Расчет и конструирование типового оборудования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫВОСТОЧНОУКРАИНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙУНИВЕРСИТЕТИМЕНИ ВЛАДИМИРА ДАЛЯТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (г. Северодонецк)КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙпо дисциплине"РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕТИПОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ"для студентов специальности 7.090220"Оборудование химических предприятийи производств строительных материалов"(в 2-х частях)Часть 1. " Расчет и конструирование тонкостенныхаппаратов"Северодонецк 2009Конспект лекций по дисциплине "Расчет иконструирование типового оборудования" для студентов специальности7.090220 "Оборудование химическихпредприятий и производств строительных материалов" (в 2-х частях). Часть 1." Расчет и конструирование тонкостенных аппаратов"/ Сост. И.М. Генкина. – Северодонецк, ТИ, 2009 –239 с.Составитель: И.М. Генкина, ст. преподаватель2СОДЕРЖАНИЕI. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41. Общий объем дисциплины и объем лекций 4II. Конспект лекций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Лекция 1.Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Лекция 2. Материалы, применяемые для изготовления химического оборудования . . . . . . . . . . . . . . 18Лекция 3. Основы теории тонкостенных оболочек. Уравнение Лапласа . . . . . . . . . . . . 22Лекция 4.Основы теории тонкостенных оболочек. Приложение безмоментной теории расчета тонкостенных оболочек к расчету корпусов тонкостенных аппаратов . . . . . . . . . . 30Лекция 5.Основы теории тонкостенных оболочек. Оценка прочности тонкостенных сосудов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Лекция 6. Элементы моментной теории тонкостенных оболочек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Лекция 7. Общие требования к сосудам, работающим под давлением . . . . . .. . .Лекция 8. Конструкции обечаек и днищ . . .Лекция 9. Расчет элементов аппаратов, нагруженных внутренним избыточным давлениемЛекция 10. Расчет элементов аппаратов, нагруженных наружным давлениемЛекция 11. Аппараты с рубашками . . . . . . .Лекция 12. Расчет цилиндрических обечаек при совместном действии нагрузок нескольких видовЛекция 13. Укрепление отверстий в стенках аппаратов .Лекция 14. Конструкции и расчет фланцевых соединений . . . .Лекция 15. Конструкции и выбор опор и строповых устройств аппаратов .Приложения3I. Общие сведения1. Общий объем дисциплины и объем лекцийДисциплина "Расчет и конструирование типовогооборудования" изучается студентами дневной и заочной формы обучения специальности 7.090220 "Оборудование химических предприятий и производств строительных материалов" в 7 и 8 семестрах.Общий объем дисциплины и объем лекций в соответствии срабочим учебным планом приведены в таблице 1.Таблица 1ОбъемФорма Общий объемКурс Семестр лекций,обучения дисциплины, час.час.7 162 42Дневная 4 8 162 28Всего 324 707 162 8Заочная 4 8 162 6Всего 324 14Конспект лекций состоит из двух частей: часть 1 – " Расчет иконструирование тонкостенных аппаратов" и часть 2 – "Расчет и конструирование сосудов высокого давления".5II. Конспект лекцийЛекция 1. Тема " Введение "Рассматриваемые вопросы:Задачи курса, его предмет исодержание. Понятие машины и аппарата. Классификация химического оборудования. Тонкостенные аппараты и аппараты высокого давления. Специфичность работы химическогооборудования. Порядок проектированияоборудования. Основные этапы проектирования. Требования к проектируемому оборудованию.1.1. Задачи курса, его предмет и содержаниеКурс РК ТУ (Расчет и конструирование типовогооборудования) является одной из профилирующих дисциплин по специальности 7.090220 "Оборудование химических предприятий и производств строительных материалов".Данная дисциплина относится к циклу профессиональноориентированных дисциплин при подготовке инженеров- механиков химических и смежных производств.Целью изучения данной дисциплины является ознакомлениес основами расчета и конструирования машин и аппаратов химических производств.Курс РК ТУ включает в себя теоретические основы расчетовхимического оборудования, изучение типовых конструкций элементов машин и аппаратов, а также изучение нормативно- технической документации, регламентирующей конструкции, требования к изготовлению и методы расчета на прочность, жесткость и устойчивость.Методы расчета и конструирования, изученные в курсе РКТУ, используются при выполнении курсовой работы по данной дисциплине, курсового проекта по оборудованию химических производств, дипломного проекта и в дальнейшей инженерной практике.В самом названии дисциплины "Расчет и конструирование6В процессе проектирования для выбораоптимального варианта конструкции нередко приходится просчитывать несколько вариантов конструктивных решений.1.2. Классификация химического оборудования испецифичность его работыКлассификацией называется логическая операция, состоящаяв разделении всего изучаемого материала на группы по обнаруженнымсходствам и различиям. С помощьюклассификации изучаемые предметы могут быть организованы в систему, позволяющую установить связи между этими предметами и закономерности, определяемые этими связями.В основу классификации могут быть положены разныепризнаки, однако они должны быть существенными, определяющимиосновные свойства классифицируемыхпредметов.В основу классификации химического оборудованияположены два признака:– характер технологического процесса; – общность конструктивных форм, технологии изготовления,применения материалов.Для определения характера технологического процессаможет быть использовано определение машины и аппарата.Машиной называют механизм или комплекс механизмов,совершающие определенные целесообразные движения с целью преобразования энергии или совершения работы.7Аппарат можно определить как ограниченное пространство,в котором происходят процессы, сопровождаемые изменением химических свойств, температуры и агрегатного состояния перерабатываемого материала.В соответствии с этими определениями химическоеоборудование разделяют на машины химических производств и химическую аппаратуру.К машинам химических производств относитсятехнологическое оборудование, в котором определяющим является механическое воздействие рабочих органов машины на объект обработки. К машинам химических производств относят:– машины для измельчения (дробилки и измельчители); – машины для разделения сыпучих материалов на фракции(сита, классификаторы);– машины для получения однородных смесей (смесители,мешалки);– машины для транспортирования или подачи материала(транспортеры, питатели, дозаторы);– машины для выделения твердой фазы из жидкостей илигазов (фильтры, центрифуги, сепараторы);– машины с вращающимися барабанами. К химическим аппаратам относят: – теплообменные аппараты; – колонные аппараты; – реакторы; – котлы; – выпарные аппараты; – емкостные аппараты. В пределах каждой из названных групп оборудованиясуществует более подробное деление.Используя второй признак классификации (общностьконструктивных форм, технологии изготовления, применения материалов),химическую аппаратуру разделяют натонкостенные аппараты и аппараты высокого давления (толстостенные).Любой аппарат можно рассматривать как емкость, в которую8встроены дополнительные устройства. Корпуса таких аппаратов состоят из типовых элементов: обечаек, днищ, штуцеров, люков, фланцевыхсоединений, опорных узлов. Конструкциибольшинства из этих элементов стандартизованы иунифицированы по типоразмерам. Задачей этого курса и является изучение конструкций типовых элементов аппаратов и методов их расчета.Специфичность работы химического оборудованиязаключается в наличии следующих факторов:– широкого диапазона применяемых рабочих давлений итемператур;– коррозионной агрессивности, взрывоопасности,пожароопасности и вредности многих рабочих сред;– непрерывного характера большинства производственныхпроцессов;– разнообразного агрегатного состояния рабочих сред. Наличие этих факторов требует соблюдения определенныхправил при конструировании, расчете, изготовлении и испытании химического оборудования. Основные требования к проектированию,расчету и эксплуатации аппаратов,работающих под давлением, излагаются в Правилах Госнадзорохрантруда (ДНАОП 0.00-1.07-94 « Правила будови та безпечної експлуатації посудин, що працюють під тиском»8 ), отраслевом стандарте ГСТУ 3–17–191–2000 « Посудини таапарати стальні зварні. Загальні технічні умови» 7 и ряде других стандартов, которые также будут изучаться далее.1.3. Порядок проектирования и требования кпроектируемому оборудованиюРазработка конструкторской документации припроектировании нового оборудования включает следующие стадии: – техническое задание; – техническое предложение; – эскизный проект; – технический проект;9– рабочий проект.На стадии технического задания исполнитель по исходнымданным, полученным от заказчика, разрабатывает техническое задание и согласует его с заказчиком.На стадии технического предложения изучаетсяинформационный материал и проводятся эксперименты с целью выявления вариантов возможных решений. Производится конструктивная проработка вариантов и проверка их на патентную чистоту и конкурентоспособность. Производят сравнительную оценку рассматриваемых вариантов и выбор оптимального варианта с обоснованием этого выбора.Техническое предложение после согласования и утвержденияявляется основанием для разработки эскизного (технического) проекта.На стадии эскизного проекта принимается иразрабатывается конкретное конструкторское решение,определяющее устройство изделия. Производитсяконструкторская проработка вариантов составных частей изделия. Производится оценка изделия по показателям качества (надежности, технологичности, стандартизации и унификации, экономическим, эстетическим, эргономическим показателям). С целью проверки принципов работы изделия и его составных частей возможно изготовление и испытания макетов.Эскизный проект после согласования и утверждения служитоснованием для разработки технического проекта или рабочей конструкторской документации.Технический проект должен содержать окончательныетехнические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации.На стадии технического проекта разрабатываются чертежиобщего вида изделия, при необходимости некоторых оригинальных или наиболее важных сборочных единиц и деталей,выполняются все необходимые расчеты,подтверждающие работоспособность изделия. При этом уточняют номенклатуру покупных изделий, выполняют10согласование применения покупных изделий, а также согласование габаритных, установочных и присоединительных размеров с заказчиком или основным потребителем. Технический проект после согласования и утверждения служит основаниемдля разработки рабочей конструкторскойдокументации.На стадии рабочего проекта выполняется полный комплектрабочих чертежей всех сборочных единиц и деталей изделия для изготовления и сборки опытного образца, а после корректировки документов – для серийного производства изделия.Итак, при проектировании любого оборудования на первойстадии проводится анализ существующих конструкций и выбор одной из них как прототипа с последующей модернизацией либо разрабатывается принципиально новая конструкция. После этоговыполняются необходимые технологические,прочностные, кинематические и др. расчеты. Особое внимание уделяетсябезопасности проектируемого оборудования.Специфичность работы оборудования в химическойпромышленности (работа при высоких температурах, давлении, в химически агрессивных, взрывоопасных, пожароопасных, токсичных средах) накладывает особую ответственность при выборе конструкторских решений, проведении расчетов и подбору стандартных изделий.Основными требованиями при конструировании являются:– эффективность и надежность оборудования; – рациональный выбор конструкционных материалов; – прочность, жесткость и устойчивость конструкции; – применение стандартных узлов и деталей; – технологичность конструкции; – удобство ремонта, монтажа и демонтажа; – удобство транспортировки; – соблюдение норм техники безопасности; – достаточный срок службы; – дизайн.11При этом под эффективностью оборудования понимаетсяего производительность и экономичность в изготовлении и эксплуатации, повышение полезной отдачи оборудования.Надежность– свойство изделия выполнять заданныефункции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.Под технологичностью конструкции понимаются свойстваконструкции, определяющие ее приспособленность кдостижению оптимальных затрат при производстве,эксплуатации и ремонте. Свойства, определяющиетехнологичность конструкции, должны быть заложены при проектировании.Удельный вес каждого из перечисленных требований зависитот конструкции и назначения оборудования. Однако для всех без исключения конструкций первостепенную роль играет экономический фактор. Именно экономические соображения позволяют найти разумный предел использования каждого показателя.Контрольные вопросы к лекции 11. Какие вопросы изучаются в курсе РК МАХП?2. Как связаны между собой расчет и конструирование?3. Что такое классификация и для чего она необходима?4. По каким признакам классифицируют химическоеоборудование?5. Как классифицируют химическое оборудование?6. В чем заключается специфичность работы химическогооборудования?7. Стадии проектирования нового оборудования. Содержаниестадий.8. Основные требования при конструировании оборудования.12Лекция 2. Тема "Материалы, применяемые для изготовленияхимического оборудования" Рассматриваемые вопросы:Требования к материалам.Факторы, влияющие на выбор материалов. Факторы, зависящие от внешних условий. Факторы, связанные со свойствами материала. Влияние различных факторов на свойства материалов. Краткие сведения об основных физико- механических характеристиках материалов. Влияние свойств рабочей среды на выбор материала. Скорость коррозии. Коррозионная стойкость материалов. Виды коррозии. Влияние температуры и давления на выбор материала. Жаростойкость и жаропрочность. Прочность при статических и динамических нагрузках. Явления ползучести и релаксации. Тепловая хрупкость и хладноломкость. Классификация сталей. Цветные металлы и сплавы. Прокладочные материалы.2.1. Требования к материаламЭффективность и надежность разработанного оборудованияопределяется не только правильным выбором конструкции и ее прочностью, но и рациональным выбором материалов. Правильный выбор материала влияет на прочность и технологичность конструкции, определяет срок службы изделия.Современные химические производства характеризуютсяшироким диапазоном рабочих давлений (от вакуума до высоких избыточныхдавлений), большим интервалом рабочихтемператур при коррозионноактивных, токсичных, пожаро- и взрывоопасных рабочих средах. Многие узлы и детали машин и аппаратовиспытывают одновременно значительныемеханические нагрузки и коррозионное воздействие среды при высокихили низких температурах. Поэтому кконструкционным материалам для химического оборудования предъявляется комплекс требований, которые обусловлены конструкцией, технологией изготовления и безопасной эксплуатацией оборудования:131) достаточная коррозионная стойкость в агрессивной средепри заданной концентрации, температуре и давлении, определяемая скоростью проникновения коррозии, а также жаростойкость и стойкость против возможных видов коррозионного разрушения (коррозионное растрескивание, межкристаллитная,водородная, карбонильная коррозии,азотирование стали, графитизация);б) достаточная механическая прочность при заданныхдавлении и температуре с учетом специфических требований, предъявляемыхпри эксплуатации оборудования(жаропрочность, теплоустойчивость, длительная прочность, учет тепловой хрупкости и хладноломкости, устойчивость при знакопеременных или повторных нагрузках и др.);в) способность материала свариваться с обеспечениемвысоких механических свойств и коррозионной стойкости сварных соединений, возможность обработки материала резанием, давлением, а также термической обработки (технологические свойства материала).Выбор материалов определяется рядом факторов, которыеможно разделить на две группы:– факторы, связанные со свойствами данного материала(физико-механические свойства, технологические свойства);– факторы, зависящие от внешних рабочих условий (свойстварабочей среды, температура, давление).К физико-механическим свойствам относятся: –предел прочности или временное сопротивление R m (МПа);– предел текучести R e (МПа);– условный предел текучести R p 0 , 2 или R p 1 , 0 (МПа);– модуль упругости при растяжении E (МПа);– ударная вязкость KCU (МДж/м 2 );– коэффициент теплопроводности (Вт/м С);– коэффициент линейного расширения ( С -1 ).К технологическим свойствам относятся: –свариваемость;– обрабатываемость давлением и резанием.14Остановимся подробнее на перечисленных физико-механических характеристиках материалов.Предел прочности – механическое напряжение, припревышении которого происходит разрушение тела. Предел прочности определяют как отношение максимальной нагрузки, предшествующей разрушению, к исходному сечению образца.Необходимо также сделать замечание, касающееся термина"временное сопротивление". Прочность является функцией времени нахождения под нагрузкой. При кратковременном воздействии один и тот же образец может выдержать гораздо большие нагрузки, чем при длительном. При низких температурах (<0,3Тпл ) влияние времени менее ощутимо, чемпри высоких. Поэтому для низких температур предел прочности можно считать с достаточной точностью характеристикой материала без указания времени испытания. При высоких температурах обязательно указывается время испытания, и термин "временное сопротивление" является более подходящим по смыслу, чем термин "предел прочности".Предел текучести – механическое напряжение, припревышении которого удлинение образца начинает возрастать без увеличения действующей на него силы. Другими словами, предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором происходит необратимая пластическая деформация образца без заметного увеличения растягивающей нагрузки.Ярко выраженную площадку текучести имеют, как правило,пластичные металлы и сплавы (рис.2.1). Для материалов, на диаграмме растяжения которых площадка текучести отсутствует (штриховая линия), определяют условный предел текучестиR p 0 , 2 или R p 1 , 0 , который соответствует напряжению,вызывающему остаточное удлинение соответственно 0,2 или 1,0%.15Рис. 2.1. Типичная кривая растяжения с площадкой текучестидля конструкционной сталиУпругие свойства металлов характеризуются значениямимодуля упругости E и коэффициентом Пуассона .Модуль упругости – отношение нормального напряжения впоперечном сечении цилиндрического образца котносительному удлинению при его растяжении. Модуль упругости – это коэффициент пропорциональности между напряжением σ и относительной деформацией δ вдоль оси нагружения при одноосном нагружении. В литературе можно встретить другое название этой характеристики: модуль растяжения, модуль Юнга - в честь английского ученого Томаса Юнга (1773-1829 гг.), изучавшего упругое поведение стержней. Линейное соотношение между напряжением и деформациейЕ называют законом Гука - в память о работах другогоанглийского ученого - Роберта Гука (1635-1703 гг.), впервые установившего линейную зависимость между нагрузкой и удлинением. Предельное напряжение в области упругой деформации (участок 0A на рис.2.1), где выполняется линейная зависимость между приложенным напряжением и вызываемой16им деформацией, т.е. закон Гука, называется пределом пропорциональности.Для материалов, работающих в условиях ударных нагрузок,большое значение имеет такая характеристика прочности, как ударная вязкость(сопротивление удару), которая представляет собою отношение величины работы, затрачиваемой на разрушение образца при испытании ударной (динамической) изгибающей нагрузкой, к площади поперечного сечения образца в ослабленном специальным надрезом месте разрушения. Для испытаний изготавливают стандартные образцы квадратного сечения с надрезом (концентратором напряжения) посередине.