Der Imperativ des seismischen Designs
Eine hydrometallurgische Anlage in einer seismisch aktiven Region-Seismische Zone 4 gemäß UBC oder ASCE 7-installiert PTFE-Wärmetauscher in Laugungstanks. Die Wärmetauscher müssen während und nach einem Auslegungserdbeben strukturell intakt bleiben. Ein Versagen des Stützrahmens, bei dem eine dampfbeheizte Spule in einen Tank mit korrosiver Lösung fällt, während die Anlage auf Erdbebenschäden reagiert, erhöht die Gefahr.
Standard-PTFE-Wärmetauscher-Stützrahmen sind für statische Belastungen -Eigengewicht-, Wärmeausdehnung und normale Rührkräfte ausgelegt. Beim seismischen Design kommen dynamische horizontale und vertikale Lasten hinzu, die die statischen Lasten um den Faktor 3-5 übersteigen können. Der Stützrahmen muss diesen Belastungen standhalten und gleichzeitig ausreichend flexibel bleiben, um die hohe Wärmeausdehnung der PTFE-Schläuche aufzunehmen, ohne sie zu stark einzuschränken.
Das seismische Design des Stützrahmens unterliegt den gleichen Prinzipien wie jede nicht{0}}strukturelle Komponente in einer seismischen Anwendung: Der Rahmen muss Trägheitslasten von der Tauschermasse über einen definierten Lastpfad auf die Gebäudestruktur übertragen, und zwar ohne sprödes Versagen oder Verlust der Druckgrenze des Tauschers.
Die Erdbebenlastberechnung
Die seismische Auslegungskraft auf den Wärmetauscher wird gemäß den geltenden Bauvorschriften (ASCE 7, Eurocode 8 oder gleichwertig) berechnet. Die horizontale seismische Kraft Fp beträgt:
Fp=(0,4 × ap × SDS × Wp) / (Rp / Ip)
Dabei ist ap der Komponentenverstärkungsfaktor (typischerweise 2,5 für starre Komponenten), SDS die spektrale Auslegungsbeschleunigung in kurzen Zeiträumen, Wp das Betriebsgewicht der Komponente, Rp der Reaktionsmodifikationsfaktor der Komponente und Ip der Wichtigkeitsfaktor.
Für einen PTFE-Wärmetauscher mit einem Gewicht von 50 kg (im Betrieb, einschließlich enthaltenem Dampf und Kondensat) in einer Zone mit hoher Erdbebenbelastung und SDS=1.5g, ap=2.5, Rp=2.5, Ip=1.5 beträgt die Auslegungsseismikkraft ungefähr 1,5 × Wp=75 kg äquivalente horizontale Kraft. Diese Kraft wirkt im Massenschwerpunkt des Wärmetauschers und erzeugt Kippmomente und Scherkräfte an den Stützverbindungen.
| Parameter für den seismischen Entwurf | Wert für Designbeispiel | Quelle/Berechnung |
|---|---|---|
| Betriebsgewicht der Komponente (Wp) | 50 kg (490 N) | Wärmetauscher + mit Wasser-gefüllte Rohre |
| Spektralbeschleunigung mit kurzer-Periode (SDS) | 1.5g | Standortspezifische seismische Gefahrenanalyse |
| Komponentenverstärkungsfaktor (ap) | 2.5 | ASCE 7 Tabelle 13.6-1 (starre Komponente) |
| Komponentenreaktionsmodifikationsfaktor (Rp) | 2.5 | ASCE 7 Tabelle 13.6-1 (geschweißter Stahlrahmen) |
| Wichtigkeitsfaktor (Ip) | 1.5 | Wesentliche Einrichtung (enthält gefährliche Chemikalien) |
| Bemessungshorizontale seismische Kraft (Fp) | 735 N (entspricht 75 kg) | Fp-Formel gemäß ASCE 7 Abschnitt 13.3 |
| Bestimmen Sie die vertikale seismische Kraft | ±0,2 × SDS × Wp=±147 N | ASCE 7 Abschnitt 13.3 |
| Anzahl der Ankerpunkte des Stützrahmens | 4 (mindestens) | Verteilt seismische Belastungen auf die Tankstruktur |
| Ankertyp | Durchgehend-mit Sicherungsmuttern verschraubt; keine Spreizdübel | Spreizanker sind unter zyklischer seismischer Belastung unzuverlässig |
| Ankermaterial | Edelstahl 316 mit PTFE-Isolierhülsen | Korrosionsbeständigkeit; galvanische Trennung vom PTFE-Rahmen |
Die Flexibilität-Erdbebenfestigkeitsbilanz
PTFE-Schläuche dehnen sich etwa 12–15 mm pro Meter Länge aus, wenn sie von Umgebungstemperatur auf 140 Grad Betriebstemperatur erhitzt werden. Der Tragrahmen muss diese Ausdehnung in Längsrichtung frei zulassen, um ein Ausknicken des Rohres zu verhindern. Dafür sind Gleitverbindungen oder flexible Elemente im Rahmen erforderlich, die thermische Bewegungen aufnehmen.
