Jak obliczyć ściankę zbiornika ciśnieniowego?
Jeśli zastanawiasz się od czego zależy grubość ścianki zbiornika ciśnieniowego i w jaki sposób obliczamy wartości dla poszczególnych aplikacji, odpowiedź znajduje się w tym tekście. Wiktor Czerep, nasz ekspert z zakresu kalkulacji, przybliżył to zagadnienie i opowiedział o narzędziach, jakie stosuje w Gpi Poland.
Jak obliczyć grubość ścianki zbiornika ciśnieniowego?
Projektowanie zbiorników oraz reaktorów przeznaczonych dla chemicznego sektora przemysłu to wyjątkowo skomplikowane zadanie. Nierzadko jest ono związane z bardzo nietypowymi, specyficznymi dla określonego zlecenia wymaganiami. W ramach niniejszego wpisu przedstawimy najważniejsze z wyzwań, które stoją przed inżynierami w tym zakresie oraz skupimy się na zaprezentowaniu ogólnych metod umożliwiających obliczanie grubości ścianki zbiornika ciśnieniowego.
Nie będzie to oczywiście szczegółowa instrukcja projektowania, na której można byłoby oprzeć konkretną realizację. Zamiast tego pozwoli jednak ukazać zagadnienie w sposób poglądowy, stanowiąc tym samym dobry punkt wyjścia dla osób zainteresowanych dalszym zgłębianiem tematu.
Ze względu na bardzo wysokie naprężenia w zbiorniku tego rodzaju, wynikające z ponadprzeciętnie dużego ciśnienia, a niekiedy nawet konieczności wytrzymywania próżni, wyroby te muszą spełniać niezwykle rygorystyczne normy. Od ich jakości i precyzji wykonania zależy bowiem nie tyle nawet sama efektywność urządzeń bazujących na tych podzespołach, ile bezpieczeństwo pracowników określonego przedsiębiorstwa.
Inżynier podejmujący się projektowania zbiorników musi brać pod uwagę wszelkie czynniki, rzutujące na docelową niezawodność ich pracy. Oprócz samego ciśnienia mogą to być m.in. aspekty, takie jak kontakt z substancjami chemicznymi o ściernych lub silnie żrących właściwościach, a także skrajne, dynamicznie zmieniające się temperatury.
Najpoważniejszą konsekwencją niedopatrzeń podczas etapu opracowywania projektu może być znacząco zwiększone ryzyko wybuchu uzyskanej na jego podstawie konstrukcji. Jednym z kluczowych czynników, aby temu zapobiec, jest właśnie precyzyjne wyliczenie minimalnej grubości ścianki w zbiorniku ciśnieniowym. Poniżej przedstawiamy zatem najbardziej podstawowe schematy, zgodnie z którymi możliwe jest uzyskanie wspomnianej wartości.
Obliczanie grubości ścianki zbiornika ciśnieniowego
Przy wyznaczaniu grubości ścianek elementów zbiornika, jak przy każdym innym zagadnieniu projektowym, należy wziąć pod uwagę różne zmienne. Produkt, zadeklarowany przez klienta, jest zawsze punktem wyjścia do całej kalkulacji. Zbiorniki ciśnieniowe, które z uwagi na ich przeznaczenie, mogą stanowić potencjalne źródło niebezpieczeństwa, objęte są szeregiem regulacji prawnych, zależnych od danego kraju.
W przypadku krajów UE powszechnie stosuje się dyrektywę PED, a w Stanach Zjednoczonych jest to ASME BPVC itd. Metodologia obliczeń związana jest z określoną normą, stąd ważna jest dedykowana wiedza i doświadczenie konstruktora.
Podczas kalkulacji uwzględnia się takie zmienne jak; materiał, ciśnienie czy temperatura projektowa. Równie ważna jest gęstość oraz właściwości fizykochemiczne produktu.
