CAPITOLUL 3
3.1. Date de proiectare
Prin recipiente sub presiune se întelege orice învelis metalic care contine un fluid (abur, apa fierbinte la peste 100 °C, vapori si gaze diferite la o presiune mai mare decît presiunea atmosferica, în conditii sigure de rezistenta si etanseitate.
Recipientele pot fi stabile (fixe) sau transportabile (butelii). Recipientele stabile sunt fixate pe fundatii sau alte reazeme fixe. Se asimileaza cu recipientele stabile si recipientele fixate pe platforme deplasabile sau pe sisteme mobile proprii. Proiectarea, constructia, exploatarea, repararea si verificarea recipientelor care lucreaza la presiuni mai mari decât 0,07 Mpa sunt supuse unor instructiuni obligatorii cuprinse în prescriptiile tehnice C4-83 si sunt supuse controlului Inspectoratului de Stat pentru Cazane, Recipiente sub Presiune si Instalatii de Ridicat (ISCIR).
Proiectarea unui recipient trebuie sa urmeze o serie de faze, începând cu analiza cerintelor de functionare, alegerea materialelor, stabilirea dimensiunilor principale, efectuarea calculelor de dimensionare (sau de verificare) ale elementelor componente ale acestuia. În final este necesara o analiza a eforturilor din constructie si prin compararea lor cu cele adoptate din calcul sa se treaca la definitivarea solutiei.
În cele ce urmeaza ma voi ocupa de dimensionarea si verificarea virolei, a fundurilor si capacelor si a cordoanelor de sudura ce intra în componenta simulatorului de sudare subacvatica.
Recipientele sub presiune pot fi împartite în recipiente cu perete subtire si recipiente cu perete gros, dupa cum valoarea raportului:
(3.1)
este mai mica respectiv mai mare decât 1,2;
unde: De-diametrul exterior al recipientului
D - diametrul interior
Datele initiale utilizate în proiectarea rezervorului sunt:
presiunea de calcul: pc = 10 bar = 1 MPa;
temperatura de functionare: tf = 20 °C;
viteza de coroziune: vc = 0,2 mm/an;
durata de functionare: Dh = 10 ani.
3.2. Dimensionarea virolei
Incinta folosita este de tip cilindric si este obtinuta dintr-o virola de tabla prin curbare pe valt si sudare pe generatoare. Lungimea tablei se dispune în lungul generatoarei virolei, astfet ca fibrajul obtinut în urma laminarii tablei sa se afle pe directie inelara, directie de solicitare maxima.
Materialele întrebuintate în constructia utilajelor în general si a recipientelor cu perete subtire, în special, trebuie sa satisfaca cerintele tehnice si cele ale tehnologiei de executie (de rezistenta mecanica, rezistenta la coroziune, sudabilitate etc.) ca si cele economice. De fiecare data trebuie ales si prescris materialul corespunzator conditiilor date de functionare.
Materialul ales pentru recipint este OL37.2. Tablele din otel OL37 din clasele de calitate 2, 3 si 4 (STAS-500/2-80) pot fi utilizate numai daca recipientul îndeplineste urmatoarele conditii:
recipientul nu contine substante letale sau explosive
recipientul nu contine substante toxice, inflamabile sau substante care pot provoca coroziune fisurata
produsul D x pm ≤ 200 (D- diametrul interior al recipientului în cm, pm- presiunea maxima admisibila în recipient în MPa
Tablele au dimensiuni standardizate si daca lungimea necesara L este mai mare decât lungimea maxima de tabla existenta, se recurge la îmbinarea prin sudare a doua sau mai multe bucati de tabla, care se aleg astfel încât, doua cusaturi longitudinale ale unei virole sa fie la o distanta mai mare de 800 mm. Pentru o singura asemenea distanta se admite sa fie cel putin 200 mm, ca în figura 3.1.
Fig. 3.1. Modul de dispunere a cusaturilor longitudinale ale unei virole.
Daca distanta dintre cele doua cordoane alaturate este mai mica, apare o rigidizare a zonei respective ceea ce face sa mareasca raza de curbura.
Din punct de vedere ai procesului de valtuire, deci al rigiditatii virolei, se recomanda ca grosimea virolei sa fie corelata cu diametrul acesteia, grosimea minima fiind cea din tabelul 3.1.
Tabelul 3.1. Grosimea minima a virolei în functie de diametrul acesteia
|
Di, mm |
< 400 |
|
|
|
|
Smin, mm |
|
|
|
|
Fig. 3.2. Modul de amplasare a cordoanelor longitudinale.
La recipientele care functioneaza orizontal asa cum este cazul de fata, cordoanele de sudura longitudinate trebuie sa fie amplasate deasupra zonei 270° ca în figura 3.2 pentru a se evita solicitarea suplimentara la întindere a cordonului de sudura.