Bei seismischen Konstruktionen werden in der Regel starre Verbindungen bevorzugt, die Lasten direkt übertragen. Eine starre Verbindung, die eine Wärmeausdehnung verhindert, löst den seismischen Lastpfad, schafft jedoch ein Problem der thermischen Spannung. Eine Gleitverbindung, die die Wärmeausdehnung aufnimmt, sorgt dafür, dass der Wärmetauscher auch seismischen Belastungen nicht ausgesetzt ist.
Die Lösung ist ein multidirektionales Rückhaltesystem. Der Tragrahmen ist an einem Ende (dem Festpunkt) mit starren Verbindungen verankert, die seismische Lasten in alle Richtungen übertragen. Das gegenüberliegende Ende (der Gleitpunkt) verwendet geschlitzte Verbindungen, die eine thermische Ausdehnung in Längsrichtung ermöglichen und gleichzeitig eine Quer- und Vertikalbeschränkung für seismische Belastungen bieten. Die Gleitverbindung umfasst ein reibungsarmes PTFE-Lagerpolster, das eine reibungslose thermische Bewegung ermöglicht, während die geschlitzten Bolzenlöcher bei seismischer Verschiebung ineinandergreifen und für seitliche Sicherung sorgen, nachdem ein kleiner anfänglicher Spalt geschlossen wurde.
Die Ankereinbettung in der Tankstruktur
Die Stützrahmenanker müssen seismische Belastungen in die Tankstruktur übertragen, ohne dass das Tankmaterial herausgezogen oder gebrochen wird. Bei Stahltanks verteilen durchgehende -Schraubverbindungen mit Trägerplatten die Ankerlast auf eine größere Fläche. Für Betontanks werden -vor Ort eingegossene-Ankerbolzen oder Pfosten-Epoxidanker (zugelassen für den seismischen Einsatz gemäß ACI 355.2) verwendet.
Bei der Ankerkonstruktion wird ein Sicherheitsfaktor von 4 für die maximale Auszugskapazität berücksichtigt, um der zyklischen Verschlechterung der Ankerkapazität bei wiederholter seismischer Belastung Rechnung zu tragen. Der Abstand und die Abstände der Ankerkanten entsprechen den gesetzlichen Mindestanforderungen, um ein Versagen des Betonausbruchs zu verhindern.
Zusammenfassung
PTFE-Wärmetauscher-Stützrahmen in seismischen Zonen sind für horizontale seismische Kräfte ausgelegt, die das 3-5-fache des statischen Eigengewichts betragen, und verwenden ein multi{4}direktionales Rückhaltesystem, das an einem Ende einen starren Lastpfad und am anderen Ende eine Gleitverbindung bietet, die die Wärmeausdehnung aufnimmt. Die Ankereinbettung in die Tankstruktur erfolgt über -verschraubte oder seismisch qualifizierte nachträglich installierte Verbindungen mit einem Sicherheitsfaktor von 4 für die Endkapazität.
Das seismische Design stellt sicher, dass der Wärmetauscher strukturell intakt bleibt und die Dampfdruckgrenze während und nach einem Design-Erdbeben aufrechterhalten wird, wodurch eine verstärkte Freisetzung gefährlicher Stoffe während eines bereits kritischen Ereignisses verhindert wird.
Technische Unterstützung für die Konstruktion des Stützrahmens für seismische PTFE-Wärmetauscher ist nach Vorlage standortspezifischer seismischer Parameter, Details zur Tankkonstruktion, Abmessungen und Gewicht des Wärmetauschers sowie der geltenden Bauvorschriften verfügbar.
