Petrokimya endüstrisinde kullanılan bir basınçlı kabın ASME standartlarında tasarımı ve sayısal yöntemlerle incelenmesi = Design and numerical analysis of a pressure vessel using the petrochemical industry according to ASME standards

Abstract

Basınçlı kaplar, özellikle endüstriyel alanlar için önemli bir unsurdur. Basınçlı kapların kullanılmasındaki temel amaç; sıvı, gaz ve parçacık içerikli bir çok maddeyi muhafaza etmektir. Bu sebepten dolayı basınçlı kaplarla ilgili bir çok standart ortaya çıkmıştır. Bu standartların bazıları yaygın olarak bir çok sektörde kullanılmaktadır. Yapılan çalışmalarda ortaya çıkan değerlendirmelere göre, basınçlı kapların kullanım alanının genişliği, tasarımın önemini artırmaktadır. Yapıları gereği içerdikleri yüksek basınçlı, yanıcı ve patlayıcı maddelerin insan sağlığını tehlikeye atmayacak şekilde muhafazası en önemli tasarım kriteridir. Tasarım aşamasında her türlü yük (sıcaklık, basınç, vakuum etkisi, vb.) dikkate alınmıştır. Bu tez çalışmasında özel bir ekipman olan hava ön ısıtıcısı tüp demeti yüksek sıcaklıkta tasarlanıp durum değerlendirilmesi yapılmıştır. Bir tüp demeti alt ve üstü toplam 3056 adet borudan oluşmaktadır. Tasarım öncelikle katı modelleme ile tanımlanmış ardından da sonlu elemanlar metodu ile modellenmiştir. Bu kapsam içerisinde ekipman için plastik deformasyona karşı koruma, bölgesel hasarlara karşı koruma, burkulmadan kaynaklı oluşan deformasyona karşı koruma ve döngüsel yüklerden kaynaklanan hasarlara karşı koruma durumuna bakılmıştır. Ekipman tüp demetlerinden oluştuğu için tüp içerisinde ful vakum da dikkate alınmıştır. Tasarım için sonlu elemanlar yöntemi sırasında ANSYS versiyon 19.2 kullanılmıştır. Eğme gerilimi kalınlık boyunca sonlu eleman analizi sırasında yok sayılmıştır. Analizin ardırdan tasarım kodu olarak belirlenen ASME Kısım VIII Bölüm 1 ve 2'ye göre kontrolleri sağlanmıştır. Analiz edilen yük koşulları için ASME kodu limit doğrulaması, tüm verilen yük koşulları için tasarımın güvenli olduğunu göstermiştir. Basınçlı ekipman bir birine flanşlı bağlıdır. Bu flanşlı bağlantıdan dolayı ekipmanın önemli bir parçası olan conta gerilmeleri için, conta gerilmelerinin conta genişliğinde olması gerekenin üzerinde olduğu ve her iki hidrotest koşulunda da contayı sızdırmaz hale getirmeye yeterli olduğu görülmüştür. Ayrıca cıvatalı bağlantının rijitliği karşılandığı da görülmüştür. Ekipman için en son olarak yorulma durumuna bakılmıştır. 50000 döngü sayısı için yapılan analizlerde tasarım için oluşturulan malzeme kalınlıklıkları ve gelebilecek ek yükler dikkate alındığında bu döngü sayısını karşıladığı da görülmüştür. Yapılan analizlere göre ekipmanın imalatı gerçekleştirilmiş ve bir petro kimya tesisinde çalıştığı gözlemlenmiştir.

Especially for the industrial areas, pressure vessels are an important element. The main purpose of using pressure vessels; to preserve many substances containing for liquids, gases and particles. For this reason, there are many standards related pressure vessels. Some of these standards/codes are used widely in many industries. According to the evaluations revealed in the studies, the width of the usage area of the pressure vessels increases the importance of the design. The most important design criterion is the preservation of high-pressure, flammable and explosive materials in a way that does not endanger human health due to their structure. Several codes are currently available for design and analysis of pressure vessels. One of the main contributor is the American Society of Mechanical Engineers providing the ASME Section VIII codes. The ASME Section VIII code contains three divisions covering different pressure ranges: Division 1: up to 20 MPa Division 2: in general Division 3: for pressure above 69 MPa Methods Division 1 and 2 will be considered in this thesis. Especially, in this thesis the ASME Section VIII Division 2 Part 5 will be considered. And Here different analysis methods are described, such as: -Elastic Stress Analysis -Limit Load Analysis -Elastic Plastic Analysis Elastic Stress Analysis and Elastic Plastic Analysis will be considered in this thesis. The Elastic Stress Analysis method with stress categorization has been introduced to the industry for many years and has been widely used in the design of pressure vessels. this method is not recommended for heavy wall constructions as it might generate non-conservative analysis results by ASME. In the case of heavy wall constructions, the Limit Load Analysis or the Elastic-plastic method shall be used. In this thesis focus will be on the Elastic-plastic method and the Limit Load Analysis will not be considered. The thesis presented some theories and examples to gain a general understanding of the content to be presented. The methods are described in detail with references to the standard they are adopted from. The advantages and disadvantages of the different methods shall be included where applicable. All kinds of loads (temperature, pressure, vacuum effect, etc.) were taken into account during the design phase. In this thesis study, air preheater tube bundle, which is a special equipment, was designed at high temperature and its condition was evaluated. A tube bundle consists of a total of 3056 pipes at the top and bottom. The design was first defined by solid modeling and then modeled with the finite element method. Since the equipment consists of tube bundles, full vacuum is also taken into account in the tube. The Air Preheater Tube Bundle utilizes pressure loaded components for which complete details of construction are not given and complete design rules do not exist in ASME Sec. VIII Div.1 2019 Edition. With reference to ASME Sec. VIII Div.1 U-2(g)(1)(-a) and Mandatory Appendix 46, Design-by-Analysis is performed as specified in ASME Sec. VIII Div.1 46-4 and ASME Sec. VIII Div.2 Part 5 as evaluating the failure modes (a) Protection Against Plastic Collapse, (b) Protection Against Local Failure, (c) Protection Against From Buckling and (d) Protect Against Failure From Cyclic Loading. The allowable material design stress values used in these calculations have been obtained from ASME Sec. VIII Div.1 UG-23 and 46-2(b). Adoption of these techniques provides solutions as safe as those provided by ASME Sec. VIII Div.1 and 2 rules, as required by U-2 (g). ANSYS Version 19.2 is used during Finite Element Analysis, Through-Thickness Bending Stress options are selected as Ignored during Finite Element Analysis. Follow the condition -The deformation in the assembly is very minimal and it is elastic deformation. -The stress induced on the component for the design load combinations are below of the material limits. -The ASME code limits verification for analyzed load conditions are shows that the design is safe for given load conditions for all SCLs. -Besides, for gasket stresses, it is seen that the gasket stresses are above the required at the gasket width and that is sufficient to seal the gasket for both the gasket seating and design (operating) conditions. Rigidity of the bolted connection is satisfied. -Overall the design of component is safe for given load conditions. Finally, the fatigue status of the equipment was checked. In the analyzes made for the number of 50000 cycles, according yo the material thicknesses created for the design and the additional loads that may come, it has been seen that this cycle number is met. According to the analyzes made, the equipment was manufactured and it was observed that it was working in a petrochemical plant. A complete design basis for a heavy wall pressure vessel and a thin wall pressure vessel will be established. Future construction and production of the pressure vessels for testing purposes shall be possible using the information provided in this thesis. The analysis tools used are described in detail and model simplifications shall be explained. The calculation shall be carried out with respect