Napěťová analýza potrubí a norma EN 13480

Je dobře známo, že místní standardy vyvinuté pro udržení kvality produktů dodávaných výrobci na lokální a mezinárodní trhy (BS, DIN, AFNOR atd.) splňují místní bezpečnostní předpisy, ale omezují volný obchod tím, že zvýhodňují místní výrobce oproti zahraniční konkurenci. Evropská unie coby nadnárodní organizace potřebovala najít řešení, které by umožnilo volný obchod uvnitř EU. Proto se v květnu roku 1985 ministři Evropského společenství dohodli na "Novém přístupu k technické harmonizaci a standardům", aby mohli začít s vytvářením opravdového "společného trhu".

Aby toto nařízení mělo nějaký účinek, byly CEN (European Committee for Standardisation - Evropský výbor pro normalizaci) a CENELEC (Ekvivalent k CEN v oblasti elektrotechniky) zmocněny k vypracování a zveřejnění harmonizovaných standardů, které by měly v EU nahradit všechny dříve zveřejněné národní standardy. Harmonizované standardy jsou dobrovolné, ale dodržování jejich doporučení zaručuje každé členské zemi výhodu v podobě získání "předpokladu shody" podle Nového přístupu k tech. harmonizaci a standardům. Jedním z nařízení je Směrnice pro tlaková zařízení (Pressure Equipment Directive), která definuje rozsah a požadavky nového Evropského harmonizovaného potrubního standardu:

EN 13480 "Kovová průmyslová potrubí" (Metallic industrial piping)
V listopadu roku 2002 byl Evropské normě EN 13480 dán status národního standardu a od toho okamžiku se měly kolizní národní normy přestat používat.
Průmyslové potrubní systémy včetně nadzemních, v kanálech nebo podzemních potrubí a podpěr musí být konstruovány z materiálů a projektovány v souladu s EN 13480 a harmonizovanými standardy v této normě obsaženými. Členské státy nesmí z důvodu tlakových rizik zakazovat, omezovat nebo bránit výstavbě a uvádění do provozu těch zařízení, která jsou v souladu s opatřeními PED, tzn. nesou CE označení.

Rozsah a požadavky PED (Pressure Equipment Directive)
Hlavní rozsah PED pokrývá tlaková zařízení a sestavy s maximálním povoleným tlakem vyšším než 0,5 bar. Jedním z důležitých požadavků je plná zodpovědnost výrobce nebo jeho autorizovaného zástupce, že zařízení a sestavy (včetně potrubí) vyhovují PED směrnici. To je rozdíl oproti normě ASME, podle níž plná zodpovědnost leží na vlastníkovi/uživateli.

PED klade určité požadavky na tlaková zařízení a jejich sestavy.

Potrubní systémy s tlakem nad 0,5 barů musí:

Být provozně bezpečné. Splňovat základní bezpečnostní požadavky pokrývající projektování, výrobu a testování, jak jsou definovány v normě EN 13480. Splňovat příslušné hodnotící procedury. Nést označení CE a další požadované informace.

Pravidla pro projektování podle EN 13480
Pravidla projektování a návrhové podmínky jsou definovány v části 3 normy EN 13480 a odstavec 12 uvádí analýzu pružnosti a kritéria přípustnosti. Konstrukce potrubních částí zatížených vnitřním tlakem jsou dány v odstavci 6. Pravidla pro projektování dle normy EN 13480 jsou zjevně mnohem obsáhlejší než dle norem ASME.

Zatížení
Potrubní systém má být navržen tak, aby odolal působení tlaku, vlastní tíhy a dalším zatížením včetně dopadu teplotní roztažnosti a jinými typy uvažovaných zatížení. Odstavec 12.3 normy EN 13480-3 ukazuje, jak brát v úvahu tato různá zatížení potrubního systému.

Doba se změnila od časů, kdy byl při návrhu potrubí brán v úvahu pouze požadavek tlaku. V dnešní době musí být při návrhu vzata v úvahu tato důležitá zatížení:

Vnitřní/vnější tlak; Teplota okolního prostředí a provozní teplota, včetně rozsahu teplot; Hmotnost potrubí a přepravovaného média při provozních i při zkušebních podmínkách; Klimatické zatížení, doprava, vítr, zemětřesení, pohyb podloží a budov; Reakční síly a momenty, které jsou výsledkem ukotvení, podpěr, připojení od vibrujících hrdel zařízení, konstrukční změny v geometrii celého systému atd. Koroze, eroze, únava a další faktory spojené s materiálem. Interakce kapaliny a potrubního systému, která zahrnuje různé dynamické efekty (viz příloha A této normy) jako vodní ráz, otevření pojišťovacího ventilu, vliv pístových zařízení, změna stavu nestabilních kapalin atd.

Různé kombinace zatížení se mohou často vyskytnout současně, proto by měla být vzata v úvahu všechna jejich vzájemná působení. Náležité definování těchto zatížení může být poměrně náročný úkol vyžadující zkušenosti a dobrou znalost různých disciplin, ale norma EN 13480 je v odstavcích 4.0 a 12.3 poměrně dobrým průvodcem projektanta/inženýra tímto procesem.

