Aspecte Generale Privind Sistemele de Conducte Si Componentele Acestora

INTRODUCERE

În industria petrolieră, activitatea de transport și depozitare a produselor petroliere este strâns legata de funcționarea conductelor, tocmai de aceea este important sa cunoaștem modul de desfașurare a activitații mai sus menționate.

Conducta este un ansamblu de elemete, montate pe un traseu determinat, separând un spațiu închis, care servește la transportul și distribuția materialelor aflate in stare fluida sau fluidizată.

Prin termenul sistem de conductă se ințelege un ansamblu format dintr-o serie intreagă de elemente cum ar fi: țevi, fitinguri, armaturi, compensatoare de dilațaie, suporturi de susținere, flanșe, aparate de masura și control, etc.

Conductele întâlnite în industria petrolieră și petrochimică sunt indispensabile și au utilizări dintre cele mai variate, cum ar fi: transportul produselor petroliere de la instalația de extracție până la parcurile de separatoare, la rafinării sau la punctele de încărcare în mijloacele de transport, transportul produselor rafinate spre locurile de consum, transportul diverselor fluide în interiorul instalațiilor etc.

Curgerea materialelor prin conducte, între doua puncte, este datorată diferentei de potențial energetic, manifestându-se sub forma unei diferențe presiune între cele două puncte.

Ținând cont de gradul înalt de utilizare a acestor echipamente de transport a fluidelor si de faptul ca acestea au o importanta fundamentală în alcatuirea si funcionarea unei game largi de instalatii, in calitate de propunator, consider ca tema proiectului meu de diploma: “Calculul de rezistență a unei conducte de transport produse petroliere” poate fi inclusa în categoria principalelor preocupari ale unui viitor absolvent al specializarii “Utilaj pentru transportul și depozitarea hidrocarburilor”.

În vederea realizarii calculului static si dinamic, sistemele de conducte se constituie ca structuri spatiale multiplu static nedeterminate, cu legaturi multiple la teren dar și la alte structuri sau utilaje.

Asupra sistemelor de conducte se exercita solicitari statice care au un caracter complex, dintre care amintim: greutatile proprii ( ale matrialului conductei, ale izolatiilor, ale fluidelor vehiculate, etc.), variatia de temperatură fata de montaj, presiunea interioara a fluidului vehiculat, cedarile de reazeme.

Calculul de dimensionare al unui sistem de conducte, conform literaturii de specialitate se realizeaza prin parcurgerea a doua etape: prima etapa este dedicata realizarii unui calcul hidraulic ce urmarește obtinerea diametrului nominal al conductei; cea de-a doua etapa de calcul vizeaza stabilirea grosimii de perete a conductei in conditiile in care se cunosc presiunea fluidului vehiculat si materialul din care aceasta se realizeaza.

Scopil lucrarii de fata este de a determina utilizand, metoda elementelor finite, starile de tensiuni si deplasarile diferitelor elemente ale sitemului ales.

CAPITOLUL 1

ASPECTE GENERALE PRIVIND SISTEMELE DE CONDUCTE SI COMPONENTA ACESTORA

GENERALITATI PRIVIND SISTEMELE DE CONDUCTE

Sistemele de conducte sunt ansambluri frormate dintr-o serie de elemente component ( țevi, fitinguri, armături, flanșe, șuruburi, piulițe, garnituri, suporturi, compensatori de dilatație, aparate de masură și control, etc.) care servesc la transportul fluidelor.

În tehnologia industrială modernă, conductele au o largă raspândire și întrebuințare, fiind utilizate in: termoenergetică, hidroenergetică, transportul gazelor și a produselor chimice si petrochimice.

Fig. 1.1 – Elementele componente ale unei conducte

Elementele componete ale unei conducte (fig. 1.1) sunt:

Elementele de conductă, care formeaza, delimiteaza și etanșeaza spațiul tubular destinat vehicularii fluidelor.

După destinația lor, elemetele de conductă se impart in:

țevi, sunt elemente de forma cilindrică, goale la interior, utilizate petru realizarea porțiunii rectiliniu al traseului de conductă;

armaturi, sunt elemete de conduct care permit dirijarea, obturarea și variația secțiunii de trecere a mediilor vehiculate;

fitinguri, sunt elemete de conduct care permit legarea a doua țevi de același diametru (mufe), schimbarea direcției traseului conductei (coturi, curbe), realizarea ramificațiilor (teuri), precum și modificarea secțiunii de corgere a fluidului vehiculat (reducții);

compensatoare de dilatație, care marirea flexibilitații conductei și preiau deformațiile mari ale conductei;

elementele de amplasare prin flanșe cu mufe filetate, cu capete pentru sudare, care asigură racordarea elementelor și a tronsoanelor pe conductă între ele, precum și racordarea capetelor conductei la utilajele tehnologice.

Suporturile, sunt sisteme mecanice care au rolul de a prelua sarcinile conductei (statice sau dinamice), pe care le transmit structurilor de rezistență pe care se așează sau se fixează suporturile.

Aparatura de măsură și control, care este destinată măsurării și interpretării mărimilor caracteristice de transport ale fluidelor.

Realizarea unei conducte se face prin asamblarea parților componente și echiparea ei cu dotarile necesare in exploatare. Condiția de bază pe care trebuie să o satisfacă ansamblul rezultat este asigurarea funcționării conductei în condiții de siguranță pe toată durata prevăzută de serviciu.

După funcția pe care o îndeplinesc, conductele pot fi:

– conducte tehnologice, care asigură transportul fluidelor în instalatii;

– conductele magistrate, folosite la pomparea produselor la distanțe mari;

– conductele auxiliare, folosite la transportul apei, al aburului, al aerului etc.

1.2FITINGURI

Fitingurile sunte elemete componente ale conductelor care servesc fie la schimbarea direcției traseului, fie la montarea in aliniament a doua țevi de acealeași diametre sau de diametre diferite, fie la ramificarea traseului, fie la inchiderea unui capat de conduct.

În funcție de modul de imbinarea cu celelalte elemente din sistem, fitingurile pot fi:

fitinguri filetate;

fitinguri lipite;

fitinguri cu soclu pentru sudare;

fitinguri pentru sudare cap la cap.

În cazul cazul conductelor cu diametre mai mici de 50 mm., ponderea cea mai mare o au fitingurile cu soclu petru sudare. Fitingurile din această categorie au ca mărimi definitorii: diametrul nominal și presiunea nominală.

În cazul conductelor cu diametre mai mari de 50 mm., ponderea cea mai mare o au fitingurile pentru sudare cap la cap. Fitingurile care fac parte din aceasta categorie au ca mărimi definitorii: diametrul exterior și grosimea de perete, acestea fiind dependente de marimile celorlalte elemente din sistem.

După cu s-a arătat, fitingurile indeplinesc o serie de funcții, astfel în continuare se vor prezentata tipurile constructive de fitinguri existente in sistemul de conducte ales:

Coturile sunt elemente de conductă care se folosesc la schimbarea traseului acesteia și sunt executate prin tragere sau forjare. Caracteristicile dimensionale ale coturilor (fig. 1.2) sunt: diametrul nominal (DN), diametrul exterior (De), grosimea peretelui (s), unghiul α și raza de curbura (R).

Prin cot se ințelege fitingul la care raportul Dacă , atunci coturile devin curbe.

Reducțiile sunt fitinguri care servesc la montarea țevilor cu diametre diferite. Reducțiile sunt de doua tipuri:

reducții concentrice, care realizează legatura între două țevi de diametre diferite pe aceeași axă;

reducții excentrice, care servesc la montarea țevilor de diametre diferite dar cu o excentricitate.

Caracteristicile dimensionale ale reducțiilor (fig. 1.3) sunt: diametrele nominale DN1 și DN2, diametrele exterioare De1 și De2, grosimea peretelui s1 și s2, excentricitatea E și lungimea reducției L.

Teurile sunt fitinguri care servesc la realizarea ramificațiilor la dintr-o conductă principală. Din punct de vedere constructive, teurile pot fi:

normale, avand toate cele trei diametre egale;

reduse, la care diametrul ramificației este mai mic decât celelalte diametre.

Teurile prezentate in figura 1.4 sunt desteinate conductelor ale caror țevi se imbina prin sudare cap la cap, pentru acstea indicându-se caracteristicile dimensionale corespunzatoare[1].

1.2 ARMĂTURI

Armăturile sunt echipamente montate pe conducte și au rol de închidere, distribuție, reglare sau reținere a fluidului.

Robinetele sunt armături de închidere sau de reglare a regimului de curgere a fluidului transportat, prin modificarea secțiunilor de trecere.

Principalele părți componente ale armăturilor sunt (fig. 1.5): corpul, capacul, dispozitivul de închidere și mecanismul de acționare sau de blocare. Funcțiunile armăturilor sunt asigurate de dispozitivele montate în interiorul lor, care au posibilitatea de a le modifica secțiunile de trecere.

Fig. 1.5 – Principalele părți componente și dimensiuni caracteristice ale unei armături:

1 – corp; 2 – capac; 3 – dispozitiv de închidere; 4 – mecanism de acționare sau de blocare.

