PODSTAWOWE DEFINICJE PROJEKTOWE

Urząd Dozoru Technicznego reguluje definicje wielkości występujących podczas
projektowania aparatury chemicznej (wg WUDT/UC/2003)

Najwyższe dopuszczalne ciśnienie (PS) – określone przez producenta najwyższe
ciśnienie, na które urządzenie zostało zaprojektowane, mierzone w określonym miejscu
przyłączenia urządzeń zabezpieczających lub ograniczników albo w górnej części
urządzenia ciśnieniowego, a jeżeli jest to niewłaściwe – w innym miejscu określonym przez
producenta.

Ciśnienie dopuszczalne (PD) – najwyższe nadciśnienie lub podciśnienie przy którym UDT
zezwolił na eksploatację urządzenia ciśnieniowego.

Ciśnienie próby ciśnieniowej (PT) – nadciśnienie płynu, przy którym przeprowadzana jest
próba ciśnieniowa

Najwyższa/najniższa dopuszczalna temperatura (TS) – określona przez producenta
najwyższa/najniższa temperatura robocza ścianki, na którą urządzenie zostało
zaprojektowane.

Temperatura dopuszczalna (TD) – wartość najwyższej/najniższej temperatury, przy której
UDT zezwolił na eksploatację urządzenia ciśnieniowego.

PODSTAWOWE DEFINICJE PROJEKTOWE

Ciśnienie obliczeniowe – najwyższa wartość nadciśnienia czynnika roboczego jaka może

wystąpić w urządzeniu, bez uwzględniania chwilowego wzrostu ciśnienia spowodowanego

działaniem urządzeń zabezpieczających.

Przy ustalaniu ciśnienia obliczeniowego należy także uwzględnić :
• wartość nadciśnienia występującego w warunkach próby wytrzymałościowej, jako wartości

większej z dwóch:

𝑃𝑇 = 1.25𝑃𝑆

𝐹

𝑇

𝐹

lub 𝑃𝑇 = 1.43𝑃𝑆

gdzie:

F

T

– naprężenia dopuszczalne dla materiału w temperaturze próby

F

– naprężenia dopuszczalne dla materiału w temperaturze obliczeniowej

• ciśnienie hydrostatyczne cieczy:

𝑝

ℎ

= 𝐻𝜌𝑔

jeżeli wartość ciśnienia hydrostatycznego przekracza 5% wartości ciśnienia obliczeniowego.

Temperatura obliczeniowa – najwyższa temperatura jaką ścianka elementu może mieć

podczas pracy urządzenia ciśnieniowego, jednak nie mniej niż 20

o

C.

W przypadku zbiorników nie ogrzewanych temperaturę obliczeniową przyjmuje się równą

najwyższej temperaturze czynnika stykającego się z tym elementem.

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Przed przystąpieniem do obliczeń rozmiarów aparatów należy ustalić dopuszczalne

naprężenia w ściankach projektowanych elementów.

W czasie pracy aparatu naprężenia występujące w materiale plastycznym nie powinny

przekraczać granicy plastyczności, aby nie doszło do nieodwracalnych odkształceń trwałych.

Wartość naprężeń dopuszczalnych

k

dla temperatur obliczeniowych nie przekraczających

granicznej temperatury dla określonego gatunku stali ustala się według jednego z równań:

gdzie:

R

e/t

– wyraźna granica plastyczności w temperaturze obliczeniowej

R

0,2/t

,

R

1,0/t

- umowne granice plastyczności w temperaturze obliczeniowej

x

– współczynnik bezpieczeństwa zależny od klasy materiału

konstrukcyjnego i rodzaju obliczanego elementu.

W przypadku gdy temperatura obliczeniowa przekracza temperaturę graniczną

w miejsce granicy plastyczności wstawia się wytrzymałość materiału na pełzanie

w temperaturze obliczeniowej

R

z(t)/t

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Dla materiałów charakteryzujących się wyraźną granicą plastyczności (Rys .1a) wartość

R

e

wyznacza się z równania:

Dla materiałów nie wykazujących wyraźnej granicy plastyczności (Rys .1b) przyjmuje się

umowne granice plastyczności wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe wynoszące

0,2% lub 1,0%:

Rys. 1. Wykres rozciągania dla metali a) wykazujących wyraźną granice plastyczności,

b) nie wykazujących granicy plastyczności

S

0

– Początkowe pole przekroju poprzecznego badanej próbki

POWŁOKI CYLINDRYCZNE

Tok obliczania powłok cylindrycznych (i innych) pracujących pod ciśnieniem wewnętrznym:

• ustalenie temperatury obliczeniowej

t

0

i ciśnienia obliczeniowego

p

0

• dobór materiału konstrukcyjnego i wyznaczenie naprężenia dopuszczalnego

k

• obliczenie grubości obliczeniowej ścianki

g

0

wg jednego z równań:

Gdzie:

D

z

,

D

w

– odpowiednio zewnętrzna i wewnętrzna średnica powłoki,

k

– naprężenie dopuszczalne,



- współczynnik konstrukcyjny,

z

– współczynnik wytrzymałościowy uwzględniający osłabienie powłoki

• ustalenie wielkości naddatków grubości ścianki, z których :

c

1

– technologiczny naddatek grubości ścianki równy jest sumie największej

minusowej odchyłki grubości wyrobu hutniczego i największego ścienienia się ścianki

wyrobu podczas jego przetwarzania na element docelowy;

c

2

– eksploatacyjny naddatek grubości ścianki na zmniejszenie grubości na

skutek działań czynników mechanicznych i chemicznych;

c

3

– naddatek ustalany przez projektanta

(uwzględniający dodatkowe naprężenia np. naprężenia termiczne, przenoszone

z instalacji itd.)

• obliczenie najmniejszej wymaganej grubości ścianki

g

:

• dobór grubości nominalnej ścianki

g

n

spełniającej równanie:

• obliczenie grubości rzeczywistej ścianki powłoki

g

rz

:

• sprawdzenie poziomego elementu walcowego na dodatkowe naprężenia

gnące

Gdzie:

s

1

– naprężenie obwodowe,

s

2

– naprężenie wzdłużne,

s

3

– naprężenie promieniowe,

s

g

– naprężenie gnące,

M

– moment gnący,

W

– wskaźnik wytrzymałości na zginanie

POWŁOKI CYLINDRYCZNE

Moment gnący

M

w powłoce poziomej przy założeniu dwóch podpór:

POWŁOKI CYLINDRYCZNE

𝑀 = 0.0215𝐺𝐿

𝑜

Moment gnący

M

w powłoce poziomej przy założeniu trzech podpór:

𝑀 = 0.0105𝐺𝐿

𝑜

Gdzie:

G

– ciężar aparatu,

L

o

– długość obliczeniowa aparatu

Ciężar aparatu:

Długość obliczeniowa aparatu:

𝐺 = 𝑚

𝑐𝑎ł𝑘

∙ 𝑔

𝐿

𝑜

= 𝐿

𝑤

+ 2𝐿

𝐷𝑍

Wskaźnik wytrzymałości na zginanie

W

w punkcie obliczania momentu gnącego:

𝑊 =

𝜋

32

𝐷

𝑧

4

− 𝐷

𝑤

4

𝐷

𝑧

POWŁOKI CYLINDRYCZNE

Dodatkowe informacje dotyczące obliczania grubości nominalnej powłoki cylindrycznej:

• Współczynnik wytrzymałościowy

z

określa stopień osłabienia ścianki elementu

spowodowany obecnością spoin i otworów. Wyznaczany jest w oparciu o wytyczne UDT:

z

= 1 dla powłok nieosłabionych spoinami i otworami

z

 (0÷1) dla powłok osłabionych otworami i spoinami

• Naddatek grubości

c

1

przyjmuje się z norm opisujących największe minusowe odchyłki

grubości blach (dla średnic aparatu ≥ 600 mm) lub grubości ścianki rur (dla średnic aparatu

< 600 mm) (przy założeniu, że nie nastąpi ścienienie ścianki podczas przetwarzania na

element docelowy)

• Naddatek grubości

c

2

uzależniony jest od szybkości korozji materiału

s

i założonej

trwałości (czasu pracy) elementu

t

:

𝑐

2

= 𝑠 ∙ 𝜏

Szybkość korozji materiału lub jego odporność korozyjną określa się na podstawie tablic

odporności korozyjnej (bądź ustala doświadczalnie).

Najczęściej przyjmuje się czas eksploatacji aparatu (zbiornika) około 10 lat.

DNA APARATÓW (DENNICE)

Dna są jednym z podstawowych elementów aparatury chemicznej. Są łączone

z powłoką i najczęściej są wykonywane z tego samego materiału co powłoka.

