Drukvat

Tanks, pijpaansluitingen of een drukvat waarin een overdruk heerst of kan ontstaan die groter is dan 0,1 bar, zijn drukvaten in de zin van de drukvatenwetgeving. In de ”Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter (AD)” opgestelde AD-richtlijnen (Merkblätter) staan technische voorschriften ten aanzien van materialen, fabricage, berekening, uitvoering, beproeving en exploitatie. Als deze technische regels worden uitgevoerd, dan wordt er voldaan aan de eis van zorgvuldigheid als constructeur. Ook wordt er in artikel 16 van de ‘warenwetregeling drukapparatuur’ gesteld dat drukapparatuur die puur voor wetenschappelijk onderzoek is, wordt ontheven van certificering volgens PED (Pressure Equipment Directive).

De delen van het middenstuk en de flensverloopstukken worden met en onder elkaar uitsluitend verbonden door stompe lassen. Deze moeten de krachten opnemen die veroorzaakt worden door de bedrijfsoverdruk, eigenmassa’s en warmte.

Materiaalkeuze drukvat

De materialen voor onder druk staande tankdelen dient men zo te kiezen dat zij met hun eigenschappen, bij het in bedrijf zijn, voldoen aan de mechanische, thermische en chemische belasting eisen. Uit een selectie van AD-richtlijn serie W kan de toelaatbaarheid bepaald worden voor algemene constructiestaalsoorten. Deze toelaatbaarheid wordt alleen toegestaan bij een product van inwendige diameter van het vat in mm en de bedrijfsoverdruk in bar, waarvoor geldt Di*P ≤ 20000.

Berekening van gelaste drukvat ketel formule

Doormiddel van de ketel formule kunnen we de spanningen die werken in een drukvat berekenen. Wanneer er rekening wordt gehouden met het evenwicht tussen inwendige en uitwendige krachten op een ringelement, kunnen voor elke plaats van het dunwandige middenstuk van het vat de tangentiële, langs(axiale) en radiale spanning bepaald worden.

Voor belasting van het drukvatmiddenstuk door inwendige overdruk P geldt volgens de ketel formule:

Waarin:

• Q is de spanning
• p is het druk
• Di is de inwendige diameter
• r is de inwendige straal
• s is de wanddikte

De tangentiële spanning is bij gelijke lasnaaddikte in de langslas dubbel zo hoog als de langsspanning σAx of σl. Cilindrische mantels/middenstukken scheuren daarom onder de barstdruk in de langsrichting open. Door de inwendige overdruk wordt er ook een radiale gerichte drukspanning op het inwendige manteloppervlak veroorzaakt, die tot aan het uitwendige manteloppervlak naar nul afneemt. Doormiddel van de twee-assige trekspanningstoestand in de tankwand kan het brosse breukneiging verminderen, waardoor er in het grensgeval tot breuk zal leiden zonder vervorming.

Door het verschil van de grootste en kleinste hoofdspanning kan er volgens de spanningshypothese de vergelijkspanning als volgt worden opgesteld:

• Qv is de vergelijkspanning
• Qmax is de maximale optredende spanning
• Qmin is de minimale optredende spanning
• Qtan is de tangentiële spanning
• Qrad is de radiale spanning
• Qtoel is de toelaatbare spanning/vloeigrens

Mantel/middenstuk drukvat

In de AD-richtlijn B1 voor cilindrische drukvatmantels geldt voor de vereiste wanddikte ( met Du / Di ≤ 1,2):

Vereiste wanddikte middenstuk:

Du = Uitwendige mantel diameter

P = Bedrijfsdruk in N/mm2

σf = Sterktekengetal / vloeigrens

v = Veiligheidsfactor

𝝊 = Factor om rekening te houden met gebruik van de toelaatbare rekenspanning in de lassen volgend AD-richtlijnen BO en HPO. Hierbij geldt dat maar 85% van de berekeningspanning benut mag worden, dit geeft een factor van 0,85.

C1 = Toeslag om rekening te houden met geringe wanddikte. Volgens AD-richtlijnen geldt een toeslag van 0,4mm.

C2 = Slijtagetoeslag. Tegen corrosie beschermde staalsoorten, dus ook voor RVS geldt C2=0.

Bodem/flensverloopstuk

De uiteinden van het drukvat kan als een halve bolbodem gezien worden, die de drukbelasting gelijkmatig en vrij van buiging door middel van membraankrachten overbrengen.

Vereiste wanddikte voor bodem/flensverloopstuk:

β = Berekeningsfactor voor halve bolbodems geldt β=1,1.

Vlakke platen/bodems

Vlakke platen en bodems die door een eenzijdige gelijkmatige druk belast worden, ondervinden een buigbelasting die afhangt van de soort verbinding.

Voor een vlakke plaat die door middel van een flensverbinding volledig is afgedicht, geldt voor de minimale wanddikte:

C = Berekeningsfactor voor vlakke platen en bodems volgens AD-richtlijn B5 tabel 6-9. Voor een vlakke plaat aan een flensverbinding met volledige afdichting geldt C=0,35 als veronderstelling D ≥ Di.

Gaten in de tankwand

Vaak moeten tankwanden voorzien worden van kijkgaten of openingen voor functionele eisen, voor toe en afvoer van de inhoud en voor meetapparatuur. Hierbij wordt er een groot stuk uit de wand gesneden, waardoor de wand verzwakt raakt. Om deze verzwakking te verhelpen worden er passende versterkingen toegepast om het geheel te compenseren. Deze versterkingen moeten qua sterkte gecontroleerd worden.

Voor de algemene sterkte voorwaarde geldt:

Hierin is A de op druk belaste geprojecteerde oppervlak voor cilindrische en bolvormige basislichamen en S is het dragende doorsnedenoppervlak als som van de met de dragende lengten b en ls met de dragende afzonderlijke vlakken S0 en S1.

Voor S,b, S0, S1 en A geldt:

Stompe las

De stompe las verdient de voorkeur boven de hoeklas, want de stompe las is bij dezelfde dikte sterker dan de hoeklas, vooral bij dynamische belasting. Uit proeven blijkt ook dat een stompe spleetloze verbinding bij statische belasting sterker is dan het basismateriaal. Stompe lassen worden bij statische belastingen op dezelfde wijze berekend als de verbonden delen, indien niet anders is voorgeschreven. En een stompe las is gemakkelijker en betrouwbaarder te testen.

Voor de stompe las of een V-las met staande kant Y-las, wordt een hoek van 40⁰ tot 60⁰ toegepast. De staande kant afstaand bedraagt tussen de 0-3mm en de staande kant hoogte moet tussen de 2-4mm zijn.

                     

 

FEM analyse

Wanneer de geometrie van een drukvat te complex is en een analytische berekening niet uitgevoerd kan worden, dan kan HIGTEC u helpen met een FEM analyse. Hierbij zullen we een DBA ”Design By Analysis” uitvoeren en de kritische punten verbeteren binnen uw ontwerp.