W czym tkwi sekret wytrzymałości zbiorników farmaceutycznych?

Jak obliczyć grubość ścianki zbiornika ciśnieniowego?

Projektowanie zbiorników przeznaczonych dla sektora chemicznego to wyjątkowo trudne zadanie. Chętnie podzielimy się naszym doświadczeniem i zaprezentujemy ogólne metody na obliczanie grubości ścianki zbiornika ciśnieniowego. O pomoc, poprosiliśmy Wiktora Czerepa, który na co dzień zajmuje się kalkulacją zbiorników  Gpi Poland. Dość ogólne przedstawienie tego zagadnienia, będzie dobrym punktem wyjścia dla osób zainteresowanych dalszym zgłębianiem tematu.

Ze względu na bardzo wysokie naprężenia w zbiorniku, wynikające z dużego ciśnienia, a niekiedy nawet próżni, produkty te muszą spełniać niezwykle rygorystyczne normy. Od jakości i precyzji wykonania zbiornika zależy nie tylko ich efektywność ale głównie bezpieczeństwo pracowników danego przedsiębiorstwa.

Inżynier projektujący zbiorniki bierze pod uwagę różne czynniki, mające wpływ na grubość ścianki i w konsekwencji na niezawodność. Oprócz samego ciśnienia może to być kontakt z substancjami chemicznymi o ściernych lub żrących właściwościach, a także dynamicznie zmieniające się temperatury.

Dlaczego jest to, aż tak istotne? Jeśli zbiornik zostanie źle zaprojektowany, występuje zwiększone ryzyko wybuchu i aby temu zapobiec należy precyzyjnie obliczyć minimalną grubości ścianki w zbiorniku ciśnieniowym. Poniżej przedstawiamy elementarne schematy do takich obliczeń

Obliczanie grubości ścianki zbiornika ciśnieniowego

Przy wyznaczaniu grubości ścianek elementów zbiornika, jak przy każdym innym zagadnieniu projektowym, bierzemy pod uwagę produkt, stąd ważna jest szczegółowa charakterystyka substancji, o którą pytamy klienta. Zbiorniki ciśnieniowe, które z uwagi na ich zastosowanie, mogą stanowić potencjalne źródło niebezpieczeństwa, objęte są szeregiem regulacji prawnych.

W przypadku krajów UE  powszechnie stosuje się dyrektywę PED, a w Stanach Zjednoczonych jest to ASME BPVC. Sposób obliczeń związany jest z określoną normą, dlatego ważna jest wiedza i doświadczenie inżyniera-konstruktora. 

Przy kalkulacji uwzględniamy takie zmienne jak; materiał, ciśnienie i temperatura projektowa. Ważna jest gęstość oraz właściwości fizyczne i chemiczne produktu.

Uwzględniamy naddatki materiału na korozję, na ubytek materiału powstały w wyniku tarcia produktu o zbiornik, aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość konstrukcji w przypadku eksplozji materiałów sypkich. Należy także pamiętać, że zbiornik stanowi integralną część bardzo dużych instalacji przemysłowych. Dodatkowo skupiamy uwagę na obciążenie króćców,  mieszadła, platformy obsługowe i umiejscowienie zbiornika.

Zbiorniki znajdujące się na zewnątrz poddawane są silnym porywom wiatru, a nawet wstrząsom sejsmicznych, które mają duży wpływ na wymagane grubości, szczególnie w miejscach wsparcia konstrukcji. Charakter procesu zachodzący w zbiorniku wymaga dodatkowej analizy zmęczeniowej, która warunkuje przekroje ścianek. Nie bez znaczenia pozostają kwestie takie jak; forma wytwarzania prefabrykatów, stopień kontroli powykonawczej i sposób spawania elementów.

Grubość ścianki zbiornika o kulistym kształcie

Kształty sferyczne jak i semisferyczne ujęte są praktycznie w każdej normie projektowej. Z uwagi na charakter rozkładu naprężeń w powłoce, możemy powiedzieć, że mają najdogodniejszy kształt, co powoduje możliwość zaprojektowania mniejszych grubości przy zachowaniu adekwatnej wytrzymałości. Kształt kulisty zbiornika znajduje zastosowanie głównie w magazynowaniu gazu pod wysokim ciśnieniem.

 „Z mojego doświadczenia wynika, że w Europie rozpowszechnione są głównie dennice koszykowe według normy DIN28011 oraz DIN28013. Jak przy każdym zagadnieniu inżynierskim tak i w tym przypadku na dobór kształtu dennicy ma wpływ wiele czynników. Do głównych należą: wytrzymałość, wymogi procesowe oraz budżet”.

Wiktor Czerep

Special Engineer, Gpi Poland

Skomplikowane obliczenia i niezbędne narzędzia

W pracy konstruktora, niezbędne są narzędzia kalkulacyjne. Nikt przecież, nie oblicza grubości ścianki na kalkulatorze. Zbiornik cienkościenny i grubościenny optymalizowany jest z uwzględnieniem wielu dodatkowych, niestandardowych elementów, mających bezpośredni wpływ na końcową wytrzymałość.

Do takich elementów zaliczyć można, chociażby zawory oraz rozmaite łączniki charakterystyczne dla specyficznej odmiany zbiorników ciśnieniowych w postaci rurociągów i rur.

Wszelkie te aspekty muszą zostać zawarte w obliczeniach, więc poziom skomplikowania obliczeń jest bardzo wysoki.

„W mojej pracy, szczegółowe informacje od klienta dotyczące przeznaczenia zbiornika są bazą do rzetelnych obliczeń. W Gpi polegamy między innymi na naszym autorskim programie TankDesign2 oraz Visual Vessel Design”. Wiktor Czerep, Special Engineer Gpi Poland.

Wspomnieliśmy wcześniej o niezbędnym doświadczeniu konstruktora, które jest bazą do wszelkich kalkulacji. Inżynierowie w Gpi pracują zgodnie z wieloma (nie tylko europejskimi) normami jak:

• EN 13445
• PED 2014/68/EU
• ASME VIII-1
• AD 2000-Merblatt

Podsumowując, należy wziąć pod uwagę wszystkie zmienne, produkt i jego właściwości, tu niezbędny jest szczery i szczegółowy kontakt z klientem, wiedza, doświadczenie w kalkulacji i nowoczesne narzędzia, które ułatwiają pracę i minimalizują możliwość popełnienia błędu.

Osoba kontaktowa: Aleksandra Chmiel-Karakuła chmiel@gpi-tanks.pl