Elemente de calcul mecanic al utilajelor din industria chimica

(1)

în care masa corodata exprimata în , este densitatea materialului corodat, în iar reprezinta nr. orelor de functionare dintr-un an. Pentru utilajul din industria chimica se folosesc materiale pentru care .

Materiale metalice

Materiale feroase

Fierul moale, sub forma tehnic pura are plasticitate deosebita, rezistenta redusa si este scump; se utilizeaza foarte rar, de exemplu la recipientele de înalta presiune, pentru garnituri metalice masive. Aliajele fierului cu carbonul - otelurile si fontele - au cea mai mare întrebuintare la realizarea utilajelor pentru industria chimica.

Fonte

Fontele sunt aliaje de fier cu C cu adaosuri de Si, Mn,P si maximum S. Aceste fonte se considera nealiate. La fontele aliate mai intervin si alte elemente ca: nichel, crom, cupru, etc. prin aplicarea unor tratamente termice corespunzatoare pot fi îmbunatatite caracteristicile lor mecanice. Fontele constituie cel mai ieftin material metalic pentru turnare, cu foarte bune proprietati tehnologice, însa cu rezistenta la tractiune relativ mica.

Fontele nu se utilizeaza în urmatoarele cazuri:

pentru utilaje sub presiune care contin substante letale, toxice, explozive sau inflamabile;

daca temperatura peretelui utilajului sub presiune este mai mica decât ;

pentru elementele încalzite cu flacara directa sau cu gaze de ardere a caror temperatura este mai mare decât , pentru fonta cenusie si de , pentru fonta modificata (datorita umflarii fontei sub actiunea coroziunii gazoase);

daca exista pericolul cresterii necontrolate a presiunii si temperaturii ca urmare a ambalarii reactiei chimice

Fonta este un material anizotrop, rezistenta sa depinde de directia solicitarii si de tipul de solicitare. Fontele rezista cel mai bine la solicitari de compresiune. Rezistenta de rupere la compresiune a fontei este de ori mai mare decât rezistenta de rupere la tractiune, iar rezistenta de rupere la încovoiere este de circa doua ori mai mare decât cea la tractiune. Rezistenta la forfecare este de asemenea, scazuta. fonta amortizeaza vibratiile si socurile mai bine decât otelul si are o rezistenta mai buna la fluaj. Fonta este în general casanta si deci periculoasa la rupere care are loc brusc, de cele mai multe ori fara deformari prealabile. Fontele nu poseda plasticitate, motiv pentru care ele nu pot fi matritate sau forjate; se toarna bine, se prelucreaza usor prin aschiere; la rece se sudeaza dificil.

Fontele cenusii

Fontele cenusii (STAS 568-75) sunt aliaje ale fierului cu carbon. Notarea fontelor cenusii se face indicând simbolul fontei Fc, urmat de un nr. care indica valoarea minima a rezistentei la rupere exprimata în MPa; de ex. Fc 150 STAS 568-75 este o fonta cenusie ce rezistenta de rupere la tractiune minima de 150 MPa. Fontele încalzite cu gaze industriale la temperaturi ridicate un timp îndelungat sau supuse unor încalziri si raciri repetate se umfla ca rezultat al oxidarii interne ce formeaza produsi de coroziune voluminosi. Continutul de sulf al fontelor le micsoreaza rezistenta la coroziune intercristalina. O asemenea coroziune care apare la actiunea solutiilor alcaline fierbinti si concentrate poarta numele de fragilizare caustica sau alcalina. Fonta cenusie rezista bine la actiunea solutiilor diluate de alcalii.

Fontele modificate

Fontele modificate rezulta din fonte cenusii, adaugându-le cantitati mici de elemente grafitizante (silico-calciu, silico-aluminiu, fonta silicioasa). Fontele modificate sunt mai scumpe decât fontele cenusii; datorita unei structuri mai fine si mai uniforme sunt mai rezistente la sarcini dinamice, la uzura si au o rezistenta chimica mai buna decât fontele cenusii.