Armăturile folosite în sistemele de conducte din diferite instalații de proces pot fi clasificate ca fiind: robinete cu sertar, robinete cu ventil, robinete de închidere cu bilă, robinete de reținere cu clapă, robinete de reținere cu ventil, robinete de reținere cu bilă și robinete de reglare.

Robinetele cu sertar (fig. 1.6) sunt robinete folosite în cele mai multe dintre cazuri. Fluidul curge direct prin robinetul cu sertar, axial față de conducta pe care este montat. Se folosesc, de regulă, pentru închiderea – deschiderea sau izolarea – reintroducerea în flux a circulației fluidului de operare pe unele trasee. Reglarea debitului de fluid se realizează foarte rar cu aceste armături, în acest scop fiind folosite robinetele de reglare propiu-zise sau robinetele cu ventil.

Robinetele cu ventil (fig. 1.4) se caracterizează prin dispunerea orificiului de trecere a fluidului perpendicular sau sub un anumit unghi față de direcția de curgere a fluidului. Fluidul la trecerea prin robinete trebuie să parcurgă o rotire de aproape 2700 pentru a reveni la direcția avută la intrarea în robinet. Aceste robinete se folosesc de preferință pentru cazurile în care este necesară o anumită reglare a fluidului de trecere, precum și atunci când închiderea circuitului trebuie să fie etanșă.

În general datorită prețului de cost și a problemelor constructive se limitează dimensiunea robinetelor cu ventil 150.

Robinetele de reținere previn întoarcerea fluidului pe o anume linie, adică circulația inversă. Tipurile mai importante de astfel de robinete sunt cele cu clapă și cele cu ventil.

Robinetele de reținere (fig. 1.8) cu clapă sunt cele mai des folosite. Se construiesc cu dimensiunea nominala de DN 50 și mai mari. Pentru dimensiuni mai mici de DN 50 se folosesc robinetele de reținere cu ventil. Instalarea lor pe sistemele de conducte se face astfel încât direcția de curgere normală a fluidului să fie verticală în cazul robinetelor de reținere cu ventil și orizontală sau verticală de jos în sus pentru cele cu clapă.

Robinetele de reglare sunt similare celor cu ventil. Cel mai des însă se folosesc robinetele de reglare cu diafragmă (fig. 1.8). Acestea se închid sau deschid prin intermediul unei tije acționată de o placă sau diafragmă, amplasată într-o cameră în care se introduce aer pentru realizarea forței necesare deplasării acestei tije. Robinetele de reglare se folosesc pentru reglarea presiunii și a debitelor fluidelor vehiculate prin sistemele de conducte.

Condițiile de operare pentru cele mai multe dintre tipurile de armături menționate, lungimea de construcție a acestora, ca și dimensiunile flanșelor de legătură, sunt standardizate sau cuprinse în norme de construcție specifice industriei constructoare de mașini și industriei chimice. Pentru obținerea tuturor informațiilor legate de tipurile de armături trebuie să se apleze totuși la cataloagele producătorilor.

1.4. SUPORTURI

Sistemele de conducte din primele instalații chimice și de rafinărie erau de regulă agățate printr-un sistem de suporturi adecvat, în scopul de a asigura o mai mare flexibilitate și libertate de deplasare acestor sisteme. Acest mod de susținere a conductelor este în continuare folosit cu prioritate în înteriorul clădirilor. În instalațiile moderne din chimie, rafinării și petrochimice, majoritatea echipamentelor sunt amplasate în aer liber și ca urmare conductele sunt susținute pe structuri metalice sau de beton, respectiv estacade. Suporturile fără a fi standardizate fac obiectivul unor normative de proiectare, unde pentru majoritatea tipurilor constructive sunt definite dimensiunile și capacitatea de preluare a încărcărilor [3].

Dispozitivele de susținere (denumite și suporturi) sunt amenajările prin care conductele se susțin, se ghidează și se fixează la structurile de susținere (stâlpi, estacade, poduri).

Ele transmit substructurilor de susținere solicitările din greutățile proprii ale conductei, ale fluidului vehiculat, ale izolațiilor, armăturilor etc., ca și cele rezultate din solicitările eoliene și seismice.

Proiectarea judicioasă a suporturilor, alegerea corectă și economică a acestora condiționează funcționarea sigură a conductelor.

Clasificarea suporturilor pentru conducte se face în general după mai multe criterii.

Criteriul funcțional împarte suporturile în :

– suporturi de susținere;

– suporturi de ghidare;

– suporturi de ancorare (puncte fixe) intermediare și principale.

Criteriul modului de susținere al conductelor împarte suporturile în:

– suporturi de susținere prin purtare;

– suporturi de susținere prin suspendare;

– suporturi de susținere mixte (prin purtare- suspendare).

Criteriul constructiv și de fabricație împarte suporturile în:

– suporturi standardizate;

– suporturi de construcție spațială.

În baza criteriului funcțional se vor prezenta sumar principalele tipuri de suporturi.

1.4.1 SUPORTURI DE ANCORARE (PUNCTE FIXE) INTERMEDIARE ȘI PRINCIPALE

Suporturile de ancorare sunt sisteme de rezemare a conductelor care limiteaza deplasarea conductelor pe toate cele trei direcții. Acestea se realizeaza de obicei cu ajutorul unui stalp de susținere care se montează pe o fundatie de beton sau alte structuri metalice.

Suporturile de ancorare principale se amplasează la capătul unui sistem de conducte, iar suporturile de ancorare intermediare se amplasează în anumite puncte ale sistemului de conducte.

În tabelul 1.1 se prezintă sistematizat principalele tipuri de suporturi de ancorare utilizate pentru susținerea conductelor de pe platformele instalațiilor din industria chimică și petrochimică pe plan mondial.

Tabelul 1.1- Suporturi de ancorare

1.4.2 SUPORTURI DE GHIDARE

Suporturile de ghidare sunt sisteme de rezemare care prmit controlul deplasarii conductelor, intr-un anumit interval, pe una sau mai multe direcții. Acestea sunt amplasate sub conducte pentru sprijinirea acestora și permit deplasarea în plan orizontal a conductei după o direcție, cu introducerea la apariția deplasărilor a forței de frecare corespunzătoare.

Principalele tipuri de suporturi de ghidare se prezintă în tabelul 1.2.

Tabelul 1.2. – Suporturi de ghidare

1.4.3 SUPORTURI DE SUSȚINERE

Permit deplasarea în plan orizontal a conductei după orice direcție, deosebindu-se trei tipuri constructiv – funcționale de suporturi de susținere:

Suporturi de susținere prin purtare (tabelul 1.3), care din punctul de vedere al condițiilor de lucru se subdivid în următoarele subtipuri:

– suporturi de susținere prin purtare cu frecare prin lunecare;

– suporturi de susținere prin purtare cu frecare de rostogolire și lunecare cuprinzând: suporturi cu rolă simplă, cu rolă profilată, cu rolă de rostogolire și patină de sprijin și suporturi de tip basculant specific conductelor unifilare;

– suporturi de susținere prin purtare cu frecare de rostogolire, utilizate în cazul deplasărilor din dilatări foarte mari și încărcări importante;

– suporturi de susținere prin purtare cu frecare de rostogolire de construcție specială;

Suporturi de susținere prin suspendare folosite în cazul în care se dispune de o construcție de susținere, fiind proprii traseelor de conducte unifilare sau cu maximum două conducte, și cuprind în esență: partea superioară folosită la fixarea de structură de susținere, sistemul de tiranți, partea inferioară folosind la fixarea conductei;

Suporturi de susținere prin purtare și suspendare.

1.5. FLANȘE

Flanșele sunt piese de legatura, prin intermediul carora se transmite forța de strângere a șuruburilor catre suprafețele de etanșare intre care se amplaseaza garnitura.

Forma constructiva și materialul din care se executa flanșa depind de: temperatura și presiunea de lucru, caracteristicile fizico-chimice și de coroziune ale fluidului care vin în contact cu flanșa.

Forma geometrica a flanșelor depinde de spațiul de montaj existent, forma secțiunii transversale a conductei sau de alți factori particulari. Pentru tubulatura circulara, cele mai utilizate forme geometrice ale flanșelor sunt: flanșa circulara, flanșa patrata, flanșa ovala.

În funcție de îmbinare cu conducta, flanșele pot fi de urmatoarele tipuri:

flanșe cu gât sudate în capul țevii, care asigura imbinarii o mare rigiditate, de aceea sunt utilizate in cazul presiunilor mari;

flanșe plate sudate pe țeava, au o larga utilizare datorita costului redus și ușurința execuției;

flanșele plate filetate, sunt utilizate mai rar datorita dificultații de execuție, a costului ridicat. Sunt utilizate in cazul in care nu este permisa execuția sudurilor sau imbinarile sudate nu rezista la coroziune;

flanșele cu guler filetate, sunt ușor de montat și se utilizeaza in cazul presiunilor mari;

flanșele libere pe țeava.

