3. Řízení nebezpečí ve fázi návrhu tlakové sestavy závislých na vlastnostech materiálu
1. Stanovená životnost
Účastníci projektu by se měli dohodnout na požadované životnosti celého zařízení. Toto nazveme „Stanovenou životností“.
Stanovená životnost (Ls) celého potrubního systému je minimální životnost celého systému určená všeobecnými podmínkami, normou nebo smluvně mezi výrobcem a odběratelem. Hodnota bezpečných výpočtových životností jednotlivých kritických míst na zařízení musí být vždy vyšší než minimální životnost celého systému. Není-li takto životnost stanovena, pracuje projekt dále s životností obvyklou, což je u potrubí 20 let.
Účastníci projektu by též měli odhadnout nebo s určitou pravděpodobností určit rozsah hodnot provozního zatížení potrubí.
Od této stanovené životnosti se odvodí korozní přirážka (v případě uhlíkových ocelí), erozní přirážka (v případě existence dvou fází v potrubí), počet cyklů pro nízkocyklovou únavu (v případě kovových potrubí), počet provozních hodin pro creep (v případě kovových potrubí) a velikost materiálových hodnot pro výpočet potrubí z plastu. Opět zde korespondují druhy mezních stavů a druhy nebezpečí.
V následujících kapitolách jde o řízení rizik pasivní bezpečností.
2. Porušení pevnosti potrubí při korozi/erozi
Ošetření možnosti porušení pevnosti potrubí při korozi/ erozi ve fázi návrhu spočívá v určení dovolené hodnoty korozního či erozního přídavku pro dobu stanovené životnosti v následném pevnostním výpočtu ve stavu jako by bylo potrubí zkorodované či z erodované.
Všeobecně platí, že při úbytku stěny potrubí nad dovolenou mez, hrozí lom v nejvíce namáhaném místě. Zde koresponduje riziko s mezním stavem, který je též nazývaný a počítaný jako kontrola pevnosti.
Mezní stav je však ten samý, jako když stoupne napětí nad dovolenou hodnotu, tj. kontrola pevnosti při maximálně dovoleném snížení tloušťky stěny korozí či erozí.
V projektu se podle klasifikace vnějšího prostředí potrubí navrhne nátěrový systém. Při jeho poškození v průběhu provozu se musí opravit či obnovit. Nátěrový systém zvyšuje odolnost potrubí proti korozi
Podle ČSN EN ISO 12944-2 se vnější prostředí dělí do následujících stupňů:
Šest stupňů korozní agresivity atmosféry:
C1 velmi nízká
C2 nízká
C3 střední
C4 vysoká
C5-I velmi vysoká, průmyslová
C5-M velmi vysoká, přímořská
Tři stupně korozní agresivity vody a půdy:
Im1 ponor do sladké vody
Im2 ponor do mořské nebo brakické vody
Im3 ponor do půdy
3. Porušení únavové únosnosti
3.1. Zjišťování únavové únosnosti – všeobecná část
Ošetření možnosti porušení únavové únosnosti ve fázi návrhu spočívá v určení maximálního počtu zatěžovacích cyklů pro předem stanovenou životnost a v jeho porovnání s dovoleným počtem zatěžovacích cyklů. Dovolený počet zatěžovacích cyklů je odvozen z únavových křivek uvedených v příslušných normách. Tento počet dovolených cyklů je korigován konkrétní konstrukcí. A to zejména těmito součiniteli:
- součinitel vlivu konkrétního tvaru potrubí, roztříděním do tříd K1, K2, K3
- součinitel vlivu tloušťky stěny potrubí, Fd
- součinitel vlivu určující výpočtové teploty, Ft
- napěťový součinitel η
Tyto součinitelé jsou definovány též v jednotlivých výpočtářských normách. Únavová křivka v normě ČSN EN 13480-3 je takováto:
Obr. Únavové křivky. Horní křivka je pro základní materiál a tři dolní jsou pro různé třídy svarů K1, K2, K3
Dovolený počet cyklů můžeme odečíst z uvedeného obrázku únavových křivek anebo ho můžeme vypočítat – vzorec platí pouze pro rozsah od hodnoty B do meze únavy (tj. část křivky se sklonem):
kde N je maximální dovolený počet cyklů účinků zatížení odvozené z únavové křivky
m je koeficient sklonu únavové křivky.
