Grubość ścianki w zbiorniku ciśnieniowym. W czym tkwi sekret?

Od czego zależy grubość ścianki zbiornika ciśnieniowego i w jaki sposób obliczana jest jej wartość? W tekście znajdziecie odpowiedź na te i inne pytania.

Jak obliczyć grubość ścianki zbiornika ciśnieniowego?

Ze względu na bardzo wysokie naprężenia w zbiorniku, wynikające z dużego ciśnienia a niekiedy nawet próżni, produkty te muszą spełniać niezwykle rygorystyczne normy. Od jakości i precyzji wykonania zbiornika zależy nie tylko ich efektywność ale przede wszystkim bezpieczeństwo pracowników.
Inżynier projektujący zbiorniki bierze pod uwagę różne czynniki, mające wpływ na grubość ścianki i w konsekwencji na niezawodność. Oprócz samego ciśnienia może to być kontakt z substancjami chemicznymi o ściernych lub żrących właściwościach, a także dynamicznie zmieniające się temperatury.

Obliczanie grubości ścianki zbiornika ciśnieniowego
Przy wyznaczaniu grubości ścianek elementów zbiornika, jak przy każdym innym zagadnieniu projektowym, bierzemy pod uwagę produkt, stąd ważna jest szczegółowa charakterystyka substancji, o którą pytamy klienta. Zbiorniki ciśnieniowe, które z uwagi na ich zastosowanie, mogą stanowić potencjalne źródło niebezpieczeństwa, objęte są szeregiem regulacji prawnych.
W przypadku krajów UE powszechnie stosuje się dyrektywę PED, a w Stanach Zjednoczonych jest to ASME BPVC. Sposób obliczeń związany jest z określoną normą, dlatego ważna jest wiedza i doświadczenie inżyniera-konstruktora.
Przy kalkulacji uwzględniamy takie zmienne jak; materiał, ciśnienie i temperatura projektowa. Ważna jest gęstość oraz właściwości fizyczne i chemiczne produktu.
Uwzględniamy naddatki materiału na korozję, na ubytek materiału powstały w wyniku tarcia produktu o zbiornik, aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość konstrukcji w przypadku eksplozji materiałów sypkich. Należy także pamiętać, że zbiornik stanowi integralną część instalacji przemysłowych. Dodatkowo skupiamy uwagę na obciążenie króćców, 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. 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 sposób spawania elementów.

Grubość ścianki zbiornika o kulistym kształcie
Kształty 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 zaprojektowania mniejszych grubości przy zachowaniu adekwatnej wytrzymałości. Kształt kulisty zbiornika 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.


Skomplikowane obliczenia i niezbędne narzędzia
W pracy konstruktora, niezbędne są narzędzia kalkulacyjne. Nikt przecież nie oblicza grubości ścianki na kalkulatorze. Zbiornik cienkościenny i grubościenny optymalizowany jest z uwzględnieniem wielu dodatkowych, niestandardowych elementów, mających bezpośredni wpływ na końcową wytrzymałość.
Do takich elementów zaliczyć można chociażby zawory oraz rozmaite łączniki, charakterystyczne dla specyficznej odmiany zbiorników ciśnieniowych w postaci rurociągów i rur. Wszelkie te aspekty muszą zostać zawarte w obliczeniach, więc poziom skomplikowania obliczeń jest bardzo wysoki.
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. Nasi inżynierowie pracują zgodnie z wieloma (nie tylko europejskimi) normami jak:
• EN 13445
• PED 2014/68/EU
• ASME VIII-1
• AD 2000-Merblatt


Przy projektowaniu należy wziąć pod uwagę wszystkie zmienne: produktu i jego właściwości. Niezbędny jest szczery i szczegółowy kontakt z klientem, wiedza, doświadczenie w kalkulacji i nowoczesne narzędzia, które ułatwiają pracę i minimalizują możliwość popełnienia błędu.

Autor tekstu: Wiktor Czerep