Forma suprafețelor de etanșare se stabilește în funcție de condițiile de lucru ale imbinarii. Tipurile de suprafețe de etanșare, standardizate in țara noastra, conform EN 1092-1:2001, sunt:

suprafețe de etanșare plana (tip A);

suprafețe de etanșare plana cu umar ( tip B), în mod obișnuit sunt utilizate la presiuni de pâna la 25 bar;

suprafețe de etanșare cu pana (tip C) și canal (tip D), sunt recomandate a fi utilizate pe sistemele aflate sub vacuum, la conductele care vehiculeaza fluide cu pericol de incendiu, cu presiuni pana la 100 bar;

suprafețe de etanșare cu prag (tip E) și adâncitura (tip F), sunt utilizate in special la asamblarile conductelor prin care sunt vehiculate substanțe toxice, cu presiuni pâna la 64 bar;

suprafețe de etanșare cu prag și adâncitura (tip G) și prag și șanț pentru garnitura torica (tip H), sunt utilizate mai rar datorita dificultații prelucrarilor pe care le necesita;

suprafața de etanșare conica pentru inele metalice (tip J), sunt utilizate la asamblarile conductelor a caror presiune este mai mare de 64 bar, conform [1].

CAPITOLUL 2

ASPECTE PRIVIND ÎNCARCARILE SISTEMELOR DE CONDUCTE. TENSIUNI ADMISIBILE ȘI LIMITĂRI PRIVIND TENSIUNILE EFECTIVE

2.1 TIPURI DE ÎNCĂRCĂRI ȘI EFECTUL ACESTORA ASUPRA SISTEMELOR DE CONDUCTE

2.1.1 PRESIUNEA ȘI TEMPERATURA. VALORI MAXIME ADMISIBILE DE LUCRU

Presiunea maximă admisibilă de lucru a fiecărui element component dintr-un sistem de conducte se stabilește ca fiind combinația cea mai severă de presiune interioară sau exterioară, cu oncomitant minimă sau maximă, care poate apărea în timpul operării sistemului oncomitan. Prin definiția de “combinația cea mai severă” se înțelege combinația de factori care determină presiunea oncomi cea mai ridicată a acestuia.

La dimensionarea sistemelor de conducte se are în vedere că orce creștere de presiune ce poate acționa asupra sistemului de conducte să fie preluată de aceasta în condiții de siguranță. Creșterile de presiune ce trebuie luate în considerație în ipotezele de calcul oncomi și efectele influenței temperaturii ambiante, a undelor de presiune, a operării necorespunzătoare, precum și a defectării robinetelor de reglare.

Temperatura de calcul a fiecărui element component dintr-un sistem de conducte se stabilește ca fiind oncomitant care împreună cu presiunea corespunzătoare determină grosimea cea mai mare sau conduce la presiunea oncomi cea mai ridicată. La stabilirea temperaturii de calcul se vor avea în vedere cel puțin oncomitant fluidului de lucru, temperaturile mediului de încălzire sau răcire, oncomitant mediului oncomi și criteriile legate de izolarea termică a conductei. Temperatura minimă admisibilă de lucru este oncomitant cea mai scăzută ce poate apărea la oricare din elementele oncomita ale sistemului în timpul operării acestuia. Stabilirea temperaturii de calcul în funcție de modul de izolare termică a elementelor ce constituie un sistem de conducte se face astfel:

a) Cazul conductelor neizolate:

– pentru oncomitant mai mici de , oncomitant de calcul a fiecărui element se ia cea a fluidului de lucru;

– pentru oncomitant de și mai mari, oncomitant de calcul a fiecărui element component va fi pentru cele cu grosimi comparabile cu cele ale conductei (robinete, fitinguri etc) mai mare cel putin egală cu 95% din oncomitant fluidului de lucru, pentru flanșe 90% din acestea iar pentru prezoane și piulițe 80 % din oncomitant fluidului de lucru.

b) Cazul conductelor oncomi exterior:

– oncomitant de calcul a tuturor elementelor oncomita ale unui sistem de conducte va fi egală cu oncomitant fluidului de lucru.

Depășiri ocazionale ale temperaturii sau presiunii, sau a ambelor, peste valorile maxime de lucru, pot apărea și pot fi oncomit anumitor condiții de operare. Sistemele de conducte unde se pot accepta depășiri trebuie să fie proiectate la combinația cea mai severă de presiune – oncomitant ce poate aparea în timpul operării sistemului oncomitan și de asemenea să satisfacă toate condițiile următoare:

– sistemul de conducte să nu aibă elemente oncomita sub presiune din fontă;

– tensiunile la presiunea oncomi să nu depășească limita de curgere la oncomitant maximă admisibilă de lucru;

– tensiunile oncomitant combinate să nu depășească limitele indicate pentru sarcini ocazionale;

– numărul de cicluri de operare ale sistemului să nu depășească 7000 pe durata oncomit de viată a sistemului oncomitan de conducte;

– depașirea de presiune să nu fie mai mare decât presiunea de probă;

– depășirile ocazionale peste condițiile de proiectare vor rămâne în cadrul următoarelor limitări privind presiunea:

a) cu aprobarea beneficiarului se oncomit admisă depășirea presiunii nominale sau a tensiunilor admisibile cu cel mult:

– 33% pentru cel mult 10 ore consecutive și cel mult 100 ore pe an;

– 20% pentru cel mult 50 ore consecutive și cel mult 500 ore pe an.

Efectele acestor depășiri vor fi analizate de proiectant pentru a se demonstra că depășirea nu afectează siguranța de funcționare a conductei, acestea folosind metode de verificare acceptate de beneficiar.

b) în cazul în care depășirea se autolimitează (ca urmare a unei supape de siguranță de exemplu) și nu durează mai mult de 50 ore consecutive și nu mai mult de 500 ore/an este acceptabil să se depășească presiunea oncomi și tensiunea admisibilă de calcul la presiune cu cel mult 20%:

– au fost evaluate efectele combinate ale depășirilor ciclice asupra duratei de viață pentru toate elementele oncomita ale conductei;

– variațiile de temperatură sub oncomitant minimă adimisbilă de lucru nu sunt premise decât dacă materialul elementului component admite oncomitant minimă ce apare în timpul acestei abateri.

2.1.2 EFECTUL TEMPERATURII AMBIANTE

Temperatura ambiantă coborâtă trebuie avută în vedere la calculul de flexibilitate al sistemului de conducte.

Conductele cu temperatură minimă admisibilă de lucru mai mică de se încarcă suplimentar cu gheață oncom prin condensarea umezelii atmosferice. Gheață poate apărea și încarca suplimentar robinete, robinete de reglare, supape de siguranță și conductele de descărcare ale acestora, precum și alte oncomita.

Prin răcira gazelor sau vaporilor într-un sistem de conducte, presiunea acestora poate scade pentru a creea un vid interior. În acest caz conductele trebuie să poată prelua presiunea exterioară la oncomitant scăzută.

2.1.3 INFLUENȚA EFECTELOR DINAMICE

Forțe de impact.

La proiectarea sistemelor de conducte vor fi luate în considerare forțele de impact provocate de cauze interne sau exterioare sistemului (modificări ale debitelor vehiculate, șocuri hidraulice, dopuri lichide sau solide, vaporizări bruște) ce apar pe trasele oncomit ale conductelor prin care se vehiculează fluide cu oncomitant apropiată de cea a punctului lor de fierbere, cu evacuări rapide de lichide ce pot distruge conducta.

b) Vânt și cutremur.

La proiectarea sistemelor de conducte se iau in considerație efectul vântului și al forțelor cauzate de cutremur.

Modelele de anliză și calcul sunt determinate în fiecare țară de zona de amplasare a obiectivului și de norme oncomit preluate din proiectarea construcțiilor civile și oncomitan.

Vibrații.

Sistemele de conducte se proiectează, se amplasează și se sprijină astfel încat să se elimine efectele dăunătoare ale vibrațiilor ce pot fi dezvoltate de surse cum ar fi forțele de impact, pulsații de presiuni, rezonanța la compresoare și sarcinile eoliene.

Reacții de descărcare.

Sistemele de conducte trebuie să fie proiectate, amplasate și susținute astfel încât să preia forțele de reacție datorită descărcării fluidelor (supape de siguranță, etc).

2.1.5 INFLUENȚA GREUTĂȚII

La proiectarea sistemelor de conducte trebuie să se ia in considerație următoarele efecte din greutate, combinate cu încărcări sau forțe din alte cauze:

a) Încărcări active ce cuprind greutatea mediului vehiculat sau a mediului folosit pentru proba hidraulică.

b) Încărcări inactive ce cuprind greutatea elementelor oncomita ale sistemului de conducte ,,izolația, alte încărcări permanente pe care trebuie să le preia sistemulde conducte.