2σa je rozkmit napětí pro výpočet únavy
K je totožné s hodnotou B v grafu únavové křivky
Pro započítání ostatních uvedených vlivů se 2σa musí vynásobit součiniteli Fd a Ft a vydělit součinitelem η. Tyto hodnoty jsou normalizovány.
3.2. Zjišťování únavové únosnosti – nízkocyklová únava
Jestliže únavové křivky odečteme maximální dovolený počet cyklů, jako další krok provedeme porovnání s počtem cyklů vypočítanými ze stanovené životnosti. Toto se nazývá počet základních cyklů. Jestliže je jejich počet menší než počet cyklů určených ze stanovené životnosti, výpočet je v pořádku. V harmonizovaných normách, mezi nejznámější patří ČSN EN 12952 Vodotrubné kotle a pomocná zařízení, ČSN EN 13445 Netopené tlakové nádoby a ČSN EN 13480 Kovová průmyslová potrubí, je uvedena nutnost výpočtu pro cyklické namáhání, tj. výpočet únavové únosnosti pro větší počet cyklů než je 500.
Jestliže v této fázi projektu známe i některé vložené cykly, měli bychom je započítat. Vložené cykly jsou způsobeny pravidelným poklesem provozních hodnot způsobené technologií. Dále mohou být vložené cykly způsobeny i jevy, které se vyskytují při poruše tlakové sestavy únikem tlaku způsobeným netěsností a jeho pravidelným dorovnáváním, kmitáním potrubní větve, cykly způsobené příležitostnými zatíženími, např. větrem a dalšími typy cyklů. Vložené cykly započítáme tak, že je převedeme na počet ekvivalentních cyklů.
Obr. Základní cyklus napětí v potrubí
Ekvivalentní počet zatěžovacích cyklů se vypočítá podle vzorce:
Kde Neq je ekvivalentní počet cyklů
Nf je počet základních cyklů
Ni je počet roztříděných cyklů účinků tlaku ve třídě i
pc je výpočtový tlak tekutiny
Δpi je velikost jednotlivých tlaků v roztříděných cyklech
Jestliže jsme vypočetli ekvivalentní počet cyklů, porovnáme je s maximálním dovoleným počtem cyklů, vypočítaných z únavové křivky.
Dále si musíme si uvědomit, že popsaný způsob výpočtu je zjednodušený a slouží jen pro pochopení ostatních pasáží knihy, není to úplný návod k výpočtu.
3.3. Zjišťování únavové únosnosti – vysokocyklová únava
Nejčastěji způsobují vysokocyklovou únavu vibrace. Ošetření možnosti porušení potrubí vibracemi ve fázi návrhu spočívá v provedení dynamickéno výpočtu. Porovnávají se vlastní frekvence potrubí s frekvencemi budícími, a jestliže nelze provést opatření, aby se vibrace utlumila nebo přeladila, je nutné provést výpočet na vysokocyklovou únavu, zda nenastane překročení únosnosti vysokocyklové únavy. Vibracemi způsobené napětí by se tak mělo pohybovat v oblasti pod mezí únavy.
4. Překročení dovolené creepové deformace
Ošetření možnosti překročení dovolené creepové deformace ve fázi návrhu spočívá v určení počtu provozních hodin a teploty za stanovenou životnost a na dalším výpočtu.
Princip výpočtu creepu ve výpočtářských normách spočívá v uvedených případech ve snižování pevnosti materiálu koeficientem závislým na životnosti. Výpočtem je tedy kontrolováno, zda předložený návrh vyhoví anebo ne.
Creepová deformace je funkce druhu materiálu, doby expozice, teploty a napětí. V závislosti na velikosti napětí a jeho trvání, se deformace může stát tak velkou, že díl konstrukce již nemůže vykonávat svou funkci. Prakticky každý materiál bude mít creepové deformace při teplotách blížících se teploty jeho tavení. Je zde tedy závislost na počtu provozních hodin (tedy životnosti) při určité teplotě materiálu potrubí. U životnosti potrubí omezené creepem, je nutné s ohledem na stanovenou životnost, určit předpokládaný počet provozních hodin pro tuto životnost při předpokládané teplotě.