Tensiunea admisibila fa1 pentru oteluri este data de relatia:
(3.2)
Caracteristicite mecanice de tractiune determinate la temperatura ambianta sunt urmatoareîe:
Nr. crt.
Tipul îmbinarii sudate
Volumul examinarii
Total
Partial
Fara
Îmbinari cap la cap executate automat prin orice procedeu de sudare cu arc electric sau gaze pe ambele fete sau pe o singura fata cu completare la radacina.
Idem nr. crt. 1, însa executate manual.
Îmbinari cap la cap executate prin orice procedeu de sudare cu arc electric sau gaze, numai pe o fata, fara inel sau placa suport la radacina.
Idem nr. crt. 3, cu inel sau placa suport la radacina.
(3.4)
unde: c1- adaos pentru conditiile de exploatare C1 = Vc x Dh = 0,2 x 10 = 2 mm ;
cr1- adaos de rotunjire pâna la grosimea nomonala a tablei cr1 = 0,8.
Relatia pentru calculul grosimii de proiectare sp este valabila daca este îndeplinita conditia :
deci 
(3.5)
se va adopta: sp=10 mm
L = ·Dext = (D+2·sp) = (900+2·10) = 2890 mm (3.6)
L = 1800 mm
unde: L- lungimea necesara de tabla;
l- latimea necesara de tabla.
3.3. Dimensionarea fundurilor si capacelor
În functie de profilul suprafetei mediane a învelisului avem urmatoarea clasificare a fundurilor si capacelor: semisferic, semielipsoidal, sferic cu racordare, sferic fara racordare, plan cu racordare, plan fara racordare.
Pentru presiune atmosferica de lucru sunt preferate capacele plane deoarece aceste sunt mai ieftine si mai usor de executat. La presiuni medii si mari nu este recomandata folosirea capacelor plane deoarece acestea devin prea grele.
Profilul tronconic se evita în general deoarece mareste prea mult: dimensiunea de gabarit, acesta fiind folosit doar când se doreste separarea unor substante solide.
Profilul semisferic are grosimea cea mai mica, având cea mai buna distributie a tensiunilor dar au cote de gabarit mare si sunt mai greu de fabricat. Profilul semielipsoidal este caracterizat prin raportul semiarcelor D / 2H, cu cât acest numar supraunitar este mai mic (spre 1) cu atât tensiunile sunt mai uniform repartizate.
Fundurile si capacele semielipsoidale se executa dintr-o bucata prin ambutisare pe presa, sau din segmente prin sudare. În timpul executiei pe presa a fundurilor si capacelor elipsoidale se produce, în anumite zone, subtierea tablei cu pâna la 10% din grosimea nominala. La alegerea grosimii tablei necesara realizarii unui fund sau capac, de o anumita grosime, trebuie sa se tina seama de aceasta subtiere, precum si de faptul ca tabla se livreaza cu toleranta negativa. Se utilizeaza în mod obisnuit funduri cu H/D1 = 0,25, pentru care tensiunile inelare în zona adiacenta ecuatorului sunt mici. geometria fundurilor si capacelor elipsoidale este data în STAS 7949-81.
Profilele racordate se continua cu o portiune cilindrica, aceasta având rolul de a elimina suprapunerea a doi concentratori de tensiune constituiti din cordonul de sudura si trecerea de la zona profilata la cea cilindrica.
Fig. 3.3. Dimensiunile fundului.
Lungimea partii cilindrice si a fundului, în vederea sudarii cap la cap cu o virola cilindrica, trebuie sa aibe valoarea minima înscrisa în tabelul 3.3.
Tabelul 3.3. Lungimea minima a partii cilindrice în functie de grosimea fundutui
sau elementului racordat
|
Grosimea fundutui sau elementului racordat s, mm |
Lungimea minima a partii cilindrice h, mm |
|
|
|
|
|
S +15 |
|
> 20 |
0,5 x s + 25 |
H/D1 = 0,25 va rezulta ca H = 0,25·D1 = 0,25·900 = 225 mm
Se va lua h1 = 25 mm.
Se vor utiliza funduri si capace semielipsoidale cu înaltimea partii bombate H = 225 smmt si coeficientul de rezistenta al îmbinarii sudate, (fundul este ambutisat) este: z = 0,9.
Pentru funduri si capace utilizam acelasi material ca si la virole: OL37.2(STAS-500/2-80).
Raza interioara de curbura se determina cu relatia:
R = 9002 / 4· 225 = 900 mm în care H = f(D1)
R=D12/4·H (3.7)
Grosimea teoretica a fundului este data de relatia:
Din aceleasi considerente avute în vedere, grosimea adoptata este Spf = 10 mm.
