Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 11 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne
Zbiornik ciśnieniowy Część I Ashby M.F., Jones D.R.H. Materiały inżynierskie - Właściwości i zastosowania - tom 1. WNT, Warszawa 1996
Dobór materiałów na zbiornik ciśnieniowy o minimalnej masie Naprężenie w ścianie zbiornika: Cienkościenny, seryczny zbiornik o promieniu r i grubości ścianki t do przechowywania medium pod ciśnieniem p
Promień zbiornika r narzucony przez projekt Ze względów bezpieczeństwa konieczne jest zastosowanie współczynnika bezpieczeństwa S więc Masa zbiornika m S t m 4r t stąd 4r wstawiając t do równania na naprężenia w serycznym zbiorniku S pr 4r m m Sr 3 minimalna masę gwarantuje materiał o najmniejszej wartości lub największej wartości M
Która linia przewodnia? Jakie są potencjalne materiały? http://www.grantadesign.com
Który materiał zagwarantuje najmniejszą masę? A co z ceną? Czy takie rozwiązanie zadania jest wystarczające materiał [MNm - ] [Mgm -3 ] c [$ ton -1 ] 6 c 10 10 6 [s m - ] [$m -1 N -1 ] Beton zbrojony 00,5 90 13 3,5 Stal stopowa 1000 7,8 1100 7,8 8,6 Stal niskowęglowa 0 7,8 490 36 17 Stop aluminium 400,8 00 6,8 15 Włókno szklane 00 1,8 40 9,0 CFRP 600 1,5 198 000,5 510
ZBIORNIK CIŚNIENIOWY Część II
W ścianie zbiornika ciśnieniowego może wystąpić wada. Jaka powinna być reakcja prawidłowo dobranego materiału: W przypadku zbiornika niskociśnieniowego ścianka powinna się odkształcić przed pęknięciem W przypadku zbiornika wysokociśnieniowego powinien nastąpić przeciek przed pęknięciem
1. W warunkach płynięcia plastycznego: R e. Przy nagłym pękaniu: a K Ic K Ic a
Rodzaje zniszczenia cylindrycznego zbiornika ciśnieniowego
Jaki materiał będzie bezpieczniejszy na zbiornik wysokociśnieniowy?
Zbiornik ciśnieniowy Ograniczenia: Dla małych zbiorników pożądane jest odkształcenie plastyczne przed pęknięciem możliwość wykrycia np. przez pomiary tensometryczne Dla dużych - przeciekanie łatwiejsze wykrycie. Naprężenie w ściance: pr t t należy dobrać tak aby < (granicy plastyczności dla metali)
CK Dla małych zbiorników (badanych ultradźwiękowo lub inną metodą) IC a C a c średnica mikropęknięcia, C stała bliska 1 Zbiornik jest bezpieczny, gdy mikropęknięcie nie może się rozprzestrzeniać nawet gdy naprężenia osiągną granicę plastyczności! a C C K Dopuszczalna wielkość pęknięcia jest największa, gdy dobierze się materiał o największej wartości wskaźnika M 1 : K IC IC M 1
Duży zbiornik jest bezpieczny, gdy mikropęknięcie przebiegające przez całą grubość ścianki (szczelina na wylot) jest stabilne: CK IC t t pr grubość ścianki, która wytrzyma ciśnienie p i nie ulegnie odkształceniu plastycznemu: dla = pr 4C K IC
Maksymalne ciśnienie wytrzyma zbiornik wykonany z materiału o najwyższej wartości wskaźnika M : M K IC Ze względów ekonomicznych zbiornik powinien być lekki a więc grubość ścianek powinna być minimalna, należy więc szukać materiału o najwyższej wytrzymałości: M3
Jakie materiały dla jakich warunków pracy?
Materiały na bezpieczne zbiorniki ciśnieniowe Materiał Stale odporne na obciążenia dynamiczne Miedź odporna na obciążenia dynamiczne Stopy Al odporne na obciążenia dynamiczne M K IC 1 M 3 Uwagi 0,6 300 Standardowe zastosowanie stali na zbiorniki ciśnieniowe 0,6 10 Miedź beztlenowa w gatunku OFHC umocniona odkształceniowo. Małe zbiorniki odporne na korozję. 0,6 80 Stopy Al serii 1000 i 3000 wg norm brytyjskich Stopy Ti 0, 700 Stopy o dużej granicy plastyczności Wysokowytrzymałe stopy Al 0,1 500 ale mały margines bezpieczeństwa. Dobre na lekkie zbiorniki ciśnieniowe GFRP/CFRP 0,1 500