V materiálových listech anebo jiných materiálových normách jsou určeny mezní napětí pro danou teplotu a daný počet provozních hodin tak, aby creepová deformace nepřekročila 1% za 100 000 hod. Toto mezní napětí se dále vydělí koeficientem bezpečnosti SFcr a dostáváme napětí dovolené, s kterým ve výpočtu zacházíme tak, jakoby to bylo jakékoli jiné dovolené napětí.
V případech, kde je životnost specifikována pro méně než 100 000 h, se použije jedna z následujících metod podle toho, je-li zajištěn monitorovací systém životnosti.
a) Není-li zajištěn, musí být součinitel bezpečnosti SFcr roven 1,5
b) Je-li zajištěn, může se specifikovat součinitel bezpečnosti SFcr 1,25,
Monitorovací systém bezpečnosti sleduje, aby nebyla překročena creepová deformace 1% (střední hodnota) pro 100 000 h. Čili na existenci monitorovacího zatížení je závislý bezpečnostní koeficient pro creepový výpočet do 100 000 provozních hodin. Nad tuto hodnotu provozních hodin není bezpečnostní koeficient na existenci monitorovacího systému závislý.
Dále si musíme si uvědomit, že popsaný způsob výpočtu je zjednodušený a slouží jen pro pochopení ostatních pasáží knihy, není to úplný návod k výpočtu.
5. Porušení těsnosti přírubového spoje
Nejprve se musí určit druh výpočtu přírubového spoje. Jsou možné dva způsoby metoda Forge - Taylora a metoda pevnostně-těstnostní podle ČSN EN 1591-1. Z obou výpočtů vyjdou utahovací momenty šroubů, které je třeba dodržet. Pro aplikaci metody ČSN EN 1591-1 je nutné, aby těsnění mělo certifikát a aby šroubový spoj prováděli pracovníci vyškolení podle ČSN EN 1591-4 „Kvalifikace personálu odpovědného za montáž šroubových spojů na zařízeních podléhající směrnici pro tlakové nádoby“. Na závěr se provede těstnostní či tlakovou zkouška celého úseku.
Každý přírubový spoj má určité úniky, i když malé a určité malé procento poškození. Proto je lepší, v případě agresivního média použít svarový spoj.
6. Porušení potrubí v zemi od zatížení nadložím, dopravou a vodorovnými tlaky zeminy
Ošetření možnosti porušení potrubí v zemi od zatížení nadložím dopravou a bočními tlaky ve fázi návrhu spočívá v určení zatížení a pevnostním výpočtu.
Zatížení potrubí v zemi se skládá z těchto prvků:
- Zatížení zásypem zeminy, které je jiné pro široký a úzký výkop. V případě úzkého výkopu je svislé zatížení brzděno třením nezkonsolidovaného zásypu s okrajem původní zeminy. V případě širokého výkopu zemina tlačí na potrubí i z boku, avšak není zde výše uvedené tření. Zásyp zeminou vytváří ohybový moment ve stěně trubky. Tento moment způsobuje ve stěně trubky napětí.
- Zatížení povrchu terénu. Za normálních podmínek je zatížení povrchu terénu včetně dynamických přírůstků považováno za nahodilé zatížení. Zatížení od dopravy způsobuje svislé, vodorovné, statické a dynamické síly. Zatížení povrchu terénu se zavádí se v případě komunikace modelováním vlivu kolového tlaku návrhového vozidla. Zemina nad potrubím kolové tlaky roznáší
- Zatížení potrubí v jeho podélné ose, je způsobenou tepelnou roztažností potrubí, které se přizpůsobí teplotě média. Anebo se může potrubí prodloužit vnitřním tlakem Bourdonovým jevem. Podobné napětí vzniká, jestliže se okolo potrubí pohybuje naopak zemina. V takovémto případě vzniká třecí síla mezi nadložím (většinou pískem) a povrchem trubky, která následně zabraňuje úplnému rozvinutí deformace potrubí tak, že uvnitř potrubí způsobuje podélné napětí, které se řadí mezi sekundární.
