Calculul dimensional al recipientului vagonului

CALCULUL DIMENSIONAL AL RECIPIENTULUI VAGONULUI

1. Consideratii generale

Cisterna vagonului de 78 m pe 4 osii pentru transportat benzen si produse chimice lichide este un recipient cilindric orizontal in constructie sudata formata din virole cilindrice si funduri elipsoidale ambutisate la cald avand panta centrala de scurgere de 1s.

Cisterna se sprijina pe sasiu prin intermediul unor reazeme sudate de tip sa. Tabla laterala a suportului cisternei este sudata de profilul T sudat in prealabil pe cisterna.

Corpul cisternei este realizat din table cu urmatoarele grosimi:

Grosimea tablei virolei7 ± 0,3 mm;

Grosimea tablei fundurilor 8 ± 0,9/2 - 0,2 mm.

Calculul cisternei urmareste stabilirea dimensiunilor recipientului privit ca vas sub presiune si este inlocuit in conformitate cu prescriptiile tehnice C4-90 , NID 7438 - 78/5087 - 73 , ISCIR , RIV.

2. Caracteristici tehnice

Caracteristicile tehnice ale recipientului necesare efectuarii calculului acestuia sunt prezentate in tabelul 1.

Tabelul 1.

Calculul grosimii minime necesare a peretilor recipientului (conf.RID Apendice XI)

Materialul din care se confectioneaza recipientul este otelul carbon calitatea R 510 .4a STAS 2883/2-91 avand urmatoarele caracteristicii mecanice (la +20sC) prezentate in tabelul 2:

Tabelul 2.

Caracteristici mecanice

Conform RID , Ap.XI tinand cont de ca:

= = 0,6862 < 0,85 (1)

unde:    Re = 350 N/mm - limita de curgere la 20s C

Rm = 510 N/mm - rezistenta la rupere la 20s C

Se calculeaza tensiunea admisibila = 0,5 Rm = 255 N/mm

Conform RID Ap. XI, pct. 1.2.8.2., grosimea peretilor recipientului (virole, funduri, capace) se calculeaza cu relatiile:

e1 = (2)

sau e2 = (3)

unde: Ph = 0,4 MPa - presiunea de proba hidraulica

Pc = 1 Mpa - presiunea de calcul

D = 2736 - diametrul interior al recipientului

= 255 N/mm - tensiunea admisibila

= 1 - coeficient de rezistenta al sudurilor

e1 = = 2,145 mm < 7 mm

sau    e2 = = 5,364 mm < 7 mm

Conform RID Ap.XI , pct .1.2.8.3. grosimea recipientului nu poate fi mai mica decat grosimea echivalenta:

e= = = 5,92 mm (4)

Se accepta e = 6 mm

4. Verificarea dimensiunilor recipientului ca vas sub presiune dupa fisele ,,AD-

Merkblatter' ed. 1995

4.1. Regimuri de calcul

In conformitate cu prescriptiile AD - Merkblatter , cap.BO , vom scrie in tabelul 3. regimurile de calcul astfel:

Tabelul 3

Regimuri de calcul

Stabilirea tensiunilor admisibile

Tensiunile admisibile la temperatura de 20s C pentru materialul R 510.4a sunt urmatoarele:

Rm = 510 N/mm - rezistenta la rupere la 20s C (5)

Rp = 350 N/mm - limita la curgere (6)

Avand in vedere faptul ca temperatura de calcul este de 190s C calculam rezistentele Rm si Rp la aceasta temperatura.

Conform STAS 2883/2-91 la 200s C limita de curgere este:

Rp = 255 N/mm (7)

Iar la 150s C avem limita de curgere ca fiind:

Rp = 275 N/mm (8)

Prin interpolare vom afla tensiunile admisibile la temperatura de 190s C. Astfel vom avea:

La 150s C.20 N/mm

40s C..x

x = 16 N/mm

Rp = 275 - 16 = 259 N/mm (9)

= = Rm = 377,4 N/mm

(10)

In continuare vom prezenta verificarea dimensiunilor recipientului ca vas aflat sub presiune la diferite regimuri de calcul astfel:

Regim normal de lucru:

Pc = P = 3 bar (11)

tc = 190s C (12)

S = 1,5 (13)

= = 172,666 N/mm (14)

Regim de proba hidraulica :

Pc = Ph = 4 bar (15)

tc = 20s C (16)

S = 2 (17)

= 255 N/mm (18)

Verificarea la presiune de explozie conform TRT 006 :

