vegyipari készülékek tervezése...
TRANSCRIPT
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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
10
Méretezési alapadatok III.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• Megengedett feszültségek
13
Feszültséganalízis I.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
✓ 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• A feszültséganalízis során feltételezzük, hogy
- az anyag követi a Hooke törvényt
- az anyag izotróp
- az elmozdulások és az alakváltozások kicsinyek
16
Falvastagság definíciók
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
19
Szerkezeti anyagok III.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
20
Szerkezeti anyagok IV.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
• 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
- 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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
40
Héjszerkezetű elemek méretezése külső nyomásra VII.
- Merevített héjak: (a szabvány részletesen tárgyalja)
a) „erős” merevítés
b) „lágy” merevítés
c) fűtő/hűtő bordázat
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
42
Kivágások, csonkok héjszerkezeteken II.
✓ Kéttengelyű húzófeszültséggel terhelt síklemez (hengeres edény)
- az előző eset és a 90°-kal elfogatott terhelés szuperpozíciója
Feszültségkoncentráció:
✓ Kéttengelyű húzófeszültséggel terhelt síklemez (gömbhéj, kosárgörbe zárófelület)
Feszültségkoncentráció:
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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)
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
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)
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
51
Tömítések, karimák VI.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.
52
Tömítések, karimák VII.
Miskolci Egyetem Vegyipari Gépek TanszékeNYOMÁSTARTÓ RENDSZEREK I.