzájemně v klidu. Mohou mít průřez kruhový ("O" kroužky - pro nepohyblivý styk ČSN 02 9281, pro pohyblivý styk ON 02 9280), čtvercový (ON 02 9306), nebo trojúhelníkový. Tvary drážek pro kroužky jsou rovněž normalizovány. Použití O kroužků pro posuvný pohyb je omezeno rychlostí 0.3 až 0,4 ms-1, vyjímečně za předpokladu dobrého mazání kluzné plochy až do 1,5 ms-1. K utěsnění stačí obvykle jeden kroužek. Z důvodů bezpečnosti se někdy dávají kroužky alespoň dva; vhodné je uspořádání s přívodem maziva mezi kroužky. Těsnění manžetová utěsňují daný prostor přitlačením pružné části těsnění na kluznou plochu součásti. Jsou jednoduchá a dobře těsní. Manžety se vyrábějí z usní, pryže, pryžovaného textilu a plastů. Manžety se používají pro hydraulické a pneumatické systémy s provozním tlakem do 50 MPa. Použití je omezeno teplotou, běžný rozsah je -15 až + 90 °C, dehydratované usně až do 200 °C. Nejčastější tvary manžet jsou U a V, rozměry jsou v ČSN 02 9012. Třecí plochy musí být hladké, doporučuje se drsnost Ra = 0,4. U manžetových těsnění se musí dbát na přesné soustředné vedení, manžeta má těsnit a ne vést. Montáž - viz. zmíněná norma. Těsnění membránové bezpečně odděluje těsněné prostory. Používá se i pro vysoké teploty a tlaky. Typickým představitelem je ocelový vlnovec (viz. např. kompenzátory). Další často vyskytující se těsnění pohybujících se částí - kroužky Gufero nebo Simmering, plstěné kroužky, odstřikovací kroužky, těsnění štěrbinové a labyrintové nejsou typická těsnění potrubních systémů a pro informaci lze odkázat např. na [BOL].

2. UCPÁVKY 1.2 STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti) TYPICKÁ PROVEDENÍ Ucpávky - viz. jejich stavební strukturu např. u armatur uvedených v dříve. MATERIÁLY Viz odstavec 1. Těsnění. TVARY Jde o kombinaci strojích součástí, které mohou mít rozmanité konstrukční uspořádání.

1.3 VLASTNOSTI



1.4


HLEDISKA: - TĚSNOST, DOVOLENÉ NAPĚTÍ, DOVOLENÁ TEPLOTA, ŽIVOTNOST. Části potrubních systémů str. 30


Těsněná plocha ucpávky je styková plocha vzájemně se pohybujících těsnících součástí ucpávky. Ucpávky lze rozdělit podle různých hledisek: podle způsobu utěsnění - ucpávky bezdotykové a dotykové podle způsobu vzájemného pohybu - ucpávky rotační a posuvné podle polohy těsnících ploch - ucpávky radiální a axiální. Ucpávky bezdotykové (v potrubních systémech se běžně nepoužívají) Ucpávky se škrtícím účinkem - na principu štěrbinových a labyrintových těsnění Ucpávky s uzavíracím účinkem - závitová ucpávka (závit na otáčejícím se hřídeli vytváří aerodynamický protitlak ) - odstředivá ucpávka Ucpávky dotykové Dotyková ucpávka výplňová stlačovaná - založena na podobném principu jako je stlačované těsnění. Je to radiální ucpávka, u které je těsnící prostor vyplněn provazcovým, hnětacím nebo jiným plastickým těsněním, které je axiálně stlačováno tlakem příruby. Dotyková ucpávka manžetová samotěsnicí je radiální ucpávka, která má do těsněného prostoru vloženy manžetové těsnící kroužky spolu s přítlačným a opěrným kroužkem. Patří k velmi účinným. Dotyková ucpávka komorová s dělenými kroužky je radiální ucpávka, která má jednu nebo více komor, ve kterých je jeden nebo dvojice dělených těsnicích kroužků přitlačovaných k válcové ploše hřídele pružinami. Tato ucpávka je nejpoužívanější s velmi dobrými těsnicími účinky.