2.1.6 INFLUENȚA EFECTELOR DILATĂRII SAU CONTRACȚIEI TERMICE

La proiectarea sistemelor de conducte se are în vedere următoarele efecte ale dilatării sau contracției termice, combinate cu sarcini și forțe datorate altor cauze:

a) încărcări termice datorită restricțiilor care constau din forțe axiale și oncom, ce se dezvoltă atunci când dilatarea sau contracția liberă a sistemului de conducte este împedicată prin diverse restricții sau suporturi de fixare sau puncte de ancorare.

b) încărcări datorită gradientului de temperatură care constau din încărcările ce se dezvoltă datorită tensiunilor din pereții conductei, apărute ca urmare a variațiilor mari și rapide de temperatură, precum și distribuției neuniforme a temperaturii, onco putea fi cauzată de un flux termic, ridicat, prin pereții mai groși ai unei conducte sau de circulația prin oncomi a fluidelor bifazice.

c) încărcări datorită coeficienților de dilatare termică diferiți care rezultă în cadrul sistemelor de conducte unde se folosesc material cu coeficienții de dilatare termică dieferiți, așa cum ar putea fi materialele bimetalice căptușite cu manta de încălzire sau combinații de oncomit metalice și nemetalice.

2.1.7 EFECTUL DEPLASĂRII SUPORTURILOR, AL PUNCTELOR DE FIXARE ȘI DE ANCORARE

La ancorarea sistemelor de conducte se va analiza efectul deplasării suporturilor de conducte, punctelor de fixare și a racordurilor echipamentelor. Aceste deplasări pot rezulta din felxibilitatea sau dilatarea termică a echipamentelor, a structurilor pe care sunt așezate suporturile sau punctele de ancorare, precum și din tasare, mare sau vânt.

2.1.8 EFECTUL DUCTILITĂȚII REDUSE

La proiectarea sistemelor de conducte se va analiza efectul dăunător al ductilității reduse a materialelor, pentru unul sau mai multe din elementele oncomita ale sistemului. Acest oncom poate rezulta din modul de execuție al sudurii, al tratamentului termic, operției de forjare, îndoire sau operare la oncomitant scazute, oncomita efectul de răcire ce apare ca urmare a pierderii subite de presiune pentru fluidele foarte volatile. La proiectarea sistemelor se va avea în vedere de asemenea oncomitant minimă ambiantă ce poate apărea în timpul operării.

2.1.9 EFECTUL CICLIC AL ÎNCĂRCĂRILOR

La proiectarea sistemelor de conducte se va analiza efectul oncom datorit presiunii, efectul oncom al modificărilor de temperatură precum și alte încărcări ciclice dacă este cazul.

2.1.10 EFECTUL CONDENSARII AERULUI

În cazul temperaturilor de operare sub , în conductele amplasate în aer liber, poate apărea condensarea și îmbogățirea în oncom. Efectul termic avut în vedere la alegerea materialelor din oncomita conductelor , a materialelor de izolații și a proiecțiilor adecvate.

2.2 TENSIUNI ADMISIBILE ȘI LIMITĂRI PRIVIND TENSIUNILE EFECTIVE

La proiectarea sistemelor de conducte se vor folosi tensiunile admisibile definite mai jos:

– pentru întindere, tensiunile admisibile pentru materialul țevii si al materialului prezoanelor se stabilesc conform P.D 187-82, factorul de caliatate al sudurilor se definește în P.D.178-82;

– pentru forfecare, tensiunile admisibile se stabilesc la 0,08 din tensiunile admisibile pentru întindere;

– pentru compresiune, tensiunile admisibile se stabilesc la aceleași valori ca și țevile admisibile pentru întindere.

Tensiunile admisibile și tensiunile maxime de calcul se stabilesc după cum urmează:

Pentru prezoane și piulițe , tensiunile de calcul maxime nu vor depăși cea mai mică valoare din cele prevazute în continuare:

– ¼ din valoarea minimă specificată a rezistenței de rupere Rm la ;

– ¼ din valoare rezistenței la rupere, la oncomitant de calcul;

– din valoarea limitei de curgere convenționale minime, specificate pentru oncomitant de 2000C;

– din valoarea limitei de curgere convenționale minime, specificate pentru oncomitant de calcul;

– 100% din tensiunile medii pentru o viteză de curgere la fluaj de 0,01% la 1000 ore;

– 67% din tensiunile medii pentru rupere la sfârșitul a 100000 ore;

– 80% din tensiunile minime pentru rupere la sfârșitul a 100000 ore.

Pentru fontă valorile tensiunilor admisibile nu vor depăși cea mai mică valoare din cele de mai jos:

– din valoarea minimă specificată pentru rezistența de rupere Rm la ;

– din valoarea rezistenței de rupere la temperatură de calcul.

Pentru elementele conductei, altele decât prezoane, șuruburi sau cele executate din fontă, valorile tensiunilor admisibile nu vor depăși cea mai mică valoare din cele de mai jos:

– din valoarea minimă oncomit pentru rezistența Rm la ;

– din valoarea rezistenței de rupere la temperatură de calcul;

– din valoarea minimă specificată pentru limita de curgere convențională Rc la oncomitant de ;

– din valoarea limitei de curgere convenționale, la oncomitant de 200C, cu excepția că pentru oțelurile austenitice și pentru anumite oțeluri aliate cu Ni acest factor poate fi 90% din valoarea limitei de curgere convențională,, dar niciodată mai mult de 2/3 din valoarea minimă specificată a limitei de curgere la ;

– 100% din tensiunile medii pentru o viteză de curgere la fluaj de 0,01% pentru 1000 ore;

– 67% din tensiunile medii la rupere la sfârșitul a 100000 ore;

– 80% din tensiunile minime la rupere după 100000 ore.

2.2.1 LIMITE PENTRU TENSIUNILE EFECTIVE PRODUSE DE ÎNCĂRCĂRILE CURENTE

Tensiuni datorate presiunii interioare și exterioare.

Tensiunile datorite presiunilor, interioare și exterioare, pot fi considerate în limite admisibile atunci când grosimea peretelui fiecărui element al conductei a fost stabilită în conformitate cu cerințele din “Instrucțiuni tehnice departamentelor pentru conducte tehnologice sub presiune din instalațiile chimice și rafinării, P.D.178-, oncomitan paragraful 304 din “ANSI B31.3 1990- Chemical Plant and Petroleum Rafinery Piping”.

b) Tensiuni oncomitant.

Suma tensiunilor oncomitant datorită presiunii, greutății proprii, încărcărilor concentrate (robinete, aparatură AMC, etc), zăpezii, gheții etc, trebuie să fie mai mică decât precizată la oncomit c de mai jos. Grosimea de țeavă ce se folosește pentru calculul tensiunilor oncomitant va fi grosimea oncomi S din care se scad adaosurile pentru exploatare, pentru prelucrări mecanice și pentru abaterea negativă la grosime.

Stabilirea tensiunilor de comparație pentru intervalul efectiv de tensiuni .

Conform P.D.178-82, tensiunile admisibile pentru solicitările datorită dilatăriilor termice și a acțiunii combinate a sarcinilor se vor stabili de către proiectant pe baza celor indicate de oncomitan de specilaitate.

Tensiunile de comparție pentru intervalul efectiv de tensiuni a fost stabilită ca având valorea:

(3.1)

unde: – tensiunea admisibilă la ;

– tensiunea admisibilă la oncomitant de lucru;

f – factor de reducere al intervalului efectiv de tensiuni pentru funcționarea ciclică (încalzire-răcire) pentru N ciciluri;

f = 1 pentru N ≤ 7000 cicluri complete.

Așadar asigură funcționarea corespunzătoare a sistemului de conducte pentru minim 7000 cicluri complete.

Dacă N > 7000 cicluri, tensiuniunea se reduce cu un factor ce condiționează tensiunea de comparație cu numărul de cicluri determinat în baza unor încercări la oboseală fӑcute pe conducte din oțel carbon la oncomitant ambiantă. Factorul f are limita maximă 0,5, intervalul efectiv de tensiuni , rezultat din dilatarea termică împedicată, se stabilește având în vedere că:

– calculul static se efectuează cu întreaga variație a temperaturii ΔTE, fară a se ține seama de eventualele pretensionări la rece ale conductei;

– calculul intervalului efectiv de tensiuni se face cu grosimea inițială a peretelui conductei. Deoarece coroziunea poate micșora substanțial numărul de cicluri de funcționare, în cazul când se anticipează un număr mare de cicluri se vor folosi oncomit adecvate rezistenței la coroziune;

– nu se ia în considerare coeficientul de calitate al sudurii.

Așa cum s-a menționat, intervalul efectiv de tensiuni se calculează pentru variația oncomit a temperaturii ΔTE (pentru cicluri termice complete). În cazul în care ciclurile nu sunt toate oncomitan cu ΔTE se poate proceda astfel:

P1, P2, … Pn, PE ≤ PC;

unde PC – presiunea de calcul;

T1, ΔT2, … ΔTn ≤ ΔTE,

se determină numărul echivalent de cicluri :

(3.2)

ΔTE – variația temperaturii cu care a fost oncomita ;

N1, N2, … Nn – numărul de cicluri cu variația de temperatură mai mică decât ΔTE;

Cu s-au notat rapoartele:

, , ,

se determină factorul de reducere f = f(N) și se calculează:

(3.3)

Dacă , tensiunea de comparație pentru intervalul efectiv de tensiuni este:

(3.4)

2.2.2 LIMITE PENTRU TENSIUNILE EFFECTIVE LA ÎNCĂRCĂRILE OCAZIONALE

încărcări ocazionale în funcționare.

