Τα τοπικά φορτία σε δοχεία πίεσης προκύπτουν από εξωτερικές δυνάμεις και ροπές που δρουν στις συνδέσεις των στομίων λόγω των φορτίων σωληνώσεων, της θερμικής διαστολής ή των συνδέσεων εξοπλισμού. Αυτά τα φορτία μπορεί να οδηγήσουν σε υψηλές τοπικές τάσεις, οι οποίες πρέπει να αξιολογηθούν για να διασφαλιστεί η δομική ακεραιότητα και η συμμόρφωση με τους κανονισμούς σχεδίασης. Διάφορα βιομηχανικά πρότυπα παρέχουν μεθοδολογίες για την αξιολόγηση αυτών των τοπικών φορτίων, όπως τα WRC107/537, WRC297, EN13445-3 και PD5500. Αυτό το άρθρο εξετάζει τις διαφορές μεταξύ αυτών των προτύπων και αναδεικνύει τη σημασία τους στον σχεδιασμό των δοχείων πίεσης – Pressure Vessel Analysis.

Η Ανάγκη για Ελέγχους Τοπικών Φορτίων

Τα δοχεία πίεσης δέχονται διάφορες εξωτερικές δυνάμεις, ιδιαίτερα στις διασταυρώσεις των στομίων και του τοιχώματος του δοχείου. Αν δεν αναλυθούν επαρκώς, αυτές οι δυνάμεις μπορεί να προκαλέσουν:

• Υπερβολικές τοπικές τάσεις που οδηγούν σε αστοχία υλικού

• Κάμψη ή παραμόρφωση του τοιχώματος του δοχείου

• Διαρροή στις φλάντζες σύνδεσης των στομίων λόγω υπερφόρτισης

Για να μειώσουν αυτούς τους κινδύνους, οι μηχανικοί χρησιμοποιούν τυποποιημένες μεθόδους για την αξιολόγηση των τοπικών φορτίων και τη διασφάλιση ότι οι τάσεις παραμένουν εντός αποδεκτών ορίων.

Σύγκριση Μεθόδων Αξιολόγησης Τοπικών Φορτίων

WRC107 (Αντικαταστάθηκε από το WRC537) – Τοπικές Τάσεις σε Σφαιρικά και Κυλινδρικά Σώματα

• Πεδίο εφαρμογής: Παρέχει ανάλυση των τάσεων για τις συνδέσεις στομίων τόσο σε κυλινδρικά όσο και σε σφαιρικά σώματα υπό εξωτερικά φορτία

• Μεθοδολογία: Χρησιμοποιεί εμπειρικούς τύπους και διαγράμματα που προκύπτουν από πειραματικές μελέτες βασισμένες στην εξέταση του φωτοελαστικού φαινομένου

• Περιορισμοί: Περιορισμένη εφαρμογή για υψηλούς λόγους D/T (διάμετρος προς πάχος) Δεν περιλαμβάνει εκτιμήσεις για στόμια με τρύπες σε κυλινδρικά σώματα

• Τρέχουσα Κατάσταση: Αντικαταστάθηκε από το WRC537, το οποίο συγχωνεύει το WRC107 με βελτιωμένη ακρίβεια και ευρύτερη εφαρμογή

WRC297 – Τοπικές Τάσεις σε Κυλινδρικά Σώματα

• Πεδίο εφαρμογής: Επικεντρώνεται μόνο σε κυλινδρικά σώματα

• Μεθοδολογία: Παρέχει παράγοντες για τους υπολογισμούς των τάσεων προερχόμενους από μια μέθοδο παρόμοια με το WRC107, και εφαρμόζει εκτιμήσεις για στόμια με τρύπες (είναι προσθήκη στο WRC107).

EN13445-3:2021 – Ευρωπαϊκό Πρότυπο για Δοχεία Πίεσης

Σχετικές Ενότητες: Άρθρο 16.4 – Τοπικά φορτία στα στόμια σε σφαιρικά σώματα.

Άρθρο 16.5 – Τοπικά φορτία στα στόμια σε κυλινδρικά σώματα.

• Πεδίο εφαρμογής: Παρέχει μια πιο εξελιγμένη, παραμετρική προσέγγιση για την αξιολόγηση τοπικών φορτίων, ευθυγραμμισμένη με αναλύσεις βασισμένες σε FEA (Ανάλυση Πεπερασμένων Στοιχείων).

• Μεθοδολογία: Χρησιμοποιεί κατηγοριοποίηση τάσεων, θεωρία πλαστικότητας και βελτιωμένα κριτήρια αξιολόγησης

• Δυνατά σημεία: Πιο λεπτομερής και σύγχρονη προσέγγιση σε σχέση με τις μεθόδους WRC, χρησιμοποιούμενη ευρέως στις χώρες της Ευρώπης

PD5500:2024 – Βρετανικό Πρότυπο για Δοχεία πίεσης

Σχετική Ενότητα: Παράρτημα G – Συστάσεις για το Σχεδιασμό Τοπικών Φορτίων

• Πεδίο εφαρμογής: Καλύπτει τα τοπικά φορτία στόμια σε κυλινδρικά κελύφη και σφαιρικές κεφαλές

• Μεθοδολογία: Εμπειρικοί τύποι και παράγοντες για τον υπολογισμό τάσεων

• Δυνατά σημεία: Συντηρητική προσέγγιση ευρέως χρησιμοποιούμενη στο Ηνωμένο Βασίλειο και στις χώρες της Κοινοπολιτείας.

• Περιορισμοί: Λιγότερο διεθνώς αναγνωρισμένο πρότυπο σε σύγκριση με το WRC537 ή το EN13445.

Συμπέρασμα

Οι έλεγχοι τοπικών φορτίων είναι κρίσιμης σημασίας για την ανάλυση των δοχείων πίεσης, διασφαλίζοντας ότι τα στόμια και οι συνδέσεις μπορούν να αντέξουν εξωτερικές δυνάμεις χωρίς αποτυχία. Ενώ το WRC537 παραμένει ευρέως χρησιμοποιούμενο σε σχεδιάσεις βασισμένες στον Κώδικα ASME, το πρότυπο EN13445-3 παρέχει μια πιο σύγχρονη και εξελιγμένη προσέγγιση. Το Παράρτημα G του PD5500 εξακολουθεί να χρησιμεύει ως αξιόπιστο πρότυπο στο Ηνωμένο Βασίλειο. Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου εξαρτάται κυρίως από τις κανονιστικές απαιτήσεις (και τον εφαρμοσμένο Κώδικα Δοχείων Πίεσης), τη θέση του έργου και την πολυπλοκότητα της απαιτούμενης ανάλυσης. Για τους μηχανικούς που χρησιμοποιούν λογισμικό για να πραγματοποιήσουν τις αξιολογήσεις τους σε δοχεία πίεσης, πρέπει να επισημανθεί ότι υπάρχουν εργαλεία που υλοποιούν ελέγχους τοπικών φορτίων σύμφωνα με τον επιλεγμένο Κώδικα, όπως το VCLAVIS.