F.

UPEVŇOVACÍ ČÁSTI

1. ULOŽENÍ A UPEVNĚNÍ POTRUBÍ Literatura:

[BUR] s.174 - 178, [CER] s. 1079

.1 CHARAKTERISTIKA


Strojní orgán pro uložení a upevnění potrubí. Jeho hlavní funkce jsou udržovat potrubí v dané poloze v prostoru a zachycovat síly, které na potrubí působí.

.2 STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti) MATERIÁLY Ke konstrukce se nejčastěji používají válcované profily (ploché tyče, úhelníky, atd.) z běžné konstrukční oceli. TYPICKÁ PROVEDENÍ



.3 VLASTNOSTI (vnější vlastnosti) (1) KOMPLEXNÍ „UŽITNÉ“ VLASTNOSTI Provoz, údržba, opravy - údržba se týká zejména antikorozivní konroly a ochrany - opravy jednoduché Výroba, montáž - výroba a montáž jednoduchá (2) KOMPLEXNÍ ČASOVÉ VLASTNOSTI - výroba a montáž časově nenáročná (3) KOMPLEXNÍ NÁKLADOVÉ VLASTNOSTI - náklady na výrobu, montáž a údržbu relativně malé. - provozní náklady nulové .4


HLEDISKA: - ÚNOSNOST, DILATACE, PEVNOST Hlavní druhy uložení a upevnění potrubí včetně výpočtů (a volby rozteče uložení) jsou normalizované. Návrh uložení potrubí vychází ze statických výpočtů a z výpočtů tepelných dilatací potrubí. Na potrubí působí buď síly radiální (např. vlastní tíha, tíha izolace, tíha prac. látky, účinky kolmých přípojek) a síly axiální (od tepelné dilatace a od proudící látky) Síly působící na potrubí jsou buď kolmé k ose (síly radiální) , nebo osové (síly axiální). Mezi radiální síly patří tíha potrubí a proudící látky, účinky kolmých přípojek a součástí potrubí. Axiální síly namáhají potrubí na tah, tlak a vzpěr a jsou způsobeny převážně tepelnou dilatací a účinkem tlaku proudící látky. Potrubí se upevňuje rozličným způsobem, nejčastěji. na podezdívky, na stěny, na stropy. Jednotlivá uložení jsou buď pevná, nebo dovolují (vymezený) posuv potrubí. Kluzné nebo valivé podpory (obr. a až f) umožňují vychýlení potrubí ve směru osy nebo kolmo na osu. Zakotvení (obr. Části potrubních systémů str. 32


g, h) nedovolují žádný posuv potrubí, pouze je rozdělují na úseky, v nichž se tepelné dilatace vyrovnávají např. kompenzátorem. K zakotvení potrubí se používají objímky, pouta, kotevní třmeny a kotevní spojky. Závěsy potrubí (obr. i ,j) umožňují i radiální vychýlení potrubí. Potrubí se ukládá vždy ve spádu (sklon jeho osy k horizontální rovině), aby se snadno a úplně vyprázdnilo (buď pracovní látka, nebo kondenzáty, kaly, apod.). Spád se volí obvykle větší než 2 promile při souproudu nebo větší než 5 promile při protiproudu odváděné látky a proudění v potrubí. Nerušenému spádu potrubí se mají přizpůsobit změny průřezů potrubí, polohy vřeten ventilů popř. i konstrukce a montáž dalších částí potrubí, např. kompenzátorů. U dlouhých potrubí se někdy pro úsporu volí při souproudu nejmenší spád jen 2 ±1 promile. Rozteče uložení potrubí [CER] s.1087 - 1088 Působí-li na vodorovné nebo mírně skloněné potrubí zatížení q (vertikální zatížení na 1m délky), je t2 . Dosazením hodnoty maximální ohybový moment Mo mezi podporami o rozteči t: M o = q 12 dovoleného napětí σo Dov do vztahu pro Mo určíme maximální dovolenou rozteč t uložení. Pro běžná potrubí (parovody, vodovody, s / bez izolace, ...) jsou hodnoty roztečí tabelovány.