Výpočet potrubí v zemi pomocí výpočtového programu pro potrubí se provádí tak, že výpočtový program nahradí působení zeminy náhradním zatížením. Náhradní zatížení ve všech třech osách simuluje zatížení zeminou. U každé osy působí zatížení proti sobě v kladné i záporné orientaci. Jedná se o osy podle obrázku dále, kde 1 nahrazuje zatížení zeminou ve vertikálním směru, 2 ve směru osy a 3 ve směru horizontálním.
Obr. Nahrazení zatížení zeminou v programu
Mezní stav je však ten samý, jako když stoupne napětí nad dovolenou hodnotu, tj. kontrola pevnosti při maximálně dovoleném snížení tloušťky stěny korozí či erozí.
I zde si musíme si uvědomit, že popsaný způsob výpočtu je zjednodušený a slouží jen pro pochopení ostatních pasáží knihy, není to úplný návod k výpočtu.
7. Porušení potrubí v zemi od pohybu podloží
Ošetření možnosti porušení potrubí v zemi od pohybu podloží ve fázi návrhu spočívá v provedení výpočtu se zahrnutím pohybu podloží. Sem patří:
- Pokles podloží pružností zeminy. Při přenášení zatížení do podloží dochází ke vzájemným posuvům pevných částic, ke zmenšování objemu pórů, ke stlačování zeminy. Pokud jsou póry vyplněny vodou, je přitom mobilizován tlak v pórech. Platí tedy, že celkové totální napětí působící v zemině se přenáší jednak na pevný skelet, jednak na vodu v pórech. Není-li zemina plně saturovaná vodou, je v pórech voda a vzduch, pokles tedy závisí i na stupni nasycení vodou.
- Poddolované podloží. Jestliže je potrubí vedeno v oblastech bývalých anebo současných hlubinných dolů, musíme potrubí navrhovat tak, aby se ne poškodilo v případě, že dojde vlivem poddolování k přetvoření zeminy.
- Podloží s nedokončeným konsolidačním sedáním. V nezkonsolidované zemině, tvořené například čerstvým násypem je tlak vody v pórech lokální, dochází tak k proudění vody z místa většího tlaku do místa tlaku menšího. Když se tlaky vyrovnají a tlak se tak ustálí, je zemina konsolidovaná. Nás zajímá nedokončené konsolidační sedání, které je tvořeno v násypu, na který anebo do kterého se instaluje potrubí. Násyp nemusí být z homogenní zeminy, část tedy může sedat rychleji, část pomaleji. Pro stanovení sedání existuje několik metod, avšak tyto jsou nepřesné a poskytují pouze přibližné údaje.
Podemleté podloží vodou – nepředpokládané přetvoření zeminy. Toto zatížení se dá těžko predikovat, proto se určuje jen na základě zkušenosti odborného pracovníka s územím, kterému se věnuje. Podemleté podloží je způsobeno:
- Přetvořením, po zmrznutí a roztátí zeminy. Jestliže je potrubí uloženo v nezámrzné hloubce, děje se pouze nad potrubím.
- Vytvářením dutin (kavern) např. spláchnutím části zeminy např. do kanalizace a následný sesuv, propad ulice.
- Špatným započítáním dopravního provozu, popřípadě jeho nepředpokládané zvýšení.
Z uvedeného výčtu je vidět, že nejhorší z hlediska životnosti jsou pohyby podloží, a to z jakéhokoli důvodu, protože se do výpočtu v projektu těžko zohledňují.
Z uvedeného je vidět, že zde většinou zbude mnoho při návrhu nepředpokládatelných nebezpečí, která by se mohla označit jako zbytková.
8. Porušení funkce plastových potrubí
8.1. Principy návrhu a výpočtu plastových potrubí
Ošetření možnosti porušení plastových potrubí ve fázi návrhu spočívá v určení stanovené životnosti, v určení materiálových konstant plastu pro tuto stanovenou životnost a ve výpočtu. Výpočet musí zahrnovat creep a relaxaci plastů dodržení určených materiálových konstant pro stanovenou životnost.
