Tartály

A nyomástartó edény vagy tartály zárt, merevfalú edény, melyet a környezeténél nagyobb nyomású folyadék vagy gáz tárolására terveztek. A nyomástartó edények általában nagyobb berendezések részei (például kazándob, oxigéntartály, PB gáztartály, vegyipari berendezések, gázok tárolására szolgáló tartályok, atomreaktor nyomásálló burkolata, pneumatikus, hidraulikus hajtásoknál, légfékeknél). A nyomástartó edények változatos geometriai formájúak lehetnek, de majdnem kivétel nélkül forgástest-alakúak, ezek között is leggyakoribbak a hengeres edények a nyomástól függően csekélyebb vagy erősebben domborított véglapokkal, úgynevezett edényfenekekkel. Nem sorolják a nyomástartó edények közé az olyan tartályokat, melyeknél a környezet nyomása nagyobb a belső nyomásnál (mint például egy tengeralattjáró esetében) mivel ebben az esetben nem annyira a szilárdsági, hanem a stabilitási (behorpadás) szempontok szabják meg az edény szerkezetét és gyártásának technológiáját.

A nyomástartó edények anyaga általában fém, leggyakrabban szénacél vagy ötvözött acél, de készülnek tartályok könnyűfémekből, műanyagogból és kompozit szerkezetű falakkal is. A tartályok köpenyét acéllemezből hidegen hengerelve alakítják hengeressé, az edényfenekeket pedig lemezből melegen sajtolva alakítják ki. A köpeny egyes részeit a 18-19. században szegecseléssel, ma csaknem kizárólag hegesztéssel erősítik egymáshoz. Néha az edényfenekekhez karimákat hegesztenek és ezeket csavarokkal erősítik egymáshoz hasonlóan a csővezetékek oldható karimakötéseihez. A két karima között megfelelő tömítés biztosítja a tömör zárást. Az egészen nagy nyomásokra szánt tartályokat vagy vastagfalú hengerléssel előállított csőből készítik, vagy több rétegű, szoros illesztéssel szerelt fallal készülnek.

A nyomástartó edények veszélyes üzemű berendezések. Korábban igen sok baleset történt főleg gőzgépek kazánjainál a helytelen tervezés, gyártás illetve üzemelés következményeképp fellépő kazánrobbanások következtében. Ezért ma a világon mindenhol a nyomástartó edények tervezése, gyártása, üzembehelyezése és üzemelése szigorú szabványok szerint történik, független állami szervek ellenőrzése mellett.

Múzeális szegecselt tartály

Korszerű fekvő tartály

Gömbtartály gáz tárolására

Álló víztartály

A tartályok veszélyessége

A túlnyomással terhelt tartály üzeme veszélyes. A tartály felrobbanása emberéletet veszélyeztethet és jelentős anyagi kárt okozhat. Ezért a kazánok tervezését, gyártását és üzemét szigorú ellenőrzés kíséri. A nyomástartó edények üzemének veszélyességét a belső nyomás és a térfogat mellett felhasználásuk módja is befolyásolja. Legnagyobb figyelmet igényelnek a nukleáris berendezések (példul nukleáris reaktortartályok), más a veszélyessége a légtartályoknak, a 100 °C-nál magasabb hőmérsékletű kazánoknak, és a vegyipari tartályoknak, melyeket veszélyes (maró, mérgező, robbanás- és tűzveszélyes) gáz vagy folyadék tárolására használnak.

A nyomástartó edények veszélyességét a T terhelésmutató jellemzi:

$T = c \sqrt {p_eV} \,$

ahol

$c \,$ a veszélyességi tényező, mely a tartályba töltött közeg minőségétől, a hőmérséklettől, az elhelyezés kockázatától, a beépítéstől függ.

$p_e \, [bar]$ az engedélyezési nyomás

$V \, [m^3]$ a tartály térfogata

A terhelésmutató alapján a légtartályokat a következőképpen sorolják be:

• T < 1000 veszélytelen terhelés
• 1000 < T < 30000 kisterhelésű
• 30000 < T < 10⁶ közepes terhelésű
• T > 10 ⁶ nagyterhelésű

A közepes és nagyterhelésű tartályok különleges kazánlemezből, a kisterhelésűek szerkezeti acélból gyárthatók. A terhelési mutatótól függ a felhasználható anyagminőség, a gyártástechnológia, a minőségellenőrzés, valamint a tartály felállításával és üzemeltetésével kapcsolatos biztonsági intézkedések.