IZOLAČNÍ A OCHRANNÉ ČÁSTI

G.

1. IZOLACE A OCHRANA POTRUBÍ Literatura:

[CER] s. 1112 - 1113

.1 CHARAKTERISTIKA

(konstrukční znaky) Strojní části pro ochranu potrubních systémů proti fyzikálním a chemickým vlivům pracovní látky a okolí.

.2 STAVEBNÍ STRUKTURA (elementární konstrukční vlastnosti) TYPICKÁ PROVEDENÍ Izolace a ochrana se typicky provádí formou nánosů příslušných ochranných hmot na potrubí. V případně potrubí uloženého v zemi lze ochranu provádět tzv. katodickou ochranou. MATERIÁLY Široká škála anorganických a organických materiálů ve formě nátěrů, obalujících vrstev, apod. TVARY Vrstvy izolačního materiálu ekvidistantní s pláštěm potrubí.

1.3 VLASTNOSTI


- individuální dle druhu izolace Části potrubních systémů str. 33


1.4


viz. ČSN 130054 Koroze je znehodnocení kovových a nekovových materiálů, vznikající vzájemným chemickým nebo fyzikálně-chemickým působením prostředí a materiálu. Potrubní části se proti korozi nejčastěji chrání na svém vnějším povrchu, někdy, nejčastěji na přání zákazníka, se nanáší tenká vrstva izolace i na vnitřní povrchy. Protikorozní ochrana konkrétního potrubí je specifickým problémem dotyčného technologického procesu a okolního prostředí. Proto se zde ve stručnosti zmíníme pouze o nejčastějších případech: Ocelové potrubí neuložené v zemi se chrání proti korozi na vnějších plochách nátěry v závislosti na podnebí a prostředí, jakož i na teplotě potrubí. Základní nátěr se provádí ihned po montáži. Barva vrchního nátěru se volí dle proudící látky (např. voda zeleně,...). Ocelové potrubí uložené v zemi se chrání proti korozi vrstvami bitumenu (= látka na bázi ropy, asfalt je směs bitumenu a plnidla (křemičitý materiál, apod.)), proložené vyztužujícími vrstvami (juta, lepenka, skleněné tkanivo). Při manipulaci opatrnost - poškození izolačních vrstev. Před korozí vnějšího povrchu se kromě chemického způsobu lze chránit i elektrochemicky, tzv. katodickou ochranou. Tato ochrana je vhodná i proto, že korozní děje kovového potrubí uloženého v zemi mohou být zintenzivněny i tzv. „bludnými proudy“ unikajícími z elektrických tras a různých uzemnění . Jde o vytvoření elektrického obvodu, v němž je chráněné potrubí zapojeno jako katoda . Proud je přiváděn buď z vnějšího zdroje, nebo se proudu dosáhne vytvořením galvanického článku, v němž je anoda z méně ušlechtilého materiálu (při ochraně ocelí je anoda nejčastěji vytvořena z Zn, Mg, Al). Předností první metody bývá větší účinnost díky možnosti nastavení optimální proudové intenzity, předností této druhé metody je jednoduchost a malé provozní náklady. Obecně jde o složitější problém, jehož vyřešení pro konkrétní případ potrubí je záležitostí speciálních elektrochemických výpočtů . Ochrana potrubí v zemi katodickou ochranou a) z vnějšího zdroje ochrana“)

b) obětovanou anodou (též „protektorová



H.

AKUMULÁTORY TEKUTIN (REZERVOÁRY) 1. REZERVOÁRY - ZÁKLADNÍ PRINCIPY

Pozn.: REZERVOÁR = pracovní název (též: „Zhromažďovač“, Akumulátor proudění schopných látek) Literatura:

[NEMp] s. 231 - 293

1.1 CHARAKTERISTIKA Strojní části (orgány) pro shromažďování proudících látek nebo látek pevných unášených v proudícím mediu. Rezervoáry mohou vykonávat jednu nebo současně obě hlavní funkce: f(A) = akumulace hmoty : např. podzemní vodojem f(B) = akumulace energie: např. parní kotel f(A) + f(B) = tlaková expanzní nádoba (u ústředního topení) Tradičně se rezervoáry člení: - s akumulací hmoty za normálního tlaku = NÁDRŽE Hlavní fce = f(A). Fce f(B) se zde vyskytuje nanejvýš pro akumulaci potenciální energie hmoty. - s akumulací hmoty za zvýšeného tlaku = TLAKOVÉ NÁDOBY Hlavní funkcí může být f(A) a/nebo f(B) Tyto funkce bývají v praxi často kombinovány s dalšími vedlejšími funkcemi, jako je tepelná či chemická izolace dopravované látky od okolí, požadavky sanitární, apod. Nejběžnější kriteria pro rozdělení rezervoárů: Užití (nádrže v průmyslu, v energetice, rezervoáry u potrubí pro dálkovou dopravu a rozvod ,...), účel, umístění (vnitřní, venkovní), shromažďovaná látka, materiál rezervoárů, atp.

1.2 STAVEBNÍ STRUKTURA TVARY Tvary rezervoárů jsou velmi různorodé a jsou určovány jednak (ne)existencí vnitřního přetlaku a dále pak hledisky výrobními, technologickými, estetickými, apod. Nejčastěji se používají tvary složené ze základních geometrických těles (kvádr, válec, koule), u nádrží často i tvary asymetrické. Rezervoáry bývají svařované (nutno požadovat zaručenou svařitelnost) nebo bezešvé. Tvary rezervoárů zahrnují i lokální konstrukční prvky, jako např. připojení přívodního a odvodního potrubí, přípoj pojistného a odkalovacího ventilu, manometru, teploměru, řešení průlezů, připevnění víka, apod. MATERIÁLY Materiál je jedním ze základních určujících prvků rezervoárů. Ocel - různého druhu (v závislosti na teplotě, tlaku a chemických vlastnostech shromažďovaného media). U velmi korozivních látek se volí oceli třídy 17 nebo ocel na odlitky 422905. Litina - pro nižší tlaky a teploty, avšak dobrá odolnost proti korozi. Jiné kovové materiály - pro zvláštní účely. Části potrubních systémů str. 35


Umělá hmota, sklo, pryž, vyjímečně i (předepjatý) beton.

1.3 VLASTNOSTI


(1) KOMPLEXNÍ UŽITNÉ VLASTNOSTI Provoz, údržba, opravy - spolehlivost nejčastěji ovlivněna korozí a erozí, u tepelně namáhaných rezervoárů vnitřním pnutím, v některých případech i chemickou odolností materiálu. - údržba jednoduchá - poruchy se řeší opravením rezervoáru Výroba, montáž - široká škála používaných rozměrů (2) KOMPLEXNÍ ČASOVÉ VLASTNOSTI - většinou relativně rychlý návrh, výroba a montáž. (3) KOMPLEXNÍ NÁKLADOVÉ VLASTNOSTI - provozní náklady nulové - náklady na demontáž závisejí na způsobu připojení