Plasty jsou ve všeobecnosti méně odolné vůči teplotě, nejvyšší teplota použití plastů je okolo 150°C, a není to ve všeobecnosti, každý plast odolává jiné teplotě. Plasty mají i menší pevnost, která je závislá nejen na teplotě, ale i na životnosti. Vždy při úmyslu provést náhradu je nutné vždy provést pevnostní výpočet. Označení PN pro plasty znamená, že vydrží uvedený tlak jen při teplotě média 20°C a životnosti 50 let.
Dále je nutné si uvědomit i to, že je řádově menší i modul pružnosti a že se mění v závislosti na životnosti potrubí a teplotě. Proto je jiná i vzdálenost podpěr, kde se navíc průhyb může zvětšovat v závislosti na době provozu.
Kritéria dovoleného namáhání za působení viskoelastického stavu. Viskoelastickým stavem rozumíme stav, při kterém působí pro primární napětí creep a při sekundárním napětí relaxace a zároveň není překročeno dovolené namáhání. Plasty tedy mají tyto materiálové vlastnosti: creep a relaxaci.
Creep znamená nárůst deformace při konstantním zatížení v závislosti jen na čase. Materiálové vlastnosti (modul pružnosti a dovolené napětí) se tedy v čase zmenšují. Proto počítáme s materiálovými vlastnostmi pro určenou životnost. Zatížení, pro které to takto funguje, je vnitřní tlak, klimatická zatížení a ostatní zatížení způsobující primární napětí Z těchto důvodů je nutno provést výpočet s materiálovými konstantami odpovídající konečné životnosti.
Relaxace znamená pokles napětí při konstantní deformaci v závislosti jen na čase. Čili napětí způsobené tepelnou roztažností se s časem bude snižovat. Proto maximální napětí způsobené tepelnou roztažností bude hned zkraje při prvním zatížení. Z tohoto důvodu je tento druhý výpočet proveden s materiálovými vlastnostmi pro 0,0let.
Ten samý výpočtový model tedy musí být tedy vypočítán 2x, tj. 1. pro první náběh (první zatížení) tj. 0,0 let a za 2. pro uvažovanou životnost 20 let. Z těchto důvodů je každý materiál zpracován pro 0,0 let a 20,0 let.
Z těchto důvodů musíme vytvořit materiálovou databázi, kde budou materiálové vlastnosti pro nula let a pro předpokládanou konečnou životnost. V každé vlastnosti budou specifikovány pro plný rozsah pracovních teplot materiálu. Jde o tyto materiálové vlastnosti:
Modul pružnosti, dovolené napětí, Poissonovo číslo (poměr), koeficient tepelné roztažnosti.
Tj. pro body 0, 1, 2, 3 podle následujícího obrázku.
Obr. Graf teplota – životnost
Při výpočtu si musíme být vědomi, že jsou jevy, které jsou u kovů a plastů jiné anebo nejsou ještě probádané, je to např. rozsah povolení redistribuce napětí, velikost součinitele koncentrace napětí a jeho pohyb v čase, únavu plastů apod.
Také zde si musíme si uvědomit, že popsaný způsob výpočtu je zjednodušený a slouží jen pro pochopení ostatních pasáží knihy, není to úplný návod k výpočtu.
8.2. Seznam nebezpečí, které je třeba odstranit při návrhu plastových potrubí
Nebezpečí vysoké tepelné roztažnosti. Plasty mají všeobecně vysokou tepelnou roztažnost, řádově větší než u kovů. Je proto nutná častější tepelná kompenzace.
Nebezpečí stárnutí plastů vlivem UV záření. Každý polymer, tedy i plasty, z nichž se vyrábí, potrubí se rozkládá vlivem UV záření. Tomuto lze zabránit takto:
- použitím polybutenu, který je odolnější anebo vhodných aditiv, které se do plastu přidávají.