Suma tensiunilor oncomitant datorită presiunii, greutății proprii, încărcărilor concentrate sau distribuite și a tensiunilor produse de sarcini ocazionale, cum ar fi vântul și cutremurul, este considerată ca acceptabilă, dacă este mai mică de .

Atunci când valoarea tensiunii admisibile depășește 2/3 din limita de curgere convențională la oncomitant de operare, valoarea tensiunii admisibile trebuie redusă așa cum s-a specificat în paragraful anterior. Încărcările din vânt și cutremur nu trebuie să se considere că acționează oncomitant.

b) încărcări ocazionale în timpul probei hidraulice.

Tensiunile ce apar în timpul probei hidraulice a sistemului de conducte nu sunt supuse limitărilor de mai sus. Sarcinile ocazionale cum ar fi vântul și cutremurul nu trebuie să se considere că sunt oncomitant cu cele din proba hidraulică.

CAPITOLUL 3

CALCULUL STATIC AL SISTEMELOR DE CONDUCTE

3.1 CALCULUL DE REZISTENȚĂ AL CONDUCTELOR DREPTE LA ALTE SOLICITARI EXTERIOARE DECAT PRESIUNEA

Solicitările compuse ale barelor drepte sunt solicitările în cadrul cărora torsorul eforturilor secționale se reduc la două sau mai multe dintre componentele N, Mx, My, Mz .

În funcție de eforturile secționale care se dezvoltă într-o secțiune oarecare a barei, solicitările compuse se indentifică astfel:

înconvoiere dublă sau oblică;

înconvoiere simplă cu forță axială;

înconvoiere dublă cu forță axială;

înconvoiere cu torsiune.

3.1.1 INCONVOIERE DUBLĂ SAU OBLICĂ

În acest caz planul secțiunii transversale a barei apar componentele Mx și Mz dirijate după axele centrale principale de inerție Oy respectiv Oz (fig. 4.1). Cele două componente provin din descompunerea momentului de înconvoiere Mi a cărui direcție face cu axa Oz unghiul α:

; ; (3.1)

Distribuția tensiunilor pe secțiunea dreaptă a barei

Dacă se consideră că bara este solicitată independent de fiecare component a momentului de înconvoiere Mi atunci, în baza formulei lui Navier, pe secțiune se dezvoltă tensiuni care au o distribuție liniară (fig. 3.2) și a căror valoare într-un punct P oarecare al secțiunii, de coordonate (y, z) se determină cu relațiile:

; ; (3.2)

Prin însumarea celor două tensiuni ținând seama de semnul lor, se determină valoarea tensiunii reale în punctual P:

. (3.3)

Se poate observa ca tensiunea variază liniar pe secțiune, având valoarea zero pe o dreaptă – axa neutră – care trece prin centrul de greutate O și a cărei ecuație rezultă din condiția :

.

Unghiul β pe care îl face axa neutră cu axa Oz se determină cu relația:

. (3.4)

Când Iz>Iy atunci > și axa neutră are o înclinare față de axa Oz mai mare decât înclinarea momentului Mi. Dacă Iz=Iy (cazul secțiunilor circulare, pătrate) axa neutră coincide cu direcția momentului înconvoietor Mi, iar bara este supusă la înconvoiere simplă.

Pentru a indentifica punctele de pe secțiune unde se dezvoltă tensiunile maxime și minime, deci punctele cele mai îndepărtate de pe axa neutră, se duc tangente la conturul secțiunii, paralele cu axa neutră (fig. 3.3).

Valoarea acestor tensiuni se determină înlocuind în relația (3.3) coordonatele punctelor respective S1 (y1, z1) si S2 (y2, z2):

; . (3.5)

Calculul de rezistență

Dacă materialul din care este confecționată bara are aceeași rezistență admisibilă la întindere și compresiune atunci condiția de rezistențăa a unei bare solicitată la înconvoiere dublă este:

. (3.6)

Deoarece, în general, secțiunea transversală a barei este caracterizată de mai mulți parametrii, relatia (3.6) nu poate fi transformată într-o relație de dimensionare. Din această cauză dimensionarea se face prin încercări. Se adoptă anumite dimensiuni pentru secțiune și se verifică condiția (3.6). Dacă aceasta este îndeplinită atunci dimensiunile sunt bune. În cazul în care condiția (3.6) nu este îndeplinită cu dimensiunile adoptate, atunci acestea se majoreză până când condiția este verificată [

3.1.2 INCONVOIEREA SIMPLĂ CU FORȚĂ AXIALĂ

Cele două componente ale torsorului eforturilor secționale care apar în planul secțiunii drepte în cazul solicitării de înconvoiere simplă cu forță axială și anume N, Mz sau N, My, sunt echivalente cu o forță excentrică al cărui punct de aplicație se află fie pe axa Oy, fie pe axa Oz. Dacă în secțiunea transversală apar N și Mz, atunci legătura dintre și aceste eforturi secționale este:

N = ; Mz=N∙y0. (3.7)

unde y0 este distanța de la punctul de aplicație al forței excentrice la axa z (fig. 3.3, a)

Distribuția tensiunilor pe secțiunea dreaptă a barei

Forța axială N produce pe secțiunea dreaptă a barei tensiuni care sunt constante în toate punctele secțiunii (fig. 3.3, b) iar momentul înconvoietor Mz tensiunii care au o varițite liniară pe secțiune (fig 3.3, c). Aplicând suprapunerea de efecte în punctul P de coordonate (y, z) valoarea tensiunii totale se determină cu relația:

, (3.8)

a cărei variație este redată în figura 3.3, d.

Din condiția se obține ecuația axei neutre:

, (3.9)

care arată că axa neutră este paralelă cu Oz (axa vectorului moment înconvoietor în acest caz), la depărtarea e de aceasta și situate în partea opusă celei în care este aplicată forța excentrică .

Valorile maxime și minime ale tensiunii se regăsesc în punctele S1 și S2 cele mai depărtate de axa neutră și se determină cu relațiile:

; . (3.10)

Dacă axa Oz de simetrie a secțiunii atunci (fig. 3.4) și relațiile 3.10 capată forma:

; ; (3.11)

deoarece reprezintă modulul de rezistență la înconvoiere.

Calculul de rezistență

Dacă materialul barei are aceiași rezistentă admisibilă la întindere și compresiune condiția de rezistență pentru o bară dreaptă solicitată la înconvoiere cu forța axială este:

. (3.12)

În cazul secțiunii oarecare nu este posibilă o dimensionare directă deoarece în relația (3.12), în general, apar mai mulți parametrii. Din această cauză dimensionarea se face prin încercări: se alege o secțiune, se calculează tensiunile cu relațiile (3.10) și se introduce în (3.12) dacă condiția de rezistență nu este îndeplinită se modifică secțiunea până când este verificată relația (3.12).

În cazul secțiunilor simetrice în raport cu axa Oz (fig. 3.4) condiția de rezistență capată forma:

, (3.13)

iar calculul de rezistență decurge astfel:

– se face o predsimensionare a barei la înconvoiere simpla;

– se majorează dimensiunea calculată pentru a ține seama și de forța axială și se face verificarea cu relația (3.13);

– dacă nu este satisfăcută condiția (3.13) atunci se modifică sectiunea până când această condiție este îndeplinită.

Sunt materiale care au o comportare foarte bună la compresiune și slabă la întindere, ca de exemplu betonul armat utilizat la confecționarea fundațiilor. În aceste situații este necesar ca pe secțiunile elementelor de tip bară confecționate din astfel de materiale și solicitate la înconvoiere cu forță axială, să se dezvolte numai tensiuni de compresiune. Cu alte cuvinte axa neutră să nu intersecteze secțiunea, cel mult să fie tangent cu ea.

De exemplu, pentru o secțiune dreptunghiulară (fig. 3.5, a) ținând seama de egalitățile (3.7) se obține expresia tensiunii :

. (3.14)

În punctele extreme ale secțiunii la y=±h/2 rezultă valorile:

. (3.15)

Se constată că, daca forța normală excentrică este aplicată în intervalul y0(-h/6, +h/6), adică în interiorul segmentului P1P2 (fig. 3.5, a) care constituie treimea mijlocie a secțiunii, axa neutră nu intersectează secțiunea și tensiunile pe secțiune au același semn (fig. 3.5, b). Pentru axa neutră este tangentă la secțiune (fig. 3.5, c) iar tensiunile au valorile și valoarea maximă a tensiunii fiind întodeauna de aceiași parte cu punctul de aplicație al fortei normale exventrice . Dacă y0> h/6 sau y0>-h/6, adică forța normală excentrică este aplicată în afara treimii mijlocii a secțiunii, axa neutră taie secțiunea la ordonata e determinată cu relația (3.9) (fig. 3.5, d).