Fontele cu grafit nodular

Sunt fonte cenusii modificate prin adaugarea unor elemente de aliere, ca magneziul sau aliaje de magneziu. Aceste fonte au rezistenta ridicata atât la solicitari statice cât si la solicitari variabile. Aceste fonte turnate în piese se noteaza cu simbolul Fgn urmat de un nr. care indica rezistenta la tractiune, în MPa si de înca un nr. care arata alungirea la rupere, în procente. De exemplu, fonta cu grafit nodular cu rezistenta la tractiune de 450 MPa si alungirea la rupere, de 5% se noteaza Fgn 450-5 Stas 6071-75.

/mm², dupa care se înscrie clasa de calitate (cu cifre de la 1 la 4), urmate de una din literele k, kf, s, n, reprezentând gradul de calmare (k - calmat, kf - calmat suplimentar cu aluminiu, s - semicalmat, n - necalmat). Pentru constructii rezistente la coroziune atmosferica se utilizeaza otelurile simbolizate cu literele RCA (otel cu continut de ) si cu RCB (otel cu continut de ), urmate de doua cifre care reprezinta valoarea rezistentei minime la rupere le tractiune, exprimata în daN/mm².

otelurile carbon de calitate pentru constructia de masini (STAS 880-80), destinate a fi tratate termic, se simbolizeaza prin literele OLC, urmate de un nr. care reprezinta aproximativ continutul mediu de carbon în sutimi de procente. La otelurile carbon de calitate superioare (cu limita superioara pentru continutul de sulf), notarea se completeaza cu simbolul X, iar la otelurile cu continut controlat de sulf, cu simbolul S. Ex.: OLC 45XS STAS 880-80.

Otelurile carbon si slab aliate, destinate tablelor laminate la cald pentru cazane si recipiente sub presiune (STAS 2883-80), se noteaza dupa cum urmeaza:

otelurile pentru temperatura ambianta si temperaturi scazute se simbolizeaza cu litera R urmata de un nr. care indica valoarea minima a rezistentei la rupere la tractiune, exprimata în daN/mm² si de clasa de calitate. Ex.: R 44.4b STAS 2883

otelurile carbon pentru temperatura ambianta si temperaturi ridicate se simbolizeaza cu litera K urmata de un nr. care indica valoarea minima a rezistentei la rupere la tractiune, exprimata în daN/mm², dupa care printr-o cifra si o litera se indica clasa de calitate. Ex.: K 41.2b STAS 2883

oteluri cu granulatie fina livrate sub forma de tabla (cu grosimi între 4 si 100 mm) pentru constructii sudate (STAS 9021-80), au rezistenta mare la rupere fragila; se noteaza cu simbolul OCS. Ex.: OCS 52-5a STAS 9021-80 (, clasa de calitate 5a),

oteluri cu granulatie fina slab aliate sub forma de table groase pentru recipiente sub presiune (STAS 11502-80) sferice, cilindrice, etc. (pentru gaze lichefiate si gaze comprimate) care lucreaza la temperaturi joase si pentru structuri puternic solicitate, se simbolizeaza cu R si RV urmate de un nr. care indica valoarea rezistentei minime la rupere la tractiune, în daN/mm². Ex. : RV 52 STAS 11502-80.

otelurile carbon cu literele OLT urmate de un nr. care indica rezistenta la rupere la tractiune exprimata în daN/mm²

Recipiente sub presiune

Recipientele sub presiune sunt componente esentiale în instalatiile din industria chimica si petrochimica, din industria energetica nucleara sau conventionala, precum si în alte domenii de vârf, cum ar fi constructiile aerospatiale sau submarine.