A hengeres köpeny szilárdsága

Vékonyfalú hengeres nyomástartó edény falában ébredő feszültségek

A vékonyfalú hengeres edényben belső nyomás hatására ébredő feszültséget az úgynevezett kazánformula vagy kazánképlet írja le. Az ábra szerinti $D \,$ átmérőjű hengeres nyomástartó edény egy tetszőleges $l \,$ hosszúságú szeletének képét ábrázolja, melyet egy szimmetriasíkja mentén képzeletben kettévágunk. A kettévágott két félkör alakú héjelemet a belső nyomás szét akarja húzni. A $p \,$ belső nyomásból származó $Dlp \,$ erővel az edény $s \,$ vastagságú falában ébredő $\sigma_t \,$ tangenciális irányú húzófeszültségből számítható erő ezzel tart egyensúlyt:

$\sigma_t 2sl = Dlp \,$,

ebből:

$\sigma_t = \frac {Dp}{2s}$.

A belső nyomás nemcsak ezt az érintőirányú feszültséget ébreszti az edény falában, hanem axiális feszültséget is. Az edény fenekét leszakítani törekvő erő az axiális feszültségből számítható belső erővel tart egyensúlyt:

$p \frac {D^2 \pi}{4} = \sigma_a D \pi s$,

ebből:

$\sigma_a = \frac {Dp}{4s}$,

vagyis az axiális feszültség a tangenciális feszültségnek éppen a fele. A nyomástartó edény belső felületére a belső nyomás is hat, mely -p nagyságú nyomófeszültséget eredményez:

$\sigma_{ny}=-p \,$

A három egymásra merőleges síkban ébredő normálfeszültség egyben főfeszültség is, mivel síkjukban csúszatófeszültség nem ébred. Így írható:

$\sigma_1 = \sigma_t, \sigma_2 = \sigma_a, \sigma_3 = \sigma_{ny} \,$

A Mohr-féle feszültségelmélet szerint az egyenértékű feszültség a legnagyobb és legkisebb főfeszültség különbsége:

$\sigma_{egy} = \sigma_1 - \sigma_3 = \frac {Dp}{2s} + p = \frac {Dp}{2s} \left (1 + \frac {2s}{D} \right )$

A gyakorlati számításoknál vékonyfalú tartályok esetén a 2s/D törtet kis értéke miatt elhanyagolják és csak a tangenciális feszültséggel számolnak, ezt a képletet hívják kazánformulának.

A gömbtartályok estén a két egymásra merőleges húzófeszültség egyenlő:

$\sigma_1 = \sigma_2 = \frac {Dp}{4s}$,

vagyis fele a hengeres tartály méretezése alapjául szolgáló feszültségnek. Ezért, valamint azért is, mert a gömbtartály felszíne adott térfogat mellett a legkisebb, a gömbtartály a leginkább anyagtakarékos nyomástartó edény. Amiért mégis többségében hengeres tartályokat gyártanak, az az oka, mert gyártásuk lényegesen egyszerűbb és olcsóbb.

Edényfenekek

A hengeres tartályt két oldalról forgásfelület alakú fenékkel kell lezárni. Egyészen kis nyomásoknál sík feneket használnak, legelterjedtebb azonban a sekély- illetve mélydomborítású edényfenék. Ezek meridiánmetszete kosárgörbe, vagyis két egymáshoz érintőlegesen csatlakozó körív. Még nagyobb nyomás esetén elliptikus keresztmetszetű feneket használnak, a legnagyobb nyomásokhoz pedig félgömb alakút. A fenekek gyártásának bonyolultsága és költsége az előbbi felsorolás szerint növekszik.

A tervezők a fenék szilárdságát a gömbtartályban ébredő feszültség módosított összefüggésével számítják:

$\sigma = \frac {Dp \beta}{4s}$,

ahol

$\beta \,$ a szabványokban megadott, a domborítás mértékétől függő egységnél nagyobb tényező.

A függőleges felállítású tartályokat készülékpatákra vagy támasztógyűrűre állítják, a vízszintes elrendezésűek készüléklábakra támaszkodnak. A tartályokon kivágásokat kell hagyni a közeg be- és elveztésére, ezeket csőcsonkokkal oldják meg. Sok esetben bontható nyílásokra van szükség a tartály tisztítása, belső karbantartása, esetleg csőkígyó vagy más berendezés (például keverő) bevezetéséhez. Ezek kialakításánál a tartály falát további lemezek ráhegesztésével vagy kovácsolással kialakított darabokkal megerősítik, hogy a kivágás ne gyengítse meg a nyomástartó edény szilárdságát.

Forrás

• Pattantyús Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.
• Muttnyánszky Ádám: Szilárdságtan. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1981. ISBN 963-10-359-13
• Dr. Vörös Imre...: Gépelemek tervezési segédlet I. Kézirat Tankönyvkiadó, Budapest 1966.

Külső hivatkozások

• Arany János Műszaki Szakközépiskola és Szakiskola honlapja
• Országos Atomenergia Hivatal: Nyomástartó berendezések szilárdsági számítási normái
• A bányaüzemi célra szolgáló nyomástartó berendezések engedélyezéséről és ellenőrzéséről szóló szabályzattervezet szövege