Ударная вязкость, в зависимости от вида концентраторанапряжения, обозначается символами KCU, KCV или KCT. Первые две буквы КС обозначают ударную вязкость, а буквы U, V и T - вид концентратора напряжения: U - образец с U- образным надрезом; V - образец с V-образным надрезом; Т - образец с нанесенной трещиной усталости. Испытания образцов с концентраторами напряжений V и T проводят в случае использования металлов и сплавов для ответственных конструкций.При проектировании теплообменной аппаратуры большоезначение имеют коэффициенты теплопроводности и теплового расширения материала. Коэффициент теплопроводности – коэффициентпропорциональности между плотностьютеплового потока и градиентом температуры. Характеризует способность вещества проводить тепло; численно равен количеству энергии, проходящей в единицу времени через единичное сечение образца, на концах которого создана разность температур в один градус.Коэффициент теплового расширения – величина,характеризующая относительное увеличение размеров тела из определенного материала при увеличении его температуры на один градус. Коэффициенты линейного расширения во всех трех направлениях для большинства тел равны.172.2. Влияние различных факторов на свойства материалов. Влияние свойств рабочей среды на выбор материалаВ большинстве случаев основным фактором для выбораматериалов химических аппаратов являются свойства рабочей среды. Коррозионная стойкость материала при заданной концентрации среды, температуре и давлении определяет долговечность химического оборудования.Коррозионную стойкость оценивают в основномколичественными показателями в зависимости от вида коррозии. Для сплошной коррозии основные количественные показатели коррозии и коррозионной стойкости: глубина проникновения коррозии, линейная скорость коррозии и время проникновения коррозии на допустимую глубину.При невозможности или нецелесообразности определенияколичественных показателей коррозионной стойкостидопускается использовать качественные показатели, например, изменениевнешнего вида поверхности. На основекачественного показателя дают оценку "стоек-не стоек" или "годен-не годен".В общем случае для изготовления химической аппаратурыдолжны использоваться конструкционные материалы, скорость коррозии которых не превышает 0,1 мм/год.Эрозионное воздействие среды (разрушениеповерхностного слоя металла под действием ударяющихся в него твердых частиц, капель или потока жидкости или газа) учитывают при значительных скоростях движения среды: жидкостей – более 20 м/с, газов – более 100 м/с или при наличии в среде абразивных частиц.При конструировании химической аппаратуры необходимоучитывать также и другие виды коррозионного разрушения материалов:коррозионное растрескивание,межкристаллитную, водородную и карбонильную коррозию, азотирование и графитизацию стали.Коррозионное растрескивание металла наблюдается в рядеслучаев в аппаратах, выполненных из легированных сталей и работающих при повышенных давлении и температуре, при18совместном действии коррозионной среды и растягивающих напряжений.Разрушение металла при коррозионномрастрескивании происходит с образованием трещин внутри кристаллов и по их границам. При наличии в металле напряженийсжатия коррозионное растрескивание непроисходит.Ускоренное растрескивание аппаратов из хромоникелевыхсталей с содержанием хрома около 18 % и никеля около 8 % , находящихся под постоянно действующей нагрузкой, имеет место в растворах NaCl, MgCl2 , ZnCl 2 , LiCl, H 2 S, морской воде.Латуни обнаруживают склонность к коррозионномурастрескиванию в среде аммиака. Хромомолибденовые стали подвержены коррозионному растрескиванию при повышенном содержании кислорода и щелочей в питательной воде. Питательная вода обычного состава (содержание кислорода не более 0,15 мг/л; хлоридов – не более 0,03 мг/л; концентрация щелочей – не более 5 %) не вызывает коррозионного растрескивания.Основные меры защиты металла откоррозионного растрескивания: сведение к минимуму уровня напряжений, снижение местной концентрации напряжений, подбор соответствующих материалов, систематический анализ и контроль содержания кислорода, хлоридов, щелочей в составе рабочей среды.Межкристаллитная коррозия свойственна аустенитнымхромоникелевым сталям. При работе их при температурах выше 400 С по границам зерен образуются карбиды хрома. В результате границы зерен обедняются хромом, что приводит к снижению коррозионной стойкости и ударной вязкости. Склонность стали к межкристаллитной коррозии можно предотвратить ограничением в стали содержания углерода до величины менее 0,04 % и добавлением легирующих элементов, предотвращающих образование карбида хрома (титана, ниобия).Явление водородной коррозии наблюдается в аппаратахвысокого давления при контакте со средой, содержащей газообразный водород. Водородная коррозия стали происходит в результате гидрогенизации ее карбидной фазы водородом,19поглощенным металлом при контакте с водородсодержащей технологической средой:Fe C H CH Fe3 2 4В результате водородной коррозии изменяется структурастали, происходит межкристаллитное растрескивание;прочностные и пластические характеристики стали необратимо ухудшаются, приводя к преждевременным поломкам и разрушениям. Интенсивность химического взаимодействия водорода с карбидной составляющей стали зависит от температуры и давления водорода, а также от степени легирования стали карбидообразующими элементами. Основной способ защиты стали от водородной коррозии – введение сильныхкарбидообразующих элементов, повышающихустойчивость карбидной составляющей (хрома, молибдена, титана, ванадия). Однако следует учитывать, что применение сталей, легированных дорогостоящими компонентами, может существенно повысить стоимость оборудования и не всегда может быть приемлемо по техническим причинам, например, из–за отсутствия поковок необходимых размеров из легированной стали. Для защиты стали от водородной коррозии можно футеровать или плакировать сталь материалом, обладающим низкой водородопроницаемостью.Карбонильная коррозия наблюдается в средах, содержащихзначительное количество оксида углерода. Оксид углерода, взаимодействуя с металлической поверхностью деталей, образует карбонильное соединение с железом – пентакарбонил железаFe CO . Продукты коррозии постепенно переходят с5поверхности металла в газовую фазу. Карбонильная коррозия представляет собой разновидность поверхностной коррозии материала в газовой технологической среде и сопровождается уменьшением толщины стенки. Основными факторами, определяющими стойкость стали в среде окиси углерода, являются парциальное давление окиси углерода, температура и химический состав стали. Наиболее стойки к карбонильной коррозии стали, содержащие не менее 18% хрома. Высокую20стойкость имеют цветные металлы и сплавы. Алюминий практически не подвергается карбонильной коррозии.Азотированиестали наблюдается в установках синтезааммиака, где атомарный азот диффундирует в поверхностный слой металла и взаимодействует с железом и легирующими элементами,образуя нитриды, придающие хрупкостьазотированному слою. Азотирование стали сопровождается значительным увеличением объема металла насыщенного азотом слоя, что приводит к появлению значительных напряжений растяжения в материале под азотированным слоем. Исследованияпоказали, что заметное азотированиеуглеродистых и низколегированных сталей наблюдается при температурах выше 300 С, среднелегированных – при температурах выше 380 С, высоколегированных аустенитных – при температурах выше 400 С.Графитизация – явление, связанное с разрушением карбидажелеза и образованием цепочек свободного графита в основном в зоне сварных швов. Это явление характерно для углеродомолибденовых сталей в области температур 475 – 600 С и приводит к снижению ударной вязкости. Для предотвращения графитизации в сталь вводят добавки хрома (не менее 0,6 – 0,8 %).2.3. Влияние температуры и давления на выборматериалаПри выборе материалов для аппаратов, работающих поддавлением при низких и высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры. Как правило, прочностные свойства металлов и сплавов повышаются при низких температурах и понижаются при высоких. Понижение прочностных свойств при высоких температурах обусловлено происходящими в металле структурными и фазовыми превращениями. В большинстве случаев для химической аппаратуры, предназначенной для работы при высоких температурах, применяют специальные марки жаропрочных21сталей, характеризуемых достаточной механическойпрочностью и стабильностью структуры при высоких температурах. Наряду с жаропрочностью эти металлы должны обладать также и жаростойкостью, т. е. способностью противостоять коррозионному воздействию среды в условиях длительной работы при высоких температурах.При статическом приложении нагрузки важнымихарактеристиками для оценки прочности материала являются предел прочности или временное сопротивлениеR и пределmтекучести R (или условный предел текучести R ).e p 0,2При динамическом приложении нагрузки кроме указанныхвыше характеристик необходимо учитывать также и величину ударной вязкости. Для многих углеродистых и легированных сталей ударная вязкость при низких температурах (обычно ниже минус 40 °С) резко понижается, что исключает применение этих материалов в таких условиях. Ударная вязкость для большинства цветных металлов и сплавов (меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, никеля и его сплавов), а также хромоникелевых сталей аустенитного класса при низких температурах, как правило, уменьшается незначительно, и пластические свойства этих материалов сохраняются на достаточно высоком уровне, что и позволяет применять их при рабочих температурах до минус 254 С.Кроме указанных механических характеристик, при выборематериала для сосудов и аппаратов, работающих под давлением при высоких температурах, учитывают такие свойства, как ползучесть, длительная прочность материала, релаксация, стабильность структуры, тепловая хрупкость, а для сосудов и аппаратов, работающих при пониженных температурах – склонность к хладноломкости.Явления ползучести и релаксации наблюдаются в сталяхпри длительной работе при высоких температурах в условиях напряженного состояния. Ползучестью называют способность стали медленно и непрерывно деформироваться под действием постояннойнагрузки при высоких температурах.Сопротивление стали ползучести – основной критерий, по22которому судят о теплоустойчивости стали.Теплоустойчивость – это способность стали противостоять ползучести.Релаксацией называют процесс самопроизвольногоуменьшения механических напряжений в деформированных телах, не сопровождающийся изменением деформации (англ. relaxe –расслабляться, смягчаться). При релаксации деформация детали не увеличивается, а напряжение в ней снижается.Важным фактором для оценки свойств сталей при выборе ихдля работы в области высоких температур является стабильность структуры. Нарушение стабильности структуры заключается в склонности некоторых сталей к графитизации, межкристаллитной коррозии и тепловой хрупкости.Тепловой хрупкостью стали называют снижение ударнойвязкости при длительной работе в области температур 450 – 600 С. При этом остальные показатели механических свойств практически не изменяются. Тепловая хрупкость характерна для низколегированныххромоникелевых сталей. Дляпредотвращения тепловой хрупкости хромоникелевые стали стабилизируют добавками молибдена, вольфрама, ванадия.Снижение ударной вязкости наблюдается и при работесталей в области отрицательных температур. Резкое снижение ударной вязкости при отрицательных температурах получило название хладноломкости. При этом предел прочности, предел текучести и модуль упругости сталей возрастают. Однако увеличение значения предела прочности и предела текучести при понижении температуры не учитывается при определении допускаемых напряжений. За расчетную температуру при температурах ниже 20 С принимают температуру 20 С. Однако, при выборе материала для работы в области отрицательных температур необходимо учитывать критическую температуру хладноломкости, при которой величина ударной вязкости составляет 60 % начального значения при нормальной температуре.232.4. Классификация сталейСплавы системы железо – цементит классифицируютследующим образом:– сплавы, содержащие не более 0,02% углерода, называюттехническим железом;– сплавы, содержащие от 0,02 до 2,14% углерода, относят ксталям;– сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67% углерода, называютчугуном.Существует несколько методов классификации сталей: посодержанию легирующих элементов, по числу компонентов (элементов, определяющих свойства стали), по микроструктуре и по назначению.В зависимости от содержания легирующих элементов сталиможно разделить на три группы: низколегированные – содержащиеменее 2,5% легирующих добавок;среднелегированные – от 2,5 до 10%; высоколегированные – более 10%.Классификация сталей по микроструктуре несколькоусловна. Характерные для какого-либо класса структуры получаются в результате различных режимов термической обработки. Подразделение сталей на классы приведено в таблице 2.1. Более подробно характеристики сталей различных классов рассматриваются в методических указаниях к практическим занятиям [].Таблица 2.1Подразделение сталей на классыКласс стали Марка сталиСт3сп, Ст3пс, Ст3кп2, 10, 20, 15К,Углеродистый16К, 18К, 20К, 20ЮЧ16ГС, 17ГС, 17ГС1, 09Г2С,Низколегированный марганцовистый, кремнемарганцовистый10Г2СФ, 10Г2С1, 10Г2, 10Г2С1Д,09Г2, 09Г2СЮЧ, 09Г2СФБ, 16ГМЮЧ24Низколегированный хромомолибденовый, хромомолибде- нованадиевый12МХ, 12ХМ, 12Х1МФ, 15ХМ,10Х2ГНМ, 1Х2М1,20Х2МА15Х5,15Х5М,15Х5ВФ, 12Х8ВФ,Мартенситный20Х13, Х9М, 12Х13Ферритный 08Х13, 08Х17Т, 15Х25ТАустенитно – ферритный 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т,08Х18Г8Н2Т, 15Х18Н12С4ТЮ10Х14Г14Н4Т, 08Х18Н10Т,08Х18Н12Б, 10Х17Н13М2Т, 02Х18Н11, 08Х17Н15М3Т, 03Х17Н14М3, 12Х18Н12Т, 02Х8Н22С6, 03Х19АГ3Н10Т, 07Х13АГ20, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 03Х21Н21М4ГБАустенитныйСплавы на железоникелевой и никелевой основе16Х28МДТ, 03Х28МДТ, ХН32ТСтали ферритного класса содержат мало углерода, свыше13% хрома или более 2,5% кремния. Стали перлитного класса содержат мало легирующих примесей.Стали мартенситного класса закаливаются на мартенсит приохлаждении на воздухе. В основном, это среднелегированные стали.Стали аустенитного класса после закалки имеют аустенитнуюструктуру. Это высоколегированные, коррозионностойкие,жаропрочные и жаростойкие стали с высоким содержанием хрома, марганца или титана.По назначению стали делят на стали обыкновенногокачества, качественные конструкционные и стали с особыми свойствами (теплоустойчивые, жаростойкие, жаропрочные, коррозионностойкие и т.д).Стали имеют следующее обозначение:251) углеродистые обыкновенного качества – стали этойгруппы обозначаются буквами Ст и цифрами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, буква Г указывает на повышенное содержание марганца в стали. В обозначении стали последовательно указываются марка стали (Ст0 – Ст6), степень раскисления (кп, пс, сп) и категория требований (2-5),например Ст3сп3. Чем больше число вобозначении марки, тем больше содержание углерода и, следовательно, выше прочность и ниже пластичность стали;2) качественные, углеродистые конструкционные –обозначают двумя цифрами, показывающими среднеесодержание углерода в сотых долях процента, например 20 (для обозначения котельных марок в конце ставится буква К, например 20К);3) легированные – обозначают комплексом цифр и букв,причем первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, затем последовательно идут буквы, означающие наличие в стали того или иного легирующего элемента, за каждой из букв одной или двумя цифрами указывается примерное содержание данного элемента в процентах (отсутствие цифр означает, что содержание данного элемента не превышает 1,5 %, за исключением молибдена и ванадия, содержание которых в большинстве сталей составляет 0,1 - 0,3%).Буквенные обозначения в марках стали: Г – марганец, С –кремний, Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Ф – ванадий, Т – титан, Д – медь, Ю – алюминий. Б – ниобий, Р – бор, Ч – редкоземельные металлы (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды), Е – селен, К – кобальт, П – фосфор, Ц – цирконий, А – азот (в конце обозначения не ставится). Наличие в конце обозначения буквы А означает высококачественную сталь. Особо высококачественные стали имеют в конце букву Ш.Углеродистые стали в зависимости от степени раскисления ихарактера затвердевания металла разделяют на спокойные, полуспокойные и кипящие стали. При маркировке кипящую, полуспокойную и спокойную стали обозначают символами "кп", "пс" и "сп".26Раскисление – процесс удаления из жидкого металлакислорода, находящегося в виде оксида FeO (традиционное название - закись железа) и способствующего хрупкому разрушению при горячей деформации.Кипящие стали раскисляют только марганцем (неполноераскисление). Поэтому в этих сталях содержится повышенное количество закиси железа, которая при затвердевании металла частично взаимодействует с углеродом, образуя пузырьки CO. Всплывая в верхнюю часть слитка и удаляясь из жидкого металла с увеличением объема, пузыри CO создают впечатление кипения стали, что и обусловило ее название. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием (полное раскисление). Эти стали содержат минимальное количество закиси железа и затвердевают "спокойно" без газовыделения. Полуспокойные стали представляют стали промежуточного типа.В верхней части слитка спокойной стали образуетсяусадочная раковина и околоусадочная рыхлость, удаляемые при прокатке обрезкой или обрубкой. В слитке кипящей стали за счет большого количества газовых пузырей, компенсирующих уменьшение объема металла при его застывании, усадочная раковина отсутствует.В зависимости от нормируемых механических свойств стальизготовляют по категориям 2-22, указанным в таблице 2.2. Чем выше категория стали, тем больше число нормируемых характеристик либо выше показатели, которым они должны соответствовать, и, следовательно, выше качество стали.2.5. Цветные металлы и сплавыЦветные металлы и сплавы нашли широкое применение приизготовлении химического оборудования благодаря таким свойствам, как высокая коррозионная стойкость в различных средах, хорошая теплопроводность, высокие литейные свойства, пластичность, незначительное снижение ударной вязкости при отрицательных температурах.Медь обладает наивысшей после серебраэлектропроводностью и теплопроводностью, устойчива к27атмосферной коррозии.В химическом машиностроении медьиспользуют какхороший теплопроводный материал, а также как материал для прокладок. Используют и сплавы меди с другими металлами: латуни – сплавы меди с цинком; бронзы – сплавы меди с оловом, кремнием, марганцем, алюминием, бериллием. Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, где цинк является основным легирующим элементом. По сравнению с медью, они обладают более высокой прочностью,коррозионной стойкостью, упругостью,технологичностью. В многокомпонентных (специальных) латунях, кроме цинка, содержатся другие легирующие элементы, такие как алюминий, железо, марганец, олово, свинец, кремний, мышьяк. Бронзами называют сплавы меди, в которых в которых цинк не является основным легирующим элементом. Бронзы делят на оловянные, в которых основным легирующим элементом является олово, и безоловянные, не содержащие олово в качестве легирующего элемента.28Таблица 2.2 – Нормируемые характеристики в зависимости от категории сталиКатегорияНормируемая характеристика 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 20Химический состав + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +Механические свойства при растяжении и изгибе в холодном состоянии + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +Ударная вязкость KCU при температуре +20°С + +Ударная вязкость KCU после механического старения при температуре +20°С + + + + + + + +Ударная вязкость KCU при:–20°С + +–40°С + +–50°С + +–60°С + +–70°С + +Предел текучести про повышенной температуре + +Предел текучести про повышенной температуре, ударная вязкость KCU при одной из минусовых температур и после механического старения+Ударная вязкость KCU при:+20°С +0°С +–20°С +–20°С +Никельимеет высокую коррозионную стойкость во многихсредах и широко применяется в аппаратах органического синтеза, в фармацевтической и пищевой промышленности, где требуется высокая чистота продукта. Из-за дефицитности никеля его применяют для облицовки внутренней поверхности аппаратов. Кроме чистого никеля находят применение его сплавы с медью (монель) и молибденом (хастеллой). Эти сплавы более устойчивы в агрессивных средах, особенно в растворах кислот, чем чистый никель.Алюминий отличается высокой пластичностью итеплопроводностью, имеет высокую коррозионную стойкость во многих средах. Его применяют для изготовления деталей сложной формы, прокладок, облицовки внутренней поверхности аппаратов. Сплавы алюминия с кремнием (9 – 13%) называются силуминами. Такие сплавы обладают очень высокой стойкостью в азотной кислоте.Титан и его сплавы отличаются высокой прочностью икоррозионной стойкостью, имеют малый удельный вес (почти вдвое легче стали), хорошо обрабатываются давлением, свариваются. Титан и его сплавы имеют низкий коэффициент линейного расширения, высокую жаропрочность и не склонны к хладноломкости.Цирконий обладает высокой коррозионной стойкостью врастворах щелочей, в кислотах различных концентраций. Имеет малый удельный вес и достаточно высокую прочность. Цирконий – серебристо-белый металл, твердый, тугоплавкий; плотностью 6,50 г/см³, температура плавления 1855°С. Химически очень стоек (на воздухе покрывается защитной пленкой окиси циркония ZrO2 ).Сплавы на основе циркония используют в ядерной энергетике. Цирконий входит также в состав сплавов для изготовления химической аппаратуры, хирургических инструментов и пр. Сверхтугоплавкие карбид (температура плавления 3800°С), борид и нитрид циркония - материалы для жаростойкой керамики.Тантал по коррозионной стойкости не уступает платине.Выдерживает высокие температуры (температура плавления 2850 С).302.6. Прокладочные материалыПрокладочные материалы, служащие для уплотненияфланцевых соединений, должны обладать достаточной упругостью и прочностью для восприятия внутреннего избыточного или наружного давления и температурных деформаций, химической стойкостью в агрессивных средах, теплостойкостью.Во фланцевых соединениях аппаратов и трубопроводовприменяют уплотнительные прокладки из различныхнеметаллических материалов (паронита, фторопласта, асбеста, резины), металлов и комбинированные прокладки. Тип и материал прокладок выбирают в зависимости от конкретных условий работы: давления, температуры и степени агрессивности среды.Асбест является минералом, способным расщепляться натонкие волокна. Из асбеста изготовляют картон асбестовый толщиной 2 – 10 мм для изготовления прокладок, шнуры и набивки асбестовые для уплотнения сальниковых соединений. Асбестиспользуют для изготовления комбинированныхасбометаллических прокладок. Асбест используют притемпературах не более 300 С.Паронит состоит из асбестового волокна, синтетическихкаучуков, наполнителей и вулканизаторов. Выпускается в виде листов толщиной от 0,4 до 6 мм. Стоек во многих средах при температурах от минус 182 до плюс 450 С.Фторопласт относится к фторсодержащим полимерам.Наиболее широко применяется фторопласт-4. Детали из фторопласта-4 получают прессованием в холодном состоянии с последующим спеканием. Фторопласт-4 хладотекуч, т.е. способен деформироваться при нагружении, поэтому прокладки из фторопласта помещают в замкнутый объем (соединения типа "шип – паз"). По химической стойкости фторопласт-4 превосходит все известные пластмассы: не растворяется в растворителях, устойчив к щелочам и кислотам, не набухает в воде и не горит. Применяют до температур, не превышающих 250 С.Резиновые прокладки изготовляют из технической листовойрезины. Кроме того, выпускают фасонные изделия: шнур круглого и квадратного сечения, манжеты, кольца. Резина техническая31В последнее время для изготовления высоконадежныхпрокладок используют уплотнительный материал на основе терморасширенного графита (ТРГ). Уплотнительный материал нового поколения ГРАФЛЕКС на основе ТРГ имеет высокую термостойкость и негорючесть, минимальную газопроницаемость, высокую химическую стойкость, экологическую чистоту.Прокладки ГРАФЛЕКС используют на условное давление до100 МПа и расчетную температуру от минус 200 до плюс 1000 °С.Контрольные вопросы к лекции 21. Общие требования к материалам.2. Факторы, влияющие на выбор материалов.3. Факторы, зависящие от внешних условий.4. Факторы, связанные со свойствами материала.5. Влияние свойств рабочей среды на выбор материала.6. Скорость коррозии.7. Коррозионная стойкость материалов.8. Виды коррозии.9. Изменение свойств сталей при повышенных температурах.10. Изменение свойств сталей при пониженных температурах.11. Классификация и обозначение сталей.12. Основные цветные металлы и сплавы, применяющиеся дляизготовления химического оборудования.13. Выбор прокладочных материалов.14. Основные прокладочные материалы.32Лекция 3. Тема " Основы теории тонкостенных оболочек. Уравнение Лапласа"Рассматриваемые вопросы:Элементарные сведения изгеометрии поверхностей вращения. Тонкостенные оболочки. Срединная поверхность. Главные сечения. Главные радиусы кривизны. Осесимметричная оболочка.Безмоментная теория.Уравнение равновесия элемента (уравнение Лапласа). 3.1. Элементарные сведения из геометрии поверхностейвращенияОсновными формами элементов сосудов и аппаратов являютсяоболочки вращения.Тонкостенными следует считать оболочки, толщина которых непревышает 10 % от внутреннего диаметра, т.е.S0 , 1 , (3.1)Dгде S – толщина оболочки;D – внутренний диаметр оболочки.Такие сосуды и аппараты эксплуатируются при внутреннемизбыточном давлении менее 10 МПа.Оболочкой вращения называют оболочку, срединнаяповерхность которой образована вращением какой-либо плоской кривой вокруг оси, лежащей в ее плоскости. При этом кривая расположена по одну сторону от оси. Так, сфера образована вращением полуокружности вокруг ее диаметра, конус – вращением отрезка прямой, расположенного под углом к оси вращения, цилиндр – вращением отрезка прямой, расположенного параллельно оси.Срединной поверхностью оболочки называют поверхность,равноудаленную от внутренней и наружной поверхностей оболочки.На рисунке 3.1 срединная поверхность оболочки вращенияполучена вращением отрезка плоской кривой АВ вокруг оси S S, лежащей в плоскости отрезка.33При вращении любая точка С описывает окружность радиусомr, называемую параллельным кругом.Рис. 3.1. Оболочка вращенияКривая пересечения срединной поверхности плоскостью,проходящей через ось, называется меридианом (первым главным сечением). Радиус кривизны срединной поверхности в направлении меридиана называется первым главным радиусом кривизныm .m O C 1 .Кривую пересечения оболочки плоскостью, перпендикулярноймеридиану в какой-либо точке С, называют вторым главным сечением.Радиус кривизны срединной поверхности внаправлении, перпендикулярном меридиану в какой-либо точке С, называют вторым главным радиусом кривизнык .O C .к 2Определим главные радиусы кривизны для наиболее частовстречающихся форм оболочек в корпусах и деталях аппаратов. На34рисунках 3.2 –3.4 показаны главные радиусы кривизны для следующих оболочек:для цилиндра: r= Ґ m ; r= к R ;для сферы: r = r = R ;m кrдля конуса: r= Ґ m ; r к = cos a .мериди анRпараллель ный кругРис. 3.2. Главные радиусы кривизны для цилиндрамеридианRRпараллельный кругРис. 3.3. Главные радиусы кривизны для сферы35 ρ к меридианαrпараллельный кругαРис. 3.4. Главные радиусы кривизны для конусаОболочка называется осесимметричной, если она нагруженасилами, распределенными симметрично вокруг оси; краевыми силами, равномерно распределенными по параллельному кругу оболочки; краевыми моментами, равномерно распределенными по параллельному кругу и действующими в плоскости меридианов.На элемент срединной поверхности осесимметричной оболочкивращения действуют силы и изгибающие моменты, вызывающие меридиональныеи кольцевые напряжения.m к36Рис. 3.5. Главные напряженияРис. 3.6. Элемент тонкостенной оболочки3.2. Уравнение равновесия элемента (уравнение Лапласа)Выделим элемент на срединной поверхности оболочкивращения и рассмотрим равновесие этого элемента. Элемент выделяем с помощью двух сечений по параллельным кругам и37двух сечений, проходящих через ось и меридианы оболочки (рисунок 3.7).Рис. 3.7. Выделение элемента на срединной поверхности оболочкиРис. 3.8. Силы, действующие на элемент срединной поверхности38Рис. 3.9. Направление оси ZСумма проекций действующих на элемент сил на ось Z,совпадающую с нормалью к поверхности выделенного элемента в точке С:d dP dl dl 2T dl sin U dl sinn 1 2 1 2 2 2 (3.2)dU dl 2 d U dl 2 sin 2 0.Учитывая, что длина дугиdl d ,1 m (3.3)dl d ,2 кзаменяя ввиду малости угла значение синуса его аргументомsin x x при x 0 , получимd dP n m d к d 2T m d 2 U к d 2 (3.4)d dU d d U dl sin 0к 2 2 2dПренебрегая бесконечно малой высшего порядка d U dl 2 sin 2получим:P d d T d d U d d 0 (3.5)n m к m к39Разделив на d d , придем к выражению видаm кT UP 0 . (3.6)nк mРазделив уравнение (3.6) на толщину оболочки S и учитывая, чтоT Uи , получим уравнениеS к S mPm к n . (3.7)Sm кТеорию расчета оболочек, в которой для определениямеридиональных и кольцевых напряжений учитывают только растягивающие и сжимающие усилия, называют безмоментной теорией.Основным исходным уравнением безмоментной теорииявляется уравнение Лапласа (Лаплас Пьер Симон (1749-1827), французский астроном, математик и физик, см. Приложение):Pm к , (3.8)m к S ргде – меридиональное напряжение;m– кольцевое напряжение;к– первый главный радиус кривизны;m– второй главный радиус кривизны;кP – внутреннее избыточное давление;S – расчетная толщина стенки оболочки.pКонтрольные вопросы к лекции 31. Какие оболочки называют тонкостенными?2. Что такое срединная поверхность, параллельный круг,меридиан?3. Какое сечение называют первым и вторым главным сечением?4. Какие напряжения действуют в стенках сосуда?5. Запишите уравнение Лапласа и объясните смысл входящих внег0 величин.6. Чем характеризуется безмоментная теория?40Лекция 4. Тема " Основы теории тонкостенных оболочек.Приложение безмоментной теории расчета тонкостенных оболочек к расчету корпусов тонкостенных аппаратов" Рассматриваемые вопросы:Приложение безмоментнойтеории расчета тонкостенных оболочек к расчету корпусов тонкостенных аппаратов. Уравнение равновесия зоны. Частные случаи применения безмоментной теории к расчету сосудов. Тонкостенный цилиндр, нагруженный внутренним газовым давлением. Тонкостенная сферическая оболочка, нагруженная внутренним газовым давлением. 4.1. Уравнение равновесия зоныАппараты, рассчитываемые по безмоментной теориитонкостенных оболочек, должны удовлетворять следующим обязательным условиям:– толщина стенок должна быть малой, т.е. S D 0,1 . Вследствиемалой толщины стенки можно считать, что нормальные напряжения растяжения (сжатия) не изменяются по толщине стенки;– по форме аппарат обязательно должен представлять собой теловращения;– нагрузка должна быть симметричной относительно оси вращения(осесимметричной).Основное исходное уравнение безмоментной теории –уравнение Лапласа (3.8). Неизвестными в данном уравнении являются напряженияи . Очевидно, что для определенияm кдвух неизвестных необходимо использовать еще одно уравнение. Таким уравнением является уравнение равновесия зоны.Рассмотрим уравнение равновесия зоны оболочки. Кольцевымсечением выделим зону на произвольном уровне mn(рисунок 4.1). Кольцевое сечение – сечение оболочки конической поверхностью, образующие которой пересекают поверхность оболочки под прямым углом, а значит, величина этой образующей равна второму главному радиусу кривизны.к41На зону оболочки действуют следующие нагрузки:– интенсивность давления среды qна данном уровне mn; – вес содержимого в зоне G; – сила упругости – меридиональная сила U.xU 90º q UAB Cm nAβGxРис. 4.1. Зона оболочкиРадиус кривизны кольцевого сеченияАВ АС к .Радиус параллельного кругаr B A A C к sin .Составим условие равновесия выделенной зоны:алгебраическая сумма проекций всех сил на ось хх равна нулю.U 2 r sin q r 2 G 0 . (4.1)Отсюда находим величину меридиональной силы U:G q r 2U . (4.2)2 r sinМеридиональное напряжениеU. (4.3)m S42Величину кольцевого напряжения определяют изкуравнения Лапласа (3.8), подставляя значение , рассчитанноеmпо формуле (4.3).Итак, для определения напряжений в любом сечениитонкостенной осесимметричной оболочки по безмоментной теории необходимо решить два уравнения – уравнение равновесия зоны и уравнение равновесия элемента (уравнение Лапласа).4.2. Частные случаи применения безмоментной теории красчету сосудовТонкостенный цилиндр, нагруженный внутренним газовымдавлениемЗапишем уравнение Лапласа (3.8) для цилиндра:к P . (4.4)R SИз уравнения Лапласа кольцевое напряжениеP R. (4.5)к SRРРис.4.2. Цилиндр, нагруженный внутренним газовымдавлениемУравнение равновесия зоны для цилиндра:43U 2 R P R 2 0 . (4.6)Из уравнения равновесия зоныU P R . (4.7)2Меридиональное напряжениеU P R. (4.8)m S 2 SСравнивая формулы (3.12) и (3.15), получим:2 . (4.9)к mАнализируя выражение (4.9), приходим к выводу, что всварных аппаратах цилиндрической формы продольные сварные швы являются более нагруженными, чем кольцевые. Поэтому требования к продольным швам выше, чем к кольцевым.Тонкостенная сферическая оболочка, нагруженнаявнутренним газовым давлением U UR β rРРис.4.3. Сферическая оболочка, нагруженная внутренним газовымдавлениемДля сферической оболочки первый и второй радиусы кривизныравны радиусу оболочки:R. (4.10)m кУравнение Лапласа для сферической оболочки:44m к P . (4.11)R SИз уравнения Лапласа можно найти только сумму напряжений:P S. (4.12)m кУравнение равновесия зоны для сферической оболочки:U 2 r sin P r 2 0 , (4.13)где r R sin .Из уравнения равновесия зоны (рис. 3.20) получим, чтоU P R , (4.14)2Sа, следовательно, меридиональное напряжениеU P R. (4.15)m S 2 SТогда из уравнения (4.11) определяем кольцевое напряжениеP R P R P R. (4.16)к S 2 S 2 S mСравнивая значения напряжений для цилиндрической исферической оболочек одинакового радиуса R , нагруженных внутренним давлением P, заключаем, что кольцевые напряжения в сферической оболочке в два раза ниже, чем в цилиндрической. Практическое значение этого вывода заключается в том, что для элементов сферической формы общие напряжения будут ниже, чем в элементах цилиндрических и других форм. Поэтому в аппаратах больших диаметров применяют полусферические днища, меньшая толщина которых приводит к экономии металла, снижению веса.Контрольные вопросы к лекции 41. Почему уравнения Лапласа недостаточно для определенияглавных напряжений в стенках сосуда? Какое уравнение используют совместно с уравнением Лапласа?452. Привести уравнение Лапласа для цилиндра, нагруженноговнутренним газовым давлением.3. Привести уравнение Лапласа для сферической оболочки,нагруженной внутренним газовым давлением.4. Каково соотношение величин меридиональных и кольцевыхнапряжений в цилиндрической и сферической оболочках?46Лекция 5. Тема " Основы теории тонкостенных оболочек. Оценка прочности тонкостенных сосудов"Рассматриваемые вопросы: Напряжения изгиба,возникающие в стенках тонкостенного сосуда. Главные напряжения в тонкостенных оболочках. Оценка прочности тонкостенных сосудов. Определение расчетной толщины стенки для цилиндрической, сферической и конической оболочки. 5.1.Напряжения изгиба, возникающие в стенкахтонкостенного сосуда Исходным уравнением для расчета на прочность тонкостенныхоболочек по безмоментной теории служит уравнение Лапласа (3.8). При расчете по безмоментной теории учитываются только растягивающие напряженияи , называемые главнымиm кнапряжениями. Однако, строго говоря, под действием внутреннего давления стенка цилиндрической оболочки работает не только на растяжение, но и на изгиб. Для оценки величины напряжения изгибарассмотрим деформацию элемента АВ цилиндрическойиоболочки под действием внутреннего давления (рисунок 5.1). Здесь R – радиус цилиндра до нагружения внутренним давлением Р; R+ R – радиус цилиндра с учетом упругой деформации от давления Р.R+Δ R RТ ТA BM MA B Sи и47Рис. 5.1. Деформация цилиндрической оболочки от внутреннегодавленияВ результате упругой деформации участок дуги АВ принимаетразмеры А'В' под действием растягивающих кольцевых сил Т. Кроме этого, элемент дуги изменяет свою кривизну под действием кольцевых изгибающих моментовM , действующих в плоскостиипараллельного круга. По закону Гука относительное удлинениеP Rк . (5.1)E E SПод влиянием изгибающего момента M изменяется радиусикривизны элемента на величину R, которую можно определить1 1 1 1.R R R R R R R RИзгибающий момент пропорционален изменению кривизныM E J , (5.2)и R Rгде J - момент инерции.Пренебрегая величиной R как малой по сравнению с R,получимM E J . (5.3)и RС учетом (5.1)PM J . (5.4)и SНапряжения изгибаМи , (5.5)и Wгде W - момент сопротивления изгибу.Для прямоугольного элемента длиной l и высотой S48l S 2 l S 3W ; J . (5.6)6 12Подставив выражения (5.4) и (5.6) в (5.5), получимР. (5.7)и 2Отсюда видно, что напряжения изгиба, возникающие в стенкецилиндрической оболочки под действием внутреннего давления, не зависят от толщины стенки, радиуса и материала цилиндрической оболочки и составляют половину величины внутреннего давления. Сопоставляя величины растягивающих напряжений и напряжений изгиба, видим, что напряжения изгиба малы по сравнению с напряжениями растяженияи .m кПоэтому в практических расчетах изгибающие моменты в тонкостенных цилиндрах не учитывают и расчет проводят только с учетом растягивающих напряжений по безмоментной теории. 4.4. Оценка прочности тонкостенных сосудовСогласно безмоментной теории, в каждом элементетонкостенного сосуда действуют два главных напряжения иmТретье главное напряжение – радиальное – сжимающеекнапряжение. В тонкостенных обечайках радиальное напряжение практически не изменяется по толщине стенки и не превышает величины действующего давления, поэтому по сравнению с главными напряжениями полагают0 .r49σmσσrк σкσrσРис.5.2. Главные напряжения mДля оценки прочности малого элемента тела, находящегося всложном напряженном состоянии, используют различные теории прочности в зависимости от принятого критерия прочности. Для пластичных материалов, к которым относят стали, используют III теорию прочности (приложение), по которой главную роль в наступлении опасного состояния (перехода упругих деформаций в пластические) играют касательные напряжения. Пластические деформации возникают, когда максимальное касательное напряжениедостигает предельного значения, равногополуразности наибольшего и наименьшего главных напряжений.Главные напряжения, действующие в тонкостенной оболочке,нагруженной внутренним избыточным давлениемк m r .По III теории прочности касательное напряжение , равноеполуразности наибольшего и наименьшего главныхк rнапряжений, не должно превышать половины допускаемых напряжений, действующих при одноосном нагружении:к r к (5.8)2 2 250или. (5.9)кRD SРDCРис. 5.3. К определению расчетной толщины стенкиИспользуя формулу (3.4) для определения кольцевыхнапряжений и учитывая, что радиус срединной поверхностиR D 2 , получим значение расчетной толщины стенкиcP DS c . (5.10)p 2кПодставив вместо кольцевого напряжения значениедопускаемого напряжения и введя для сварных сосудов коэффициент прочности сварных швов , получимP DS c . (5.11)p 2Заменив средний диаметр на внутренний диаметр ( D D S)c pв соответствии с рисунком 5.3, получим формулу для расчета толщины стенки цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением:P DS . (5.12)p 2 P51Аналогично можно получить формулу для расчета толщиныстенки сферической оболочки:P DS (5.13)p 4 PилиP RS . (5.14)p 2 0,5 P ρ кαα D кРис. 5.4. К расчету конической обечайкиDУчитывая, что для конической обечайки к , получимк 2cosформулу для расчета толщины стенки конической обечайки:P D 1S к , (5.15)p 2 P сosгде D к - расчетный диаметр конической обечайки.Контрольные вопросы к лекции 51. Оцените величину напряжений изгиба в тонкостенныхоболочках.2. Какие главные напряжения действуют в тонкостенныхоболочках? Какие напряжения являются наибольшими?523. На основе какой теории прочности оценивают прочностьтонкостенных оболочек?4. Как определяют толщину цилиндрической, сферической иконической оболочек? 53Лекция 6. Тема "Элементы моментной теории тонкостенных оболочек "Рассматриваемые вопросы:Причины возникновения краевыхнагрузок. Краевая сила и краевой момент. Краевая задача. Распорная краевая сила. Уравнения совместимости деформаций. Определение краевых сил и моментов. Краевые напряжения. Длинные и короткие обечайки.6.1. Причины возникновения краевых нагрузокПри расчете оболочек по безмоментной теории их краярассматривались свободными. В реальных конструкциях машин и аппаратов края оболочек соединяются с другими оболочками или другими деталями (днищами, фланцами и т.п.). В таких узлах сопряжения возникают дополнительные, так называемые краевые нагрузки, вызывающие местные напряжения изгиба в материале сопрягаемых элементов. Вследствие закрепления края оболочки и ограничения свободной деформации возникают реакции заделки края оболочки: краевая силаQ и краевой момент M . Считают,0 0что край оболочки нагружен равномерно распределенными по краю оболочки краевой силойQ и радиальным краевым0моментом M .0Причинами возникновения краевых нагрузок являются:– заделка края оболочки (рисунок 6.1); – изменение геометрических размеров (рисунок 6.2а) илиформы оболочки при переходе от одного сечения к другому (рисунок 6.2б,в,г);– изменение нагрузки или технологических параметров(рисунок 6.3);– изменение физико-механических свойств материала (модуляупругости, коэффициента линейного расширения, коэффициента Пуассона и др.) (рисунок 6.4).54 а б в г а – соединение с толстым плоским днищем; б – соединение струбной решеткой; в – соединение с фланцем; г – соединение с кольцом жесткостиРис. 6.1. Примеры заделки края оболочека б55в гРис. 6.2. Примеры изменения геометрических размеров (формы)оболочекРис. 6.3. Изменение нагрузки или технологических параметров1 – обечайка из коррозионностойкой стали; 2 – обечайка изуглеродистой стали56Рис. 6.4. Изменение физико-механических свойств материала6. 2. Краевая задача. Определение краевых сил и моментовОпределение усилий, моментов и напряжений, вызванныхдействием краевых сил и моментов, составляет цель краевой задачи.Рассмотрим цилиндрический сосуд с коническим днищем,нагруженный внутренним избыточным давлением Р (рисунок 6.5а). Если представить, что коническая и цилиндрическая части сосуда под действием давления могут деформироваться свободно, то очевидно из рисунка 6.5б, что радиальные и угловые перемещения сопрягаемых частей сосуда будут различны:; θ θ .ц к ц к а бРис. 6.5. Цилиндрический сосуд с коническим днищемОднако, края оболочек жестко связаны между собой и недопускают относительного перемещения. Радиальные и угловые перемещения края цилиндрической части от действующих внешних и краевых нагрузок в силу условия совместности деформаций должны быть равны перемещениям края конической части.В результате в месте соединения цилиндрической и коническойоболочек на края оболочек действуют равномерно распределенные по окружности краевые нагрузки: краевая силаQ 0 и краевоймомент M 0 . Кроме того, при соединении оболочек под углом,возникает распорная краевая сила Q, равная проекции57меридиональной силы U на плоскость параллельного круга стыкового сечения и противоположно направленная (рисунок 6.6).Рис. 6.6. Соединение цилиндрической и конической оболочекДля определения краевых сил и моментов конструкциюразделяют на отдельные элементы (оболочки) и заменяют действие этих частей друг на друга силами и моментами, приложенными к краю. Далее составляют уравнения совместности деформаций. При составлении и решении уравнений совместности деформаций следует учитывать знаки. Положительными считают радиальные перемещения , если радиус кривизны увеличивается и угловые перемещения , если край оболочки поворачивается наружу.Рассмотрим узел сопряжения сферической и цилиндрическойоболочек сосуда, нагруженного внутренним избыточным давлением (рисунок 6.7).58Рис. 6.7. Соединение сферической и цилиндрической оболочекРазделим конструкцию на элементы и приложим заданнуювнешнюю нагрузку (внутреннее давление Р), неизвестные краевые нагрузки, а также распорную силу Q, действующую на край сферической оболочки. Примем за положительные радиальные перемещения края оболочки от ее оси и угловые перемещения в направлении по часовой стрелке. Составим с учетом этого правила знаков уравнения совместности радиальных и угловых деформации для правой части оболочек:ц ц ц c c c ;P Q 0 М 0 P Q Q 0 M c 0 (6.1)ц ц ц c c c ,P Q 0 М 0 P Q Q 0 M c 0где ц , ц , ц , ц , ц , ц – соответственно радиальные иP Q 0 М 0 P Q 0 М 0угловые деформации края цилиндрической оболочки под действием нагрузок Р, Q0 и M 0 ; P с , с Q Q 0 0 , М с 0 , P с , с Q Q 0 , М с 0 –соответственно радиальные и угловые деформации края сферической оболочки под действием нагрузок Р, Q, Q0 и M 0 .Деформации, а, следовательно, и напряжения, вызванныекраевыми нагрузками, имеют локальный характер и действуют в точках, близких к нагруженному краю.Для цилиндров краевые силы и моменты оказываютсясущественными в пределах зоны протяженностью 2,5 DS от края оболочки. Однако необходимо учитывать, что при небольших длинах обечаек краевые нагрузки, возникающие на одном крае,59могут влиять на деформации другого края. Такие обечайки называют короткими.Выражения для определения перемещений, входящих вуравнения (6.1) для различных схем нагружения приводятся в справочной литературе 3 . После определения краевых нагрузок вычисляют напряжения на краю оболочки:m m p m Q Q 0 m M 0 ; (6.2)к к p к Q Q 0 к M 0 .Максимальное напряжениеmax ; . (6.3)max m кДля узла соединения обечаек должно выполняться условие:, (6.4)maxгде – коэффициент прочности сварного шва;– допускаемое напряжение материала обечаек.При конструировании аппаратов следует иметь в виду, что навеличину краевых воздействий влияют конструкция узла и свойства материала. В жестких соединениях возникают большие краевые воздействия. С увеличением пластичности материала краевой эффект проявляется в меньшей степени вследствие большей податливости материала деформациям.При расчете стальных оболочек с плавными переходами междусопрягаемыми частями толщину стенок можно определять по безмоментной теории, учитывая только мембранные напряжения. В случае применения сравнительно хрупких материалов, таких как чугун, или наличия в конструкции узлов с резкими переходами расчет следует проводить с учетом краевых напряжений. При этом увеличение толщины стенок имеет характер местного усиления в зоне действия краевых нагрузок.В инженерной практике обычно стальные сварные сосуды иаппараты рассчитывают по безмоментной теории с последующей проверкой прочности тех узлов, где действуют краевые нагрузки.60Контрольные вопросы к лекции 61. Какие нагрузки называют краевыми? Каковы причины ихвозникновения?2. Распорная сила и причины ее появления.3. Цель краевой задачи.4. Уравнения совместности деформаций.5. Как определяют напряжения в краевой зоне?6. Характер краевых напряжений.7. Длинные и короткие обечайки.61Лекция 7. Тема "Общие требования к сосудам, работающимпод давлением" Рассматриваемые вопросы: Основные термины. Емкостныеаппараты.Общие требования к конструкции. Общие требования к изготовлению. Требования к конструкции и изготовлению цилиндрических обечаек и корпусов из них. Общие требования к конструкции и изготовлению сосудов,работающих под давлением, регламентируются отраслевым стандартом ГСТУ 3-17-191-2000 "Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия"7 и правиламиГоснадзорохрантруда ДНАОП 0.00-1.07 "Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением"7 .7.1. Основные терминыВ дальнейшем будем использовать терминологию,установленную отраслевым стандартом 7 .Сосуд – герметично закрытая емкость, предназначенная дляпроведения химических, тепловых и других технологических процессов, а также для хранения и перевозки газообразных, жидких и других веществ. Границей сосуда являются входные и выходные штуцера.Аппарат – сосуд, оборудованный внутренними устройствами ипредназначенный для проведения химико-технологическихпроцессов. Аппараты в зависимости от их конструкции и осуществляемого в них технологического процесса имеют различные названия: колонные аппараты, реакторы, автоклавы и др.Сосуды и аппараты состоят из следующих основных элементов:цилиндрического корпуса, днищ (или днища и крышки), штуцеров (для присоединения трубопроводов, арматуры, контрольно- измерительных приборов), люков, лючков, опор, строповых устройств, фланцевых соединений, внутренних устройств.Элемент сосуда – сборочная единица или деталь сосуда,62предназначенная для выполнения одной из основных функций сосуда. Элементы сосудов и аппаратов соединяются между собой, как правило, сваркой.Сборочная единица – изделие, составные части которогоподлежат соединению между собой сваркой, свинчиванием, развальцовкой и другими сборочными операциями.7.2. Емкостные аппараты В химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей идругих отраслях промышленности любой физико-химический процесс требует, прежде всего, наличия емкости, ограниченной корпусом. Эти корпуса по условиям протекающих в них процессов должны быть достаточно прочными и в подавляющем большинстве случаев герметичными.Емкостной аппарат – это сосуд, главной техническойхарактеристикой которого является объем внутреннегопространства.Емкостные аппараты или емкости могут быть оснащенынагревателями, мешалками и другими устройствами,предназначенными для осуществления различныхтехнологических процессов.Корпус – основная сборочная единица, состоящая из обечайки иднищ и составляющая основу сосуда.Главным составным элементом корпуса является обечайка. Обечайка – цилиндрический или конический элементзамкнутого профиля, открытый с обоих торцов.В основном емкостные аппараты имеют цилиндрическиеобечайки. Конические обечайки применяются, как правило, в качестве днищ и переходов.В зависимости от технологического назначения аппараты могутбыть в горизонтальном, вертикальном и наклонном исполнении. С точки зрения возможности уменьшения толщины стенки, а следовательно, и массы аппарата, предпочтение следует отдавать вертикальному исполнению, особенно для аппаратов, работающих при небольшом избыточном давлении. В этих случаях исключаются дополнительные изгибающие напряжения в обечайке от силы тяжести аппарата и среды, имеющие место в63горизонтальных аппаратах, лежащих на седловых опорах. Однако с точки зрения технологии процесса и удобства обслуживания горизонтальный аппарат часто оказывается более подходящим.Рис.7.1. Горизонтальный емкостной аппаратРис.7.2. Вертикальный емкостной аппарат с эллиптическимиднищами64Днищем называется элемент емкостного аппарата, которыйограничивает корпус снизу или сверху (вертикальные аппараты) и с боков (горизонтальные аппараты), составляя с ним одно целое.Днище– неотъемная часть корпуса сосуда, ограничивающаявнутреннее пространство с торца.Днища могут быть эллиптические, сферические, конические иплоские. Наибольшее распространение получили эллиптические днища. Эллиптические днища стандартизованы и применяются в горизонтальных и вертикальных аппаратах с внутренним диаметром от 0,4 до 4 м при давлении от 0,07 МПа до 10 МПа. При диаметре корпуса больше 4 м применяются сферические днища.Конические днища применяются в основном в нижней частивертикальных цилиндрических аппаратов, если это требуется по условиям технологического процесса (для жидких и сыпучих сред при необходимости их непрерывного или периодического удаления через нижний спуск). Днища с углом при вершине 60° применяются для вязких жидкостей и суспензий, с углом 90° – для невязких жидкостей.Рис.7.3. Вертикальный емкостной аппарат с нижним коническимднищем65В горизонтальных аппаратах с диаметром больше 1,5 м,работающих под наливом и небольшим избыточным давлением (до 0,07 МПа) также целесообразно применять конические днища с большим углом при вершине (140°).Рис.7.4. Горизонтальный емкостной аппарат с коническимиднищами с углом при вершине в 140°Элементы корпусов цельносварных аппаратов соединяютсямежду собой сваркой и для доступа к внутренней части аппарата, его осмотра, обслуживания и ремонта должны иметь люки.Люк – устройство, обеспечивающее доступ к внутреннемупространству аппарата.В разъемных корпусах со съемной крышкой люки неустанавливают.Крышка – отъемная часть корпуса сосуда, закрывающаявнутреннее пространство.В процессе эксплуатации емкостного аппарата в негопериодически или непрерывно входит исходный поток среды на обработку и выводится обработанная среда. Этот технологический процесс может включать нагрев или охлаждение среды в аппарате и ее перемешивание, при этом осуществляется непрерывный контроль за уровнем жидкости в аппарате, измеряются66Рис.7.5. Емкостной аппарат со змеевикомРис.7.6. Емкостной аппарат с крышкой67В подавляющем большинстве случаев трубы, арматура,измерительные приборы и технологическое оборудование имеют разъемное присоединение к аппарату, что обусловлено удобством их осмотра, ремонта и замены. Разъемное присоединение к аппарату осуществляется при помощи фланцевых штуцеров или резьбовых бобышек.Штуцер – устройство для присоединения к сосудутрубопроводов, арматуры и КИП.Патрубок– отрезок трубы или фасонная деталь в виде отрезкатрубы.Корпуса аппаратов могут иметь рубашки. Рубашки в емкостнойаппаратуре предназначены для нагревания или охлаждения обрабатываемой среды через стенку корпуса аппарата. По конструкции рубашки бывают несъемные (приварные) и съемные. Последние крепятся к корпусу аппарата при помощи фланцев и применяются в тех случаях, когда требуется периодическая чистка корпуса под рубашкой от накипи (для улучшения теплообмена) или требуется периодический осмотр зоны внутри рубашки.Рис.7.7. Аппарат с рубашкой687.3. Общие требования к конструкции1. Конструкция сосудов должна обеспечиватьработоспособность, надежность, долговечность и безопасность в течение расчетного срока службы и предусматривать возможность проведениятехнического освидетельствования, полногоопорожнения, очистки, промывки, продувки, ремонта,эксплуатационного контроля металла и сварных соединений.2. Устройства, препятствующие наружному и внутреннемуосмотрам сосуда (мешалки, змеевики, рубашки, тарелки, перегородки и другие устройства), должны быть, как правило, съемными.3. Конструкция внутренних устройств должна обеспечиватьудаление воздуха из сосуда при гидравлическом испытании и воды - после гидравлического испытания.4. На каждом сосуде должен быть предусмотрен вентиль, кранили другое устройство, позволяющее осуществлять контроль за отсутствием давления в сосуде перед его открыванием.5. При проектировании сосудов должны учитыватьсятребования "Правил перевозки грузов железнодорожным, водным или автомобильным транспортом".6. Расчет на прочность сосудов и их элементов долженпроводиться согласно действующей нормативной документации.7. Сосуды должны иметь строповые устройства (захватныеприспособления) для проведения погрузочно-рагрузочных работ и установки сосуда в проектное положение.8. Базовые диаметры сосудов должны приниматься по ГОСТ9617.9. Сосуды должны быть снабжены необходимым количествомлюков и смотровых лючков, обеспечивающих осмотр, очистку и ремонт сосудов, а также монтаж и демонтаж разборных внутренних устройств.Сосуды с внутренним диаметром более 800 мм должны иметьлюки, а с внутренним диаметром 800 мм и менее - лючки. Внутренний диаметр круглых люков должен быть не менее 400 мм, размеры овальных люков по осям в свету должны быть не менее 325 400. Внутренний диаметр лючков или размер наименьшей оси овальных лючков должен быть не менее 80 мм.69Крышки люков должны быть съемными. Крышки массой более20 кг должны быть снабжены подъемно-поворотными или другими устройствами для их открывания и закрывания.Для проверки качества приварки колец, укрепляющихотверстия для люков и штуцеров, должно быть предусмотрено резьбовое контрольное отверстие в кольце, если оно приварено снаружи, или в стенке, если кольцо приварено с внутренней стороны сосуда.10. В зависимости от расчетных параметров и характерарабочей среды сосуды разделяются на группы, в соответствии с которыми определяются требования к конструкции, расчету, изготовлению и безопасной эксплуатации сосуда. Группа аппарата указывается в паспорте сосуда и в технической характеристике на чертеже общего вида сосуда.7.4. Общие требования к изготовлению1. Предприятие - изготовитель должно иметь разрешениеоргана Госнадзорохрантруда Украины на изготовлениеподведомственных ему сосудов.2. Качество и свойства материалов должны соответствоватьтребованиям стандартов и подтверждаться сертификатами предприятия-поставщика. При отсутствии или неполноте сертификата необходимо произвести необходимые испытания, подтверждающие соответствие материалов требованиям с оформлением результатов испытания протоколом. Данные сертификатов или заменяющих их документов заносятся в паспорт сосуда.Материалы должны иметь полную маркировку (марку стали,номер партии плавки, номер листа) и храниться в условиях, исключающих повреждение и гарантирующих сохранность маркировки.707.5.Требования к конструкции и изготовлениюцилиндрических обечаек и корпусов из нихТребования регламентируются отраслевым стандартом ГСТУ 3-17-191-2000 7 и Правилами ДНАОП 0.00-1.07 8 .1. При сварке обечаек и труб, приварке днищ к обечайкамдолжны применяться стыковые швы с полным проплавлением.2. Обечайки диаметром D 1000 мм должны изготовляться неболее, чем с двумя продольными швами. Обечайки диаметром D > 1000 мм должны изготовляться из листов максимально возможной длины, причем вставки допускаются шириной не менее 400 мм для сосудов 1 - 4 групп и не менее 200 мм для сосудов 5 группы.400minРис.7.8. Ширина вставки между продольными швами3. Ширина листов между кольцевыми швами должна быть неменее 800 мм, ширина замыкающей вставки - не менее 400 мм, за исключением случаев, когда к обечайке приваривается фланец, трубная решетка или конический переход. В этих случаях длина обечайки указывается на чертеже.71inm800Рис.7.9. Ширина листов между кольцевыми швами4. Продольные швы смежных обечаек для аппаратов 1 - 4 группдолжны быть смещены относительно друг друга на величину трехкратной толщины наиболее толстого элемента, но не менее чем на 100 мм между осями швов. Это требование относится и к смещению швов при вальцевании обечаек способом карт.≥3S (100min)Рис.7.10. Смещение швов5. Допускается изготовление обечаек способом вальцеваниякарт, сваренных в плоском положении из нескольких листов. В смежных листах допускается наличие поперечных швов, выполненных со смещением (рисунок 7.11б). Обечайки, вальцованные из карт, допускается изготовлять с перекрестными швами (рисунок 7.11а).72 а бРис.7.11. Обечайки из карта –обечайки из карт с перекрестными швами; б – обечайки из карт со смещенными швами6. Сварные швы не должны перекрываться опорами или инымиэлементами. Расстояние между краем сварного шва сосуда и краем шва приварки элемента должно быть не менее толщины стенки сосуда, но не менее 20 мм.7. В стыковых сварных соединениях элементов разнойтолщины должен быть предусмотрен плавный переход от одного элемента к другому путем постепенного утонения более толстого элемента. Угол наклона поверхностей перехода не должен превышать 20 . Допускается сварка без скоса, если разница в толщине не превышает 30% толщины более тонкого элемента и не превышает 5 мм.20°m axРис.7.12. Скос при сварке элементов разной толщины8. Смещение кромок листов В, измеренное по срединнойповерхности, в стыковых соединениях, обеспечивающих прочность сосуда, не должно превышать B=0,1S, но не более 3 мм. При этомB 0 5 S , ( S ) B ; B 0 5 S , ( S ) B .1 1 2 2 1 273Рис.7.13. Смещение кромок листов9. Отверстия для люков, лючков и штуцеров для аппаратов 1 - 4групп должны располагаться вне сварных швов, особенно продольных. Допускается расположение отверстий на кольцевых сварных швах без ограничения диаметра отверстия, а на продольных - при диаметре отверстия не более 150 мм.