1.4 POZNATKY PRO NÁVRH A KONTROLU Při výpočtech nádrží a tlakových nádob se používají znalosti z příslušných statí předmětu Pružnost a pevnost (výpočty tlouštěk stěn, ap.) a předmětu Části strojů (výpočty svarů, ap.). Rozhodujícím činitelem pevnostního výpočtu je tloušťka stěny. Je-li tloušťka stěny výrazně malá vzhledem ke vnějším rozměrům, mluvíme o skořepině (skořepina je určena střednicovou plochou (= definována půlícími body tloušťky stěny) a tloušťkou stěny. Působí-li ve stěně rezervoáru (tj. v tečné rovině ke střednicové ploše) pouze tahová napětí => membránová napjatost (počítaná dle membránové (bezmomentové) teorie). Membránový stav napjatosti je nejvhodnější z hlediska využití materiálu. Podmínky membránového stavu skořepiny: a) Geometrické parametry (tloušťka, poloměry křivosti a polohy středů křivosti se nemění náhle) b) Osamělé síly zatěžující skořepinu musejí ležet v tečné rovině střednicové plochy c) Zatížení se podél skořepiny musí měnit plynule d) Uložení skořepiny musí být staticky určité Zvětšováním tloušťky stěny rezervoáru se začínají projevovat vlivy posouvajících sil a ohybů a pro řešení napjatosti ve stěně se používá ohybová nebo poloohybová teorie. Návrh tloušťky stěn rezervoáru se většinou provádí podle membránové teorie, následná kontrola pak, zejména pro tlustší stěny a pro místa lokálních zvýšení napětí, podle ohybové teorie. Maximální hodnota lokálního napětí je v místě vzruchu (změna tvaru, působení osamělé síly,...), s rostoucí vzdáleností od tohoto místa hodnota napětí klesá podle tlumené kosinusovky. Nejmenší tloušťka stěn je někdy určována i se zřetelem na možnost koroze. Jako spodní hranice u větších nádob bývá obvykle uváděna tloušťka 5 mm. Velkou vypočtenou tloušťku stěn se doporučuje snížit použitím kvalitnějšího materiálu. Zbytečně tlusté stěny zvětšují váhu, zdražují a znesnadňují výrobu, vytvářejí podmínky pro nepříznivou trojosou napjatost, vedou k obtížím při montáži a kontrole kvality hotového tělesa.. Pro výrobu nebývá nutné předepisovat přísné tolerance tvaru a polohy. U nádob s provozními teplotami vyššími než 150°C se chyby v lícování nebo kruhovitosti mohou napravovat místně pouze tvářením za tepla, nikoli za studena. Části potrubních systémů str. 36


2.

NÁDRŽE

2.1 CHARAKTERISTIKA

- viz. odst. 1.1

2.2 STAVEBNÍ STRUKTURA

- viz. odst. 1.2

TYPICKÁ PROVEDENÍ individuální dle účelu a konstrukčních podmínek

2.3 VLASTNOSTI

- viz. odst. 1.3

Provoz, údržba, opravy - individuální dle konkrétní nádrže, často důraz na čištění a kontroly těsnosti.

2.4 POZNATKY PRO NÁVRH A KONTROLU - viz. odst. 1.4

3. TLAKOVÉ NÁDOBY Literatura:

[NEMv] s. 231

3.1 CHARAKTERISTIKA - viz. odst. 1.1 3.2 STAVEBNÍ STRUKTURA

TYPICKÁ PROVEDENÍ



Válcová tlaková nádoba 1 - připojení pojistného ventilu, 2 - připojení tlakoměru a teploměru, 3 - hrdlo pro odběru vzduchu, 4 - hrdlo pro přívod vzduchu, 5 - patky, 6 - připojení odkalovacího ventilu, 7 - průlez TVARY Všeobecně se používají přednostně plochy válcové, kulové a kuželové (eventuelně spojené pozvolnými přechody), minimálně se používají rovinné stěny (s vyjímkou zaslepovacích den trubek, apod.) a žebrované konstrukce nerovnoměrně namáhané. Typické tvarové prvky na tlakových nádobách jsou.: Plášť - válcový a kulový, Dna - např.: - polokulové vylehčené

- ploché dno lité

- vypouklé

-

- dno vrchlíkové

deskové dno přivařovací

- dno hluboce klenuté

Hrdla: - hrdlo připojené koutovými svary

-menší hrdlo v kulovém plášti s prstencem



-

hrdlo v v kulovém s vyztužením

kulovém plášti plášti výztužným prstencem

Příruby - přivařovací ploché, - přivařovací s krkem, (viz text „Přírubové spoje“). Postup utahování šroubů má být předepsán na výkrese, v zásadě křížem, průběžně se měří deformace šroubů a postupně se vyrovnávají rozdíly protažení šroubů Ploché příruby: co nejmenší roztečná kružnice, tlustý list příruby a dlouhé pružné šrouby.

- hrdlo s vnitřním

Nasazení přírub

MATERIÁLY: oceli různého druhu ( viz ČSN 690010), šedá litina se používat nemá.