3.1.3 ÎNCONVOIEREA DUBLĂ CU FORȚĂ AXIALĂ

În acest caz, în orice situație dreaptă a barei, sau a unui tronson dintr-o bară, eforturile secționale se reduc la efortul axial N și la momentele înconvoietoare My și Mz sau la o forță normală excentrică aplicată într-un punct de coordonate y0,z0 (fig. 3.6). Între forța și eforturile secționale N, My și Mz există relațiile:

; ; . (3.16)

Distribuția tensiunilor pe secțiunea dreaptă a barei

Să consideram că forța excentrică este poziționată astfel încât reducerea sa în centrul de greutate al secțiunii conduce la eforturile secționale N, Mz și My pozitive, așa cum se poate observa în figura 3.7.

Deoarece eforturile secționale N, Mz și My produc tensiuni , aplicând principiul suprapunerii eforturilor, într-un punct oarecare P de pe secțiune se va dezvolta tensiunea:

. (3.17)

Din condiția se obține ecuația axei neutere, care se pune sub forma:

(3.18)

Ale cărei tăieturi y1, z1 se exprimă prin formulele:

; . (3.19)

Tinand seama de relațiile (3.16) tăieturile axei neutere se pot scrie astfel:

; (3.20)

Deoarece aria A și momentele de inerție axiale Iy și Iz sunt întodeauna pozitive, se observă că tăieturile axei neutere (y1, z1) și coordonatele punctului de aplicație al forței normale excentrice (y0, z0) sunt de semne contrarii. Din această cauză axa neutră și punctul de aplicație al forței excentrice sunt situate în cadrane opuse (fig. 3.7).

Pentru indentificarea punctelor de pe secțiune în care tensiunile au valori maxime, se calculează mai întâi coordonatele (y0, z0) ale punctului de aplicație al forței excentrice, apoi, cu relațiile (3.20), tăieturile axei neutere. După trasarea axei neutere, se duc tangente la conturul secțiunii transversale, paralele cu axa neutră și se indentifică punctele S1 și S2, care sunt punctele cele mai solicitate de pe secțiune.

În aceste puncte tensiunile sunt:

; . (3.21)

Calculul de rezistență

Valorile tensiunilor și nu trebuie să depăsească valoarea tensiunii admisibile a materialului din care este confecționată bara:

. (3.22)

Deoarece condiția de rezistență (3.21) nu poate fi transformată în formulă de dimensionare, proiectarea barelor supuse la înconvoiere dublă cu forță axială se face prin încercări: se aleg anumite dimensiuni pentru secțiune și dacă condiția de rezistență nu este îndeplinită aceasta se modifică până când aceasta este îndeplinită corespunzator.

Ca și în cazul solicitărilor de învovoiere simplă cu forță axială, în cazul secțiunilor dreptunghiulare punctele S1 și S2 sunt situate în două colțuri opuse ale secțiunii (fig. 3.8). În această situație, deoarece și , tensiunile în punctele cele mai solicitate sunt:

; . (3.23)

Dacă materialul din care este confecționată bara are aceiași rezistență admisibilă la întindere și compresiune, condiția de rezistența (3.22) devine:

. (3.24)

Pentru secțiuni circulare, pătrate și dreptunghiulare, la care se dă raportul h/b sau pentru secțiuni compuse a căror geometrie depinde de un singur parametru, condiția (3.24) se transformă pentru dimesionare într-o ecuație de gradul trei.

Calculul practic de dimensionare cuprinde următoarele etape:

– se neglijează efecul forței axiale și se face o dimensionare la înconvoiere oblică;

– se adoptă dimensiuniile secțiunii ținând seama de influența fortei axiale și a raportului Wz/Wy, după care, obligatoriu, se face verificarea condiției de rezistență (3.24).

3.1.4 ÎNCONVOIEREA CU TORSIUNE A BARELOR CU SECȚIUNE CIRCULARĂ

Deoarece în cazul secțiunii circulare orice axă care trece prin centrul O este axă de simetrie și deci implicit axă centrală de inerție, momentele My și Mz se compun și formeaza momentul de înconvoiere Mi, a cărei direcție este chiar axa neutră (fig. 3.9, a). În consecință înconvoierea este întotdeauna simplă și din distribuția tensiunilor (fig 3.9, b) rezultă punctele S1 și S2 se dezvolta tensiunile mexime, respectiv minime ale caror valori sunt:

. (3.25)

Calculul de rezistență

Deoarece în punctul S1 se dezvoltă atât cât și în acest punct se va calcula . De exemplu în baza teoriei de rezistență (teoria a III-a) aplicată la bare:

. (3.26)

Dacă în (3.26) se introduc expresiile lui cât și rezultă:

. (3.27)

Coeficientul KT este în funcție de teoria de rezistență utilizată pentru calculul lui .

Condiția de rezistență (3.27) poate fi utilizată pentru dimensionare:

(3.28)

De multe ori însă, pe lângă condiția de rezistență (3.26) se impune și o condiție de rigiditate. Dacă se constată că dimensiunile secțiunii nu se verifică dimensionarea barei se face astfel:

(3.29)

unde reprezintă momentul de inerție polar al secțiunii barei.

CAPITOLUL 4

ANALIZA CONSTRUCTIV FUNCȚIONALĂ A SISTEMULUI ALES

4.1 DESCRIERE TRASEU

Proiectul de față analizează o conductă 3-156-16”/14”/8” din cadrul unei instalații de reformare catalitică, care face legatura între schimbatoarele de caldura și instalația de răcire cu aer 3E-A1. (fig. 4.1)

Din reactorul instalației, efluentul (amestec de hidrocarburi si gaze cu hidrogen) este vehiculat la schimbatoarele de caldura – materie prima, unde cedeaza caldura materiei prime (benzina+gaze cu hidrogen).

De aici, prin intermediul conductei studiate (3-156-16”/14”/8”), efluentul este vehiculat la racitorul-condensator cu aer 3E-A1, unde condenseaza și se răcește de la temperatura de 1290C pana la temeratura de 700C.

Din răcitorul cu aer, efluentul este vehiculat mai departe catre răcitoarele cu apa unde se răcește pana la temperatura de 380C.

Conducta pleacă din punctul de racordare cu schimbătoarele de căldură, această legătură realizându-se prin intermediul unei flașe cu gât pentru sudare, având dimensiunile in conformitate cu EN 1092-1:2001. Caracteristicile constructive ale conductei din punctul de plecare sunt :

Diametrul nominal Dn= 400mm;

Diametrul exterior Dext=406mm;

Grosimea de perete s=22,2mm.

La o distanță de 600 mm față de punctul de racordare, în sensul pozitiv al axei Ox, conducta prezintă o armătură RS16” ce servește la oprirea trecerii mediului tehnologic prin sistemul de conducte. Pe această latură, la o distanță de 1170 mm față de armătură, se realirează o schimbare de direcție cu 900 în planul (xOz), către sensul pozitv al axei Oz. Pe acest sector, conducta prezintă un suport de alunecare SP-A5 aflat la o distanță de 3400 mm față de cot, iar la 3215 mm față de acest suport, se schimbă direcția printr-un cot de 900 in planul (xOz), către sensul pozitiv al axei Ox.

Traseul se menține in sensul poztiv al axei Ox pe o lungime de 16185 mm. Pe această latură conducta prezintă două suporturi de alunecare SP-A5, avand o distanță de 11500 mm între ele și 2975 mm față de cotul precedent. Conducta iși mentine sensul pe o lungime de 1710 mm, unde își schimbă direcția cu 900 în sensul pozitiv al axei Oy, iar traseul urcă pană la o cotă de 8228 mm. De la acest nivel coboară cu 915 mm unde se gasește un teu sudat cu aripi egale; acesta fiind un element de simetrie in sistemul prezentat. În continuarea traseului, conducta este distribuita pe opt racorduri ale instalației de racire 3E-A1. Flanșele acestor racorduri au dimensiuni in conformitate cu EN 1092-1:2001.

Continuand traseul conductei pe direcția axei Oz, fața de punctul de ramificare (teul prezentat anterior) spre cele opt racorduri de intrare in instalatia de racire, se pot observa doua armature RS14” situate simetric fata de teu la o distanta de 600 mm, iar la o distanta de 600 mm fata de acestea sunt dispuse doua reducții centrice RCS 16’’x14”. În acest punct conducta prezinta urmatoarele caracteristici constructive:

Diametrul nominal Dn=350 mm;

Diametrul exterior Dext=355,6mm;

Grosimea de perete s=19,1mm.

La o distanța de 1250 mm fața de aceste reducții , conducta iși schimba traseul în planul (xOz) cu 900, catre sensul pozitiv al axei Ox prin intermediul unui cot. Continuand deplasarea pe aceasta direcție, la o distanța de 1850 mm fața de acest cot , este dispus un teu, care constituie un al doilea punct de simetrie ce imparte conducta pe cate doua racorduri. De o parte si de cealalta a teului, in sensul axei Oz, la o distanța de 400 mm se afla doua reductii centrice RCS 14”x8”. Caracteristicile funcționale ale conductei in aceste puncte sunt:

Diametrul nominal Dn=200mm;

Diametrul exterior Dext=219,1mm;

Grosimea de perete s=12,7mm.

