Print

Využití numerických metod pro stanovení tlakové odolnosti technologie

-- 24.04.2017

Společnost ELSA Consulting s.r.o. specializující se na komplexní výpočetní analýzy pro EX-prostředí a průmysl byla vybrána, aby stanovila hodnotu tlakové odolnosti technologie odprášení průmyslové pece nutnou pro správný návrh protivýbuchové ochrany. Příspěvek má za cíl čtenáři ukázat využití numerických výpočtových metod pro stanovení hodnoty tlakové odolnosti technologie. V současnosti, v době kdy je kladen vysoký důraz na bezpečnost, již jinak než výpočtově není možné hodnotu tlakové odolnosti stanovit. Důvodem je, že bez znalosti přesného údaje nelze navrhovat funkční, bezpečné a efektivní systémy protivýbuchové ochrany.  

ÚVOD

Technologie odprášení má za úkol odvést a vyčistit spaliny z průmyslové pece. Svou funkcí a okolním provozem vznikají v technologii ideální podmínky pro vznik výbušné atmosféry. V případě výbuchu uvnitř technologie vzniknou nevratná poškození a deformace. V horším případě může dojít ke kolapsu technologie a v neposlední řadě k úniku nebezpečných zplodin do ovzduší a ohrožení lidských životů. Pro předkládanou technologii není možné zamezit vzniku výbušné atmosféry, to znamená např. odstranit iniciační zdroje. Proto je nutné přistoupit k návrhu protivýbuchové ochrany. Pro všechny typy systému protivýbuchové ochrany je nutná znalost přesné hodnoty tlakové odolnosti chráněné technologie. Díky vyspělé výpočetní technice je pro tyto účely užito metody konečných prvků. Jako podklad pro předkládané numerické simulace sloužila pouze papírová dokumentace k jednotlivým částem technologie. Absence 3D geometrického modelu je pro tyto „historické“ konstrukce typická, proto nositelem informace o geometrii je pouze papírová výrobní dokumentace.

2 OBECNÉ INFORMACE

2.1 POPIS KONSTRUKCE

Celkem tři technologické celky tvoří odprášení průmyslové pece:

První technologický celek je tvořen odtahovým obloukem spalin z pece do potrubí. Jedná se o dvouplášťovou konstrukci s tloušťkou plášťů 10 mm a mezerou 20 mm. Mezera je zajištěná pomocí nýtových spojů.

Druhý technologický celek slouží ke snížení teploty spalin pomocí vodního chlazení. Jelikož dochází ke kontaktu kovových součásti s vodou, bylo součástí posudku i zjištění úbytku materiálu vlivem koroze. Ochlazené spaliny pak kouřovodem vstupují do třetího technologického celku, kde jsou čištěny a následně odtaženy komínem.

2.2 MATERIÁLY

Pro konstrukci byla užita běžně dostupná černá ocel. Materiálové charakteristiky byly kompletně převzaty z původní dokumentace. Nejčastěji použité materiály jsou tyto:

  • 11 373 – konstrukční ocel (S 235 JRG 1, Fe360B)
  • 11 353 – běžná konstrukční ocel (S 235)
  • 17 348 – nerezová ocel (označení dle nových norem 1.4571) 

Návrhová pevnost materiálu je získána jako součin charakteristické pevnosti materiálu a návrhových a redukčních součinitelů. Redukční součinitel pevnosti a dalších mechanických vlastností materiálu byl zvolen na základě podkladů o měření teploty uvnitř zařízení v průběhu tavby. 

2.3 PŘEDPOKLADY VÝPOČTU

Každý výpočet má nutně své okrajové podmínky. Tyto okrajové podmínky jsou nastaveny na základě známých skutečností a možností. 

Plná celistvost konstrukce

Při osobní prohlídce byly zaznamenány časté poruchy celistvosti konstrukce, netěsnosti spojů a viditelné plastické deformace. Pokud by měl výpočet všechny tyto informace brát v úvahu, stal by se nevypovídajícím. Pro účely výpočtu je tedy geometrie konstrukce uvažována v plné celistvosti dle výrobně technické dokumentace.

Úbytek tloušťky materiálu vlivem koroze byl vyhodnocen na základě ultrazvukového měření

Tloušťky jednotlivých částí technologie byly ověřeny ultrazvukovým měřením na několika místech a posléze statisticky vyhodnoceny. Tyto upravené tloušťky byly posléze použity ve výpočtu.

Pružné působení materiálů

Na technologii nebyl přípustný vznik trvalých deformací vlivem působení výbuchového tlaku. Pokud by se uvažovalo s plným využitím materiálu, došlo by k nárůstu hodnoty tlakové odolnosti, avšak na úkor zachování funkčnosti technologie. 

3 VÝPOČET TLAKOVÉ ODOLNOSTI

3.1 GEOMETRICKÝ MODEL KONSTRUKCE

I v tomto projektu se ukázal charakteristický jev již stávajících průmyslových technologií. A to absence 3D geometrického modelu. Komplexní geometrický model včetně návazností jednotlivých částí na sebe byl sestaven na základě investorem dodané papírové dokumentace. Takto připravený geometrický model obsahuje informace o tloušťkách a rozměrech částí konstrukce. 