Powłoki ze względu na profil dna można podzielić na:

wyoblone (inaczej: sferoidalne, wypukłe), płaskie, stożkowe i sitowe.

Dna wyoblone stosuje się w zbiornikach ciśnieniowych.

Wykonywane są z odpowiednio przyciętych blach lub wytłoczek poprzez obróbkę zwaną

wyoblaniem (drykowaniem). Dna wyoblone składają się z części cylindrycznej (o wysokości

H

c

) i części wyoblonej (o wysokości H

z

).

Profil części wyoblonej dna może być półkulisty, półeliptyczny lub koszykowy, tj. utworzony

z trzech łuków kołowych.

Dno koszykowe

Dno półeliptyczne

Rozmiary den wyoblonych elipsoidalnych i koszykowych powinny spełniać następujące

warunki:

Grubość obliczeniową ścianki dna wyoblonego podlegającego ciśnieniu od strony wklęsłej

wyznacza się z wzoru:

Wartość współczynnika konstrukcyjnego dna

y

w

wyznacza się wg tablicy zamieszczonej

w WUDT, przy czym współczynnik

y

w

jest funkcją rozmiarów dna (H

z

, D

z

) oraz

współczynnika osłabienia dna otworami

w

:

gdzie

𝜔 =

𝑑

𝐷

𝑧

𝑔

𝑟𝑧

d – średnica największego otworu w dnie nie wymagającego

wzmocnienia

DNA WYOBLONE

OTWORY W ŚCIANACH POWŁOK I DEN

Jeżeli grubość ścianki powłoki lub dna została obliczona przy założeniu braku otworów,

a w rzeczywistości takie otwory będą występować, należy sprawdzić czy powłoka (dno) nie

powinna zostać wzmocniona.

Największa średnica otworu (każdego, wzmocnionego lub nie wzmocnionego) w powłoce

walcowej może być równa maksymalnie:
• 0,35D

z

dla średnic aparatu D

z

≥ 1500 mm

• 0,5D

z

(jednak nie więcej niż 500 mm) dla średnic < 1500 mm

• średnicy aparatu D

w

jeżeli

• p

0

≤ 0,07 MPa

• p

0

≤ 2 MPa oraz D

w

< 170 mm

Największą średnicę otworu w elemencie stożkowym

oblicza się według tych samych zasad, z tym że zamiast

średnicy aparatu D

z

należy przyjmować średnicę mierzoną

w osi planowanego otworu D

st

o

wg rysunku.

Jeżeli w powłoce istnieją dwa otwory wymagające wzmocnienia o różnych średnicach d

1

i d

2

i tworzą mostek o długości mniejszej od średnicy mniejszego z otworów, to grubość ścianki

(lub wzmocnienie) należy obliczać tak jakby nie było mostka (czyli jak dla jednego dużego

otworu opisanego na obu otworach).

Gdzie:

D

z

– średnica zewnętrzna powłoki walcowej

lub dna elipsoidalnego,

g

rz

– rzeczywista grubość ścianki

c

2

– eksploatacyjny naddatek grubości

ścianki

z

rz

– współczynnik wytrzymałościowy

powłoki osłabionej otworem:

Największa dopuszczalna średnica otworu

d

nie wymagającego wzmocnienia

w powłoce walcowej lub w dnie wypukłym równa jest najmniejszej spośród trzech podanych

wartości:

OTWORY W ŚCIANACH POWŁOK I DEN

dla powłoki walcowej

lub dna elipsoidalnego

dla elementu stożkowego

WZMOCNIENIA OTWORÓW

Jeżeli otwory w powłoce lub w dnie są większe od obliczonych, wtedy należy zastosować

wzmocnienie otworu nakładkami z blachy.

Ustalenie wymiaru nakładki wzmacniającej otwór opiera się na zasadzie ustalającej

warunek, że pole powierzchni przekroju materiału wzmacniającego F

wzm

(zielone) nie może

być mniejsze niż pole powierzchni przekroju powierzchni straconej F

str

(czerwone)

w obszarze tzw. prostokąta wzmocnienia ABCD:

W przypadku gdy otwór jest wycięty w dnie wypukłym, to rozmiary wzmocnienia oblicza się

podobnie, z tym, że prostokąty są zamieniane na wycinki pierścieni, a ustalone wzmocnienie

nie może zachodzić na część wyobloną dna.