Mentinand direcția axei Oz, la o distanța de 828 mm fața de cele doua reducții, traseul conductei iși schimba direcția cu 900 in planul (xOz), in sensul negativ al axei Ox, iar la o distanța de 897 mm fața de acest cot, conducta se ramifica din nou, prin intermediul unui teu, fiind distribuita pe fiecare record.

Conducta este realizata dintr-un oțel L254GA (conform SREN 10208/1), având caracteristcile prezentate in tabelul 4.1.

Tabelul 4.1

4.2 REGIM DE LUCRU

Parametrii tehnologici aferenți acestei conducte, sunt următorii:

fluid vehiculat: HC+H2+H2S (benzina+gaze cu hidrogen);

Condițiile de lucru:

Presiunea: p = 45,5 bar;

Temperatura: t = 129 °C

Condiții de proiectare:

Presiunea: p = 62 bar;

Temmperatura: t = 177 °C;

Presiunea de proba hidraulica: p = 91 bar.

4.3. CALCULUL TENSIUNILOR ADMISIBILE

Pentru calculul tensiunilor admisibile este necesar sa se cunoasca materialul din care se confectioneaza conducta, temperatura la care lucreaza, precum si unele caracteristici mecanice ale materialului.

Materialul din care este confectionata tubulatura conductei si fitingurile este L245GA ale carui caracteristici mecanice sunt prezentate in tabelul 4.1.

Acest tip de otel are limita de curgere garantata la temperaturi ridicate.

Pentru calculul tensiunilor admisibile se foloseste formula:

(4.1)

unde: – – valoarea minima a rezistentei de rupere la tractiune, la temperatura standard normala de 200 C ;

– – limita de curgere, la temperatura standard normala de 200 C ;

– – coeficienti de siguranta pentru otel laminat, forjat, avand urmatoarele valori:

cr=2,4

cc=1,5

Inlocuind in formula (4.1) se obtine valoarea tensiunii admisibile:

Deoarece temperatura de lucru a conductei (prezentată în subcapitolul 4.1) nu depașește 2000 C, tensiunea admisibilă a materialului conductei ramâne egală cu tennsiunea calculată la temperatura de 200 C.

Cap. 5. CALCULUL MECANIC STATIC AL CONDUCTEI

5.1. MODELUL DE CALCUL STATIC LA CONDUCTEI

Pentru conducta analizată, a cărei configurație a traseului a fost prezentată în capitolul 4 și care este prezentată schematizat în figura 5.1, s-au numerotat toate punctele în care există:

legături la teren sau la alte echipamente;

schimbări de direcție;

ramificații;

modificări ale secțiunii transversale (variații ale diametrelor);

robinete, filtre etc.

S-a obținut astfel modelul de calcul din figura 5.2 pe care sunt puse în evidență 93 de puncte.

Pentru claritatea reprezentării, în figurile 5.3, 5.4 și 5.5 sunt prezentate detalii ale modelului de calcul al conductei.

Porțiunea de conductă reprezentată în figura 5.3 este de 16” (DN 400) cu diametrul exterior și grosimea de perete .

Porțiunea de conductă reprezentată în figura 5.4 este de 14” (DN350) cu diametrul exterior și grosimea de perete .

Porțiunile de conductă reprezentate în figurile 5.5 și 5.6 sunt de 8” (DN200) cu diametrul exterior și grosimea de perete .

Cele 93 de noduri rezultate, au fost unite intre ele și s-a obținut configurația structurii prezentată în figura 5.2.

Calculul static al structurii conductei s-a realizat folosind Metoda Elementului Finit (MEF), cu un program de calcul adecvat, pentru care s-au parcurs mai multe etape:

a) Față de un sistem general de axe, prezentat în figurile 5.1, 5.2 sau 5.3, s-au calculat coordonatele celor 93 de puncte prezentate în tabelul 5.1.

Fig. 5.1. Prezentarea schematizată a conductei analizate

Fig. 5.2. Modelul de calcul static al conductei cu numerotarea nodurilor

Fig.5.3. Numerotarea nodurilor pe tronsonul de conductă de 16” (DN400)

Fig.5.4. Numerotarea nodurilor pe tronsonul de conductă de 14” (DN350)

Fig.5.5. Numerotarea nodurilor pe tronsonul de conductă de 8” (DN200) (ramura din stânga)

Fig.5.6. Numerotarea nodurilor pe tronsonul de conductă de 8” (DN200) (ramura din dreapta)

Tabelul 5.1. Coordonatele punctelor care compun structura conductei

Tabelul 5.1. Continuare

Tabelul 5.1. Continuare

Tabelul 5.1. Continuare

b) s-au ales tipurile de elemente finite utilizate la calculul conductei: PIPE16 pentru porțiunile drepte și PIPE18 pentru porțiunile curbe ale conductei (elbow);

c) s-au introdus în program datele despre materialul din care este realizată conducta:

– modulul de elasticitate longitudinală, ;

– densitatea materialului conductei, ;

– coeficientul lui Poisson, ;

– coeficientul de dilatare termică liniară a materialului, .

d) s-au definit datele despre secțiunile transversale, cunoscute în programul de calcul sub numele de constante reale, cum ar fi diameterele exterioare ale secțiunilor și grosimile de perete ale tubulaturilor precizate anterior; pentru elementele cubre, se mai precizează în plus razele de curbura ale zonelor curbe astfel: pentru porțiunea de conductă de 16” (DN 400), raza de curbura este de 600 mm, pentru porțiunea de conductă de 14” (DN 350), raza de curbura este de 533 mm iar pentru porțiunea de conductă de 8” (DN 200), raza de curbura este de 300 mm.

d) s-au unit cele 93 pe noduri și s-au obținut 73 de elemente finite drepte și curbe;

e) s-au alocat, fiecăruia din cele 73 de elemente finite, datele despre secțiunea transversală (constantele reale) și tipul de element finit (drept sau curb);

f) s-au introdus legăturile la teren ale conductei, astfel: în punctele (nodurile) 1, 52, 57, 37, 42, 73, 78, 88 și 93 (vezi figura 5.2), unde conducta este legata la schimbătorul de căldură și, respectiv, răcitor legăturile sunt de tip încastrare cu toate cele șase grade de libertate blocate; în nodurile 6, 10 și 11 (fig. 5.2), conducta are reazeme care împedică deplasarea doar pe verticală. A rezultat modelul de calcul static cu rezemarile modelate ca în figura 5.7;

Fig. 5.7. Modelul de calcul static la conductei cu rezemările la teren

g) s-au definit încărcările conductei, astfel:

g1) greutatea proprie a materialului conductei; pornind de la masa specifică definită anterior, de la dimensiunile secțiunilor transversale și cunoscând accelerația gravitațională programul calculează automat grautatea fiecărui element de bară drept sau curb considerată ca o încărcare distribuită uniform pe verticală;

g2) presiunea interioară, p [MPa];

g3) variația de temperatură față de montaj a conductei, datorată temperaturii fluidului vehiculat, [];

5.2.FACTORII CE FLEXIBILITATE ṢI DE INTENSIFICARE AI EFORTURILOR ṢI TENSIUNILOR ȊN CAZUL COTURILOR NETEDE

Coturile sunt elemente componente ale sistemelor de conducte care ridică probleme speciale în ceea ce privește evaluarea stărilor de deformații și tensiuni. Caracterul special al acestor probleme constă în faptul că un element tubular curb (cot neted) supus la încovoiere, în planul său sau perpendicular pe plan, se ovalizează, ceea ce face ca flexibilitatea acestuia să fie mai mare decât ceea ce rezultă din teoria de bară dreaptă. Ȋn acest caz starea de tensiuni devine mai complexă și nu mai poate fi determinată cu formula lui Navier.

Tensiunile normale longitudinale și cele circumferențiale se exprimă în funcție de tensiunea maximă calculată cu formula lui Navier, introducând factorii de intesificare: (pentru încovoierea în planul cotului) și (pentru încovoierea în planul normal pe planul cotului), care au valori supraunitare[3].

(5.1)

Factorul de flexibilitate () se definește ca raport dintre rigiditatea la încovoiere corespunzătoare teoriei de bară dreaptă și rigiditatea reală a cotului.

Pentru a ține cont de influența ovalizării secțiunii în calcule se introduce factorii menționați anterior, aceștia fiind luați în considerare și de programul de calcul utilizat pentru analiza tensiunilor care apar în sistemul de conducte prezentat la capitolul 4.

În tabelul 5.2. sunt prezentați factorii de intensificare și de flexibilitate specifici elementelor componente prezente în sistemul de conducte. Elementele dimensionale necesare pentru identificarea termenilor sunt prezentate in fig.5.2.

Tabelul 5.2.

