vegyipari készülékek tervezése...

1Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.

Előadó:

Dr. Siménfalvi Zoltán egyetemi docens

Követelmények:

Aláírás, feltétele :

• évközi feladatok teljesítése,

• 1db zh teljesítése

Vegyipari készülékek tervezése I.

GEVGT012-B

Gyakorlatvezető:

Petrik Máté doktorandusz

2

Ajánlott irodalom

Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.

1. Keresztes János: Tartályok és készülékek I., II., III., Tankönyvkiadó, Bp.

2. Fábry György: Vegyipari Gépészek Kézikönyve, Műszaki könyvkiadó, Bp. 1987

3. Bodor-Szabó: Nyomástartó berendezések szilárdsági méretezése, Műszaki könyvkiadó, Bp.

1982

4. Szabó József: Fémtartályok, Műszaki könyvkiadó, Bp. 1978

5. Varga László: Nyomástartó edények tervezése, Tankönyvkiadó, Bp. 1984

6. 44/2016 (XI.28.) NGM rendelet a nyomástartó berendezések és rendszerek biztonsági

követelményeiről és megfelelőség tanúsításáról

7. 2/2016. (I. 5.) NGM rendelet a nyomástartó berendezések, a töltő berendezések, a

kisteljesítményű sűrített gáztöltő berendezések műszaki-biztonsági hatósági felügyeletéről és

az autógáz tartályok időszakos ellenőrzéséről

8. MSZ EN 13445-1, 2, 3, 4, 5, 6, 8:2014 Unfired Pressure Vessels

• 1.rész: Általános követelmények

• 2.rész: Szerkezeti anyagok

• 3.rész: Tervezés

• 4.rész: Gyártás

• 5.rész: Vizsgálatok

• 6.rész: Gömbgrafitos öntöttvasból kialakított nyomástartó edények és a nyomással

terhelt részek tervezési és gyártási követelményei

• 8. rész: Alumíniumból és alumíniumötvözetből készült nyomástartó edények kiegészítő

követelményei

• 10. rész: Nikkel és nikkelötvözetű nyomástartó edények kiegészítő követelményei

3

Alapfogalmak I.


• Fogalmakat a 44/2016 NGM rendelet tárgyalja

• Nyomástartó berendezés: edény, csővezeték, biztonsági szerelvény és a nyomással

igénybevett tartozékok

✓Edény: nyomással igénybe vett töltet befogadására tervezett és gyártott

egység első csatlakozásáig a hozzá tartozó szerkezeti elemekkel

✓Csővezeték: a töltet szállítására szolgál, csőszakasz és szerelvényei

✓Biztonsági szerelvény: jellemző nyomás túllépése ellen szolgál, közvetlen

működésű ill. határoló készülék

✓Tartozék: nyomástartó házzal rendelkező üzemeltetési feladattal rendelkező

szerelvény

• Egyszerű nyomástartó edény: a 43. § (2) bekezdésében meghatározott ismérveknek

megfelelő, levegő vagy nitrogén befogadására szolgáló hegesztett edény

✓PS (Pmeg) > 0.5 bar, nincs kitéve tűz hatásának

✓Ötvözetlen acélból, alumíniumból, vagy öregedésálló alumíniumötvözetből

készül

✓Domború és/vagy síkfedelekkel lezárt körhenger

✓PSxV<10 000 bar x liter; Pop.<30 bar

✓Top.>-50°C; Top.<300°C acél; Top.<100°C alumínium és ötvözetei

✓PSxV<50: helyes mérnöki gyakorlat; PSxV>50 PED B modul

4

Alapfogalmak II.


Közegek

• A töltet az 1. csoportba tartozik és veszélyes töltetnek minősül, amennyiben

a) az anyagok és keverékek alábbi fizikai és egészségi veszélyességi osztályokba soroltak:

• 1. instabil robbanóanyagok vagy az 1.1., 1.2., 1.3., 1.4. és 1.5. alosztályba tartozó

robbanóanyagok;

• 2. tűzveszélyes gázok, 1. és 2. kategória;

• 3. oxidáló gázok, 1. kategória;

• 4. tűzveszélyes folyadékok, 1. és 2. kategória;

• 5. azok a 3. kategóriába tartozó tűzveszélyes folyadékok, amelyek legnagyobb

megengedett hőmérséklete a lobbanáspont fölött van;

• 6. tűzveszélyes szilárd anyagok, 1. és 2. kategória;

• 7. önreaktív anyagok vagy keverékek, A-F típus;

• 8. piroforos folyadékok, 1. kategória;

• 9. piroforos szilárd anyagok, 1. kategória;

• 10. vízzel érintkezve tűzveszélyes gázokat kibocsátó anyagok és keverékek, 1., 2. és 3.

kategória;

• 11. oxidáló folyadékok, 1., 2. és 3. kategória;

• 12. oxidáló szilárd anyagok, 1., 2. és 3. kategória;

• 13. szerves peroxidok, A-F típus;

• 14. akut orális toxicitás, 1. és 2. kategória;

• 15. akut dermális toxicitás, 1. és 2. kategória;

• 16. akut inhalációs toxicitás, 1., 2. és 3. kategória;

• 17. célszervi toxicitás - egyszeri expozíció, 1. kategória, vagy

b) a nyomástartó berendezésekben található olyan anyag vagy keverék, amelynek legnagyobb

megengedett hőmérséklete a töltet lobbanáspontja fölött van.