.3 VLASTNOSTI - viz. odst. 1.3 3.4 3.4 POZNATKY PRO NÁVRH A KONTROLU HLEDISKA: ÚNOSNOST A PEVNOST Pevnostní výpočet tlakových nádob podle ČSN 690010. Návrh a kontrola tlakových nádob je samostatná a rozsáhlá oblast, vyžadující hluboké znalosti zejména z Pružnosti a pevnosti a dále speciální znalosti z oboru konstruování tlakových nádob. Při pevnostním návrhu je nutno řešit jednak celkový tvar a rozměry tlakové nádoby, jednak i dílčí konstrukční prvky (spojení plášťů, připojení hrdel a den, zeslabení pláště polem otvorů, atd.). Předmětem řešení jsou zejména lokální napětí. Základními výchozími údaji pro řešení tlakové nádoby je objem nádoby, pracovní přetlak, pracovní teplota. (přetlaky : ČSN 690203, teploty: ČSN 690204, průměry nádob: ČSN 690201). Návrh tlakové nádoby: první přiblížení podle běžných pevnostních vzorců, platných pro rotační tenkostěnná tělesa zatížených statickým přetlakem, se zanedbáním vlivu vedlejších zatížení a místních tvarových změn a vlivu tepelného toku stěnou nádoby. Pro zvýšení bezpečnosti provozu a úspornosti materiálu nádoby je nutné navržené tloušťky stěn kontrolovat podrobnějším výpočtem, přičemž se uvažují nejen provozní okolnosti, ale i vlivy výrobní a změny mechanických vlastností materiálu. Části potrubních systémů str. 39


Tvar dna a přechodu pláště do dna má podstatný vliv na namáhání okolí spoje. Nejmenší přídavná namáhání jsou u polokulových den - proto jsou vhodná pro nejvyšší tlaky a teploty. Nejčastěji se používají dna vypouklá, pro nejmenší tlaky pak lze použít i dna plochá a desková.Válcový lem u některých den se používá z důvodu snížení přídavných napětí v okolí spoje.. Svary koutové mají horší průběh napětí, namísto nich se u tlakových nádob používají svary tupé.

Poznámky:  -------Pro ocelové tlakové nádoby se konstrukční zásady určují dle kombinace několika faktorů: - Teplota: - a) Nádoby vystavené v provozu normální nebo mírně zvýšené teplotě (20°Caž 300°C) b) Nádoby vystavené v provozu zvýšené teplotě (300°C až 400°C) c) Nádoby vystavené v provozu vysokým teplotám (400°C až 550°C) d) Nádoby vystavené v provozu nižším teplotám (-50°C až 0°C) e) Nádoby vystavené v provozu nízkým teplotám (pod -50°C ) - Provozní přetlak: a) do 0,5 Mpa, b) 0,5 až 2,5 Mpa. c) nad 2,5 MPa. - Dynamika procesů: a) tlak klidný, teplota stálá. b) kmitavé namáhání buď vlivem tlakové pulsace, nebo vlivem častého střídání teplot. ( mezní počet změn pro statické namáhání se volí N = 103 ) -------- 

Literatura: [BOL]

Bolek A. a kol.:

Části strojů 2, Techn. průvodce sv. 6, SNTL, 1990

[BUR]

Bureš V.:

Části strojů 2, skripta ZČU Plzeň, 1982

[ČER]

Černoch S.:

Strojně technická příručka“, sv.1, SNTL, 1968

[DRAt] Drastík F.:

Technické kreslení podle mezinárodních norem I. MONTANEX 1994

[DRAs] Drastík F.:

Strojnické tabulky pro konstrukci i dilnu, MONTANEX , 1995

[HOS]

Hosnedl S., Krátký J.: Příručka strojního inženýra - obecné strojní části 1 Computer Press, Praha, 1999

[NEC]

Neckářová J.:

[NEMv] Němec, J.:

Potrubí a armatury, skripta ČVUT Praha, 1972 Výpočty pevnosti tlakových nádob, SNTL, Praha, 1962

[NEMp] Němec J, Dvořák J., Hoschl C.: Pružnost a pevnost ve strojírenství, Technický průvodce 69, SNTL, 1989 Části potrubních systémů str. 40


STROJNÍ ČÁSTI POTRUBNÍCH SYSTÉMŮ

Recommend Documents