Kategorie zatížení
Kategorie zatížení definované v odstavci 12.3 zahrnují:

Napětí od trvalých zatížení - tj. tlak a hmotnost. Napětí od trvalých a občasných nebo mimořádných zatížení - tj. vítr, sníh, zemětřesení atd. Rozkmit napětí od teplotní dilatace a střídavých zatížení - tj. teplotní roztažnost nebo zkrácení - a jakékoli střídavé např. seizmické zatížení. Dodatečné podmínky pro oblast tečení (creep) - provozování potrubí při vysokých teplotách v oblasti tečení. Napětí od jednoho neopakujícího se pohybu podpěry. Obvodové napětí v důsledku vnitřního tlaku, přestože není explicitně definováno, v článku 6.1 je definován vzorec pro výpočet minimální tloušťky stěny rovné trubky, která může být vypočtena jako tangenciální napětí pro libovolnou tloušťku stěny.

Základní dovolená namáhání
Základní dovolená namáhání jsou hodnoty vypočítané z fyzikálních vlastností materiálu, které jsou použity pro určení dovolených napětí. Základní dovolená namáhání jsou definována samostatně jako časově nezávislé hodnoty dovoleného namáhání pro provozní podmínky pro oblast mimo tečení a jako časově závislé dovolené namáhání pro provozní podmínky v oblasti tečení. Projektant by měl pečlivě určit nejenom provozní podmínky, ale také vzít v úvahu materiálové redukční koeficienty, které jsou použity pro oceli bez specifické kontroly v souladu s evropskou normou EN 10204. Detaily jsou popsány v normě EN 13480-3 článek 5.

Dovolená napětí
EN 13480 definuje v článku 12.1.3 tři základní dovolené hodnoty napětí, které jsou použity jako přípustná kriteria: dovolené napětí při maximální teplotě materiálu odpovídající uvažovanému zatížení (fh), dovolený rozkmit napětí (fa) a dovolené napětí v oblasti tečení (fcr). Dovolené napětí při maximální teplotě materiálu odpovídající uvažovanému zatížení a dovolený rozkmit napětí jsou odvozeny od základního dovoleného namáhání.

AutoPIPE - nástroj pro navrhování
Společnost Bentley pracuje s iniciativou PED již od roku 2000 a AutoPIPE byl v dubnu roku 2003 jedním z prvních programů pro napěťovou analýzu, který pracoval s novou potrubní normou EN 13480.

Komerčně je AutoPIPE dostupný od roku 1986 a je používán v oblasti technologických provozů pro výpočet napětí potrubních systémů, analýzu přírub, návrh podpěr potrubí a analýzu zatížení hrdel zařízení při statických a dynamických zátěžových podmínkách. AutoPIPE vyhovuje přísným QA standardům, což ho staví mezi několik málo PC programů pro výpočet napěťové analýzy potrubí schválených pro použití v jaderných elektrárnách. AutoPIPE je také hojně používán při návrzích pozemních výrobních a energetických technologických provozů a má širokou uživatelskou základnu také v oblasti analýzy podmořského potrubí v pobřežních nebo na moři umístěných technologických provozech. AutoPIPE zajišťuje dodržení přísných kritérií a ověřených vlastností materiálu ve shodě s evropskou normou EN 13480. Např. při návrhu potrubního systému provozovaného při vysokých teplotách AutoPIPE uvažuje časově závislé efekty tečení materiálu, které mohou vést k nižším navrhovaným limitům napětí. V knihovně materiálů v AutoPIPE jsou zahrnuty takové vlastnosti jako minimální mez kluzu, mez pevnosti, minimální smluvní mez kluzu materiálu 0,2 % a 1 % a střední hodnota meze pevnosti při tečení ale také hodnoty podélného a příčného poměrného prodloužení. Součástí dodávaného programu je úplná knihovna uhlíkových materiálů, ocelových slitin a evropských nerezových ocelí (EN) a dále švédských, německých, DIN, britských a amerických materiálů. Vlastnosti materiálů uvedené v knihovnách jsou automaticky použity při výpočtu základních dovolených namáhání a dovolených napětí podle EN 13480. To přináší úsporu času a eliminaci nákladů způsobených chybami při zadávání.

AutoPipe je dnes používán ve více než 55 zemích po celém světě.

Shrnutí
Záměrem tohoto článku je vyvolat další diskusi o evropské normě EN 13480 a shrnout její pravidla pro projektování a používání. Pro některé členské státy nejsou změny vyvolané jejím zavedením příliš významné, pro jiné je však zapotřebí více času k tomu, aby je projektantská veřejnost přijala. Nicméně PED a následně norma EN 13480 přinejmenším sjednocují a standardizují projektové a konstrukční požadavky, které musí být splněny flexibilními strukturami, jakými jsou potrubní systémy.

Pro získání bližších informací o programu AutoPipe kontaktujte prosím společnost Quest Central Europe, spol. s r.o.