Często uwzględniamy naddatki materiału na korozję, na ubytek materiału powstały w wyniku tarcia produktu o ściankę zbiornika, czy aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość konstrukcji w przypadku eksplozji materiałów sypkich. Należy także pamiętać, że zbiornik nie jest „zawieszoną w powietrzu konstrukcją” i zwykle stanowi integralną część bardzo obszernych instalacji przemysłowych. Co jeszcze bierzemy pod uwagę? Obciążenia króćców, zamontowane mieszadła, platformy obsługowe i umiejscowienie zbiornika.
Zbiorniki znajdujące się na zewnątrz poddawane są silnym porywom wiatru, a nawet wstrząsom sejsmicznych, które mają duży wpływ na wymagane grubości, szczególnie w miejscach wsparcia konstrukcji. Nieraz sam charakter procesu zachodzący w zbiorniku wymaga dodatkowej analizy zmęczeniowej, która warunkuje przekroje ścianek. Nie bez znaczenia pozostają kwestie takie jak; forma wytwarzania prefabrykatów, stopień kontroli powykonawczej i dobór sposobu spawania elementów.
Grubość ścianki zbiornika o kulistym kształcie
Kształty zarówno sferyczne jak i semisferyczne ujęte są praktycznie w każdej normie projektowej. Z uwagi na charakter rozkładu naprężeń w powłoce, możemy powiedzieć, że mają najdogodniejszy kształt, co powoduje możliwość stosowania mniejszych przekrojów elementów przy zachowaniu stosowniej wytrzymałości.
Z tego powodu, kulisty kształt zbiorników znajduje zastosowanie głównie w magazynowaniu gazu pod wysokim ciśnieniem.
„Z mojego doświadczenia wynika, że w Europie rozpowszechnione są głównie dennice koszykowe według normy DIN28011 oraz DIN28013. Jak przy każdym zagadnieniu inżynierskim tak i w tym przypadku na dobór kształtu dennicy ma wpływ wiele czynników. Do głównych należą: wytrzymałość, wymogi procesowe oraz budżet”.
Wiktor Czerep
Special Engineer
Gpi
Skomplikowane obliczenia i niezbędne narzędzia
Przedstawione wcześniej zmienne stanowią istotną bazę dla inżynierów, którzy w codziennej pracy wspierają się szeregiem narzędzi do kalkulacji. Zbiornik cienkościenny, jak i jego grubościenny odpowiednik, w zależności od potrzeb klienta optymalizowany jest z uwzględnieniem wielu dodatkowych, niestandardowych elementów, mających bezpośredni wpływ na uzyskiwaną finalnie wytrzymałość.
Do takich elementów zaliczyć można, chociażby zawory oraz rozmaite łączniki charakterystyczne dla specyficznej odmiany zbiorników ciśnieniowych w postaci rurociągów i rur.
Wszelkie aspekty muszą zostać finalnie zawarte w obliczeniach, więc równania wykorzystywane naprawdę cechują się wysokim stopniem skomplikowania.
„W mojej pracy, szczegółowe informacje od klienta dotyczące przeznaczenia zbiornika są bazą do rzetelnych obliczeń. W Gpi polegamy między innymi na naszym autorskim programie TankDesign2 oraz Visual Vessel Design”. Wiktor Czerep, Special Engineer Gpi Poland.
Zbiorniki ciśnieniowe w Gpi
To, co wyróżnia Gpi to przede wszystkim elastyczność i bogate doświadczenie w projektowaniu zbiorników ciśnieniowych. Możliwości są duże, ponieważ inżynierowie pracują zgodnie z wieloma (nie tylko europejskimi) normami. Konstruktorzy wykonują stosowne obliczenia i proponują najlepsze rozwiązanie zgodne ze specyfiką i potrzebami odbiorcy. Opracowujemy harmonogram testów i inspekcji, a wszelkie szczegóły omawiamy z klientem na bieżąco.
Normy i standardy zgodnie z którymi projektowane są zbiorniki ciśnieniowe w Gpi to:
- EN 13445
- PED 2014/68/EU
- ASME VIII-1
- AD 2000-Merkblatt
Dowiedz się więcej o naszych zbiornikach dla przemysłu chemicznego.
Nasi eksperci są otwarci na pytania i chętnie służą radą. Pozostaw kontakt, a my odezwiemy się w możliwie najkrótszym czasie.
