sciencetalk

Beste forumlezers.
 
Volgende situatie doet zich voor:
 
We hebben een buis met inwendige Ø1100 mm, 25mm dik, met een lengte van 3m.
Deze is aan twee zijden voorzien van flenzen met elk 32 gaten waar een M42 bout in past, op een steekcirkel van Ø1300mm.
Materiaal van dit alles is staal S355.
 
Nu zouden wij deze buis graag testen op verschillende werkdrukken. Het idee is om ze langs beide kanten dicht te maken met 2 blindflenzen en hiervan één voorzien van gaten waarlangs we water kunnen toevoegen. Zo laten we het stuk vollopen en op het einde pompen we bij tot de gewenste druk is bereikt.
 
Hoe kan ik nu berekenen hoe dik mijn blindflenzen (ook S355) moeten zijn? en eventueel ook of mijn bouten sterk genoeg zijn?
 
Dit bij een druk van 5 bar, 10 bar, 15 bar, 20 bar.
 
 
Ik kijk uit naar jullie ideeën en theorieën.
Groeten,
 

Roark's heeft formules voor (ronde) platen. Flenzen met een enkele boutrij kun je als opgelegd beschouwen.
Voor je bouten, heb je de totale kracht (druk en oppervlak). Gewoon kwestie van deze kracht per bout te beschouwen (en een veiligheidsfactor toe te passen).
 
Als je dit doet, voorzie wel een doeltreffende ontluchting, aangezien restanten lucht voor een (zeer) gevaarlijke situatie kunnen zorgen (er is recent nog een dode gevallen bij het hydraulisch druktesten van een groot vat wegens een onvolledige ontluchting!)

Een M42 bout heeft een kerndiameter van 36,5 mm, dus is het kernoppervlak (0,25 πd²) 1046 mm². De vloeigrens van S355 ligt rond 355 N/mm². Per bout is dan de maximale treksterkte ongeveer 370 kN. Voor 32 bouten in totaal 11.840 kN.
 
Het binnendiameter van een flens is (op de steekcirkel bout) 130 cm, dus is het oppervlak 13.300 cm². Bij 20 bar komt daar een kracht op te staan van 2.660 kN. De bouten lijken mij dus met een factor 4,5 wel sterk genoeg. Ze zullen wel zorgvuldig voorgespannen moeten worden.
 
De afstand tussen de bouten is ongeveer 12,5 cm, een dunnere flensplaat lijkt mij daarom niet geschikt. Ik zou eerder denken aan een plaat en een dikke flensring.
 
Hoe je precies de vereiste plaatdikte en de flensring doorrekent weet ik niet. De bekende rupture disks voor dit soort drukken zijn nogal dun. Mogelijk kom je de correcte formules tegen als je googelt op rupture disks.

Doorbuiging is van belang voor de pakkingen, dus ofwel dikke plaat (zoals je zegt) ofwel verstijvers.
Hiervoor is het type pakking nodig om dit te bepalen.
 
Bouten worden ook nooit uitgedrukt in staalsoort (behalve bij RVS), maar als 5.6 of 8.8 e.d. Vloeigrens bepaal je adhv. deze getallen.
Om de voorspanning te bepalen heb je ook de relatieve stijfheid nodig tussen boutverbinding en te verbinden onderdelen (google eens op joint diagram).

We hebben een buis met inwendige Ø1100 mm, 25mm dik, met een lengte van 3m.
Deze is aan twee zijden voorzien van flenzen met elk 32 gaten waar een M42 bout in past, op een steekcirkel van Ø1300mm.
Materiaal van dit alles is staal S355.
 
Nu zouden wij deze buis graag testen op verschillende werkdrukken.

Ik ben geen werktuigbouwkundige maar ik zou verwachten dat die buis ontworpen is voor een bepaalde ontwerpdruk, ontwerptemperatuur en corrosietoeslag. In combinatie met de van toepassing zijnde code (ASME of DIN of ....) zou daar dan die 25 mm buiswanddikte uit moeten volgen. Of omgekeerd kan men met de juiste code, ontwerptemperatuur en corrosietoeslag terugrekenen met welke maximale ontwerpdruk die 25 mm overeen zou komen.
 
De testdruk is dan ruwweg 1,5 maal de ontwerpdruk. Voor exacte waarde zie code.
 
Het lijkt me dat de dikte van de blindflenzen dan met de juiste formules uit dezelfde code berekend moeten worden. Het toevoegen van gaten in een van de blindflenzen zal invloed hebben op de vereiste flensdikte.

Ik denk dat bedoelde opstelling onder de Pressure Equipment Directive ( PED 2014/68/EU) valt. Berekeningen dus ook
Op de site van Lloyds bijvoorbeeld kunt u een APP downloaden waarin u de categorie indeling van dit drukvat kunt bepalen.
Het geeft ook uitsluitsel over NoBo nodig voor approval of GMP ( good manuf.practice)
Is het het test opstelling dan kan het nog vallen onder een van de addenda wel/niet Wetenschappelijk Onderzoek. 

Heb je nog hulp nodig?

Dit kan opgelost worden mbv de vloeilijnentheorie.

Mpl = 1/24 * p * d^2
wben = Mpl / fs
dbenodigd= (wben * 4 / 1000)^0.5
 
Uitgangspunt: flens wordt aan de randen geheel en gelijkmatig ondersteund. (loodrecht op de lengte van de buis)

Bij 5 bar:
 
5 bar = 0,5 N/mm2 = 500 kN/m2
Mpl = 1/24 * 500 * 1,1^2 = 25,21 kNm/m
Wben = 25,21 * 10^6 / 355 = 71009 mm3/m
dben = (71008 * 4 / 1000) ^0.5 = 16,9 mm
 
 
Idem bij 10, 15 en 20 bar: resp. 23,9 mm, 29,2 mm en 33,7 mm.
 
 
Bij voorgespannen bouten, waarbij de gehele druk als voorspanning wordt aangebracht:
 
Bij 5 bar:
 
5 bar = 0,5 N/mm2 = 500 kN/m2
Mpl = 1/48 * 500 * 1,1^2 = 12,60 kNm/m
Wben = 12,60 * 10^6 / 355 = 35505 mm3/m
dben = (35505 * 4 / 1000) ^0.5 = 12,0 mm
 
 
Idem bij 10, 15 en 20 bar: resp. 16,9 mm, 20,7 mm en 23,9 mm.