5

Alapfogalmak III.


Kategória Modul

I. A modul

II. A2, D1, E1 modulok

III. B (tervezési típus) + D, B (tervezési típus) + F, B (gyártási típus) + E,

B (gyártási típus) + C2, H modulok

IV. B (gyártási típus) + D, B (gyártási típus) + F, G, H1 modulok

Nyomástartó

edények

Kazá-

nok

Cső-

vezetékek

folyadék

halm.áll.

gáz folyé-

kony

gáz folyé-

kony

Folyadék

csoportv

e

s

z

é

l

y

e

s

e

g

y

é

b

v

e

s

z

é

l

y

e

s

e

g

y

é

b

v

e

s

z

é

l

y

e

s

e

g

y

é

b

v

e

s

z

é

l

y

e

s

e

g

y

é

b

Diagram

melléklet II

1 2 3 4 5 6 7 8 9

6

Alapfogalmak IV.


• Nyomástartó edények műszaki biztonsági követelményei szerint besorolás és

megfelelőség értékelési modul rendszer: (pl. töltet gáz, nyomás alatt oldott gáz, gőz

és olyan folyadék, amelynek gőznyomása a megengedhető legnagyobb

hőmérsékleten nagyobb, mint 0,5 bar túlnyomás, 1. csoportú anyag)

• Kazánok: nyomástartó edény+tüzelés és hősugárzás hatásának kitéve

7

Alapfogalmak V.


• Nukleáris berendezések: nyomástartó, radioaktiv terhelés, földrengés,

feszültséganalízis, fáradási élettartam, külön biztonsági szabályzat, osztályba

sorolás (ABOS 1, 2, 3, 4)

• Veszélyes töltetű folyadéktárolók: Pop.=20-50 mbar; nagy űrtartalom, veszélyes

töltet

• Közös jellemzők:

✓Alapterhelés belső és/vagy külső nyomás

✓Méretezési eljárások azonosak (MSZ EN 13445)

✓Tervezés, gyártás, üzemeltetés engedélyhez kötött

✓ Időszakos vizsgálat kötelező

✓Nyomáshatárolás

• Fogalmak:

✓ Nyomás (túlnyomás)

✓ PS max. megengedett nyomás, tervezési

nyomás

✓ TS max. megengedett hőmérséklet

✓ V térfogat, nyomással igénybe vett

rész

✓ DN névleges méret

8

Méretezési alapadatok I.


• Alapterhelés a nyomás:

✓Belső nyomás: homorú felületre hat; növekvő P, növekvő w; a geometriai jelleget

nem változtatja meg; határérték a folyáshatár (ReH), a törés (Rm);

(nyomáshatárolóval vagy anélkül)

✓Külső nyomás: domború felületre hat; növekvő P, a görbületi sugár csökken;

először arányos, majd Pkr elérése után horpadás, stabilitás vesztés;

• Statikus nyomás: ha dP/dt<=0.5 bar/s

• Üzemi nyomás: Pop, technológiai paraméter, egy üzemi ciklusban a legnagyobb

normális technológiai nyomás. Gáztéri nyomás

• Méretezési nyomás: PS, alapterhelés a szilárdsági méretezéshez, PS ≥ Pop

• Hidrosztatikus nyomás: Ph=ρgh; P’=P+ Ph

• Üzemi hőmérséklet: Top a technológiai töltet hőmérséklete, amelyen a folyamat

lejátszódik

• Méretezési hőmérséklet: TD, a legnagyobb pozitív hőmérséklet a megengedett feszültség

meghatározásához (hőtechnikai számítások, vagy mérési eredmények alapján).

TD, min=20°C

9

Méretezési alapadatok II.


10

Méretezési alapadatok III.


• Próbanyomás:

✓ közeg víz (5-40°C),

✓ levegő esetén Pt 50%-ig terhelni, majd bunkerben 10%-onként növelni, végül

Pt=PS·fa/ft vizsgálati állapotra csökkenteni

• Próbanyomás értéke:

✓Testing group 1-2-3: max ( , )

✓Testing group 4:

1.1. anyagcsoport (acél ReH < 275 MPa)

c < 1mm

c ≥ 1mm

8.1. anyagcsoport (ausztenites acél Cr < 19 %)

11

Méretezési alapadatok IV.


• Geometriai adatok: fő méretek: R, D, L (szabványos átmérő)

• Esetleges külső terhek:

✓ önsúly

✓ töltetsúly, üzemi állapotban

✓ víz töltetsúly próbanyomáskor

✓ csatlakozó elemek okozta teher (pl. csővezeték)

✓meteorológiai teher (hóteher és szélterhelés)

✓ szeizmikus terhelés (gépek, földrengés)

✓ dinamikus igénybevétel (nyomás, külső gerjesztés)

✓hőfeszültségek

✓ szállítási és telepítési terhelések

• Hegesztett kötések szilárdsági tényezője (z, varratszilárdsági tényező):

✓ 1: teljes varratban roncsolásos és roncsolásmentes vizsgálattal igazolt

✓ 0,85: roncsolásmentes vizsgálattal, szúrópróbaszerűen

✓ 0,7: szemrevételezés

12

Méretezési alapadatok V.