3.2 NUMERICKÝ MODEL KONSTRUKCE

Geometrický model byl upraven pro potřeby numerického výpočtu. To znamená, že byl vystřednicován, zasíťován a opatřen okrajovými podmínkami (zatížení, uložení). Pro vytvoření sítě konečných prvků bylo užito prvků typu skořepina s velikostí dle řešeného detailu, které věrně popisují chování ocelových tenkostěnných konstrukcí.

3.3 ZATÍŽENÍ KONSTRUKCE

Exponované části konstrukce byly zatíženy tlakem a vystaveny teplotnímu zatížení. Hodnota velikosti tlaku byla zvolena lineárním výpočtem dle napjatosti stěny technologie. Účinky tohoto zatížení byly dále analyzovány nelineárním výpočtem. 

3.4 VYHODNOCENÍ TLAKOVÉ ODOLNOSTI KONSTRUKCE

Hodnota tlakové odolnosti konstrukce byla vyhodnocena pro elastické působení bez trvalých deformací. Výpočtem stanovena velikost tlakové odolnosti byla interpretována na celkovém modelu konstrukce. Výsledky ve formě isoploch ukazují, kde má technologie rezervy a kde naopak zvládá přenést zatížení. Na základě těchto informací lze případně konstrukci zesílit a dosáhnout tak efektivnějšího využití materiálu. 

4 ZÁVĚR

V článku byl představen výpočet tlakové odolnosti průmyslové technologie s využitím výpočetních nástrojů založených na metodě konečných prvků. Samotnému výpočtu předcházelo vytvoření geometrického modelu technologie na základě papírové dokumentace. Pro zjištění korozního úbytku materiálu bylo provedeno ultrazvukové měření tloušťek pláště technologie. Následně byl vytvořen výpočetní model a stanovena velikost tlakové odolnosti jednotlivých částí technologie. 

Hodnota tlakové odolnosti konstrukce bude dále užita pro funkční návrh systému protivýbuchové ochrany. Pokud dojde k instalaci ochranných prvků na bázi odlehčení výbuchu, je bezpochyby nutné provést analýzu odezvy technologie na silové účinky vznikající při odlehčení tak, jak to definují normové požadavky. 

Stanovení hodnoty tlakové odolnosti je jen jedna z oblastí, kde je vhodné užít výpočet pomocí metody konečných prvků. S rostoucím výpočetním výkonem je dnes již možné simulovat kritické a havarijní stavy konstrukce a odhalit tak včas nejslabší místo. Následně je již možné na tyto stavy reagovat např. zesílením konstrukce či přijmout provozní opatření. Pro výše uvedené výpočty je již ale nutné aplikovat know-how nejen z oblasti pevnostních výpočtů, ale také z oblasti chemie, stavebního, strojního a bezpečnostního inženýrství. 

LITERATURA 

[1] ČSN EN 14994 Ochranné systémy pro odlehčení výbuchu plynu. Praha: ÚNMZ, září 2007.

[2] ČSN EN 1991-1-7 Zatížení konstrukcí - Část 1-7: Obecná zatížení - Mimořádná zatížení. Praha: ÚNMZ, říjen 2007.

[3] ČSN EN 13480-3 - Kovová průmyslová potrubí - Část 3: Konstrukce a výpočet, Praha: ÚNMZ, listopad 2013.

[4] ČSN EN 1591-1 Příruby a přírubové spoje - Pravidla pro navrhování těsněných kruhových přírubových spojů - Část 1: Výpočet, Praha: ÚNMZ, květen 2015.

[5] ČSN EN 14460 Konstrukce odolné výbuchovému tlaku, Praha: ÚNMZ, prosinec 2006.

[6] KOVÁŘ M., Rizika návrhu a posouzení protivýbuchové ochrany, www.udrzbapodniku.cz, 5/2016

[7] KOVÁŘ M., PODSTAWKA T., Legislativa týkající se návrhu protivýbuchové ochrany, tlakinfo.cz, 7/2016

Informace o autorech:

Ing. Martin Kovář, Ph.D., martin.kovar@elsaconsulting.eu, Autorizovaný inženýr pro statiku a dynamiku staveb

Ing. Adam Podstawka, adam.podstawka@elsaconsulting.eu 

ELSA Consulting s.r.o., Do Podkovy 176/44, 104 00 Praha 22 – Hájek,

tel. +420 777 157 734, www.elsaconsulting.eu 

Autor: Martin Kovář, Adam Podstawka, ELSA Consulting s.r.o.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

WEBINÁŘ: Trendy v IIoT V
2017-09-13 - 2017-09-13
Místo: webinář
3. ročník konference SMART HOME
2017-09-19 - 2017-09-19
Místo: Grandior Hotel Prague, Na Poříčí 42, Praha, konferenční sál C + D
Moderní metody rozpoznávání a zpracování obrazových informací 2017
2017-09-19 - 2017-09-19
Místo: Technická univerzita v Liberci Budova G, Univerzitní náměstí 1410/1, Liberec (posluchárna G312)
Moderní technologie pro potravinářský průmysl IV
2017-09-20 - 2017-09-20
Místo: Kongresové centrum Praha
Konference CityCON 2017
2017-09-20 - 2017-09-20
Místo: Clarion Congress, České Budějovice

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Štětkova 1638/18
14000 Praha 4
tel. +420739552216

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2017 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI