[이론]압력용기의 Shell/Head 두께계산

[산중한담]

압력용기의 Shell/Head 두께산출 과정에 대한 내용입니다.

1. 압력용기 사용조건

Service Description: Low P. Condensate Drum
Design P. & Temp. : 3.5kg/cm2 & F.V / 210℃
Dimension (ID×Length) : 1500mm×3500mm (Horizontal)
Material: ASTM A516 Gr70
Corrosion Allowance: 3.0mm
적용 Code : ASME Sec.Ⅷ div.1 (Pressure Vessel)

2. Shell Thickness 계산

ASME SecⅧ div.1의 "UG-27 Thickness of Shell Under Internal Pressure"를 이용하여 계산 Shell의 최소 두께는 다음 두 가지 Stress에 의해 계산된 두께보다 작으면 안됨.

(1) Circumferential Stress

t = PR/(SE-0.6P)
t = min. required thickness (in)
P = internal design pressure (psi)
R = inside radius of shell (in)
S = maximum allowable stress (psi)
E = joint efficiency (RT 적용, Spot: 0.85, Full: 1)

Maximum allowable stress를 400 F에서의 값 21700psi를 취함

t = [3.5kg/cm2×14.22psi/(kg/cm2)×(1500/2mm/25.4mm/in)] /
[21700psi×0.85 – 0.6×3.5kg/cm2×14.22psi/(kg/cm2)]
= (49.77×29.53) / (18445 – 29.9) = 1469.7 / 18415.1
= 0.0798(in) = 2.03mm
그러므로 min. required Thickness(mm) = 2.03 + 3.0 (Corrosion allowance) = 5.03mm

(2) Longitudinal Stress

t = PR/(2SE + 0.4P)

t = [3.5kg/cm2×14.22psi/(kg/cm2)×(1500/2mm/25.4mm/in)] /
[2×21700psi×0.85 + 0.4×3.5kg/cm2×14.22psi/(kg/cm2)]
= (49.77×29.53) / (36890 + 19.91) = 1469.7 / 36909.9
= 0.0398(in) = 1.01mm

그러므로, 이 Drum의 Shell에 대한 최종 두께 값은 최소 5.03mm임

3. Head Thickness 계산

ASME SecⅧ Div.1의 “UG-32 Formed Heads, and sections pressure on concave side”를 이용하여 계산

* 단, 계산상에 있어서 다음과 같은 가정을 둔다
- Head 제품형태: Ellipsoidal
- Head Joint Efficiency: 일반적으로 RT 100%, 1.0
- Max. Allowable Stress는 400F에서 21700psi를 사용

t = PD/(2SE-0.2P)

t = min. required thickness (in)
P = internal design pressure (psi)
D = inside length of the major axis (in)
S = maximum allowable stress (psi)
E = joint efficiency
t = (3.5×14.22×1500/25.4) / (2×21700×1.0 – 0.2×3.5×14.22)
= 2939.2 / (43400 – 9.954) = 0.068 (in)
= 1.72mm

그러므로, Drum의 Head에 대한 최소두께 요구값은 1.72mm + 3.0mm (Corrosion Allowance) = 4.72mm.

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