• Megengedett feszültségek

13

Feszültséganalízis I.


Fontosabb fogalmak:

• Mohr-szerinti redukált feszültség:

• maximális alakváltozási energia elve szerint (von Mises):

• redukált feszültségamplitúdó: Mohr

von Mises

• nagy szerkezeti folytonossági hiány: feszültség- vagy alakváltozáscsúcs forrása, a szerkezet

nagy részére van hatással. Pl. csatlakozási zóna, falvastagság változás, kivágások, csonkok

környezete

• helyi szerkezeti folytonossági hiány: az anyag viszonylag kis térfogatára van hatással, éles

sarkok, bemetszések, repedések

• membránfeszültség: a normálfeszültség azon egyenletes eloszlású komponense, amely az

elem vastagság menti átlagfeszültség értékével egyenlő

• hajlítófeszültség: az elem vastagsága mentén ferdeszimmetrikusan eloszló normálfeszültség

• elsődleges feszültségek (P): mechanikus terhelések által okozott feszültség, amelynek

eloszlása a szerkezetben olyan, hogy a terhelés következtében kialakuló megfolyás

eredményeként nem jön létre a terhelés újraeloszlása

✓ elsődleges membránfeszültség (Pm): belső, külső nyomás, a szerkezet egészét terhelő

erő nyomaték hatására kialakuló membránfeszültség

14

Feszültséganalízis II.


✓ elsődleges helyi membránfeszültség (PL): koncentrált erőhatások közvetlen

környezetében kialakuló membránfeszültség. Helyinek minősül az a

membránfeszültség, amely legfeljebb hosszon haladja meg az 1,1 fD értéket

✓ elsődleges általános hajlítófeszültség (Pb): a szerkezeti elem valamely metszetében az

egész metszet mentén megoszló hajlítófeszültség

• másodlagos feszültségek (Qm, Qb): korlátozott alakváltozások következtében kialakuló

feszültség; önhatároló, azaz plasztikus alakváltozással kiegyenlítődik

• csúcsfeszültség (F): nem okoz torzulást, káros hatása, hogy a fáradásos vagy ridegtörés

lehetséges forrása

• feszültségek felbontása: membrán (σm), hajlító (σb), linearizált (σl= σm+ σb),

nemlineáris (σnl= σ - σl)

aeR0,1

15

Feszültséganalízis III.


• A feszültséganalízis során feltételezzük, hogy

- az anyag követi a Hooke törvényt

- az anyag izotróp

- az elmozdulások és az alakváltozások kicsinyek

16

Falvastagság definíciók


• szabványos eljárások (MSZ EN 13445)

• cél a szilárdságilag szükséges falvastagság (e) meghatározása az elsődleges feszültségek

alapján

• falvastagság definíciók:

• korróziós+eróziós élettartam:

• korrózió: a szerkezeti anyag roncsolódása kémiai hatásokra

• korrózió sebesség (vc) 0-0,35 mm/év; normális viszonyok esetén; táblázat, tapasztalat, kísérlet

- falvastagság csökkenéssel jár (c)

- falvastagság csökkenést nem okoz:

+ lyuk v. pont korrózió (kloridok)

+ kristályközi korrózió (hidrogén metán+vas; térfogat nő, ridegedés, szén csökken)

+ feszültségi (húzó) korrózió (közeg+szerkezeti anyag=diffúzió)

+ réskorrózió

e: szilárdságilag szükséges falvastagság

en: névleges falvastagság

emin: minimális gyártási falvastagság (mérés)

ea: analízis falvastagság (számításokhoz)

c: korróziós, eróziós pótlék

e: névleges falvastagság negatív tűrése

m:gyártástechnológiai pótlék

eex: falvastagságtöbblet a névleges falvastagság

eléréséhez

c

ev

e

17

Szerkezeti anyagok I.


• MSZ EN 13445-2

• Általános követelmények:

- Korrózióállóság; közeg és a szerkezeti anyag kölcsönhatása (pl. ötvözetlen szénacél ellenáll a

tömény kénsavnak és a száraz klórnak, Ti jó nedves savakkal szemben, de a száraz klórra nem)

- Teherviselőképesség; a feszültségkategóriáknak megfelelően a méretezési hőmérsékleten

(elegendő képlékeny tartalékkal rendelkezzen az anyag; A>14%, régen 16%!)

- Biztonság a ridegtörés ellen

- Gazdaságosság (18/8-as → plattírozott)

- Korlátozó előírások (Db, P, emin)

- Gyárthatóság (hegesztés, alakítás)

• Méretezési anyagjellemzők (tervezés)

- anyagszabványok

- nem szabványos anyagoknál bizonylat

- a beépített anyagok jellemzőinek igazolása (vizsgálatok), gépkönyv (minden edényre)

- Rm, Rm/t, ReH, ReH/t, A, E, G, , , , stb.

• Anyagcsoportok 1-11

18

Szerkezeti anyagok II.


19

Szerkezeti anyagok III.


20

Szerkezeti anyagok IV.


