2.9.1 Tổng quan
Tính toán gia cường họng ống theo tiêu chuẩn ASME SEC VIII D1 PART UG, UG-36
Bể chứa được thiết kế để lưu giữ nhiên liệu. Để vận hành và bảo trì, bểđược lắp đặt thêm các đối tượng công nghệ: lỗ người chui (main hole), lỗ nhập, xuất nhiên liệu (nozzle), ống đo mực biến đổi chất lỏng, van điều áp... Các đối tượng này thường có mặt cắt ngang hình tròn,
thông thường được hàn1 vào thành bể và đầu bể (sau này xin chỉ nói xung quanh phương pháp hàn). Người ta dùng khái niệm “Opening” để chỉ phần thông nhau giữa
đối tượng với bể chứa, hay nó chính là mặt phẳng giao tuyến giữa đối tượng (có
đường kính nhỏ) với bể chứa (có đường kính lớn). Hình dạng của một “Opening” được tạo bởi
ống có trục vuông góc hoặc không vuông góc với bể chứa có thể xác định như là hình elip
để tiện cho việc thiết kế.
“Opening” gây ra sự giảm yếu về khả năng chịu áp lực của vỏ bể và nó phải được gia cường. Sự gia cường xung quanh đối tượng nhằm chống lại sự méo mó gây ra bởi mômen xoắn xung quanh “Opening”. Các cổống có thể chỉ dừng lại tại mặt cắt với vỏ bể, cũng có thể đi xuyên một phần vào trong bể (xem hình). Một số kiểu “Opening” hay dùng trong công trình bể chứa áp lực cao:
a) Có gia cường, có phần ống đi vào trong bể
1 Ngoài phương pháp hàn, ta còn có thể dùng đệm, dùng ren xoắn, bulông
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
b) Không gia cường, có phần ống đi vào trong bể
c) Có gia cường, không có phần ống vào trong bể
d) Không gia cường, không có phần ống vào trong bể
Hình 15: Một số kiểu Opening
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Cán Bộ Hướng Dẫn: KS. NGUYTS. BẠCH ANH TUỄN THÀNH NAM ẤN CÔNG TY CPETROLIMEX Ổ PHẦN TƯ VẤN XÂY DỰNG
2.9.2 Cơ sở lý thuyết tính toán gia cường họng ống 2.9.2.1 Các ký hiệu
Tính toán gia cường họng ống theo tiêu chuẩn ASME SEC VIII D1 PART UG, UG-37
Các ký hiệu được dùng trong tính toán (xem hình dưới): A = Diện tích mặt cắt gia cường yêu cầu
A1 = Diện tích phần thừa ra của vỏ bể có thể dùng cho gia cường A2 = Diện tích phần thừa ra của ống vào có thể dùng cho gia cường
(phần ống ngoài bể)
A3 = Diện tích phần thừa ra của ống vào có thể dùng cho gia cường (phần ống trong bể)
A41 = Diện tích của đường hàn bao quanh ống vào (phần ống ngoài bể) A43 = Diện tích của đường hàn bao quanh ống vào (phần ống trong bể) A42 = Diện tích của đường hàn gia cường
A5 = Diện tích phần thép gia cường thêm vào Dp = Đường kính ngoài của tấm gia cường d = Đường kính của “Opening”
E = Hệ số, E = 1 E1 = Hệ số, E1 = 1 F = Hệ số, F = 1
h = Khoảng cách từ mép của mặt trong vỏ bểđến đầu ống trong bể
P = Áp lực trong thiết kế
R = Bán kính trong của bể
Rn = Bán kính trong của ống (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sv = Ứng suất cho phép của thép làm bể
Sn = Ứng suất cho phép của thép làm ống
Sp = Ứng suất cho phép của thép làm tấm gia cường fr = Hệ số giảm ứng suất, max fr = 1
fr1 = Sn / Sv hoặc fr1 = 1 (cho một số trường hợp) fr2 = Sn / Sv
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
fr3 = min (Sn ; Sp) / Sv fr4 = Sp / Sv
te = Chiều cao tấm gia cường ti = Bề dày của phần ống ở trong bể t = Bề dày của thành bể tr = Bề dày yêu cầu của tấm nối vỏ bề tn = Bề dày của thành ống tnr = Bề dày yêu cầu của tấm nối vỏống W = Tổng tải trọng đường hàn 2.9.2.2 Xác định kích thước đường hàn
Theo ASME SEC VIII D1 PART UW, UW-16 có một số kiểu hàn “Opening” hay dùng trong công trình bể chứa:
Hình 16: Xác định kích thước đường hàn
Nhưđã nói, ống vào (nozzle) và bể (shell) và tấm gia cường (nếu cần) được liên kết với nhau qua các đường hàn. Các đường hàn này thuộc nhóm D (xem 2.3.2. Các
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
loại đường hàn và kiểu hàn) và chiều cao của các đường hàn tc này xác định như
sau:
tc = max (1/4 ; 0.7 tmin) inc
tmin = min (3/4 ; bề dày trừđi ăn mòn cho phép của phần gắn thêm vào)
2.9.2.3 Xác định giới hạn gia cường
Giới hạn gia cường được xác định theo ASME SEC VIII D1 PART UG, UG-40.
Nếu một “Opening” với đường kính trong là d cần tấm gia cường có chiều dày te, thì giới hạn gia cường được xác định theo phương dọc bể và phương đứng như sau:
Trường hợp ống vào trong bể
Phương dọc bể = max (d ; Rn + tn + t) Phương đứng trong bể = min (h ; 2.5t ; 2.5 ti) Phương đứng ngoài bể = min (2.5t ; 2.5tn + te)
Trường hợp ống không vào trong bể
Phương dọc bể = max (d ; Rn + tn + t) Phương đứng ngoài bể = min (2.5t ; 2.5tn + te)
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Một số ví dụ về bề dày tấm gia cường te và đường kính trong của “Opening”
Hình 17: Xác định giới hạn gia cường
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Giả sử có nhiều “Opening”, các giới hạn gia cường của “Opening” này có thể chồng lên nhau, ví dụ:
Giới hạn 2 “Opening” chồng lên nhau
Giới hạn 3 “Opening” chồng lên nhau
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.9.2.4 Kiểm tra điều kiện gia cường
Kiểm tra xem họng ống có cần gia cường hay không hay gia cường đã đủ hay chưa
được tiến hành theo ASME SEC VIII D1 PART UG, UG-37. Nội dung kiểm tra được trình bày như dưới đây.
Khi có 1 “Opening” để thông giữa ống vào và bể chứa thì vỏ bể bị khoét đi một phần. Chính phần bị khoét đi này làm giảm yếu khả năng chịu lực của bể. Trên thực nghiệm, người ta xác định được rằng để không bị mất khả năng chịu lực nhưđã thiết kế thì cần một phần diện tích gọi là “diện tích mặt cắt gia cường yêu cầu”. Như hình vẽ dưới thì nó gần trùng với phần diện tích vỏ bể chứa bị khoét đi. Sở dĩ chỉ gần trùng vì nó còn phụ thuộc vào ứng suất cho phép của vật liệu thép làm vỏ bể, làm
ống.
Về nguyên tắc, cần phải tính toán kiểm tra gia cường với các trường hợp bể chịu áp lực trong và áp lực ngoài (xem 2.4.2. Các trạng thái tính toán).
Đối với áp lực ngoài, diện tích mặt cắt gia cường A được tính như công thức dưới. Với áp lực ngoài thì A chỉ cần khoảng 50% là đủ. Tuy nhiên bể chứa được thiết kế
là chịu áp lực trong là chính.
Hình 18: Sơ đồ tính toán kiểm tra điều kiện gia cường
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Cán Bộ Hướng Dẫn: KS. NGUYTS. BẠCH ANH TUỄN THÀNH NAM ẤN CÔNG TY CPETROLIMEX Ổ PHẦN TƯ VẤN XÂY DỰNG
Trường hợp không có tấm gia cường
A = d tr F + 2 tr tn F (1 – fr1) A1 = max (A11 ; A12)
A11 = d (E1 t – F tr) – 2 tn (E1 t – F tr) (1 – fr1)
A12 = 2 (t + tn) (E1 t – F tr) – 2 tn (E1 t – F tr) (1 – fr1) A2 = min (A21 ; A22)
A21 = 5 (tn – tr n) fr2 t A22 = 5 (tn – tr n) fr2 tn A3 = min (A31 ; A32 ; A33)
A31 = 5 t ti fr2 A32 = 5 ti ti fr2 A33 = 2 h ti fr2 A41 = leg2 fr2
A43 = leg2 fr2
Nếu A1 + A2 + A3 + A41 + A43 ≥ A thì không cần gia cường. Còn ngược lại thì phải có tấm gia cường (xem: 2.8.2.3 để xác định giới hạn gia cường, xem 2.8.2.5 để xác
định bề dày tấm gia cường).
Trường hợp có thêm tấm gia cường
A = như A bên trên A1 = như A1 bên trên A2 = min (A21 ; A22)
A21 = 5 (tn – tr n) fr2 t A22 = 2 (tn – tr n) (2.5 tn + te) fr2 A3 = như A3 bên trên A41 = leg2 fr3 A42 = leg2 fr4 A43 = leg2 fr2
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Cán Bộ Hướng Dẫn: KS. NGUYTS. BẠCH ANH TUỄN THÀNH NAM ẤN CÔNG TY CPETROLIMEX Ổ PHẦN TƯ VẤN XÂY DỰNG
A5 = (Dp – d – 2 tn) te fr4
Nếu A1 + A2 + A3 + A41 + A42+ A43 + A5 ≥ A thì tấm gia cường đã đủ yêu cầu. Bề
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Chú ý: Mối hàn ở A41 và A43 có thể có trường hợp như thế này, khi tính toán cần phải chia ra cụ thể.
Trong hình trên leg4, leg5 là các đường hàn rãnh giữa ống (nozzle) với thân bể (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(shell) và giữa ống (nozzle) với tầm gia cường (reinforcement).
2.9.2.5 Xác định bề dày tấm gia cường
Khi kiểm tra điều kiện gia cường thấy không thỏa mãn, cần phải gia cường thì bề dày nhỏ nhất của tấm gia cường có thể xác định như sau:
Diện tích gia cường cần:
A5 = A – (A1 + A2 + A3 + A41 + A42+ A43) Suy ra bề dày tấm gia cường:
te = A5 / (Dp – d – 2 tn) fr4
2.9.2.6 Kiểm tra tải trọng đường hàn
Kiểm tra tải trọng đường hàn được tiến hành theo ASME SEC VIII D1 PART UG, UG- 41. Nội dung kiểm tra được trình bày như dưới đây.
Xét trường hợp tổng quát cổống (Nozzle) giao vào cả bên trong bể.
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Hình 19: Sơ đồ kiểm tra tải trọng đường hàn
Khi ống (nozzle) được hàn vào bể (shell) và có thêm tấm gia cường (reinforcement) thì họng ống lúc này xuất hiện 3 tuyến đường hàn (path) mà tại đó tập trung ứng suất.
Đường hàn 1–1 đi qua 2 mối hàn Đường hàn 2–2 đi qua 3 mối hàn Đường hàn 3–3 đi qua 2 mối hàn Các đường tải trọng hàn Tổng tải trọng đường hàn yêu cầu: W = [A – A1 + 2 tn fr1 (E1 t – F tr)] Sv Tải trọng các đường hàn yêu cầu W1–1 ; W2–2 ; W3–3:
W1–1 = (A2 + A5 + A41 + A42) Sv
W2–2 = (A2 + A3 + A41 + A43 + 2 tn t fr1) Sv
W3–3 = (A2 + A3 + A5 + A41 + A42 + A43 + 2 tn t fr1) Sv
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Cán Bộ Hướng Dẫn: KS. NGUYTS. BẠCH ANH TUỄN THÀNH NAM ẤN CÔNG TY CPETROLIMEX Ổ PHẦN TƯ VẤN XÂY DỰNG
Ứng suất đơn vị
Theo ASME SEC VIII D1 PART UG, UW-15, ứng suất cho phép của đường hàn rãnh (groove), đường hàn gân (fillet) được tính theo phần trăm của ứng suất cho phép của vật liệu làm bể. Cụ thể các ứng suất cho phép này như sau:
Ứng suất kéo của đường hàn rãnh = 74 %
Ứng suất cắt của đường hàn rãnh = 60 %
Ứng suất cắt của đường hàn gân = 49 %
Kiểm tra cường độ đường hàn
Về nguyên tắc, cường độ đường hàn tại mỗi đường sẽ bằng tổng các cường độ mối hàn mà nó đi qua. Cường độ của mỗi đường mà lớn hơn tổng tải trọng đường hàn yêu cầu thì việc gia cường theo phương án đã chọn là thỏa mãn. Cụ thể như sau:
Kiểm tra 1–1: ∑ mối hàn 1–1 đi qua > W1–1 → thỏa mãn 1–1 Kiểm tra 2–2: ∑ mối hàn 2– 2 đi qua > W2–2 → thỏa mãn 2–2 Kiểm tra 3–3: ∑ mối hàn 3–3 đi qua > W3–3 → thỏa mãn 3–3
2.9.3 Kết quả tính toán gia cường các họng ống
Vì yêu cầu công nghệ, bể chứa sẽđược thiết kế các họng ống như sau: — Họng 24’’: Lỗ người chui
— Họng 10’’: Lỗ nhập nhiên liệu — Họng 8’’: Lỗ xuất nhiên liệu
— Họng 6’’: Lỗđo mực biến đổi chất lỏng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
— Họng 4’’: Lỗ van an toàn; hồi lưu lỏng, hồi lưu hơi — Họng 2’’: Lỗđo áp, thoát hơi, xảđáy, đo nhiệt độ
Các tính toán gia cường cho các họng ống ở trên được trình bày trong Phụ lục tính toán.
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Hình 20: Các hình vẽ gia cường họng ống 24'', 10'', 8'', 6'', 4'', 2''
a) Gia cường họng ống 24’’
b) Gia cường họng ống 10''
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
c) Gia cường họng ống 8''
d) Gia cường họng ống 6''
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
e) Gia cường họng ống 4''
f) Gia cường họng ống 2'' (kiểu 1)
Gia cường họng ống 2'' (kiểu 1)
Sinh Viên Thực Hiện: NGUYỄN THẾ HÙNG 7502.46 – 46CB ĐẠI HỌC XÂY DỰNG