- použitím tepelné izolace, která nejen že brání úniku tepla, ale i přístupu UV záření anebo jiných způsobů zakrytí
- instalací pod zemí, kde je přístupu UV záření zabráněno zeminou anebo instalací v hale, neboť okna UV záření nepropouštějí.
Nebezpečí vzniku elektrostatického náboje v zónách s nebezpečím výbuchu. V případě, že je potrubí vedeno zónami s nebezpečím výbuchu, je nutné ho chránit proti vzniku elektrostatického náboje, který vzniká na povrchu plastových potrubí např. protékáním média.
Zóna s nebezpečím výbuchu může být vně i uvnitř trubky. Uvnitř trubky vzniká vždy, když médiem je hořlavá tekutina. Zóna s nebezpečím výbuchu dále vzniká okolo přírubového spoje potrubí, kterým protéká hořlavá tekutina. Může sem však zasahovat i zóna, která nemá s potrubím nic společného.
Aby se v potrubí, kterým protéká médium, nehromadil elektrostatický náboj, musí se provést některá z těchto opatření:
- použití elektricky vodivého plastu, který se získá tak, že do plastu je přidáno elektricky vodivé aditivum, nejčastěji uhlík
- pro ochranu vnějšího povrchu plastového potrubí je možno provést na vnějším povrchu potrubí elektricky vodivý nátěr
- pro ochranu vnitřního povrch je možno do potrubí vložit měděné kroužky anebo celý skelet.
Je samozřejmé, že všechny tyto uvedené prvky musí být elektricky pospojovány a uzemněny.
Nebezpečí zabránění boje s požárem. Na základě provedené analýzy rizik celého zařízení, je nutné označit potrubní větve, které jsou nutné pro zabránění vzniku anebo pro boj s již vzniklým požárem. Jako příklad můžeme uvést rozvody vzduch, kterými jsou dálkově ovládány ventily, které zavírají přívod hořlavého média. Neboť v takovémto případě by tato potrubí byla zničena v první řadě. Takováto potrubí nesmí být provedena z plastů.
Nebezpečí chybného spojení plastových a kovových potrubí. Nejbezpečnější spojení těchto dvou druhů potrubí je spojení přírubové. Na straně plastového potrubí se musí volit typ s otočnou přírubou. Samotná otočná příruba je kovová a je normalizovaná, otvory pro šrouby tak mají stejný počet a velikost jako příruba na kovové části potrubí. Na konec plastového potrubí je pak navařen plastový kroužek, který je přitlačován na společné těsnění.
Je nutno si uvědomit, že potrubí na obou stranách přírubového spoje mají výrazně různé vlastnosti a je nutné posouzení výpočtářem.
9. Porušení tlakových zařízení vibracemi potrubí
Ošetření možnosti porušení potrubí vibracemi ve fázi návrhu spočívá v provedení dynamickéno výpočtu. Výsledek výpočtu by měl být takový, že potrubí nevibruje. Měli by se tedy porovnat vlastní frekvence potrubí s frekvencemi budícími a udělat opatření, aby nenastala rezonance. Nejčastějším opatřením je změna vlastní frekvence tak, aby se utvořil kanál okolo budící frekvence široký, např. ±10%. Změna vlastní frekvence potrubí (jinak řečeno „přeladění potrubí“) znamená změnu tuhosti anebo hmotnosti potrubí anebo zabráněním tvaru kmitání vlastní frekvence, tj. vložením anebo přemístěním podpěr na místo vibrace. Dále je možná izolace budící frekvence vložením hadice či, je-li to možné, vlnovcového kompenzátoru. Konkrétnější údaje lze nalézt v literatuře v poslední kapitole.
10. Porušení tlakových zařízení zemětřesením
Ošetření možnosti porušení potrubí zemětřesením ve fázi návrhu spočívá v provedení dynamickéno výpočtu.
V případě, že se umístění projektu nachází v příslušné úrovni seizmické oblasti anebo se jedná o jadernou elektrárnu, je nutné provést protiseizmické opatření vycházející ze seizmického výpočtu. Jak má být v projektu řešena seizmicita potrubí je uvedeno např. v literatuře v poslední kapitole.