Cu toate ca solicitarea de baza a acestui tip de utilaje este presurizarea uniforma sau neuniforma, interioara sau exterioara, pe lânga presiune, ele trebuie sa faca fata, de cele mai multe ori, si unor sarcini suplimentare de natura mecanica sau termica. Sarcinile de natura mecanica pot actiona la suprafata recipientului sau pot fi sarcini masice, adica sarcini care actioneaza în volumul elementelor ce materializeaza utilajul. În ceea ce priveste sarcinile de natura termica, acestea apar datorita fluxurilor calorice care introduc gradienti de temperatura, provocând dilatari sau contractii neuniforme ale materialului de constructie. Nu trebuie pierdut din vedere faptul ca solicitarile de natura mecanica sau termica pot fi constante în timp sau variabile, influentând durata de viata a utilajului. La aceste solicitari se adauga uneori actiuni chimice (coroziune), actiuni de abraziune, cavitatie sau iradiere. Complexitatea starii de tensiune impusa de actiunea simultana a unora din aceste sarcini a condus la adoptarea unor metode specifice de calcul pentru recipientele sub presiune, cum ar fi: calculul la oboseala, calculul în conditii de fluaj, calculul în conditii de soc mecanic sau termic, calculul în conditii de coroziune, iradiere sau oboseala termica, etc.

Recipiente cilindrice

Calculul corpului cilindric supus actiunii presiunii interioare

Recipientele cilindrice sunt în prezent cele mai folosite tipuri de recipiente, fiind alcatuite, de obicei, dintr-un corp cilindric si doua capace (figura 1). Cu toate ca în practica se pot întâlni recipiente cu diferite tipuri de capace, în figura 1 a fost reprezentat un recipient prevazut cu doua capace semielipsoidale, deoarece acestea sunt cel mai frecvent utilizate în constructia recipientelor sub presiune.

Figura 1. Partile componente ale unui recipient cilindric

1 - corp cilindric (virola); 2 - capac semielipsoidal;
3 - cordon circular de sudura; 4 - cordon de sudura dupa generatoare

În ceea ce priveste corpul cilindric, element care constituie obiectul de studiu, acesta este definit prin marimile geometrice indicate în figura 2.

Figura 2. Elementele geometrice ale corpului cilindric al unui recipient sub presiune

Se face precizarea ca toate notiunile de calcul prezentate în continuare se refera la recipientele care îndeplinesc conditia    , adica se încadreaza în categoria recipientelor cu perete subtire (învelisuri).

Sub actiunea presiunii interioare, în corpul cilindric al recipientului se instaleaza o stare biaxiala de tensiuni:

- - tensiunea meridionala (axiala) de întindere;

- - tensiunea inelara (tangentiala) de întindere.

Aceasta stare de tensiuni este ilustrata în figura 3, unde este reprezentat un element de suprafata al corpului cilindric, cu înaltimea si latimea .

Figura 3. Starea de tensiuni a unui element de învelis cilindric

- tensiunea axiala; - tensiunea inelara

(1)

în care A este aria suprafetelor capacelor; se face mentiunea ca în relatia anterioara s-a aproximat aceasta suprafata cu o suprafata circulara plana, cu diametrul (cazul unui capac plan).În continuare, pentru determinarea tensiunii axiale se are în vedere ca forta F se repartizeaza pe suprafata sectiunii transversale A₁, a corpului cilindric:

(2)

de unde:

(3)

Calculul tensiunii inelare

Tensiunea inelara de întindere apare datorita actiunii presiunii interioare asupra peretelui corpului cilindric al recipientului. Dupa cum se observa din figura 5 tensiunea inelara actioneaza în directia tangentei la învelis. Pentru determinarea acestei tensiuni se scrie ecuatia de echilibru a proiectiilor fortelor care solicita elementul de învelis, pe directia razei recipientului (axa OP din figura 5):

Figura 5. Schema de calcul pentru tensiunea inelara

(4)

(5)

În relatia anterioara, produsul reprezinta aria suprafetei elementului de învelis, iar produsul reprezinta aria suprafetei elementare pe care actioneaza tensiunea inelara (figura 3). Pentru rezolvarea ecuatiei 5 se are în vedere ca:

(6)

si se face aproximatia:

(7)

În urma înlocuirilor, relatia 5 devine:

(8)

de unde:

(9)

Comparând relatiile 3 si 9 se poate observa ca pentru recipientele cilindrice tensiunea inelara este de doua ori mai mare decât tensiunea axiala .