Relatia este aplicabila daca sunt îndeplinite conditiile:
va rezulta ca 
(3.10)
va rezulta ca 
(3.11)
(3.12)
deci 
3.4. Verificarea îmbinarilor sudate
Se face verificarea cordoanelor de îmbinare a virolei si de îmbinare între manta si funduri.
În cazul rezervorului orizontal presurizabil, în cordonul de sudura dispus de-a lungul generatoarei acestuia apar trei tensiuni: sji sjii si sq
sji - tensiune datorata presiunii interne p, care actioneaza asupra capacelor si duce la întinderea mantalei;
sjii - tensiune datorata efectului de încovoiere ai rezervorului considerat ca bara si încarcat prin sarcina uniform distribuita q, datorata greutatii proprii rezervorului si a lichidului înmagazinat;
sq - tensiune tangentiala, obtinuta prin ecuatiile de echilibru ale fortelor specifice din manta datorate tot presiunii interne p.
Cordonul de sudura ce realizeaza îmbinarea virolei este supus unei solicitari biaxiale, tensiunile din cordon se determina folosind ipoteza a patra de rezistenta:
k- coeficient de concentrare; k = 1
- factor de calitate; = 1 la compresiune
= 0,8 la întindere
a- tensiunea admisibila a materialului de baza considerat, în cazul nostru OL.37.2.
a = 150 N/mm2
Determinarea tensiunilor sji si sq se face aplicând teoria de membrana fara moment si sunt date de relatiile urmatoare:
(3.14)
(3.15)
(3.19)
Caracteristicite mecanice de tractiune determinate la temperatura ambianta sunt urmatoarele:
(3.20)
Ţinânnd cont de adaosul pentru conditiile de exploatare (coroziune si/sau eroziune) rezulta grosimea de proiectare, sp:
(3.21)
unde: c1- adaos pentru conditiile de exploatare C1 = Vc x Dh = 0,2 x 10 = 2 mm;
cr1- adaos de rotunjire pâna la grosimea nomonala a tablei cr1 = 0,8.
Relatia pentru calculul grosimii de proiectare sp este valabila daca este îndeplinita conditia:
deci 
se va adopta: sp = 12 mm;
L = ·Dext = (D+2·sp) = (486+2·12) = 1600 mm (3.23)
L = 220 mm
unde: L este lungimea necesara de tabla;
l- latimea necesara de tabla'
Spre deosebire de gura de vizitare, care este obtinuta din tabla corbata si sudata pe generatoare, gura de cap este obtinuta din teva.
Dimensionare gurei de cap, calculul de rezistenta a cesteia cuprinde:
Tensiunea admisibila este aceeasi ca si în cazul anterior, fiind acelasi material.
(3.24)
Grosimea teoretica a peretelui gurei de vizitare de determina cu relatia:
(3.25)
Ţinânnd cont de adaosul pentru conditiile de exploatare (coroziune si/sau eroziune) rezulta grosimea de proiectare, sp:
(3.26)
Relatia pentru calculul grosimii de proiectare sp este valabila daca este îndeplinita conditia:
deci 
(3.27)
se va adopta: sp = 8 mm;
L = ·Dext = (D+2·sp) = (394 + 2·8) = 1290 mm; (3.28)
L = 140 mm.
3.6. Calculul de compensare a orificiilor
Compensarea orificiilor aflate pe elementele de recipient, (cilindrice, conice, funduri, capace) supuse la presiune pe partea interioara se face atunci când:
rezulta ca 
(3.29)
3.6.1. Calculul de compensare a orificiilor zolate
Efectuarea unor orificii în corpul recipientului, de exemplu pentru sudarea unui racord, determina o slabire a peretelui recipientului si o concentrare a tensiunii în zona orificiului. Pentru a compensa aceste efecte nefavorabile se întareste peretele recipientului prin adaugarea în zona orificiului a unei arii de material egala cu cea îndepartata prin practicarea orificiului. Aceasta se poate face prin prevederea unui inel de compensare pe o parte sau pe ambele parti ale peretelui care se sudeaza la mutarea racordului sau prin îngrosrea peretelui. Cea mai avantajoasa metoda este compensarea cu doua inele.
Un orificiu se considera izolat daca distanta fata de cel mai apropiat satisface conditia:
unde Dc = D - diametrul
interior al recipientului (3.30)
deci: 
(3.32)
deci va rezulta ca: 
Distanta dintre suprafetele exterioare a doua
orificii este: (3.33)
unde Dc = D - diametrul interior al fundului rezervorului
Înlocuind vom obtine 
Diametrul maxim al orificiului ce nu necesita compensare este:
(3.34)
înlocuind vom obtine: 
Deoarece orificiul proiectat pe fundul semielipsoidal are diametru cu mult mai mic decât 528 mm, nu este necesara compensarea lui,sau a oricarui alt orificiu cu diametrul mai mic decât 528 mm.
|