• Műanyagok

✓hőre lágyuló v. hőre keményedő műanyagok korrózióálló feladatokra

✓ - hőre lágyuló: olvadáspontjuk jellemzi

- hőre keményedő: térhálós molekulák, nincs határozott olvadáspontjuk

✓ szilárdsági tulajdonságok: acélhoz képest kedvezőtlen (lágyuló<keményedő), kúszás

✓ korrózióállóság: jobb, mint a legtöbb fémé, pl. halogén vegyületek, klórtartalmú közegek

• Egyéb szerkezeti anyagok

✓ szervetlen, nemfémes szerkezeti anyagok: pl kerámiaanyagok (hőtágulás!)

✓ szén és grafit: az oxidáló légkör kivételével mindennek ellenállnak, porozitásuk miatt

közvetlenül nem használhatók, impregnált formában alkalmazzák (pl. korobon

hőcserélők)

21

Forgáshéjak membránfeszültségi állapota I.


• Illesztési feladat

• Egységnyi terhelések hatására kialakuló elmozdulás:

p

p

R1

N

N

M

M

Q

Q

R2

p

w1p

Q

w1Q

M

w1M

1

2

)p(w1 )Q(w1 )M(w1

0)N(w)N(w 21 0)N()N( 21

21 ww

21

M)M(wQ)Q(wp)p(wM)M(wQ)Q(wp)p(w 222111

M)M(Q)Q(p)p(M)M(Q)Q(p)p( 222111

0)p()p( 21

2ttte

M6E)M()p( wRR

R

w

R2

w2

l

l

2te

M6

R

wE 2

11

1

11te

M6

R

wE

2

22

2

22te

M6

R

wE

22

Forgáshéjak membránfeszültségi állapota II.


• Membránfeszültségi állapot: a terhelést a héj középfelületének síkjában membránerők ki tudják

egyensúlyozni. Feltétele, hogy a felületre ható megoszló terhelés folytonos legyen, a

peremterhelések érintőlegesen támadjanak, valamint a héj

- középfelülete folytonos legyen

- kivágások, ugrásszerű görbület és vastagság változások ne legyenek

- peremei szabadon elmozdulhassanak

• Tiszta membránfeszültségi állapot vegyipari készüléknél nem teljesülhet, ezért gyorsan

csillapodó helyi jellegű hajlítófeszültségek kísérik

• Terhelési modell az XR(N/mm2) megoszló erőrendszer, amelyet

X1, X2, X3 érintőirányú komponensekre bontunk, amellyel

egyensúlyt tartanak az N1, N2, N12, N21 membrán élerők

(középfelület metszésvonalának egységnyi hosszára redukált belső erők)

• Feltételezzük, hogy az edény vékony (e/D<0,09) rugalmas héjakkal

helyettesíthető, és a felületre merőleges normálfeszültségek elhanyagolhatóak.

• A kéttengelyű feszültségi állapot a

membránfeszültségekkel, és a Hooke törvény alapján számítható

rugalmas alakváltozásokkal jellemezhető.

N21

N12

X3

X1

X2

N1

N2

x1

x2

x3

e

N11

e

N22

e

N122112

)NN(Ee

1211 )NN(

Ee

1122 122112 N

eG

1

23

Forgáshéjak membránfeszültségi állapota II.


• A membránerők meghatározásához x1, x2, x3 irányú egyensúlyi egyenleteket kell felírni rdφ és

r1dυ oldalhosszúságú héjelemre (4 egyenlet 4 ismeretlen)

✓ x1 tengely (meridián) irányú külső és belső erők egyensúlyi feltételéből:

✓ x2 tengely (kerületi) irányú külső és belső erők egyensúlyi feltételéből

✓ x3 tengely (normális) irányú külső és belső erők egyensúlyi feltételéből:

✓ x3 tengely (normális) körül forgató erők egyensúlyi feltételéből:

• Egyenletesen megoszló túlnyomás (P) okozta membránerők

✓ a héj felületére ható terhelések: X1=X2=0, X3=P

✓mivel a külső terhelés tengelyszimmetrikus a belső erők kerületi irányban nem változnak:

rXcosNN

rNr

112

211

1

rXcosNN

rNr

1221

212

1

3

2

2

1

1 Xr

N

r

N

2121 NN

0cosNrNr

121

1

p

r

N

r

N

2

2

1

1 0NN,0(...)

2112

0drdrNdrdrN 112121

24

Forgáshéjak membránfeszültségi állapota III.


• szétválasztható differenciálegyenlethez jutunk, amelyet integrálva kapjuk:

• Egyszeresen görbült forgáshéjak (henger, kúp):

- henger

- kúp

1

222

21

r

r2

2

prN

2

prN

Rr,r 21 pRN2N2

pRN 121

cos

pRN

cos

1

2

pRNeseténRr

cos

r

sin

rr 212

r2=r=R

N1

N2

r

r 2

R

N1

N2

25

Forgáshéjak membránfeszültségi állapota IV.


• Kétszeresen görbült forgáshéjak:

- gömb (r1=r2=R) tökéletes egyenszilárdságú szerkezet

- elliptikus héj:

- tórusz héj:

2

pRNN 21

2

2

2

21

2

22

3

2

1 sin1b

a1

1

b

ar

1

b

ar

a

b

r

N1

N2

r1

r2

a b

r2

r1

r

N1

N2

b2

paNNesetén1,02

b2

paN

b2

paN

2

21

2

2

2

1

2

paNbsin

2

a

bsina

paN 21

26

Héjszerkezetű elemek méretezése belső nyomásra I.