Calculul grosimii de rezistenta a corpului cilindric

Ţinând cont ca sub actiunea presiunii interioare în peretele corpului cilindric se instaleaza o stare biaxiala de tensiuni, pentru calculul grosimii de rezistenta, , a peretelui se foloseste tensiunea echivalenta:

(10)

Daca în relatia 10 se exprima diametrul mediu în functie de diametrul interior si grosimea de rezistenta, rezulta:

(11)

si

(12)

Deoarece în calculele de dimensionare se foloseste întotdeauna tensiunea admisibila a materialului de constructie, relatia finala de calcul a grosimii de rezistenta a corpului cilindric este:

(13)

în aceasta relatie este tensiunea admisibila a materialului de constructie al recipientului la temperatura maxima de functionare:

(14)

unde:

- limita de curgere a materialului de constructie la temperatura de functionare;

- limita de rupere a materialului de constructie la temperatura de functionare;

- coeficient de siguranta la curgere; (cu exceptia materialelor turnate); pentru fluide periculoase (toxice, inflamabile, explozibile),

- coeficient de siguranta la rupere; (cu exceptia materialelor turnate); pentru fluide periculoase,

z - coeficient de rezistenta al îmbinarii sudate; pentru corpuri cilindrice obtinute dintr-o teava fara sudura, .

În cazul în care recipientul contine un lichid, presiunea interioara se înlocuieste prin presiunea de calcul, , care tine cont atât de presiunea interioara, cât si de presiunea hidrostatica, , datorita prezentei lichidului în recipient. Presiunea hidrostatica se ia în considerare numai daca depaseste 5 % din valoarea presiunii interioare.

Determinarea grosimii de proiectare a corpului cilindric

Grosimea de proiectare, , tine cont, de particularitatile mediului de lucru si ale tehnologiei de fabricatie. Astfel, relatia de calcul pentru grosimea de proiectare este:

(15)

unde:

- este adaos pentru conditiile de exploatare, acest adaos reprezinta grosimea suplimentara care se adaoga la elementele recipientului susceptibile de a se subtia prin coroziune sau eroziune; în cazul prezentei unui mediu de lucru agresiv din punct de vedere chimic, se calculeaza cu relatia: unde este viteza de coroziune exprimata în mm pe an si nr. de ani de functionare.

- este adaos de rotunjire, care tine cont de valoarea grosimii standardizate imediat superioare a tablei, de abaterea negativa la grosime, precum si de adaosul tehnologic.

Grosimea minima a corpului cilindric (sau capacelor) executate din tabla este de 2,5 mm pentru oteluri carbon si slab aliate, cu exceptia otelurilor inoxidabile austenitice. Daca elementul de constructie al recipientului sub presiune este obtinut prin turnare, grosimea sa trebuie sa fie cel putin egala cu 6 mm pentru otel si 4 mm pentru fonta. În cazul în care presiunea din recipient este mai mica decât presiunea atmosferica, adica recipientul este vidat, grosimea peretelui recipientului se determina din conditia de stabilitate a acestuia, considerându-se ca presiunea exterioara de calcul la stabilitate este de 0,1 MPa. În cazul în care recipientul vidat este prevazut cu manta, pentru determinarea presiunii exterioare de calcul la stabilitate se adauga 0,1 MPa la presiunea relativa a agentului termic din manta. Daca recipientul sub presiune este prevazut cu o asamblare cu flanse între corpul cilindric si capac, grosimile corpului si capacului se vor adopta în conformitate cu grosimea minima a elementelor pe care se pot suda flansele alese, prevazuta în standardul flanselor respective.