Контрольные вопросы к лекции 71. Что понимают под терминами "сосуд" и "аппарат"?2. Дайте определения основных составных частей корпусааппарата.3. Сформулируйте основные требования к конструкцииаппаратов.4. Сформулируйте основные требования к изготовлениюаппаратов.5. Требования к сварным швам обечаек и корпусов из них.6. Как сваривают стыковые сварные соединения элементов разной толщины?7. Как следует располагать отверстия в обечайках? Лекция 8. Тема "Конструкции обечаек и днищ" Рассматриваемыевопросы: Типовые конструкциицилиндрических обечаек корпусов аппаратов. Днища выпуклые, конические, сферические неотбортованные, плоские. Требования к изготовлению днищ. 8.1. Типовые конструкции цилиндрических обечаеккорпусов аппаратов74Обечайка – цилиндрический или конический элементзамкнутого профиля, открытый с торцов. (См. приложение )Цилиндрические обечайки являются одним из основныхэлементов химических аппаратов. Из них образуется корпус аппарата, они входят составной частью в различные внутренние и наружные устройства аппаратов. Обечайки в основном изготовляют вальцовкой из листового проката, реже из труб.Обечайки из листового проката имеют внутренний базовыйдиаметр по стандарту ГОСТ 9617-76 "Сосуды и аппараты. Ряды диаметров". Внутренний диаметр обечайки выбирается из стандартного ряда: 400, (450), 500, (550), 600, (650), 700, 800, 900, 1000, (1100), 1200, 1300, 1400, (1500), 1600, (1700), 1800, (1900), 2000, 2200, 2400, 2500, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000, 4500 мм. Обечайки с внутренними диаметрами, которые приведены в скобках, допускается использовать для изготовления рубашек сосудов и т аппаратов.Обечайки из труб имеют наружный базовый диаметр.Наружный диаметр обечаек из труб рекомендуется принимать из следующего ряда: 133, 159, 168, 219, 273, 325, 377, 426, 480, 530, 630, 720, 820, 920, 1020,1120, 1220, 1320, 1420 мм.Корпуса химических аппаратов состоят из одной илинескольких цилиндрических обечаек, соединенных между собой и с концевыми элементами кольцевыми сварными швами. В качестве концевых элементов применяются фланцы и днища различной конструкции.При сварке корпуса сосуда или аппарата должны применяться,как правило, стыковые двухсторонние швы с полным проплавлением. Односторонние швы применяются в тех случаях, когда невозможно применить двустороннюю сварку. При этом сварка осуществляется на съемной или остающейся подкладке.Вальцованные обечайки должны иметь как можно меньшесварных швов, особенно продольных, поэтому листы для их изготовления следует выбирать возможно больших размеров.Объем сосудов и аппаратов должен соответствовать стандартуГОСТ 13372-67 "Сосуды и аппараты. Ряд номинальных объемов". Стандарт устанавливает следующий ряд номинальных объемов сосудов и аппаратов: 0,01; 0,016; 0,025; 0,04; 0,063; 0,1; 0,125; 0,16;750,2; 0,25; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 1690; 200; 250; 320; 400; 500 м3 .Корпуса аппаратов имеют следующие основные конструкции: – с фланцем и днищем (рисунок 8.1); фланец может бытьплоский приварной или приварной встык, днища могут быть плоские, выпуклые или конические;– с фланцами с обеих сторон (царга);– с днищами с обеих сторон (рисунок 8.2); днища могут бытьвыпуклыми или коническими, отбортованными или без отбортовки;– с рубашками различной конструкции (рисунок 8.3);– с кольцами жесткости или внутренними перегородками(рисунки 8.4, 8.5).Рис. 8.1. Обечайка с фланцем и плоским днищем76 а бРис. 8.2. Обечайки с выпуклыми или коническими днищами а– обечайка с отбортованными днищами; б– обечайка снеотбортованными днищами а бРис. 8.3. Обечайки с рубашкамиа –обечайка с U – образной рубашкой; б –обечайка сцилиндрической рубашкой77Рис. 8.4. Обечайки с кольцами жесткостиРис. 8.5. Обечайки с внутренними перегородкамиКроме этого, корпус аппарата может состоять изцилиндрических обечаек разного диаметра, соединенных между собой коническими переходами (рисунок 8.6). Корпуса аппаратов могут быть вертикальными или горизонтальными.78Рис. 8.6. Обечайки, соединенные коническим переходом8.2. Конструкции днищ Днища, так же как и обечайки, являются одним из основныхэлементов химических аппаратов. Цилиндрические корпуса как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами. Днище может быть приварено к обечайке, т. е. являться неотъемной частью корпуса сосуда. Днище может являться составной частью отъемной крышки.Наиболее распространенными формами днищ являются:эллиптические, полусферические, сферические неотбортованные, конические отбортованные и неотбортованные.Эллиптические отбортованные днищаКонструкция и размеры эллиптических отбортованных днищрегламентируются ГОСТ 6533-78 "Днища эллиптические отбортованные стальные для сосудов, аппаратов и котлов". Днища изготовляют из углеродистых, легированных и двухслойных сталей с толщиной стенки от 4 до 120 мм. Диаметры цилиндрической отбортованной части от 133 до 1420 мм при базовом наружном диаметре и от 250 до 4500 мм при базовом79внутреннем диаметре. Высота эллиптической части H 0,25 D,радиус днища R D .Полусферические днища Полусферические днища применяют в аппаратах, работающихпод давлением, при диаметрах аппарата D 4000 мм.Полусферические днища не имеют отбортовки, высота выпуклой части днищаR D , радиус днища R D 2 . а –эллиптическое днище б– полусферическое днищеРис. 8.7. Выпуклые днищаСферические неотбортованные днищаСферические неотбортованные днища применяют в аппаратах,работающих под наливом или при давлении P 0,07 МПа, заисключением сосудов, работающих под вакуумом. Допускается применять в качестве элемента фланцевых крышек при давленияхP 1,6 МПа в сосудах 1…4-й групп и сосудах, работающих подвакуумом. 0,8D R D.Рис. 8.8. Сферическое неотбортованное днищеа –сферическое неотбортованное днище; б – фланцевая крышка80Рис. 8.9. Сосуд со сферическими неотбортованными днищамиКонические днища1) Конические отбортованные днища с углами при вершине 60и 90 (ГОСТ 12619-78)Применяют в аппаратах, работающих под давлением, придиаметрах аппарата от 400 до 4000 мм.Рис. 8.10. Коническое отбортованное днище2) Конические неотбортованные днища с углами при вершине60,90 и 120 (ГОСТ 12620-78)Применяют в аппаратах, работающих под наливом или придавлении P 0,07 МПа.3) Конические неотбортованные днища с углом при вершине140 (ГОСТ 12621-78)Применяют в горизонтальных аппаратах, работающих подналивом или при давлении P 0,07 МПа.81Рис. 8.11. Аппарат с коническими днищами с углом 140Наряду с коническими днищами в аппаратах применяютконические переходы, соединяющие обечайки разных диаметров (рисунок 8.6).Плоские днища1) Плоские отбортованные днища (ГОСТ 12622-78)Изготовляют из листовой стали и применяют в аппаратах,работающих под наливом или при давлении P 0,07 МПа.а –с базовым наружным диаметром; б – с базовым внутренним диаметромРис. 8.12. Плоские отбортованные днища82Плоские неотбортованные днища (ГОСТ 12623-78)Днища применяют в аппаратах, работающих под наливом илипри давлении P 0,07 МПа. Конструкцию днищ на рисунке бдопускается применять для аппаратов D 500 мм придавлениях P 1,6 МПа.а –с базовым наружным диаметром; б – с базовым внутренним диаметромРис. 8.13 – Плоские неотбортованные днищаДнища из поковокДля аппаратов, работающих под давлением, применяютсяплоские днища, изготовленные из поковок. а –плоское кованое днище; б – плоское днище с кольцевой проточкойРис. 8.14. Плоские кованые днища838.3. Требования к изготовлению днищ1. Выпуклые днища изготовляют штамповкой из плоскихкруглых заготовок, цельных или сваренных из нескольких частей. Способы раскроя заготовок регламентируются ГСТУ 3-17-191- 2000 (рисунок 8.15).Рис. 8.15. Способы раскроя днищ842. Допускается изготовлять выпуклые днища из штампованныхлепестков и кругового сегмента. Количество лепестков не регламентируется. Если по центру днища расположен штуцер, то круговой сегмент допускается не изготовлять.3. Сварные швы заготовок должны быть смещены относительнодруг друга и относительно швов смежных обечаек на величину не менее 3-х толщин, но не менее 100 мм.4. Отклонение внутреннего диаметра цилиндрической частиотбортованных днищ не должно быть более 1% отноминального диаметра. Относительная овальность должна быть не более 1%.5. Для выпуклых днищ контроль формы осуществляютшаблоном. У плоских днищ контролируется их плоскостность после приварки.Рис. 8.16. Контроль формы эллиптических днищ шаблоном85Рис. 8.17. Контроль формы полусферических днищ шаблономКонтрольные вопросы к лекции 81. Конструкции днищ, применяющихся в аппаратах, работающих под давлением.2. Какие днища называют выпуклыми?3. Что такое отбортовка днищ? Какие днища изготовляют с отбортовкой? Назначение отбортовки.86Лекция 9. Тема "Расчет элементов аппаратов, нагруженныхвнутренним избыточным давлением" Рассматриваемыевопросы: Определение расчетныхпараметров. Расчетная температура. Расчетное рабочее и пробное давления. Допускаемые напряжения. Коэффициенты прочности сварных швов. Прибавки к расчетным величинам. Условия применения расчетных формул. Расчет цилиндрических обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением. Расчет толщины стенки однослойной обечайки. Расчет выпуклых днищ. Расчет конических обечаек и днищ. Расчет сферических неотбортованных днищ и крышек. Расчет плоских днищ и крышек. Расчет крышек с дополнительным краевым моментом.9.1. Определение расчетных параметровПриведенные методы расчета применимы для сосудов иаппаратов, работающих в условиях однократных статических нагрузок под внутренним избыточным давлением менее 10 МПа. Если сосуды и аппараты работают при многократных статических нагрузках, но количество циклов нагружения не превышает 103 , тотакая нагрузка в расчетах на прочность условно считается однократной.Расчетные температуры не должны превышать дляуглеродистых сталей 380 С, для низколегированных сталей 420 С и для аустенитных сталей 525 С.Расчет применим при соблюдении требований ГСТУ 3-17-191-2000 [] и ДНАОП 0.00-1.07 [] .Элементы корпусов стальных сварных сосудов и аппаратоврассчитывают на прочность для рабочих условий и условий испытания.Расчетная температураРасчетная температура стенки – температура, при которойопределяются физико-механические характеристики, допускаемые напряжения и проводится расчет на прочность элементов сосуда.За расчетную температуру стенки сосуда или аппаратапринимают наибольшее значение температуры стенки. При87температуре стенки ниже 20 С за расчетную температуру при определении допускаемых напряжений принимают температуру 20 С.Если невозможно провести тепловые расчеты или измерения ив тех случаях, когда во время эксплуатации температура стенки сосуда или аппарата повышается до температуры среды, соприкасающейся со стенкой, за расчетную температуру следует принимать наибольшую температуру среды, но не ниже 20 С.ДавлениеДавление внутреннее (наружное) – избыточное давление,действующее на внутреннюю(наружную) поверхность стенки аппарата.Под расчетным давлением в рабочих условиях для элементовсосудов и аппаратов следует понимать давление, на которое производится их расчет на прочность. Если на элемент сосуда или аппарата действует гидростатическое давление, составляющее пять или более процентов от рабочего давления, то расчетное давление повышают на величину гидростатического давления.Гидростатическое давление, действующее на элемент сосуда,определяется по формулеР г с g H с 10 6 , (9.1)где – плотность рабочей среды в аппарате;cg – ускорение свободного падения;H – высота среды в аппарате.cДля защиты сосудов и аппаратов от возможного повышениядавления выше допустимого, они снабжаютсяпредохранительными устройствами (предохранительнымиклапанами и др.).При действии предохранительных клапанов давление в сосудеили аппарате не должно превышать избыточное рабочее давление более чем на 0,05 МПа для сосудов, работающих под давлением до 0,3 МПа, на 15 % – для сосудов под давлением от 0,3 до 6,0 МПа и на 10 % – для сосудов под давлением свыше 6,0 МПа.При повышении давления в сосуде или аппарате во время88действия предохранительных устройств более чем на 10% по сравнению с рабочим, элементы аппарата должны рассчитываться на давление, равное 90% давления при срабатывании предохранительного устройства.Давление в сосуде во время действия предохранительногоклапана может быть определено по формулеР Р раб 0,05 при Р раб 0,3 МПа , (9.2)к1,15 Р раб при 0,3 Р раб 6,0 МПагде Р - рабочее давление в сосуде.рабРасчетное давление в рабочих условиях без учетагидростатического давления следует определять по формуле0,9 Р при Р 6,0 МПаР к раб , (9.3)р Р при Р 6,0 МПараб раба с учетом гидростатического давленияР Р при Р 0,05 РР р г г раб . (9.4)Р при Р 0,05 Рр г рабПод пробным давлением в сосуде или аппарате следуетпонимать давление, при котором проводится испытание сосуда или аппарата на прочность и герметичность.Испытание стальных сварных сосудов и аппаратов должнопроводиться пробным давлением, определяемым по формулеР 1,25 Р 20 , (9.5)пргд е 20 – допускаемое напряжение для материала сосуда притемпературе 20 С, МПа;допускаемое напряжение для материала сосуда при расчетной температуре, МПа.–Под расчетным давлением в условиях испытаний следуетпонимать давление, которому подвергаются сосуды во время89пробного испытания, включая гидростатическое давление, если оно составляет пять и более процентов от пробного давления.Расчет на прочность элементов аппаратов (обечаек, днищ) дляусловий испытаний проводить не требуется, если расчетное давление в условиях испытания будет меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на 1,35.20Допускаемые напряженияДопускаемое напряжение для сталей при расчете попредельным нагрузкам стальных сварных сосудов и аппаратов, работающих при статических однократных нагрузках, определяют помеханическим характеристикам сталей с учетомкоэффициентов запаса.Допускаемое напряжение для сталей определяют: для углеродистых и низколегированных сталей по формулеmin R e или R p 0 , 2 ; R m ; R m / 10 5 ; R p 1 , 0 / 10 5 ; (9.6)n т n в n д n пдля аустенитных сталей по формулеmin R р 1 , 0 ; R m ; R m / 10 5 ; R p 1 , 0 / 10 5 , (9.7)n т n в n д n пгд е R e минимальное значение предела текучести при расчетной температуре;–R p 0 , 2 – минимальное значение 0,2 %-ого условного пределатекучести при расчетной температуре (напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 0,2 %);R m минимальное значение временного сопротивления (предела прочности) при расчетной температуре;–R m / 10 5 – среднее значение предела длительной прочности за10 5 ч при расчетной температуре;R p 1 , 0 / 10 5 – средний 1 %-ный предел ползучести за 10 5 ч прирасчетной температуре;90R p 1 , 0 –минимальное значение 1 %-ого условного пределатекучести при расчетной температуре (напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 1 %);n т коэффициент запаса прочности по пределу текучести;–n в коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению (пределу прочности);–n д коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности;–n п коэффициент запаса прочности по пределу ползучести.–Предел ползучести используют для определения допускаемогонапряжения в тех случаях, когда отсутствуют данные по пределу длительной прочности или по условиям эксплуатации необходимо ограничить величину деформации (перемещения).При отсутствии данных по условному пределу текучести при1 %–ном остаточном удлинении допускаемое напряжение для аустенитной стали определяют по формуле (9.6).Допускаемое напряжение для двухслойных сталейопределяется по формулео S o C o n S n C n , (9.8)S o C o S n C nгд е о , п – допускаемые напряжения при расчетной температуре дляматериалов соответственно основного и плакирующего (коррозионностойкого) слоев;S o , S п – толщины соответственно основного и плакирующего слоев;C o , C n – прибавка для компенсации коррозии и эрозии материаласоответственно основного и плакирующего слоев.При определении допускаемого напряжения по формуле (9.8)толщина плакирующего слоя принимается минимальной прио n , если о n , то толщина плакирующего слояпринимается максимальной.Для сталей, широко используемых в химическоммашиностроении, допускаемые напряжения и расчетные значения91предела текучести и временного сопротивления приведены в приложениях пособия [1].В условиях испытания допускаемое напряжение определяют: для углеродистых и низколегированных сталейR e 20 или R p 20 0 , 2 , (9.9)n тдля аустенитных сталейR p 20 0 , 2 или R p 20 1 , 0 , (9.10)n тгд е R e 20 минимальное значение предела текучести при– температуре 20 С;R 20 p 0 , 2 – минимальное значение условного 0,2 %–ого пределатекучести при температуре 20 С (напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 0,2 %);R p 20 1 , 0 – минимальное значение условного 1 %–ого предела текучестипри температуре 20 С (напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 1 %).Коэффициенты запаса прочности должны соответствоватьзначениям, приведенным в таблице 9.1.Таблица 9.1Значения коэффициентов запаса прочностиУсловия нагружения Коэффициент запаса прочностиn т n в n д n пРабочие условия 1,5 2,4 1,5 1,0Условия испытания:гидравлические 1,1 – – –пневматические 1,2 – – –Условия монтажа 1,1 – – –В случае, если допускаемое напряжение для аустенитныхсталей определяют по формуле (9.6), коэффициент запаса прочностиn т по пределу текучести R p 0, 2 для рабочих условийследует принимать равным 1,3.92При расчете на прочность сварных элементов сосудов иаппаратов в расчетные формулы следует вводить коэффициент прочности сварных соединений :– p продольного шва цилиндрической или конической обечаек;–– т – кольцевого шва цилиндрической или коническойобечаек;– к – сварных швов колец жесткости;– а – поперечного сварного шва для укрепляющего кольца;–сварних швов выпуклых и плоских днищ и крышек.–Для бесшовных элементов сосудов и аппаратов 1 .Для определения коэффициента прочности сварныхсоединений необходимо установить группу сосуда в зависимости от расчетного давления, температуры стенки и характера рабочей среды по таблице 9.2.Объем контроля сварных соединений сосудов и их элементоврадиографическим методом или ультразвуковой дефектоскопией должен соответствовать указанному в таблице 9.3.Коэффициент прочности сварного шва принимается по таблице9.4.93Таблица 9.2Группа сосудовГруппа сосуда Расчетное давление, МПа (кгс/см Расчетная температура, С Характер рабочей среды2 )Взрывоопасная или пожароопасная или 1, 2 классов опасности по ГОСТ 12.1.007–761 Выше 0,07 (0,7) НезависимоВыше 0,07 (0,7) до 2,5 (25) Выше 400Выше 2,5(25)Выше 2002 до 5,0 (50)Выше 4,0 (40)Ниже минус 40до 5,0 (50)Выше 5,0 (50) НезависимоВыше 0,07(0,7) до 1,6 (16) Ниже минус 20, выше 200 до 400Любая, за исключением указанной для 1 группы сосудовВыше 1,6 (16) До 400до 2,5 (25)3 Выше 2,5 (25) До 200до 4,0 (40)Выше 4,0 (40) От минус 40 до 200до 5,0 (50)Выше 0,07 (0,7) От минус 20 до 2004 до 1,6 (16)Взрывоопасная или пожароопасная или 1, 2, 3 классов опасности по ГОСТ 12.1.007–765аДо 0,07 (0,7) Независимо Взрывобезопасная и пожаробезопасная, 4 класса опасности по ГОСТ 12.1.007–765б94Объем контроля сварных соединений сосудовГруппа Длина контролируемого участка швов в % от длинысосуда каждого шва1, 2 3 4, 5а 5б 100не менее 50 не менее 25 не менее 10Таблица 9.4Значения коэффициентов прочности сварных швовКоэффициент прочности сварных швов при длине контролируемых швов от общей длины, %Вид сварного шва100 от 10 до 50Стыковой или тавровый с двусторонним сплошнымпроваром, выполняемый 1,0 0,9автоматической и полуавтоматической сваркойСтыковой с подваркой корня шва или тавровый сдвусторонним сплошным проваром, 1,0 0,9выполняемый вручнуюСтыковой, доступный сварке только с одной стороны и имеющий в процессе сварки металлическую подкладку со стороны корня шва, прилегающую по всей длине шва к основному металлу0,9 0,8Втавр, с конструктивным зазором свариваемых деталей 0,8 0,65Стыковой, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой с одной стороны с флюсовой или керамической подкладкой0,9 0,8Стыковой, выполняемый вручную с одной стороны 0,9 0,6595При расчете сосудов и аппаратов необходимо учитывать прибавку С к расчетным толщинамэлементов сосудов и аппаратов.Прибавку к расчетным толщинам следует определять по формулеС С 1 С 2 С 3 , (9.11)гд е С 1 прибавка для компенсации коррозии и эрозии;–С 2 прибавка для компенсации минусового допуска;–С 3 прибавка технологическая.–Прибавка для компенсации коррозии и эрозии принимается с учетом условий эксплуатации,расчетного срока службы, скорости коррозии.Прибавка С 1 определяется по формулеС 1 П С э , (9.12)гд е П скорость проникновения коррозии;–срок службы аппарата;–С э прибавка для компенсации эрозии.