Czym są samowzmacniające się dysze zbiorników ciśnieniowych?

Odnosząc się do samowzmocnionych dysz, przyjmuje się na ogół, że wzmocnienie w celu wytrzymania obciążeń oddziałujących na dyszę będzie jej konstytutywną częścią. Oznacza to, że samowzmocnione dysze nie potrzebują elementów pomocniczych (takich jak zabudowane dysze), aby wytrzymać warunki projektowe i obciążenia zewnętrzne. W praktyce samowzmocnione dysze to takie, które nie mają żadnego dodatkowego rodzaju wzmocnienia (podkładki) przymocowanego, a wszystkie spoiny między własnymi komponentami oraz między dyszą a naczyniem są typu pełnego przetopu. Z tego powodu te dysze można również nazwać integralnie wzmocnionymi. Istnieją różne konfiguracje samowzmocnionych dysz. Najczęściej używane są wymienione w następujący sposób: długa szyjka spawana (LWN) lub prosta piasta, zmienna grubość piasty i dysze produkowane przy użyciu rury o standardowej grubości.

Intuicyjnie można zauważyć, że zwykle samowzmacniające się dysze oznaczają wzrost kosztów w porównaniu z dyszami niesamowzmacniającymi się. Dlatego powody, które skłaniają projektanta do wyboru konkretnego typu spośród wszystkich możliwości, muszą być uzasadnione i w pełni zbadane.

Przyczyny te mogą zależeć od różnych czynników, takich jak ciśnienie, temperatura, obecność obciążeń zmiennych (zmęczenie), duże obciążenia zewnętrzne będące skutkiem podłączenia do rury itp. Zazwyczaj wymagania dotyczące stosowania dysz samowzmacniających są zawarte w specyfikacji zadania należącej do właścicieli zakładów przemysłowych, w których te dysze są eksploatowane, a czasami wymagania te mogą być wskazane w specyfikacji licencjodawcy, jeśli ma to zastosowanie.

Z uwagi na powyższe nie jest możliwe ustalenie konkretnych kryteriów dotyczących tego, kiedy należy stosować ten typ dysz we wszystkich przypadkach, a jedynie pewne ogólne wytyczne, które należy wykorzystać jako pierwsze podejście do rozważenia, w których scenariuszach dysze samowzmocnione powinny być brane pod uwagę jako rozwiązanie projektowe. Scenariusze takie jak te, w których warunki projektowe obejmują następujące efekty, sprzyjają konieczności wyboru dysz samowzmocnionych: badany element musi wytrzymać zmienne obciążenia (zmęczenie), dysze styczne lub nachylone względem naczynia, do którego przymocowane są dysze, śmiertelną eksploatację, wysokie ciśnienie, wysokie temperatury lub naczynia ciśnieniowe o dużej grubości.

Jak już wskazano, samowzmacniające się dysze często idą w parze z poważnymi lub krytycznymi warunkami eksploatacji. Z tego powodu wygodnie jest wspomnieć, że w przypadku tego szczególnego rodzaju dysz koncentratory naprężeń muszą być eliminowane w jak największym stopniu.

W przypadku niektórych kodów projektowych kryteria projektowe i obliczeniowe dla dysz samowzmocnionych i dysz zabudowanych nie zawsze są takie same. Wymagania są bardziej konserwatywne w przypadku drugiego przypadku. Jako przykład rozważ badanie przesiewowe ASME Section VIII Division 2, procedurę w celu ustalenia, czy wymagana jest analiza zmęczeniowa. Jeśli dany sprzęt lub którykolwiek z jego komponentów ma konfigurację integralną, może wytrzymać większą liczbę obciążeń zmiennych niż sprzęt o konfiguracji nieintegralnej, bez konieczności weryfikacji jego wytrzymałości na obciążenia zmęczeniowe za pomocą określonego obliczenia.

Wracając do kwestii ekonomicznych, nawet jeśli jest całkowicie jasne, że samowzmocnione dysze są idealnym rozwiązaniem w danym przypadku, należy wziąć pod uwagę, że niektóre konfiguracje samowzmocnionych dysz są wytwarzane z kutego materiału. Oznacza to wysokie koszty ekonomiczne, dlatego bardzo ważne jest zoptymalizowanie projektu, aby koszt nie wzrósł nadmiernie.

Pod wpływem ciśnienia wewnętrznego nierównomierne rozłożenie naprężeń w cylindrze o grubych ścianach jest większe na ścianie wewnętrznej i mniejsze na ścianie zewnętrznej. Aby poprawić nierównomierność rozłożenia tych naprężeń w cylindrze, obróbkę nadciśnieniową można przeprowadzić z wyprzedzeniem, zanim cylindry o grubych ścianach zostaną oddane do użytku, a pod ściśle kontrolowanym ciśnieniem przeciążenia, część warstwowa korpusu cylindra może wytworzyć odkształcenie plastyczne, tworząc strefę plastyczną, podczas gdy materiał zewnętrzny jest nadal w stanie sprężystym.

Po utrzymaniu ciśnienia przez pewien czas, część warstwy powłoki, która ma odkształcenie plastyczne, nie może zostać przywrócona do początkowej pozycji z powodu resztkowego odkształcenia, a zewnętrzny materiał, który jest nadal w fazie sprężystej, ma tendencję do powrotu do stanu pierwotnego, ale jest blokowany przez wewnętrzny materiał, którego nie można przywrócić do stanu pierwotnego i nie można go całkowicie przywrócić. Dlatego stan naprężenia wstępnego ściskania warstwy wewnętrznej i naprężenia warstwy zewnętrznej jest formowany w ścianie cylindra. Gdy cylinder jest uruchamiany i poddawany ciśnieniu roboczemu, naprężenie ściany wewnętrznej spowodowane ciśnieniem roboczym nakłada się na naprężenie wstępnego naprężenia utworzone przez ciśnienie wewnętrzne i naprężenie zewnętrzne, tak że naprężenie ściany wewnętrznej o pierwotnym wysokim poziomie jest redukowane, podczas gdy naprężenie ściany zewnętrznej o pierwotnym niskim poziomie jest odpowiednio zwiększane, a rozkład naprężeń wzdłuż grubości ściany ma tendencję do bycia jednolitym, co poprawia nośność plastyczną cylindra.

Dzięki kontrolowanemu nadciśnieniu, tylko warstwa wewnętrzna ulega uginaniu, podczas gdy warstwa zewnętrzna pozostaje elastyczna i wykorzystuje własne sprężyste kurczenie się do wytworzenia naprężenia wstępnego, co powoduje zwiększenie nośności cylindra. Zjawisko to nazywa się samowzmocnieniem grubościennego cylindra.