- forgásszimmetrikus héjak

- a méretezési nyomás az egész felületen állandó

- névleges méret: Dk külső átmérő (szabványos)

Henger- és gömbhéjak membránfeszültségei

- feltétel: , ahol De a külső átmérő

Hengeres héjak

- a P méretezési nyomás hatására ébredő membránfeszültségi állapot (a héj középfelületén):

(főfeszültség)

- D középfelület helyett alkalmazható a Di (belső) vagy a De (külső - szabványos) átmérő:

- lemezövekből történő gyártásánál kifutó varrat a roncsolásos vizsgálathoz (azonos anyag,

görbület)

- ellenőrzés: megengedett nyomás (ea a pótlékolás nélküli falvastagság +eex):

Gömbhéjak

16.0D/e e

Pr e2

PDt

2

ta

Pzf2

PD

Pzf2

PDe ei

eDDi eDDe

D

ezf2P a

max

Pzf4

PD

Pzf4

PDe ei

D

ezf4P a

max

27

Héjszerkezetű elemek méretezése belső nyomásra II.


Zárófelületek

- állandó falvastagságú, nem egyenszilárdságú héjak

- a külső (névleges) átmérők a szabványos sor szerint

- az azonos szerkezetű, de különböző méretű zárófelületek geometriailag hasonlók

- különböző felületek sarokgörbülettel csatlakoznak

- a körhengerhéjhoz szakállal csatlakoznak (járulékos terhelések elkerülése a varratban)

- a szakállrész hossza nagyobb, mint , azt a hengeres héj összefüggései szerint

méretezni kell, különben a vastagsága a fenék vastagságával egyezik meg

Félgömb edényfenék

- alkalmazás: felhabzó anyagok, nagy gőztér, csővég lezárás síkfedél helyett

- méretezés a gömbhéjak összefüggéseivel

- hidrosztatikai terhelés:

r=R helyen (a gömbsüveg peremén):

stabilitás!!

ha Ph>0.05P, akkor a fedelet hidrosztatikai + gáznyomásra kell méretezni.

Pzf4

PD

Pzf4

PDe ei

D

ezf4P a

max

eD2.0 i

h

RN

r

N

Ph

2

)hR(gRNN 00

R

3

2hgR

2

1N R

R

3

2hgR

2

1N R

R3

2h 0N

0h 2gR3

1N

28

Héjszerkezetű elemek méretezése belső nyomásra III.


Kosárgörbe alakú (torispherical) edényfenék

- Alak:

sekélydomborítású (28011 Kloepper, régen A típus): R/De=1; r/De=0.1

mélydomborítású (28013 Korbbogen, régen C típus): R/De=0.8; r/De=0.154

- leggyakrabban alkalmazott hazai edényfenék

- membránfeszültségek: 1-gömb; 2-tórusz; 3-henger

D

3

2

1

gömb

tórusz

membrán

henger

membrán

e2

RP11

e4

DP2

e

rP2

e2

DP3

e4

DP3

29

Héjszerkezetű elemek méretezése belső nyomásra IV.


- Méretezés:

ahol , hidegen hengerelt, varrat nélküli ausztenites korrózióálló acélra

β meghatározható diagramból (f:(0.75+0.2Di/R)P/f, paraméter r/Di), vagy számítási

eljárás eredményeként.

bys

e,e,emaxe P5.0zf2

RPe

s

f

)D2.0R75.0(Pe i

y

5.1

1825.0

i

b

ibr

D

f111

P)D2.0R75.0(e

5.1

Rf

t/2.0p

b

5.1

R6.1f

t/2.0p

b

30

✓ Ellipszis alakú edényfenék

- feltétel: 1.7<K<2.2, ahol K=Di/(2hi)

- méretezése és ellenőrzése ekvivalens a kosárkörbe alakú edényfenékkel, az összefüggésekben

r=Di((0.5/K)-0.08) és R= Di(0.44K+0.02)

✓ Kúpos edényfenék

- alkalmazás:

1: zagyok, szilárd porok, alsó zárófelület (rézsűszög)

2: reaktorok, egyenletesebb gázeloszlás a belépő oldalon

3: átmeneti darab (különböző átmérőjű hengeres övek kapcsolása), változó keresztmetszetű

kolonna

- szabvány alól kivétel: >75°, rövid kúpos kapcsolat, 001.0D

)cos(e

c

a

héjcsatlakozás

Héjszerkezetű elemek méretezése belső nyomásra V.


31

- Méretezés:

A hengeres és a kúpos héj kapcsolata (nagy átmérőn):

1. Kapcsolat sarokgörbület nélkül:

alkalmazási feltételek: a tompavarrattal rögzített kapcsolat a henger és a kúp között

falvastagság csökkenés nélkül jön létre; a hegesztési varrat 100%-ban roncsolásmentes

vizsgálatnak legyen alávetve, kivéve, ha a hegesztésnél a köpenyek falvastagsága 1.4ej

- Méretezés:

A hengeres héj csatlakozás szükséges falvastagsága:

hossza:

A kúpos héj csatlakozás szükséges falvastagsága:

hossza:

)cos(

1

Pzf2

DPe i

con

)cos(

1

Pzf2

DPe e

con

m

con

maxD

)cos(ezf2P

kiDD )cos(e2DD

2ke 2/)DD(D

eim )sin(l)cos(1r2eDD

21ck

1c1eDl

)cos(

eDl 2c

2

jcyl1

e,emaxe

Pzf2

PDe e

cyl

15.0)cos(/11

)tan(

e

D

3

1

j

c

f2

DPe c

j

jcon2

e,emaxe

1l4.1min

)cos(

1

Pzf2

DPe e

con

2l4.1min

Héjszerkezetű elemek méretezése belső nyomásra VI.


32

meghatározása grafikus úton:

Ellenőrzés: iterációs folyamat

2. Kapcsolat sarokgörbülettel:

- a görbület egy tóruszfelület része, amely csatlakozik a hengeres és a kúpos héjhoz

- r<0.3Dc

Méretezés:

f2

DPe c

j15.0

)cos(/11

)tan(

e

D

3

1

j

c

)cos(/11eD

r028.0

jc

2.012.1

1

Héjszerkezetű elemek méretezése belső nyomásra VII.


33

Hengeres csatlakozás: a falvastagság min hossza: >1.4l1; 0.5l1 (ábra!)

Kúpos csatlakozás: a falvastagság min hossza: >1.4l2; 0.7l2 (ábra!)

Ellenőrzés: iterációs folyamat

Hengeres és kúpos héj kapcsolata (kisebb átmérőn):

feltételek:

- e1 falvastagság l1 hosszon, e2 falvastagság l2 hosszon

legyen alkalmazva

- érvényesek az ecyl, econ előírások

Méretezés:

- e1 és e2 felvétele

- s=e2/e1

- ha s<1

- különben

- ha a falvastagságok elfogadhatóak, különben e1 és/vagy e2 értéke

növelendő

Ellenőrzés:

jcyl1

e,emaxe

jcon2

e,emaxe

2

s1

)cos(

ss

2

)cos(2

s1s1

2

5.0)tan(

e

D4.0

1

c

H

Hc

1

D

ezf2P

Hc

1

maxD

ezf2P

Héjszerkezetű elemek méretezése belső nyomásra VIII.


34

✓ Feszültségek hatása elemi csuklóra (egytengelyű fesz. áll.)

- húzó igénybevétel: F növekedésével az elem kiegyenesedik, megnyúlik, elszakad. Stabil állapot.

- nyomó igénybevétel: F növekedésével a csukló a vízszintes erő hatására elmozdul, az elem rövidül,

majd összecsuklik. stabil-labilis-instabil állapot.

- Síkbeli feszültségi állapot (kéttengelyű): lemezek, héjak

- Makroszkópikusan: a kritikus erő függ az anyagjellemzőktől (E, , ReH), a geometriai alaktól

(méretektől).

A stabilitás elvesztése után új alak! (egyenes rúd meghajlik, a héj behorpad)

- kritikus teher: Fkr, Pkr, Mkr: készülékjellemző

Feltételezhető, hogy a szerkezeti elemek stabilitása a szerkezeti anyag struktúrájának

rendezetlenségével hozható kapcsolatba. A húzóigénybevétel a rendezettséget növeli, a

nyomóigénybevétel csökkenti.

A „B” pont egyik esetben az AC tengely irányába mozdul, míg a másik esetben távolodik.

A mechanikai modellek a testek egyensúlyát (rudak, héjak) makroszkópikusan, ill. virtuálisan

kihajlott állapotban vizsgálják és feltételezik, hogy a testre a nyomóerőn kívül makroszkópikus

hajlítónyomaték is hat. Ez az állapot hasonló a mikroszkópikus modellhez (elemi csukló), azonban a

kihajlás megindulásának okát a stabilitási elméletek nem tárgyalják. A kritikus terhelés (stabilitás

vesztés határállapota) nem ok, hanem állapot!

✓ Terhelési esetek

- hidrosztatikus terhelés: az edényt mindenhol ugyanazon nyomás veszi körül

- kitámasztott fenék

- lángcső

- hőfeszültség, hőcserélő csövek


Héjszerkezetű elemek méretezése külső nyomásra I.

35

Héjszerkezetű elemek méretezése külső nyomásra II.

✓ Jellemző horpadási alakzatok

Hálós horpadás

(Yoschimura alakzat)

vékonyfalu henger

Axiális horpadás

gyűrűalakú, csomópontok az

eredeti felületen

Kerületi irányú hullámok

n=4, m=1 (fél)

minden metszetben azonos

Spirálhorpadás

silók, hőfeszültségek,

kitámasztás


36

Héjszerkezetű elemek méretezése külső nyomásra III.

Axiálisan szabadon nyomott cső

(L/D=5.78)

Hálószerű horpadás n=4

kerületi félhullámmal

Kívülről támasztott axiálisan

nyomott cső (száraz hüvelyben)

L/D=5.81

Spirálhorpadás

Kívülről támasztott axiálisan

nyomott cső (zsírozott

hüvelyben) L/D=5.77

Spirálhorpadás


37

Héjszerkezetű elemek méretezése külső nyomásra IV.

✓ Horpadási hullámok értelmezése

- Axiális félhullámok: m (egész számok)

- Kerületi félhullámok: n (egész számok) (n=csomópontok száma a fél keresztmetszeten)

l=l'/

2

l=l'

l=2

l'

csomópont: c=2

félhullám: m=c-1=2-1=1c=3

m=3-1=2

c=5

m=5-1=4

c=0

n=0

c=2

n=2

c=3

n=3c=4

n=4

stabil

alakváltozás


38

Héjszerkezetű elemek méretezése külső nyomásra V.

MSZ EN 134445-3

- általános megjegyzések:

a falvastagság nem lehet kisebb, mint ugyanakkora belső nyomásra adódó falvastagság

nem ausztenites acélok esetén:

ausztenites acélokra:

minimális biztonsági tényező tervezéskor S=1.5, vizsgálati állapotban S=1.1

- Merevítetlen hengeres héjak:

terheletlen hossz:

t/2.0peR

25.1R

t/2.0p

e

h4.0h4.0LLcyl

h4.0LL30 cyl

concyl Lh4.0LL30


39

Héjszerkezetű elemek méretezése külső nyomásra VI.

falvastagság számítása:

1:

2:

3: Pm/Py számítása, majd Pr/Py meghatározása

P<Pr/S, ellenkező esetben ea növelése

R

eP ae

y

R

EeP a

m

2

22

cyl22

2

a

2

2

2

cyl

22

cyl

Z1n)1(R12

e

1Z

n

1

2

Z1n

1

L

RZ


40

Héjszerkezetű elemek méretezése külső nyomásra VII.

- Merevített héjak: (a szabvány részletesen tárgyalja)

a) „erős” merevítés

b) „lágy” merevítés

c) fűtő/hűtő bordázat


41

Kivágások, csonkok héjszerkezeteken I.

- megbomlik a nyomásterhelés okozta membránfeszültségi állapot

- a kivágás peremétől távolodva a zavarás csökken

- görbült edényfalakon kialakított kivágások végtelen nagy síklemezzel modellezhetők, amennyiben

a kivágás mérete a görbületi sugárhoz viszonyítva nem nagy.

✓ Egytengelyű húzófeszültséggel terhelt síklemez (állóhengeres folyadéktartály)

A furat peremén:

(nincs a furatban nyomás)

Feszültségkoncentráció:

Hengeres készülékben (folyadékkal töltött, lapos fenekű hengeres tartály):

a

r

0

0

r

0min

0max3

)30(0

2cos

r

a3

r

a41

r

a1

2 4

4

2

2

2

2

0

r

2cos

r

a31

r

a1

2 4

4

2

2

0

2sin

r

a3

r

a21

2 4

4

2

2

0

xy

2

dra

0r

2cos21

00

xy

00˘90

3180cos21

33

0

0

1K

2K42

2

H

R

e1

D

DK

b

k


42

Kivágások, csonkok héjszerkezeteken II.

✓ Kéttengelyű húzófeszültséggel terhelt síklemez (hengeres edény)

- az előző eset és a 90°-kal elfogatott terhelés szuperpozíciója


✓ Kéttengelyű húzófeszültséggel terhelt síklemez (gömbhéj, kosárgörbe zárófelület)


t01 at022

1

0005.25.03

0005.05.1

e2

PDt0

2

2cos215.02cos21tt21

5.25.2

0

0

1K

1K42

2

H

00023

00023

e4

PDt0

állandó22

2cos212cos2100021

22

0

0

1K

1K32

2

H


43

Kivágások, csonkok héjszerkezeteken III.

✓ A kivágás zavaró hatása

- a közeli kivágások hatása nem hanyagolható el

- a szabad kivágások peremén a lemez szilárdságának

teljes kihasználása mellett a folyáshatárt meghaladó

(fáradást okozó) feszültség ébred (lokális)

- egyedülállónak tekinthető a kivágás, ha a gátméret (tg)

- görbe felületen (héjak):

✓ - lyuksor gátjaiban kialakuló feszültségek (pl csőkötegfal):

Furatok peremén repedések keletkezhetnek

3

r/a1 321.5

1.521.22 1.15

90

d2tg 3

d

dd2

d

dt

d

ta

g

De2tg

4

2

2

2

22

2

)xt(4

d

x4

d

)xt(

1

x

1d187.0k1

e2

DP

42

1d

t2

1

1d

t2

1

2d

t2

1d

t2

k


44

Kivágások, csonkok héjszerkezeteken IV.

✓ Kivágásba illesztett csonk

- szabványos elemek (karima, cső, hengeres toldat)

- csőátmérő: áramlástanilag szükséges keresztmetszet

- falvastagság: nyomásnak megfelelő, szabványos érték

- búvónyílás (DN500, DN600)

Köpeny kialakítása a csonk környezetében (alaptípusok):

merevítés csonkkal Csonk+párnalemez Lemezöv vastagítás

kisméretű csonk közepes méretű kivágás nagy méret, vagy lyuksor

3.0D

d

5.0D

d3.0 5.0

D

d


45

Kivágások, csonkok héjszerkezeteken V.

- légzőfurat szerepe:

hegesztéskor gázok távozása

hegesztési varrat ellenőrzése

furatot lezárni! (korrózió)

✓ Köpeny szilárdságilag szükséges falvastagsága:

- elv: terhelő felületre ható erő =

teherviselő keresztmetszetben ébredő erővel (felület összehasonlító elj.)

- Terhelő felület: Ap (nyomással terhelt felület)

- Teherviselő felület: Af (megengedett feszültséggel terhelt felület)

- mivel Ap technológiai méretekből adott, ezért Af módosítandó, amely tartalmazza a héj

falvastagságát

- a felületek részletes kifejtésével egy v gyengítési tényező fogalmazható meg:

✓ Csonkcsatlakozások kialakítása

csonk, benyúló csonk, tárcsa, tárcsa+benyúló csonk, erősített csonk, kihúzott csonk, rugalmas

csatlakozás,

cseppentőél, gőzbevezetés probléma

ii

AfApP

Ap5.0ApApPP5.0fAfP5.0fAfP5.0fAfAfbsobboppsws

)f,fmin(fbsob

)f,fmin(fpsop

vf2

DPe

)e,e,D,d,l,l(fv

s,ab,aboso


46

Tömítések, karimák I.✓ Nyugvó tömítések

- a készülékek bontható felületei között biztosítja a tömör zárást

- 1-6: lágy tömítések (It, gumi, műanyag lemez, profilos gumi, fonott zsinór, stb.)

- 7-15: részben vagy egészben fémlemezzel borított lágy tömítés (fém: szilárdság, alaktartósság

növelése,

átszivárgás megakadályozása)

- 16-19: spiráltömítések vagy lágy tömítőanyag-fémlemez kombináció közepes nyomásra és nagy

hőmérsékletre (V alakú fémbetét belső nyomásra; fémgyűrűk központosításra és

szilárdságnövelésre)

- 20-29: fémtömítések nagy nyomásra és hőmérsékletre (kis érintkező felület nagy felületi nyomás, az

az élek megfolynak)


47

Tömítések, karimák II.

Tömítőfelületek és tömítések változatai

- a: átmenő tömítés igen lágy tömítőanyaghoz

- f, g: vákuumkészülékekhez

- h: O-gyűrű kismértékű előfeszítés, tömítést a közeg nyomása fejti ki, csavar igénybevétele kicsi


48

Tömítések, karimák III.

Tömítési tényező:

- üzemi állapotban a tömítés feltétele a felületek közötti p0 érintkezési nyomás:

- m tömítési tényező: lágygumi (0.5-1), műanyagok (1.5-3), It lemez (2.25-2.75), spirál fémlemez

betéttel (2.5-3), fémgyűrű (4-6.5)

Karima tömítés teherbírás ellenőrzése:

- csavarterhelések:

szerelési állapotban a minimális csavarerő:

y: min. tömítési nyomás

üzemi állapotban:

a szükséges csavar keresztmetszet:

- karima nyomatékok:

PmP0

PG4

H 2 PmGb2HG

yGbWA

GopHHW

B

op

A,B

A

min,Bf

W;

f

WmaxA

PB4

H 2

D

DTHHH

2

gBCh 1

D

2

GCh

G

4

GBC2h

T

A,B

Bmin,B f2

AAW


49

Tömítések, karimák IV.

szerelési állapotban:

üzemi állapotban:

✓ Karima feszültségek

szerelési állapot:

üzemi állapot:

✓ Tömítés hatásábrája

- a csavarok és a tömítés rugalmas alakváltozása, az

üzemi és a tömítőerő közötti összefüggést ábrázolja

- a tömítési nyomás a csavarok között változik a karima

és a tömítés rugalmas alakváltozása miatt vagy a tömítőfelületek

geometriai egyenetlenségének hatására

- periodikusan lüktető üzemi erő hatására az erők aránya a

rugalmassági viszonyok arányában változik

- meghatározható a minimális tömítőerőhöz és a

tömítés maximális teherbírásához tartozó

szerelési csavarerő

GAhWM

GGTTDDophHhHhHM

1;

5.0m

e6d2

maxC

B

B

F B/AK 00

Bgl

B

CMM F

A

B

CMM F

op

2

1

Hg

M

0

2

0F

rle

M)le333.1(

1K

1K

e

M2

2

r2

y

függvények,,,

VF

lB l

G

2'

1

2 3'

3

Wop

HG

H

WA

l

Erő

H


50

Tömítések, karimák V.

✓ További tulajdonságok, megfontolások

- relaxáció: a tömítés vagy a működő csavar alakváltozás nélküli feszültségcsökkenése; az It-t 4, a

teflon

tömítést 24 óra elteltével ismételten elő kell feszíteni

- tömítések szivárgása: a tömítések anyagán vagy a felületek között átáramló anyagmennyiség

- a karima-igénybevétel csökkentése: az erők hatásvonalának eltolása (pl. kengyeles megoldás

zománcozott készülékeknél)

- jellemző karima kialakítások:

laza karima: nem túl nagy nyomás, alakítható anyagok

kötőgyűrűs karima: megmunkált tömítőfelület

hegesztett lapos karima: korlátozott igénybevétel

összetett készülékkarima

hegesztőtoldatos karima

✓ Kötőelemek (DIN EN ISO 898-1)


51

Tömítések, karimák VI.


52

Tömítések, karimák VII.


vegyipari készülékek tervezése...

Documents