–Эрозионное воздействие среды (разрушение поверхностного слоя металла под действиемударяющихся в него твердых частиц, капель или потока жидкости или газа) учитывают при значительных скоростях движения среды: жидкостей – более 20 м/с, газов – более 100 м/с или при наличии в среде абразивных частиц.В курсовом и дипломном проектировании принимают С э 0 .При двухстороннем контакте внутренних элементов сосуда с коррозионными средами прибавкадля компенсации коррозии и эрозии должна учитывать сумму скоростей проникновения коррозии с каждой стороны.Прибавка С 2 принимается по стандартам на прокат в зависимости от толщины листа по таблице9.5 для двухслойных и по таблице 9.6 для однослойных сталей.Прибавку С 2 учитывают в том случае, когда ее значение превышает 5 % от номинальнойтолщины листа.Технологическая прибавка С 3 предусматривает компенсацию утонения стенки элемента сосудапри технологических операциях – вытяжке, штамповке, гибке и т. п. В зависимости от принятой технологии эту прибавку следует учитывать при разработке рабочих чертежей.В курсовом и дипломном проектировании принимают С 3 0 .Таблица 9.5Предельные отклонения и толщина коррозионностойкого слоядвухслойных сталей (в миллиметрах)Толщина листа Предельное отклонение коррозионностойкого слоя Толщина Толщина листа Предельное отклонение коррозионностойкого слоя Толщина4 +0,30 –0,50 0,7 – 1,1 28 1,68 3,5 – 5,05 0,8 – 1,2 30 1,80+0,25 –0,606 1,0 – 1,6 32 1,608 0,80 34 1,7010 0,90 36 1,802,0 – 3,012 1,08 38 1,90 4,0 – 6,014 0,98 40 2,0016 1,12 42 2,102,5 – 3,518 1,26 45 2,259620 1,40 48 2,4022 1,54 50 2,5025 1,50 3,0 – 4,0 55 2,2026 1,56 60 2,40Таблица 9.6Предельные отклонения листового проката из однослойных сталейв миллиметрахТолщина3 4; 5 6 8 – 12 14 – 25 26 – 30 32 – 34листаПредельное отклонение +0,30 +0,25 +0,30 +1,40 +1,50 +1,600,22–0,50 –0,60 –0,80 –0,80 –0,90 –1,00Продолжение таблицы 9.6Толщина36 – 40 42 – 50 55; 60 65; 70 75; 80 85; 90 95;листа100Предельное отклонение +1,70 +1,80 +1,80 +1,80 +1,80 +1,9 0 +2,00–1,10 –1,20 –1,30 –1,60 –2,20 –2,50 –2,709.2. Расчет цилиндрических обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлениемРасчет толщины стенки однослойной обечайкиРасчетная толщина стенки S p , мм, определяется по формулеS p 2 P D p P , (9.13)гд е P расчетное внутреннее избыточное давление, МПа;–D внутренний диаметр обечайки, мм;–– допускаемое напряжение для материала обечайки прирасчетной температуре, МПа;p – коэффициент прочности продольных сварных швов.Исполнительную толщину стенки обечайки определяют по формулеS S C (9.14)pи округляют до ближайшего большего значения стандартной толщины листа листового проката.Для принятого значения S рассчитывают допускаемое внутреннее избыточное давление поформулеP 2 p S C . (9.15)D S CПри этом должно выполняться условие P P .Расчетные формулы применимы при отношении толщины стенки к диаметру:S C0 , 1 для обечаек и труб при D 200 мм ;DS C0 , 3 для труб при D 200 мм .DОбечайки, изготовленные из двухслойной сталиПри расчете аппаратов из двухслойных сталей в качестве первого приближения толщину стенкиобечайки следует определять по допускаемому напряжению для материала основного слоя по формулам (9.13) и (9.14). После назначения исполнительной толщины стенки обечайки и определения толщины плакирующего слоя по таблице 9.5рассчитывается допускаемое напряжение97по формуле (9.8). По полученному допускаемому напряжению уточняется толщина стенки по формулам (9.13) и (9.14). Расчет производится до совпадения исполнительной толщины стенки обечайки, определенной расчетом, и принятой.Допускаемое внутреннее избыточное давление определяется по формуле (9.15).9.3. Расчет выпуклых днищРасчетную толщину стенки днища, мм, определяют по формулеP RS , (9.16)1 p 2 0,5 Pгд е P расчетное внутреннее избыточное давление, МПа;–R радиус кривизны в вершине днища по внутренней поверхности, мм;–коэффициент прочности сварных швов;–допускаемое напряжение материала днища при расчетной температуре, МПа.–Радиус кривизны в вершине днища определяют по формулеD 2R . (9.17)4 HR = D– для стандартных эллиптических днищ с высотой выпуклой части H = 0,25D; R = 0,5D– для полусферических днищ с H = 0,5D.Для днищ, изготовленных из одной заготовки, коэффициент прочности сварных швов =1, дляднищ, изготовленных из нескольких заготовок, коэффициент следует определять по таблицам 9.2 и 9.3.Исполнительную толщину стенки днища рассчитывают по формулеS S C. (9.18)1 1pРазмеры эллиптического днища принимают по стандарту, а исполнительную толщинуполусферического днища округляют до ближайшего большего значения стандартной толщины листового проката.Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитывают по формуле2 S CP 1 . (9.19)R 0,5 S C1При этом должно выполняться условие P P .Расчетные формулы для эллиптических днищ применимы при выполнении условий:0 , 002 S 1 C 0 , 1 ;D0 , 2 H 0 , 5 .D9.4. Расчет конических обечаек и днищ Рассмотрим расчет соединения цилиндрической и конической обечаек с тороидальным переходом.Такая конструкция часто встречается на практике, так как стандартные конические днища, применяемые в аппаратах, работающих под давлением, имеют отбортовку, т. е. тороидальный переход.98Рис. 9.1. Соединение обечаек с тороидальным переходомДля соединения обечаек с тороидальным переходом (рисунок 9.1) расчетные длины переходныхчастей a и a определяют по формулам:1 2Da 0 7 , S C, (9.20)1 cos тa 0 5 , D S C, (9.21)2 тгде S т исполнительная толщина стенки тороидального перехода конической обечайки.–Для предварительного расчета длин переходных частей рекомендуется принять значение Sтравным исполнительной толщине стенки цилиндрической обечайки S.Для конической обечайки с тороидальным переходом расчетный диаметр D определяют покформулеD D 2 r 1 cos 0 7 a , sin , (9.22)к 1где r – внутренний радиус отбортовки конического днища.Расчетную толщину стенки гладкой конической обечайки, мм, нагруженной внутреннимизбыточным давлением определяют по формулеP D 1S к , (9.23)кр 2 P cospгд е P расчетное внутреннее избыточное давление, МПа;–D к расчетный диаметр гладкой конической обечайки, мм;–p коэффициент прочности продольных сварных швов;–допускаемое напряжение для материала конической обечайки при расчетной температуре, МПа;–половина угла при вершине конической обечайки, град.–Исполнительную толщину стенки определяют по формулеS S С, (9.24)к кри округляют до ближайшего большего значения стандартной толщины листового проката.99После определения исполнительной толщины стенки гладкой конической обечайки принесовпадении полученной толщины S с предварительно принятой толщиной S , по формуле (9.20)к туточняют расчетную длину переходной части a , а по формуле (9.22) – расчетный диаметр гладкой1конической обечайки. После этого по формулам (9.23) и (9.24) уточняют исполнительную толщину стенки обечайки. Расчет проводят до совпадения полученной толщины стенкиS с предварительнокпринятой толщиной S .тДопускаемое внутреннее избыточное давление определяют по формуле2 S СP p к . (9.25)Dк S Сcos кРасчетные формулы применимы: – если половина угла при вершине конического элемента составляет70 ? ;– при соотношении между толщиной стенки S 1 , диаметром D и углом в пределах0 , 001 S 1 cos 0 , 050 ;D– для соединения цилиндрической и конической обечаек с тороидальным переходом при условии0 r D 0 , 3 .Расчет тороидального перехода, а также обечаек без тороидального перехода, с укрепляющимкольцом и с цилиндрической обечайкой меньшего диаметра приведен в пособии 1 и рекомендован для самостоятельного изучения.9.5. Расчет сферических неотбортованных днищ и крышекРасчетную толщину стенок крышек и днищ определяют методом последовательных приближений.Рис. 9.2. Расчетная схема сферического неотбортованного днища Предварительно толщину стенки следует определять по формулеP RS . (9.26)1 p 2 P1где – коэффициент прочности сварного шва длясферического сегмента, соединенного сваркой из двух или нескольких частей;1 допускаемое напряжение для материала сферического сегмента при расчетной температуре.–Исполнительную толщину днища S определяют с учетом прибавок к расчетной толщине. По1полученному значению S определяют коэффициент по формуле11000 , 5 tg (9.27)3 S 1 C 1 S C 1 , 5D cos S 1 Cгд е D внутренний диаметр цилиндрической обечайки, мм;–S исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки;–C сумма прибавок к расчетной толщине стенки обечайки, мм;–угол между касательной к сферическому сегменту (днища) в краевой зоне и вертикалью;–отношение допускаемых напряжений материалов цилиндрической обечайки и сферического днища.–Тригонометрические функции определяют по формулам:D 2 R 2cos ; tg 1 .2 R DОтношение допускаемых напряжений,1гд е допускаемое напряжение для материала– цилиндрической обечайки при расчетнойтемпературе.Расчетную толщину стенки днища в краевой зоне определяют по формулеP DS , (9.28)1 p 2 P1 кгд е к коэффициент прочности кольцевого сварного шва по краю днища.–Если исполнительные толщины стенки днища, определенные по условиям их прочности вцентральной и краевой зонах, совпадают, расчет прекращают.В противном случае расчет продолжают в следующем порядке. Рассчитывают новое значениекоэффициента , исходя из исполнительной толщины стенки в краевой зоне. После этогорассчитывают новое значение исполнительной толщины днища S 1 и сравнивают его с предыдущим.Расчет производят до совпадения двух последних значений исполнительных толщин стенки днищаS 1 .За исполнительную толщину стенки принимают большее из двух значений из условий прочностиих в центральной и краевой зонахS 1 max S 1 ; S 1 .Допускаемое избыточное давление определяют по формулеP min P ; P , (9.29)1 2где P – допускаемое избыточное давление из условия1прочности краевой зоны;P – допускаемое избыточное давление из условия2прочности центральной зоны.Допускаемое избыточное давление из условия прочности краевой зоны определяется по формуле2 S CP 1 к 1 ; (9.30)1 D S C1101Допускаемое избыточное давление из условия прочности центральной зоны определяется поформуле2 S CP 1 1 . (9.31)2 R S C1Расчетные формулы применимы при отношении толщины стенки днища к радиусу сферыS 1 C 0 , 1Rи значении внутреннего радиуса сферического днища в пределах0 , 85 D R D .Для днищ, нагруженных внутренним избыточным давлением, расчетные формулы применимы придополнительном условииS 1 C 0 , 002 .R9.6. Расчет плоских круглых днищ и крышекИсполнительную толщину плоских круглых днищ определяют по формулеS S С, (9.32)1 1ргде С – сумма прибавок к расчетной толщине днища.Расчетную толщину плоских круглых днищ сосудов и аппаратов, работающих под внутреннимизбыточным или наружным давлением, рассчитывают по формулеPS K K D , (9.33)1p o pгде K – коэффициент, зависящий от конструкции днища;K – коэффициент ослабления днищ отверстиями;oD p – расчетный диаметр.Коэффициент конструкции K и расчетный диаметр D p определяют в зависимости отконструкции днища по таблице 9.7.Значение коэффициента ослабления K для днищ, имеющих одно отверстие, определяют поoформуле2d dK 1 , (9.34)o D Dp pгде d диаметр отверстия в днище.–Значение коэффициента K для днищ, имеющих несколько отверстий, определяют по формулеo1 d D 3K i p , (9.35)o 1 d Di ргде d i диаметр отверстия в днище, i 1 2 3 n , , ? ;–n количество отверстий в днищах.–102Таблица 9.7.Значения коэффициента K в зависимости от конструкции днищУсловия КоэффициентТип Схемазакрепления конструкцииS C0 , 25S 1 C 0 , 453 S C 0 , 25S 1 C 0 , 41D p DS C0 , 54 S S 1 C C 0 , 5 0 , 41S 1 CD p D 0 , 38max S ; 0 , 25 S 1 K max 0 , 41r min S 1 ; 0 , 1 D 1 0 , 239 h D 1 p r D 2 r S S 1 C C ; 0 , 35S C0 , 5 0 , 41S 1 CS C10 S 1 C 0 , 5 0 , 38D p D0 , 25 S 1 r S 1 S 230 ? 90 ?Коэффициент K определяют для наиболее ослабленного диаметрального сечения.oМаксимальную сумму для длин хорд отверстий в наиболее ослабленном диаметральном сечении определяют согласно рисунку 9.3 по формулеd max d d ; b b . (9.36)i 1 3 2 3Рисунок 9. 3 Рисунок 9. 4Для днищ без отверстий коэффициент ослабления K принимают равным 1.oДопускаемое давление на плоское днище определяют по формуле1032S CP 1 . (9.37)K K Do pФормулы для расчета плоских днищ справедливы при выполнении условияS 1 C D p 0 , 11 .Расчет допускается проводить и при S 1 C D p 0 , 11 , но при этом допускаемое давление,рассчитанное по формуле (9.37) необходимо умножить на поправочный коэффициент2 , 2K p 21 1 6 S 1 CD pПри K p P P толщину днища S 1 необходимо увеличить так, чтобы выполнялось условиеK p P P .9.6. Расчет плоских круглых крышек с дополнительным краевым моментом а бРис.9.5. Плоская крышка с дополнительным краевым моментома – без паза; б –с пазом (например, под продольную перегородку в распределительной камере теплообменника)Расчетную толщину плоских круглых крышек с дополнительным краевым моментом,нагруженных внутренним избыточным давлением, определяют по формулеPS K K D , (9.38)1p o 6 pгде K – безразмерный коэффициент;6D – расчетный диаметр крышки, равный среднемуpдиаметру прокладки D .спЗначение коэффициента ослабления K o определяют по формуле (9.34) или по формуле (9.35),если d i 0 , 7 D p . Отверстия для болтов в расчет не принимают.1 3 D D 1K 0 41 , 3 сп , (9.39)6 D D3 спгде – безразмерный коэффициент;D – диаметр болтовой окружности.3Значение определяют по формуле1041 F Fmax п Q , (9.40)F Fб м Qгде F п реакция прокладки;–F б м болтовая нагрузка в условиях монтажа;–F Q равнодействующая внутреннего давления.–Расчет равнодействующей внутреннего давления F Q ,реакции прокладки F п и болтовой нагрузкиF будет рассмотрен далее при изучении фланцевых соединений ( лекция ).бДля крышки, имеющей паз для перегородки значение коэффициента K для определения6толщины S в месте паза (рисунок 9.5б) рассчитывают с учетом усилия от сжатия прокладки в пазе1по формуле1 3 D D 1 9 6 D S D , 2K 0 41 , 3 сп 3 4 сп , (9.41)6 D D3 спгде S – толщина перегородки (рисунок 9.5б).4Толщину плоской крышки в месте уплотнения S 2 определяют по формулеS max K Ф 0 6 Ф D ; , С, (9.42)2 7 cпгдеФ max F ; F . (9.43)бр р бм мВ формуле (9.42) индекс р указывает на то, что величина относится к рабочему состоянию илииспытаниям; а индекс м – к состоянию монтажа.Значение коэффициента K определяют по формуле7K 0 8 , D D 1. (9.44)7 3 спТолщину края плоской круглой крышки вне зоны уплотнения S (рисунок 9.5а) определяют по3формулеS max K Ф 0 6 Ф D ; , C, (9.45)3 7 2где D 2 наименьший диаметр наружной утоненной части крышки, (рисунок 9.5а).–Исполнительную толщину крышек определяют с учетом прибавки. Допускаемое давление для плоской круглой крышки с дополнительным краевым моментомопределяют по формуле2S CP 1 . (9.46)K K Do 6 pКонтрольные вопросы к лекции 91. Как определяется расчетная температура?2. Понятие рабочего и расчетного давления.3. Что такое пробное давление?4. Как определяется гидростатическое давление среды в аппарате и когда оно учитывается приопределении расчетного давления?5. Сформулируйте условие необходимости расчета аппарата в условиях испытания.6. Какие механические характеристики материала учитывают при определении допускаемыхнапряжений?7. Как определяют коэффициент прочности сварных швов?1058. Как формируется прибавка к расчетной толщине стенки?9. Что такое исполнительная толщина стенки?10. В чем различие расчета эллиптических и полусферических днищ?11.Что такое коэффициент ослабления? 12.Как определить наиболее ослабленное диаметральное сечение? 13.В каких местах определяется толщина плоской круглой крышки с дополнительным краевым моментом?106Лекция 10. Тема "Расчет элементов аппаратов, нагруженных наружным давлением" Рассматриваемые вопросы: Наружное давление в аппаратах. Понятие об устойчивостиформы. Длинные и короткие обечайки. Расчет длинных обечаек. Расчет коротких обечаек. Расчет однослойных цилиндрических обечаек. Обечайки, изготовленные из двухслойной стали. Эллиптические и полусферические днища, нагруженные наружным давлением. Сферические неотбортованные днища и крышки, нагруженные наружным давлением. Гладкие конические обечайки, нагруженные наружным давлением.10.1. Наружное давление в аппаратахЦилиндрические обечайки корпусов аппаратов, нагруженные наружным давлением илиработающие под вакуумом, находятся в менее благоприятных условиях по сравнению с обечайками, нагруженными внутренним избыточным давлением, и требуют большей толщины стенки. В стенках аппарата, работающего под наружным давлением, возника

ют напряжения сжатия. Наружное давление вызывает нарушение цилиндрической формы обечайки, увеличивая имеющиеся первоначальные отклонения, являющиеся следствием неточности изготовления. При этом в обечайке кроме напряжений сжатия возникают напряжения изгиба.10.2. Понятие об устойчивости формы. Длинные и короткие обечайкиПотеря работоспособности аппарата, нагруженного наружным давлением, может произойти врезультате нарушения прочности или потери устойчивости формы.Явление потери устойчивости формы происходит при напряжениях меньших предела текучестиматериала обечайки. Наружное давление, под действием которого начинает искажаться первоначальная форма оболочки, называется критическим. Величина критического давления зависит от геометрических размеров и механических свойств материала обечайки. Под действием критического давления поперечное сечение обечайки приобретает волнообразную форму, причем число волн зависит от отношений S D и l D и может равняться 2, 3, 4 и т.д.Цилиндрические обечайки, работающие под наружным давлением, принято делить на длинные икороткие. Критическая длина, разделяющая обечайки на длинные и короткие, определяется по формулеDl kD , (10.1)кр Sгде k 1 642 1 , 2 .Здесь – коэффициент Пуассона, который для стали равен 0,3.10.3. Расчет длинных обечаекНа длинных обечайках под действием наружного давления возникает две волны сжатия, т.е.происходит сплющивание.Рис. 10.1. Сжатие длинных обечаекКритическое давление определяется по формуле Бресса для стальных обечаекS 3Р 2 2Е ,кр D. (10.2)107В действительности работать при давлениях, близких к критическому, недопустимо. Из-заотклонений формы сосудов, возникших при их изготовлении, потеря устойчивости происходит при давлениях в 1,5 – 2 раза меньших критического. Поэтому рабочее давление определяют какРР кр , (10.3)раб nyгде n– коэффициент запаса устойчивости.y10.4. Расчет коротких обечаекПри расчете коротких обечаек учитывается влияние заделки краев обечайки. На короткихобечайках число волн может быть 3, 4 и более (до n= 25).Рис. 10.2. Сжатие коротких обечаекРазному числу волн соответствует разное критическое давление. Задача сводится к определениюминимального критического давления. Критическое давление для стальных обечаек определяют по формуле Мизеса (Мизес Рихард, 1883-1953, немецкий математик и механик, в 1933 году эмигрировал из фашистской Германии сначала в Турцию, а затем в США, был профессором Гарвардского университета):Р E S C 0 73E n , 2 1 2n 2 1 3 , S 3 (10.4)кр n 2 1 1 nl R 2 2 R 1 nl R 2 2R 3где R – внутренний радиус обечайки.Ориентировочно число волн для получения минимального критического давления можноопределить по формуле0 75 , 2 1 0 5 ,n . (10.5)4 l 2 SD Dили графически:Рис.10.3. График для определения числа волн108Так как полученное число волн является ориентировочным, то расчет критического давленияпроизводят для значений (n 2) и за критическое давление принимают наименьшее из полученных значений давления.10.5. Расчет однослойных цилиндрических обечаекРасчетную толщину стенки определяют по формулеS max K D 10 2 ; 1 1 P D , , (10.6)p 2 2где P расчетное наружное давление;–K 2 коэффициент, определяемый по номограмме (рис.10.4) в зависимости от коэффициентов– K 1 и K 3 .Коэффициент K определяют по формуле1n PK 0 36 , y , (10.7)1 E 10 6где n коэффициент запаса устойчивости;y–E модуль продольной упругости материала обечайки при расчетной температуре.–Рис.10.4. Номограмма для определения коэффициента K2109Коэффициент запаса устойчивости при расчете сосудов и аппаратов на устойчивость по нижнимкритическим напряжениям в пределах упругости следует принимать:– для рабочих условий n 2 4; ,y– для условий испытаний и монтажа n 1 8. ,yКоэффициент K определяют по формуле3K l D , (10.8)3где l – расчетная длина гладкой обечайки.Длину примыкающего элемента l определяют по формуле3Hдля выпуклых днищ ;3для конических обечаекDl max r sin ; с отбортовкой но не более , , (10.9)3 6 tgдлины конического элемента ;D для конических обечаек без отбортовки ,6 tg но не более длины конического элемента ;где половина угла при вершине конической обечайки.–Исполнительную толщину стенки S определяют по формулеS S C. (10.10)pДопускаемое наружное давление определяют по формулеPP П , (10.11)Р 21 ПРЕгде P – допускаемое давление из условия прочности;ПP – допускаемое давление из условия устойчивости.EДопускаемое давление из условия прочности определяется по формуле2 S CР . (10.12)П D S CДопускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется поформуле20 8 10 , 6 D E 100 S C 2 5 ,Р , (10.13)Е n B l Dy 1гдеB 1 = min , ; , н п п п м п п о п 1 0 9 45 Ч D l 100 S C Ч - ( D ) ю п п ь п п п э п . (10.14)10.6. Обечайки, изготовленные из двухслойной сталиПри расчете обечаек из двухслойной стали, нагруженных наружным давлением учитываетсятолько основной слой. В этом случае при определении исполнительной толщины стенки в качестве прибавки на коррозию принимается максимальная толщина плакирующего слоя.10.7. Эллиптические и полусферические днища, нагруженные наружным давлением110Расчетную толщину стенки приближенно определяют по формулеS max K R э n P y ; P R , (10.15)1 p 510 10 6 E 2где K э коэффициент приведения радиуса кривизны– эллиптического днища.Для предварительного расчета K принимают равным 0,9 для эллиптических днищ и 1,0 – дляэполусферических днищ. Исполнительную толщину днища определяют по формулеS S C. (10.16)1 1pПосле назначения исполнительной толщины определяют расчетное значение коэффициента Kэпо формуле1 2 4 8 x x ,К , (10.17)э 1 3 0 10 x x ,гдеS C D 2Hx 10 1 . (10.18)D 2H DПосле этого по формуле (10.15) уточняют значение толщины стенки днища. Расчет производятдо совпадения исполнительной толщины стенки днища, определенной двумя последними расчетами.Допускаемое наружное давление рассчитывается по формулеРР П , (10.19)Р 21 ПРЕгде допускаемое давление из условия прочности2 S CP 1 , (10.20)П R 0 5 S , C1а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругостиP 26 10 6 E 100 S 1 C 2 . (10.21)E n K Ry э10.8. Сферические неотбортованные днища и крышки, нагруженные наружным давлениемТолщину стенки сферического сегмента днища или крышки определяют как и при внутреннемдавлении по формулам (9.26) и (9.28) с последующей проверкой по формуле (10.22).Допускаемое наружное давление определяют по формулеРР П , (10.22)Р 21 ПРЕP где – допускаемое избыточное давление из условия прочностиПкраевой зоны;P допускаемое избыточное давление из условия прочности центральной зоны.Е–111Допускаемое наружное давление из условия прочности в центральной зоне определяется поформуле2 S CР 1 . (10.23)П R S C1Допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется поформулеK S C 2P E 1 . (10.24)E n RyRКоэффициент K определяют по таблице в зависимости от параметра .S C1Таблица 10.1Значение коэффициента КRЗначение коэффициента Кпри отношенииРасчетные S C1модели 350 и25 50 75 100 150 200 250 300вышеДнище 0,33 0,19 0,17 0,15 0,13 0,12 0,12 0,11 0,11Крышка 0,46 0,30 0,25 0,22 0,19 0,17 0,16 0,13 0,1210.8. Гладкие конические обечайки, нагруженные наружным давлениемРасчетную толщину стенки приближенно определяют по формуле1 1 P D ,S max K D 10 2 ; E , (10.25)кр 2 E 2где K – безразмерный коэффициент;2P – расчетное наружное давление;D – эффективный диаметр конической обечайки.EКоэффициент K следует определять по номограмме в зависимости от коэффициентов K и2 1K .3Коэффициент K определяют по формуле (10.7).1Коэффициент K определяют по формуле3lK E , (10.26)3 DEгде l – эффективная длина конической обечайки.EЭффективная длина конической обечайки определяется по формулеD Dl 1 , (10.27)E 2 sinгде D – диаметр меньшего основания конической обечайки.1S к D 1DРисунок 10.3 – Основные размеры конического перехода112Эффективный диаметр конической обечайкиD D D D DD max 1 ; 0 31 D D , 1 tg ,E 2 cos cos 1 100 S Cк(10.28)Для предварительного расчета эффективного диаметра конической обечайки D рекомендуетсяEпринять значение S равным исполнительной толщине стенки S цилиндрической обечайкикдиаметром D, соединяемой с конической обечайкой.Исполнительную толщину стенки конической обечайки определяют по формулеS S C. (10.29)к кpПри несовпадении полученной толщины конической обечайки с принятой для предварительногорасчета толщиной уточняют эффективный диаметр конической обечайки по формуле (10.28), значение коэффициентаK по формуле (10.26), коэффициента K , расчетную толщину стенки по3 2формуле (10.25). Расчеты продолжают до совпадения полученной исполнительной толщины стенки конической обечайки с предварительно принятой.Допускаемое давление определяют по формулеPP П , (10.30)P 21 ПРЕгде P – допускаемое давление из условия прочности;ПP – допускаемое давление из условия устойчивости;EДопускаемое давление из условия прочности определяют по формуле2 S СР к , (10.31)П D к S Сcos кгде D – расчетный диаметр гладкой конической обечайки, который определяется по формуле (9.22)кD D 2 r 1 cos 0 7 a , sin .к 1Допускаемое давление из условия устойчивости определяют по формулеP 20 8 10 , 6 E D E 100 S к С 2 5 , , (10.32)E n B l Dy 1 E Eгде B безразмерный коэффициент.1–D DB min 1 0 9 45 , ; , E E . (10.33)1 l 100 S СE кКонтрольные вопросы к лекции 101. В чем проявляются отличия при нагружении сосуда внутренним и наружным давлением?2. Какое давление называется критическим?3. Как проявляется потеря устойчивости формы?4. Понятие длинных и коротких обечаек.5. Как определяется расчетная длина гладкой цилиндрической обечайки?1136. По каким критериям определяется толщина цилиндрической обечайки?7. Особенности расчета обечаек их двухслойных сталей.8. Чем отличается расчет эллиптических днищ от полусферических днищ?9. В каких зонах рассчитывается толщина сферических неотбортованных днищ?10. Чем отличается расчет конических обечаек от цилиндрических?114Лекция 11. Тема "Аппараты с рубашками"Рассматриваемые вопросы: Назначение рубашек. Конструкции и область применениянеразъемных рубашек. Условия применения расчетных формул. Расчет сосудов с рубашками. Расчет мест соединения рубашки с корпусом. 11.1. Конструкции и область применения неразъемных рубашек Для нагрева или охлаждения среды в сосудах и аппаратах применяются внутренние и наружныетеплообменные устройства.К внутренним устройствам относятся змеевики, трубные пучки и другие теплообменныеэлементы.К наружным теплообменным устройствам относятся рубашки. Рубашка сосуда – теплообменноеустройство, состоящее из оболочки, охватывающей корпус сосуда или его часть, и образующее совместно со стенкой корпуса сосуда полость, заполненную теплоносителем. Рубашки могут устанавливаться на вертикальных и горизонтальных аппаратах. Наибольшее применение имеют рубашки на вертикальных аппаратах. Рубашки могут быть неразъемными и съемными. Съемные рубашки предназначены для сосудов, изготовленных из материалов, которые плохо свариваются с углеродистой сталью (чугун, цветные металлы и т.д.). Съемные рубашки также применяются в тех случаях, когда по условиям эксплуатации требуется периодическая чистка и осмотр корпуса под рубашкой.Неразъемные рубашки привариваются к корпусу сосуда. Неразъемные рубашки являются болеепростыми по конструкции и получили наиболее широкое применение из-за простоты изготовления и надежности в работе.По конструкции сосуды с неразъемными рубашками подразделяют на следующие типы: – сосуды с цилиндрическими рубашками (рис. 11.1); – сосуды с U-образными рубашками (рис. 11.2); – сосуды с рубашками из полутруб (рис. 11.5).Цилиндрические рубашки применяют для вертикальных стальных сварных сосудов и аппаратов.Внутренний диаметр рубашек – от 1500 до 3100 мм, внутреннее избыточное давление в рубашке – не более 0,6 МПа, температура стенки от минус 70 до плюс 300 °С.Цилиндрическая рубашка представляет собой сварную цилиндрическую обечайку,концентрично охватывающую цилиндрическую часть корпуса аппарата и приваренную к корпусу аппарата в верхней и нижней части с помощью конуса или кольца.Рис. 11.1. Сосуды с цилиндрическими рубашками:а – сопряжение рубашки с корпусом при помощи отбортовок; б – сопряжение рубашки скорпусом при помощи колецВнутренний диаметр рубашек с эллипсоидным днищем для вертикальных стальных сварныхсосудов и аппаратов составляет от 325 до 3200 мм, внутреннее избыточное давление в рубашке не более 1,6 МПа, температура стенки от минус 70 до плюс 300 °С.Стальная сварная рубашка с эллипсоидным днищем состоит из цилиндрической обечайки,концентрично охватывающей цилиндрическую часть корпуса аппарата и приваренной к корпусу115аппарата в верхней части с помощью конуса или кольца, и эллипсоидного днища. В зависимости от конструкции нижней части корпуса аппарата (без штуцера или со штуцером в нижнем днище) рубашки могут иметь два исполнения:1 – рубашки без штуцера в нижней части днища корпуса аппарата;2 – рубашки со штуцером в нижней части днища корпуса аппарата.Для рубашек со штуцером в нижней части днища корпуса аппарата сопряжение рубашки сднищем корпуса может быть выполнено с помощью отбортовки или через обечайку меньшего диаметра.а – сопряжение рубашки с корпусом при помощи отбортовок;б – сопряжение рубашки с корпусом при помощи колецРис. 11.2. Сосуды с U-образными рубашкамиКонические днища рубашек могут иметь угол при вершине 90 или 60°.Внутренний диаметр рубашек с коническим днищем с углом при вершине 90° вертикальныхстальных сварных сосудов и аппаратов составляет от 450 до 3200 мм, внутреннее избыточное давление в рубашке не более 1,6 МПа, температура стенки от минус 70 до плюс 300 °С.Внутренний диаметр рубашек с коническим днищем с углом при вершине 60° вертикальныхстальных сварных сосудов и аппаратов составляет от 450 до 2400 мм, внутреннее давление в рубашке не более 1,6 МПа, температура стенки от минус 70 до плюс 300 °С.Стальная сварная рубашка с коническим днищем состоит из цилиндрической обечайки,концентрично охватывающей цилиндрическую часть корпуса аппарата и приваренной к корпусу аппарата в верхней части с помощью конуса или кольца, и конического днища. Коническое днище рубашки приваривается к коническому днищу аппарата с помощью отбортовки.U-образные и цилиндрические рубашки изготовляют с торообразними отбортовками с угламиконуса 30 и 45° (рис.11.3а) и с кольцами (рис.11.3б) для присоединения к корпусу аппарата. Стандартные рубашки выполняют с отбортовкой с углом 45° и радиусом отбортовки 50 мм.116Рис. 11.3. Сопряжение рубашки с корпусом а– при помощи отбортовки; б – при помощи кольцаСопряжение рубашки с днищем приведено на рисунке 11.4. а ба– коническое; б – кольцевоеРис. 11.4. Сопряжение рубашки с днищемРубашки из полутруб со змеевиковыми каналами применяют для вертикальных стальных сварныхсосудов и аппаратов диаметром от 600 до 3000 мм при внутреннем давлении в рубашке не более 6,3 МПа и температуре стенки от минус 70 до плюс 300 °С.Рубашка из полутруб со змеевиковыми каналами представляет собой полость из полутрубы,приваренную по винтовой линии к цилиндрической обечайке корпуса. На днище аппарата полутрубу приваривают по спирали. Теплоноситель подается отдельно в цилиндрическую и донную часть рубашки. Наружный радиус применяемых полутруб для аппаратов с внутренним диаметром от 600 до 1000 мм составляетR 28,5 мм (рисунок 11.6); для аппаратов с внутренним диаметром от 1200 до3000 применяются полутрубы с наружным радиусом 28,5 и 44,5 мм. Шаг приварки полутруб составляетt 95 мм для труб с R 28,5 мм и t 125 мм для труб с R 44,5 мм. Высота h 22 для трубс R 28,5 мм и h 35 мм для труб с R 44,5 мм.1171 – рубашка из полутруб; 2 – отвод; 3 – фланец; 4 – змеевик; 5 – фланецРис. 11.5. Сосуды с рубашками из полутрубРис. 11.6. Конструктивные элементы рубашек из полутрубДля интенсификации процесса теплопередачи к корпусу сосуда может привариватьсянаправляющая спираль, позволяющая значительно увеличить скорость движения охлаждающей жидкости. Конструкция рубашки с направляющей спиралью приведена на рис. 11.7.118Рис.11.7. Конструкция рубашки с направляющей спиралью11.2. Расчет сосудов с рубашкамиВведем следующие обозначения для сосудов с рубашками:Ð – расчетное давление в сосуде;Ð 1 – расчетное давление в рубашке;D – внутренний диаметр сосуда;D 1 – внутренний диаметр рубашки;S – толщина стенки обечайки сосуда;S 1 – толщина стенки обечайки рубашки;– допускаемое напряжение материала обечайки сосуда при расчетной температуре;– допускаемое напряжение материала обечайки рубашки при расчетной температуре61C – сумма прибавок к расчетной толщине стенки обечайки сосуда;C c – сумма прибавок к расчетной толщине стенки обечайки рубашки.Условия применения расчетных формул1. Расчетные формулы применимы при условии, что в рубашке действует внутреннее избыточноедавление P 0 .22. Расчетная температура не превышает следующих значений:– 380 °С – для углеродистой стали; – 420 °С – для низколегированной стали; – 525 °С – для аустенитной стали.3. При N 10 3 производят проверку на малоцикловую прочность.4. Для сосудов с U – образной или цилиндрической рубашкой расчетные формулы применимы при соотношении:– диаметровD 1 1 2 , ;D– толщины стенки и диаметров0 001 , S 0 5 , D 1 1 ;D D– толщин стенок119S 1 1 2 , .S5. Для сопряжений при помощи конуса расчетные формулы применимы для углов 30 ,45 и радиуса отбортовкиr 0 e 0 1 0 5 S cos , 1 ,где r 0 внутренний радиус кривизны отбортовки для конических переходов;–e 0 расстояние от середины стенки рубашки до наружной стороны стенки сосуда;–угол конического сопряжения.–Расстояние e 0 определяют по формулеe 0 0 , 5 D 1 S 1 D 2 S .6. Расчетные формулы для сопряжений применимы при условии полной проварки сварных швов. 7. Расчетные формулы для сопряжения при помощи кольца применимы при исполнительнойтолщине кольца h 0 равной:h 0 1 5 S , 1 äëÿ U î áðàçí î é ðóáàø êè ;0 5 , D S h 0 S äëÿ öèëèí äðè÷åñêî é ðóáàø êè 1 .8. Диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем d 1 сосуда согласно рисунку 11.5 долженудовлетворять условиюd 1 0 4 D , 1 .При выполнении этого условия расчет сопряжения рубашки с днищем сосуда не проводят. Порядок расчетаРасчет сосудов с рубашками производят в следующем порядке:1. Определение расчетных параметров для корпуса сосуда и рубашки.2. Определение толщин стенок элементов корпуса сосуда сначала по давлению в сосуде, затем подавлению рубашки (для тех элементов, которые испытывают давление рубашки). Сравнение полученных толщин и выбор большего значения толщины.3. Определение допускаемых давлений для элементов сосуда по окончательному значению толщиныстенок элементов.4. Расчет толщин стенок обечайки и днища рубашки от действия давления в рубашке и определениедопускаемого давления.5. Проверка условия d 1 0 4 D , 1 и расчет мест соединения рубашки с корпусом сосуда.Сопряжение рубашки с корпусом сосуда при помощи конусаРасчетная схема сопряжения рубашки с корпусом сосуда при помощи конуса приведена нарисунке 11.3а. Угол конуса принимают равным 45 .Вспомогательные параметры определяют по формулам:– коэффициент осевого усилияA D D 1 d 1 2 , (11.1)D 1 2где d 1 – диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем, который принимается по стандарту нарубашки;– коэффициент, учитывающий расстояние между корпусом сосуда и рубашкой120e 0 ; (11.2)D 1 S 1 C c– коэффициент радиуса конической отбортовкиr 0 0 5 S , 1 , (11.3)D 1 S 1 C cгде r 0 – радиус отбортовки сопряжения рубашки с днищем, который принимается по стандарту нарубашки равным 50 мм;– коэффициент длины сопряжения2 0 45 , ; (11.4)– коэффициент отношения прочности корпуса сосуда и рубашки1 , 25 S C D S C 1 P D 1 P P 1 D (11.5)1 S 1 C c D 1 S 1 C c 2 S C 2 S CЕсли в сосуде вакуум P 0 , то в формулу (11.5) подставляют P 0 ;– расчетные коэффициенты прочности сварного шва:p Т ; (11.6)p 1 T 1 ; (11.7)– относительная эффективная несущая длина конусаmin ; p p 1 . (11.8)sin 4 cosгде p – расчетный коэффициент прочности сварного шва сосуда;p 1 – расчетный коэффициент прочности сварного рубашки;Т – коэффициент прочности сварного кольцевого шва сосуда;T 1 – коэффициент прочности сварного кольцевого шва рубашки.Коэффициент сопряжения при помощи конусаB 2 S 1 D 1 C min X 1 ; X 2 ; X 3 , (11.9)где X 1 , X 2 , X 3 – вспомогательные величины.Вспомогательные величины определяются по формулам:X 1 cos 4 p cos p 1 f 1 ; (11.10)X 2 f 2 1 p 1 ; (11.11)X 3 f 3 4 p cos p 1 f 4 . (11.12)Коэффициенты прочности f 1 – f 4 определяют графически или рассчитываю по формулам,приведенным в пособии .Толщину стенки конуса рассчитывают методом итерации, причем в качестве исходного значенияS 1 при определении вспомогательных параметров по формулам (11.2) – (11.9) берут исполнительнуютолщину стенки цилиндрической рубашки.Расчетную толщину стенки конуса определяют по формуле121S 1 p P 1 D 1 B , (11.13)2 1 p 1 A P 1где p1 – коэффициент прочности сварного продольного шварубашки, обычно принимается равнымкоэффициенту прочности сварных швов аппарата.Исполнительная толщина стенки конусаS 1 S 1 p C c .(11.14)Исполнительная толщина стенки конуса может получиться больше толщины стенки обечайкирубашки. В этом случае следует повторить расчет тех вспомогательных параметров, которые зависят от значенияS 2 и определить новое значение толщины стенки конуса. Расчет продолжают досовпадения предварительно принятой толщины стенки S 2 и полученной в результате расчетатолщины стенки конуса.Допускаемое избыточное давление в рубашкеP 1 2 D 1 1 S 1 S 1 C C c c p 1 B A . (11.15)Контрольные вопросы к лекции 111. Назначение рубашек.2. Отъемные и неотъемные рубашки. Их преимущества и недостатки.3. Основные конструкции неотъемных рубашек.4. Особенности расчета аппаратов с рубашками.5. Сопряжение рубашек с корпусом сосуда.122Лекция 12. Тема "Расчет цилиндрических обечаек при совместном действии нагрузок нескольких видов"Рассматриваемые вопросы: Виды нагружений. Расчет цилиндрических обечаек при несколькихвидах нагрузок: давлении, осевых сжимающих или растягивающих усилиях, внешнем изгибающем моменте.12.1. Расчет цилиндрических обечаек при нескольких видах нагрузок: давлении, осевыхсжимающих или растягивающих усилиях, внешнем изгибающем моменте В реальных условиях на элементы корпуса аппарата могут одновременно действовать нескольконагрузок:– внутреннее давление; – наружное давление; – осевое растягивающее усилие; – осевое сжимающее усилие; – изгибающий момент; – поперечное усилие. Так, например, на обечайку аппарата с перемешивающим устройством, кроме давления, будетдействовать как осевое сжимающее усилие нагрузка от веса перемешивающего устройства и его привода (рисунок 12.1). На обечайки колонных аппаратов, установленных на открытых площадках, кроме давления, действует изгибающий момент от ветровой нагрузки (рисунок 12.2). Усилия от опорных нагрузок на обечайки горизонтальных аппаратов являются примером действия поперечного усилия (рис.12.3). Примером осевого растягивающего усилия может быть вес устройства, например питателя, присоединенного к нижней части аппарата с помощью фланцевого соединения (рисунок 12.4).Рис.12.1. Аппарат с перемешивающим устройством123Рис.12.4. Горизонтальный аппарат, работающий под вакуумом и его расчетная схемаНагрузки могут компенсировать друг друга или наоборот, действовать как бы в одномнаправлении.При действии внутреннего давления в стенках аппарата возникают напряжения растяжения.Дополнительные напряжения растяжения может вызвать только осевое растягивающее усилие. Поэтому в случае совместного действия внутреннего давления и осевого растягивающего усилия сначала определяют расчетную толщину от действия каждой из нагрузок, а исполнительную толщину определяют по их сумме.Расчетная толщина стенки от действия осевого растягивающего усилия определяется по формулеS F , (12.1)p DTгде F –расчетное осевое растягивающее усилие;T – коэффициент прочности кольцевого сварного шва.Исполнительную толщину стенки обечайки без учета нагрузки, возникающей от действиявнутреннего давления, определяют по формулеS S C (12.2)pи проверяют по допускаемому осевому растягивающему усилиюF D S C S C . (12.3)TПри этом должно выполняться условие F F .При совместном действии нагрузок толщина стенки обечайки определяется из условия прочностиили устойчивости от действия соответствующего давления, а затем проводится проверка условия устойчивости по формуле2P F M Q1 0 , , (12.4)P F M Qгде P– расчетное наружное давление; F – расчетное осевое сжимающее усилие; М–расчетный изгибающий момент; Q– расчетное поперечное усилие;Р – допускаемое наружное давление;F – допускаемое осевое сжимающее усилие; М– допускаемый изгибающий момент; Q– допускаемое поперечное усилие.