5.3. VARIANTE DE CALCUL STATIC

Calculul static al conductei s-a realizat în mai multe variante, astfel:

5.3.1. Calculul static la presiunea de probă

Din datele de proiectare rezultă că testarea conductei se face cu apă la o presiune de 9,1 MPa, egală cu dublul presiunii de proiectare. În această varianta de calcul se va ține seama deci, pe lângă presiunea de probă și de greutatea proprie a materialului conductei (ca încărcare permanentă ) dar și de cea a apei. In acest scop se va determina o densitate echivalentă care să țină seama atât de densitatea oțelului cât și de cea a apei, care se determină cu relația:

(5.1)

în care este densitatea materialului conductei, ,

– – aria secțiunii din interiorul tubulaturii conductei;

pentru zona cu DN400, ;

pentru zona cu DN350, ;

pentru zona cu DN200, ;

– – aria secțiunii transversale a tuulaturii conductei;

pentru zona cu DN400, și, similar,

pentru zona cu DN350, iar pentru zona cu DN200, .

– este densitatea apei, =.

Cu datele de mai sus se obțin următoarele valori ale densității echivalente: , și care se introduc ca date de intrare în programul de calcul.

5.3.2. Calculul static în condiții de proiectare

In această variantă de calcul static, se vor lua în considerare:

greutatea proprie a materialului conductei (ca încărcare permanentă );

presiunea maximă de proiectare, ;

variația de temperatură, .

5.3.3. Calculul static la parametrii de proiectare în condițiile blocării unui reazem

În această variantă de calcul static se consideră aceleași încărcări ca și în cazul 5.2.2 dar se analizaează starea de tensiuni și de deplasări din elementele conductei în condițiile în care se bocheză reazemul din punctul 6 (vezi figura 5.7) și devine un suport fix care blochează translațiile acestui nod pe toate cele trei direcții ale sistemului general de axe.

5.3.4. Calculul static la parametrii de proiectare cu grosimi de perete modificate

Constatând că grosimile de perete ale conductei, pe toate cele trei tronsoane, sunt situate în partea superioară ale gamei de grosimi corespunzătoate fiecărui diametru nominal, se va analiza starea de tensiuni și de deplasări pentru grosimi de perete reduse pe acele porțiuni de conductă unde, din varianta 5.2.2, va rezulta o rezervă de capacitate portantă.

5.4. TENSIUNI ȘI DEPLASĂRI ÎN ELEMENTELE CONDUCTEI

Se va prezenta și analiza starea de tensiuni și deplasări din elementele conductei pentru cele 4 variante de calcul static.

5.4.1. Starea de tensiuni și deplasări în elementele conductei în varianta de calcul 5.3.1

Presiunea de probă este una din cele mai severe încărcări ce acționează asupra tubulaturii conductei. Folosind programul de calcul ANSYS, cu încărcările prezentate în paragraful 5.2.1 s-au determinat deplasările în toate nodurile structurii conductei. Pe aza acestora, forma deformată a coductei este prezentată în figura 5.8. Se constată că deplasarea maximă este de 3,8 mm

Fig.5.9. Forma deformată a conductei produsă de presiunea de probă

Harta tensiunilor echivalente von Mises, în acest caz, este prezentată în figura 5.9. Se constată că tensiunile echivalente maxime, au valoarea și aceasta se dezvoltă în zona nodului 11 (detaliul A din figura 5.9), unde există si un reazem. Acest nivel de tensiuni este inferior tensiunii admisibile a materialului conductei. Pe harta de tensiuni se observă că pe fiecare zonă de un anumit diametru nominal predomină o culoare (culoarea verde pe zona cu DN400, culoarea galenă pe zona cu DN350 și culoarea albastră pe zona cu DN200). Aceasta înseamnă că pe fiecare din aceste zone, tensiunile au valori relativ constante, ceea ce inseamnă că predominanată este solicitarea de presiune în detrimentul greutății proprii a conductei și a apei.

Fig.5.10. Harta de tensiuni din elementele conductei produsă de presiunea de probă

5.4.2. Starea de tensiuni și deplasări în elementele conductei în condiții de proiectare (varianta de calcul 5.3.2)

Condițiile de proiectare sunt caracterizate prin presiunea maximă de proiectare și variația de temperatură . La acestea se adaugă și greutatea proprie a materialului conductei, fără izolație, ca încărcare permanentă.

În figura 5.10 este prezentată deformata conductei din care rezultă că deplasarea maximă este de 28 mm. Așa cum se oservă din figura 5.11, în care este reprezentată aceeași deformată dar în vedere de sus (dinspre axa generală Y), deplasările maxime au loc în zona nodurilor 7 și 8 (vezi fig. 5.2).

Fig. 5.11. Deformata conductei dată de încrcările de proiectare

Fig.5.12. Deformata conductei dată de încrcările de proiectare, vedere de sus (dinspre axa generala Y)

In tabelul 5.2 sunt prezentate nodurile cu cele mai mari deplasări. Se observă că deplasările cele mai mari se produc în sens invers axei generale X, cu valori comparabile în punctele 7 si 8.

Tabelul 5.3. Deplasări maxime ale nodurilor din încrcările de proiectare

În figura 5.13 este reprezentată harta de tensiuni din elementele conductei produse de încărcările de proiectare.

Fig. 5.13. Harta de tensiuni din elementele conductei produse de încărcările de proiectare

Tensiunile echivalente maxime, în acest caz de încarcare a conductei, au valorile și sunt inferioare tensiunii admisibile ().

Un detaliu al zonei cu cele mai mari solicitări este prezentată în figura 5.12. Acestă zonă este situată în vecinătatea punctului 93 (vezi fig. 5.2 sau 5.6) unde se leagă conducta la răcitor.

Fig. 5.14. Detaliu al zonei cu cele mai mari solicitări ale conductei produse de încărcările de proiectare

Din harta de tensiuni prezentată în figura 5.11, se oservă că predomină culoarea albastră care corespunde unor valori ale tensiunilor inferioare celei maxime. Rezultă că, din acest punct de vedere, conducta se poate preta la o optimizare din punct de vedere al dimensiunilor secțiunii transversale, adică la o reducere a grosimii de perete pe une zone ale conductei. Acest lucru se va analiza intr-un paragraf ulterior.

5.4.3. Starea de tensiuni și deplasări în elementele conductei în situația blocării unui reazem (varianta de calcul 5.3.3)

Sunt situații în care reazemele conductelor se realizează cu bride care, prin jocurile pe care le au, nu îngrădesc deplasările punctelor de rezemare decât pe direcție verticală. Ȋn cele ce urmează, se va analiza cazul în care într-un astfel de reazem, brida este strnâsă prea mult și nu mai joacă rol de rezemare pe o singură direcție ci devine un reazem fix care împiedică deplasările pe taote cele trei direcții ale sistemului general de axe.

Drept încărcări ale conductei s-au considerat aceleași ca și în cazul prezentat în paragraful 5.4.2, adică încărcările de proiectare.

S-au cercetat mai multe variante de blocaj și cea mai periculoasă situație o reprezintă cea în care este blocat nodul 6 (vezi figura 5.2).

Se consideră că nu este importantă pentru analiza de față deformata conductei ci nivelul de tensiuni care se dezvoltă în conductă. Din acest motiv se va prezenta numai harta de tensiuni din elementele conductei corespunzatoare acestui caz, prezentată în figura 5.15.

Un detaliu al celei mai solicitate zone, pentru acest caz, este prezentată în figura 5.16.

Fig. 5.15. Harta de tensiuni în situația locării reazemului din punctul 6

Fig. 5.16. Detaliu al zonei cu cea mai mare solicitare în cazul blocării reazemului din punctul 6

Se observă în acest caz că, dacă s-ar bloca accidental reazemul din nodul 6, nivelul de tensiuni ar crește considerabil, depășind limita de curgere a materialului conductei. Acest lucru s-ar petrece dacă deplasările punctului 6 sunt complet blocate. In realitate, au loc deplasări ale punctului blocat cu reazem cu tot, ceea ce conduce uneori la deteriorarea acestuia.

Situația prezentată în acest paragraf are scopul de a atrage atenția asupra amplasării corecte a reazemelor pentru o conductă concretă și verificarea periodică a cestora pentru a urmări ca ele să joace rolul pentru care au fost proiectate.

5.4.4. Starea de tensiuni și deplasări în elementele conductei la parametrii de proiectare cu grosimi de perete modificate

Așa cum s-a constatat în paragraful 5.3.2, nivelul de tensiuni care ia naștere în tubulatura conductei permite o optimizare a acesteia din punct de vedere al dimensiunilor secțiunii transversale, adică se poate face o reducere a grosimii de perete pe unele zone ale conductei. Constatând că grosimile de perete ale conductei, pe toate cele trei tronsoane, sunt situate în partea superioară ale gamei de grosimi corespunzătoate fiecărui diametru nominal, se va analiza starea de tensiuni și de deplasări pentru grosimi de perete reduse pe acele porțiuni de conductă unde, din varianta 5.3.2, va rezulta o rezervă de capacitate portantă.

Din programul de calcul static utilizat rezultă că, în varianta existentă, greutatea conductei este .