Pc = Pex = 11 bar (19)

tc = 190s C (20)

S = 1,3 (21)

= = 290,307N/mm (22)

4.3. Calculul de verificare a grosimii virolei

Calculul la presiune de lucru :

P = P = 3 bar (23)

S = (24)

Unde:    

Da = 2750 mm - diametrul exterior al recipientului

P = 3 bar - presiunea de calcul

K = indice de rezistenta la temperatura de calcul

S = coeficient de siguranta la presiunea de calcul

V = 1 - coeficient de rezistenta al sudurii

C = 1 mm - adaos de coroziune

= = 172,66 N/mm

S = = 2,387 + 1 = 3,387 < 7 mm

Calculul la presiunea de proba hidraulica :

P = Ph = 4 bar (25)

S = (26)

Unde:

Da = 2750 mm - diametrul exterior al recipientului

Ph = 4 bar - presiunea de proba hidraulica

K = indice de rezistenta la temperatura de calcul

S = coeficient de siguranta la presiunea de proba hidraulica

V = 1 - coeficient de rezistenta al sudurii

C = 1 mm - adaos de coroziune

= 255 N/mm

S = = 2,155 + 1 = 3,155 < 7 mm

Calculul la presiunea de explozie (conform TRT 006 si AD - Merkblatter cap.B.1):

P = Pex = 11 bar (27)

S = (28)

Unde:

Da = 2750 mm - diametrul exterior al recipientului

Pex = 11 bar - presiunea de explozie

K = indice de rezistenta la temperatura de calcul

S = coeficient de siguranta la presiunea de explozie

V = 0,8 - coeficient de rezistenta al sudurii

C = 1 mm - adaos de coroziune

= = 290,307 N/mm

S = = 5,2 + 1 = 6,2 < 7 mm

4.4. Calculul de verificare a grosimii peretelui fundului

Conform fisei AD - B3 rel.15, grosimea necesara a peretelui fundului este:

Calculul la presiunea de lucru :

P = P = 3 bar

S = (29)

S = = = 3,105 + 1 = 4,105 < 8 mm

(30)

= = 172,66 N/mm

Unde:

Da = 2750 mm - diametrul exterior al recipientului

P = 3 bar - presiunea de calcul

K = indice de rezistenta la temperatura de calcul

S = coeficient de siguranta la presiunea de explozie

V = 1( control 100% Rx al imbinarii sudate)

= coeficient de calcul (se determina din AD - B3 nomograma 7 )

C = 1 mm - adaos de coroziune

= 2,6 (31)

= 0 (32)

Din relatia de mai sus rezulta ca grosimea minima, dupa ambutisare, in zona de racordare, este:

S = = 5,7 + 1 = 6,7 < 7,5 mm

= 245 N/mm

Calculul la presiunea de proba hidraulica

P = Ph = 4 bar

S = (33)

S = = = 3,803 < 8 mm

= 255 N/mm

Calculul de rezistenta pentru recipientul vagonului cisterna de 78 mm

1. Date de calcul

In calculul de rezistenta al cisternei aceasta e considerata cao grinda asupra careia actioneaza fortele din exploatare (orizontale, verticale,dinamice etc) fara a cuprinde calculul datorat presiunii interioare.

Se va tine seama de tensiunile normale si longitudinale ce apar in cisterna datorita presiunii numai sub aspect cumulativ cu tensiunile date de fortele din exploatare.

In figura 11. este redata schita principala a recipientului,considerat ca un recipient cilindric, neglijand inclinatia de 1 s care va da o diferenta de calcul de maxim 1,7 %, diferenta care este neglijabila in raport cu valorile ridicate ale solicitarilor la care este calculat recipientul.

Pentru calcul vom lua in considerare, o grosime a tablei virolei de 6 mm.

Fig. 11. Schita principala a recipientului

Rezervorul este prevazut cu o gura de vizitare DN 500 plasata in axa longitudinala de simetrie a recipientului, a carei dimensiuni sunt redate in figura 12. (sectiunea B - B din figura 11.).

Fig.12. Sectiunea B - B, a rezervorului revazut cu o gura de vizitare DN 500

Rezervorul se sprijina pe sasiu prin intermediul unui suport de tip " sa " asezat simetric fata de axa verticala a recipientului. Liniile de efort ale suportilor si a aripioarelor laterale ale recipientului pe care se fixeaza tablele laterale care preiau sarcinile longitudinale, se intercaleaza in axa cisternei sub un unghi de 2x47s = 94s.

Caracteristicile tehnico - functionale sunt prezentate in tabelul 4.

Tabelul 4.

Caracteristici tehnico - functionale

2. Prezentarea sarcinilor de calcul

In timpul exploatarii, asupra recipientului actioneaza un complex de sarcini care introduc in structura sa de rezistensa tensiuni unitare efective. Dintre aceste sarcini, cele luate in considerare in calcul sunt redate mai jos.

2.1. Sarcini date de recipient

Greutatea proprie Qp:

Qp = 10,200x9,81x10 = 100 KN

Sarcina utila Qu:   

Qu = 64,000x9,81x10 = 628 KN

Sarcina totala pe verticala Qv: 

Qv = Qp + Qu = 100+628 = 728 KN:

Presiunea maxima de lucru P

P = 0,3 Mpa = 3 bar N/ mm

Depresiunea de vid Dp:

Dp = 0,05 Mpa = 0,5 bar = 0,05 N/mm

2.2. Sarcini suplimentare

Forte dinamice :

verticale: 30 %

- orizontala: 40 %

Forte suplimentare:

Deceleratie la franare = 1,20 m/sec : 13 %

(1,20/9,81) 100 = 12,2 % 13 %

Forte centrifuge in curbe = 0,65 m/sec 7 %

(0,65/9,81) 100 = 6,6 % 7 %

Forta de tamponare la probe, Ft = 3000 KN.

Fara a tine seama de greutatea proprie a sasiului, forta de tamponare corespunde unui raport K de forma:   K =

In calcule se va considera ca tamponarea cu 3000 KN (15000 pe fiecare tampon ) va produce o deceleratie orizontala considerand K =

2.3. Regimuri de calcul

In regim normal de mers:

Solicitari dupa punctul 6.2.1. = (Qv +P )

Solicitari dinamice suplimentare verticale 30 % = (0,3 Qv)

Solicitari dinamice suplimentare, transversale 40 % = (0,4 Qv)

Deceleratia longitudinala orizontala la franare 13 % = (0,13 Qv)

Forte centrifuge orizontale transversale 7 % = (0,07 Qv)

3. Coeficientii de siguranta si rezistente admisibile

Rezistenta admisibila se determina pornind de la limita minima de curgere sau de rupere a materialului, raportata la un coeficient de siguranta. Valoarea coeficientului de siguranta se recomanda in functie de tipul solicitarii si de importanta elementului care se verifica.

3.1. Caracteristici mecanice

In tabelul 6. de mai jos sunt redate valorile caracteristicilor mecanice pentru oteluri utilizate in constructia cisternei si a elementelor portante (suporti).

Tabel 6.5

Valorile caracteristicilor mecanice pentru oteluri utilizate in constructia cisternei si a elementelor portante

3.2. Coeficienti de siguranta (J)

In regim de mers normal:

La utilizarea rezistentei de rupere: J = 2,2

La utilizarea limitei de curgere: J = 1,5

La solicitarea de oboseala: J = 1,5

La solicitarea de flambaj: J = 1,8

- La voalare (burdusire): J = 1,25

La tamponare:

La utilizarea rezistentei de rupere: J = 1,5

La utilizarea limitei de curgere: J = 1,0

La solicitarea de flambaj - voalare: J = 1,0

3.3. Rezistente admisibile

Rezistenta admisibila la forfecare se va determina cu relatia:

(34)

Pentru coordonatele sudate, rezistenta admisibila se calculeaza in functie de cea a materialului de baza, multiplicand-o cu un coeficient de 0,8.

Tinand seama de toate aceste recomandari, se va determina efectiv valoarea rezistentelor admisibile pentru fiecare marca de otel utilizat in regim normal de functionare si in regim de tamponare. Avand in vedere ca rezistentele de rupere si de curgere a celor doua marci de otel utilizate sunt aceleasi, se vor obtine valori si pentru rezistente admisibile.

3.3.1. In regim normal de mers

Material de baza:

Pentru solicitarile de tractiune, compresiune, incovoiere si forfecare avem:

N/mm

respectiv:

N/mm

N/mm

respectiv:

N/mm

In cazul flambajului:

N/mm

respectiv:

N/mm

Din fiecare pereche de valori se admit valorile minime din motive de siguranta.

231,8 N/mm - pentru tractiune,compresiune,incovoiere si forfecare

133,8 N/mm

194,4 N/mm - pentru flambaj

Cusaturi sudate:

= 0,8 = 0,8 N/mm

N/mm