Если одна или более из указанных нагрузок отсутствуют, то в формуле (12.4) соответствующееслагаемое не учитывается.Внутреннее давление и осевое растягивающее усилие в формуле (12.4) не учитываются, так какпри их совместном действии с другими нагрузками (осевым сжимающим усилием, изгибающим124моментом, поперечным усилием) они создают напряжения противоположного знака, что создает запас прочности.Все действующие нагрузки, входящие в формулу (12.4) определяются соответствующимиметодами расчета. Определение расчетного давления рассмотрено в лекции 9. Осевое сжимающее усилие обычно определяется как вес той части аппарата, которая его создает. Изгибающим моментом обычно является момент от действия ветровой нагрузки. Поперечное усилие, вызванное действием опор, будет определено далее при изучении опорных нагрузок влекции .Допускаемые нагрузки, входящие в формулу (12.4), рассчитываются по формулам, приведеннымниже.Допускаемое осевое сжимающее усилие следует рассчитывать по формулеFF П , (12.5)F 21 ПFЕгде допускаемое осевое сжимающее усилие F из условия прочностиПF D S C S C , (12.6)Па допускаемое осевое сжимающее усилие в пределах упругости F из условия устойчивостиEmin F ; F , если l D 10F E1 E 2 , (12.7)E F , если l D 10E1где F – допускаемое осевое сжимающее усилие из условия местной устойчивости в пределах упругости;E1F – допускаемое осевое сжимающее усилие из условия общей устойчивости в пределах упругости.E 2Допускаемое осевое сжимающее усилие F определяют по формулеE1310 10 6 D E 2 100 S C 2 5 ,F , (12.8)E1 n Dyа допускаемое осевое сжимающее усилие F – по формулеE 2D S C S C E 2F , (12.9)E2 nyгде – гибкость элемента.Гибкость определяют по формуле:2 83 l ,np , (12.10)D S Cгде l– приведенная расчетная длина.npПриведенную расчетную длину l принимают в зависимости от схемы аппарата.npПри этом должно выполняться условие F F.Допускаемый изгибающий момент рассчитывают по формулеMM П , (12.11)M 21 ПMЕгде допускаемый изгибающий момент M из условия прочности рассчитывают по формулеПМ 0 25 D F , , (12.12)П П125а допускаемый изгибающий момент M из условия устойчивости в пределах упругости – поЕформулеМ 0 285 D F , . (12.13)Е Е1При этом должно выполняться условие М М.Допускаемое поперечное усилие рассчитывают по формулеQQ П , (12.14)Q 21 ПQЕгде допускаемое поперечное усилие Q из условия прочностиПQ 0 25 , D S C , (12.15)Па допускаемое поперечное усилие Q из условия устойчивости в пределах упругостиE2 4 E S C , 2 D S CQ 0 18 0 33 , , . (12.16)E n l 2yПри этом должно выполняться условие Q Q.Контрольные вопросы к лекции 121. Какие нагрузки, кроме давления, могут действовать на корпуса аппаратов? Приведите примерытаких нагрузок.2. Как учитывается одновременное действие нескольких нагрузок?3. В чем заключается разница расчета на совместное действие нагрузок при внутреннем и наружномдавлении в аппарате?126Лекция 13. Тема "Укрепление отверстий в стенках аппаратов"Рассматриваемые вопросы: Конструкции укрепляющих элементов. Определение необходимойплощади укрепления. Определение основных расчетных величин. Расчетные длины штуцеров. Расчетная ширина зоны укрепления. Коэффициент прочности сварных соединений. Условие укрепления одиночных отверстий. Определение допускаемого давления. Понятие взаимовлияющих отверстий. Учет взаимного влияния отверстий. Последовательность расчета взаимовлияющих отверстий. Укрепление взаимовлияющих отверстий в аппаратах, работающих под внутренним избыточным давлением. Укрепление взаимовлияющих отверстий в аппаратах, работающих под наружным давлением. 13.1. Типовые конструкции укрепления отверстий В сосудах и аппаратах предусматриваются технологические и резервные штуцера, штуцера дляустановки контрольно-измерительных и предохранительных устройств, а также люки для доступа внутрь аппарата.Наличие отверстий в обечайках, переходах и днищах сосудов и аппаратов под штуцера и люкиослабляет их прочность как за счет уменьшения площади поперечного сечения соответствующего элемента, так и за счет концентрации напряжений. Концентрация напряжений имеет явно выраженный местный характер и распространяется на часть детали, находящуюся в непосредственной близости к отверстию.Увеличение толщины стенки всего элемента для того, чтобы максимальные напряжения непревышали допускаемых, нерационально. Более эффективно компенсировать ослабление, вызванное отверстием, путем укрепления его края утолщением, располагая добавочный материал в зоне возникновения максимальных напряжений, то есть как можно ближе к краю отверстия.Укрепление отверстий в стенках аппаратов производится избыточной толщиной стенкиукрепляемого элемента, штуцера, накладным кольцом и другими способами.Основным видом укрепления отверстий является укрепление при помощи “избыточной” толщиныстенки штуцера. Укрепление отверстия накладным кольцом применяется, как правило, в том случае, если укрепления за счет стенки штуцера недостаточно для обеспечения необходимой прочности. Заготовки накладных колец выполняются чаще всего круглой формы. Укрепляющие кольца изготовляются предпочтительно цельными. Допускается изготовлять их из частей, но не более чем из четырех. При этом сварные швы должны выполняться с проваром на полную толщину кольца. В каждом укрепляющем кольце или каждой его части, если сварка частей производится после установки их на сосуд, должно быть не менее одного контрольного отверстия с резьбой М10 1,5 для пневматического испытания герметичности сварных швов избыточным давлением 0,4 – 0,6 МПа, но не более расчетного давления сосуда. При эксплуатации аппарата контрольное отверстие остается открытым для обнаружения возможной течи. Контрольное отверстие должно располагаться в нижней части кольца или его части по отношению к сосуду, установленному в рабочем положении. Укрепляющие кольца должны прилегать к поверхности укрепляемого элемента. Допускается зазор между поверхностями укрепляющего кольца и укрепляемого элемента не более 3 мм. Зазор контролируется щупом по наружному диаметру укрепляющего кольца. Минимальная толщина укрепляющего кольца составляет 6 мм. Наружный диаметр укрепляющего кольца не должен превышать двух диаметров укрепляемого отверстия. Штуцера привариваются как к обечайке (днищу), так и к укрепляющему кольцу сварным швом со сплошным проваром. Если несколько штуцеров расположены настолько близко друг к другу, что накладные укрепляющие кольца взаимно перекрываются, для них применяется общее накладное кольцо круглой либо овальной формы.Укрепление отверстия при помощи отбортовки улучшает внешний вид аппарата, однако являетсяболее трудоемким по сравнению с вышеописанными конструкциями и не всегда обеспечивает необходимую прочность.Укрепление отверстий торообразной вставкой обеспечивает высокую прочность итехнологичность конструкции и в то же время улучшает внешний вид аппарата.127Рисунок 13.1 – Типовые конструкции укрепления отверстийа, б – вварным штуцером; в – накладным кольцом; г – двумя накладными кольцами; д – отбортовкой; е – торообразной вставкой; ж – вварным укрепляющим кольцом; з – штуцером произвольной формыУкрепление вварным кольцом обеспечивает достаточную прочность, улучшает внешний видаппарата, но является технологически трудоемким, поэтому сравнительно редко применяется в химическом аппаратостроении.Укрепление штуцером произвольной формы обеспечивает высокую прочность, улучшает внешнийвид, является достаточно технологичным и применяется для укрепления центральных отверстий в эллиптических, а также любых отверстий в полусферических днищах.Определение необходимой площади укрепленияСчитается, что площадь сечения укрепляющего металла должна быть равна площади сеченияудаленного металла за вычетом площади сечения металла допустимого неукрепляемого отверстия (рисунок 13.2)128 f d 0 S dРис.13.2. Определение необходимой площади укрепленияПри диаметре штуцера d d площадь удаленного металла за вычетом площади сечения металла0допустимого неукрепляемого отверстия равна2 f S d d 0 , (13.1)где d – внутренний диаметр штуцера;d 0 – диаметр допустимого неукрепляемого отверстия.Площадь f может быть сформирована разными способами укрепления, т.е. располагаться поштуцеру, корпусу, укрепляющему кольцу. 13.2. Одиночные отверстия Определение расчетного диаметра одиночного отверстия, не требующего укрепленияОтверстие считается одиночным, если ближайшее к нему отверстие не оказывает на неговлияния, что имеет место, когда расстояние между наружными поверхностями смежных штуцеров bв соответствии с рисунком 13.3 удовлетворяет условиюb D p S C D p S C , (13.2)D D гд е p , p расчетные диаметры укрепляемого элемента по центруукрепляемых отверстий, мм;S исполнительная толщина стенки укрепляемого– элемента (обечайки, перехода или днища), мм;С сумма прибавок к расчетной толщине стенки укрепляемого элемента, мм.–Рис.13.3. Расположение смежных штуцеров129Расчетный диаметр укрепляемых элементов D p определяется по формулам:– для цилиндрической обечайки и полусферического днищаD p D ; (13.3)– для конической обечайки, перехода или днищаD p D к / cos ; (13.4)– для эллиптического днища при H 0 25 D ,D p 2 D 1 3 x D / 2 , (13.5)гд е D внутренний диаметр цилиндрической обечайки или выпуклого днища;–D к внутренний диаметр конической обечайки, перехода или днища по центру укрепляемого отверстия (рисунок 13.4);–H – высота выпуклой части днища без отбортовки;x расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища (рисунок 13.5);–половина угла при вершине конической обечайки.–Рис.13.4. Размещение штуцера на коническом переходеРис.13.5. Размещение штуцера на эллиптическом днищеа – смещенный штуцер; б – штуцер, ось которого расположена по нормали к поверхности днища130Расчетный диаметр одиночного отверстия d 0 , не требующего дополнительного укрепления приизбыточной толщине стенки сосуда, определяется по формулеd 0 2 S C S p 0 8 , D p S C , (13.6)где S p расчетная толщина стенки укрепляемого элемента.–Если расчетный диаметр укрепляемого отверстия d p удовлетворяет условиюd p d 0 , (13.7)то дальнейших расчетов укрепления отверстия проводить не требуется, т.е. отверстие не требует укрепления.Если условие (13.7) не выполняется, необходимо выполнить расчет укрепления отверстия. Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, перехода, днища или вварного кольцаd p приналичии штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстияd p d 2 C s , (13.8)гд е d внутренний диаметр штуцера;–C s сумма прибавок к расчетной толщине стенки штуцера.–Расчетный диаметр отверстия для смещенного штуцера на эллиптическом днище (рисунок 13.5а)d p 1 d 2 C 2 x D / s p 2 . (13.9)Для цилиндрических и конических обечаек в случае приварки наклонного штуцера, ось которогорасположена в плоскости продольного сечения обечайки (рисунок 13.6б) расчетный диаметр отверстия определяется по формулеd p d 2 C s / cos 2 , (13.10)гд е угол между осью наклонного штуцера и нормалью к поверхности цилиндрической или конической обечайки, а также выпуклого днища.– а б Рис. 13.6. Размещение штуцеров на цилиндрических или конических обечайкаха – смещенный штуцер в площади поперечного сечения обечайки; б – наклонный штуцер131Для цилиндрических и конических обечаек в случае, когда ось штуцера расположена в площадипоперечного сечения обечайки (рисунок 13.6а), расчетный диаметр отверстия определяется по формулеd p max d ; 0 , 5 t 2 C s , (13.11)гд е t длина отверстия в окружном направлении, мм.– Расчетные толщины стенокРасчетные толщины стенок укрепляемых элементов, кроме толщины стенки эллиптическогоднища, определяются в соответствии с изложенными ранее методами расчета от действия соответствующего давления.Расчетную толщину стенки эллиптического днища S p , работающего под внутренним избыточнымдавлением, определяют по формулеS p 4 P D [ ] p P , (13.12)гд е P – расчетное внутреннее избыточное давление в сосудеили аппарате;[ ] – допускаемое напряжение для материалаэллиптического днища при расчетной температуре;– коэффициент прочности сварных швов днища.Если ось сварного шва днища (обечайки) удалена от наружной поверхности штуцера нарасстояние более чем три толщины укрепляемого элемента, то коэффициент прочности этого сварного соединения при расчете укрепления отверстий следует принимать равным1 . Висключительных случаях, когда сварной шов пересекает отверстие или удален от наружной поверхности штуцера на расстояние менее3 S , принимают 1 в зависимости от вида и качествашва.Расчетная толщина стенки штуцера S 1 p , нагруженного внутренним избыточным или наружнымдавлением, определяется по формулеS 1p 2 P d 2 C [ ] 1 1 s P , (13.13)где [ ] 1 – допускаемое напряжение для материала штуцера прирасчетной температуре;1 – коэффициент прочности продольного сварного шваштуцера (для штуцеров, выполненных из бесшовных труб1 1 0 , ).Если плоскость, проходящая через продольный шов вальцованного штуцера и ось этого штуцера,образует угол не менее 60º с плоскостью продольного осевого сечения цилиндрической иликонической обечайки в соответствии с рисунком 13.7, коэффициент прочности сварного шва принимают1 1 . В остальных случаях коэффициент принимают в зависимости от вида иконтролируемой длины сварного шва, т.е. по группе аппарата132Рис. 13.7. Учет продольного сварного шва штуцера, вваренногов обечайкуПри расчете S 1 p можно предварительно выбрать трубу и определить внутренний диаметрштуцера d по наружному диаметру трубы и толщине стенки трубы, либо приближенно подставитьвместо внутреннего диаметра условный проход штуцера. Материал штуцеров принимают обычно такой же, как и корпуса аппарата. При отсутствии в стандартах на трубы или люки данного материала, принимают материал, близкий по свойствам к материалу аппарата. Поэтому прибавку для компенсации коррозии для штуцера принимают равной прибавке для компенсации коррозии для корпуса аппарата (обечайки или днища). Прибавку для компенсации минусового допуска для труб принимают равной 15% от толщины стенки трубы. Для обечаек люков, изготовленных вальцовкой из листового проката, прибавку для компенсации минусового допуска принимают по таблицам для листового проката.Исполнительную толщину стенки штуцера S 1 , нагруженного внутренним избыточным илинаружным давлением, определяют по формулеS 1 S 1 p C s . (13.14)гд е C s сумма прибавок к расчетной толщине стенки штуцера.–Толщину стенки трубы принимают из ряда: 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и т.д. Предпочтительное применениеимеют трубы 57 3; 57 3,5; 89 4; 108 4; 159 6.13.3.Определение основных расчетных величинРасчетные длины штуцеров Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, участвующие в укрепленииотверстия и учитываемые при расчете l 1 p и l 3 p (рисунок 13.8) определяются по формулам:l 1p min l 1 25 1 ; , d 2 C s S 1 C s ; (13.15)l 3 p min l 3 ; , 0 5 d 2 C s S 1 C s С s1 , (13.16)гд е S 1 исполнительная толщина стенки штуцера;–l 1 – исполнительная длина внешней части штуцера (вылетштуцера или люка);l 3 – исполнительная длина внутренней части штуцера;C s1 прибавка к расчетной толщине стенки штуцера для компенсации коррозии и эрозии.–Расчетная ширина зоны укрепленияШирину зоны укрепления в обечайках, переходах и днищахL o определяют по формулеL o D p S C . (13.17)При отсутствии торообразной вставки или вварного кольцаl p L o . (13.18)Расчетную ширину укрепляющего кольца l 2 p определяют по формулеl 2 p min l 2 ; D p S 2 S C , (13.19)где S 2 – исполнительная толщина укрепляющего кольца, мм;133l 2 – исполнительная ширина укрепляющего кольца, мм. Коэффициент прочности сварных соединений Если ось сварного шва обечайки (днища) удалена от наружной поверхности штуцера нарасстояние более чем три толщины укрепляемого элемента 3S , то коэффициент прочности этогосварного соединения при расчете укрепления отверстий следует принимать 1 . Если сварной шовудален от наружной поверхности штуцера на расстояние менее 3S , принимают 1 в зависимостиот вида и качества сварного шва.13.4. Условие укрепления одиночных отверстийРасчетная схема укрепления отверстия приведена на рисунке 13.8. Расчет укрепления отверстия основан на принципе компенсации. Для формулирования принципарассматривают площади сечения “избыточного” металла внешней части штуцера A 1 , укрепляющегокольца A 2 , внутренней части штуцера A 3 , укрепляемого элемента A 4 и компенсируемую площадьсечения металла, удаленного из стенки сосуда для вварки штуцера A . Под “избыточным” понимаютнеобходимый для укрепления отверстия металл в сечении стенки укрепляемого элемента (обечайки, днища) и штуцера, расположенный вне соответствующих расчетных толщинS p C , S 1 p C s ,S 1 C s C s1 и не выходящий за границы зоны укрепления l p , l 1 p , l 2 p , l 3 p .Рис. 13.8. Расчетная схема укрепления одиночного отверстияУсловие укрепления одиночного отверстия имеет видA 1 A 2 A 3 A 4 A . (13.20)“Избыточный” металл внешней части штуцера A 1 определяют по формулеA 1 l 1p S 1 S 1p C s 1 , (13.21)гд е l 1 p расчетная длина внешней части круглого штуцера, участвующая в укреплении отверстия;–S 1 исполнительная толщина стенки штуцера;–S 1 p расчетная толщина стенки штуцера;–C s сумма прибавок к расчетной толщине внутренней части стенки штуцера;–1 отношение допускаемых напряжений материалов134– штуцера и укрепляемого элемента.Площадь поперечного сечения укрепляющего кольца A 2 , участвующую в укреплении отверстия,определяют по формулеA 2 l 2 p S 2 2 , (13.22)гд е l 2 p расчетная ширина укрепляющего кольца;–S 2 исполнительная толщина укрепляющего кольца;–2 отношение допускаемых напряжений укрепляющего кольца и укрепляемого элемента.–“Избыточный” металл внутренней части штуцера A 3 определяют по формулеA 3 l 3 p S 1 C s C s1 1 , (13.23)гд е l 3 p расчетная длина внутренней части круглого штуцера, участвующая в укреплении отверстия;–S 1 исполнительная толщина стенки штуцера;–C s1 прибавка для компенсации коррозии и эрозии к расчетной толщине стенки штуцера.–“Избыточный” металл укрепляемого элемента A 4 , участвующий в укреплении отверстия,определяют по формулеA 4 l p S S р C , (13.24)гд е l p расчетная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера или торообразной вставки;–S исполнительная толщина стенки укрепляемого– элемента;S p расчетная толщина стенки укрепляемого элемента;–C сумма прибавок к расчетной толщине стенки укрепляемого элемента.–Компенсируемую площадь отверстия A определяют по формулеA 0 5 d , p d op S p , (13.25)гд е d p расчетный диаметр отверстия;–d op расчетный диаметр.–Расчетный диаметр определяется по формулеd op 0 4 , D p S C . (13.26)Отношения допускаемых напряжений определяются по формулам:– для штуцера1 min 1 0 , ; 1 ; (13.27)– для укрепляющего кольца2 min 1 0 , ; 2 , (13.28)135где [ ] , [ ] 1 , [ ] 2 – допускаемые напряжения для материаловсоответственно укрепляемого элемента, штуцера и укрепляющего кольца при расчетной температуре.Предпочтительной схемой укрепления является укрепление без накладного кольца, т.е. спомощью избыточной толщины стенки штуцера. Поэтому условие укрепления (13.20) сначала проверяется для схемы укрепления без использования накладного кольца. Если условие укрепления не выполняется при принятых толщинах стенок штуцера и укрепляемого элемента, то для выполнения условия увеличивают толщину стенки штуцера до возможной величины (это возможно при небольшой разнице левой и правой части неравенства). Если в условии укрепления левая часть неравенства значительно превосходит правую, то в этом случае применяют накладное кольцо, площадь которого и определяется разницей левой и правой части неравенства.Определение допускаемого давленияДопускаемое внутреннее избыточное давление P определяется по формуле[ ] P 2 K 1 S C [ ] V , (13.29)D p S C Vгде K 1 – безразмерный коэффициент;V –коэффициент понижения прочности.Коэффициент K 1 принимают равным1 для цилиндрических и конических обечаекK 1 2 для выпуклых днищ .Коэффициент понижения прочности V определяется по формуле1 l 1p S 1 C s 1 l 2 p S 2 2 l 3 p S 1 C s C s1 1V min 1 ; l p S C ,(13.30)1 0 5 , d p l p d op K 1 d 2 C D p s 1 l l 1p pгд е – коэффициент прочности сварных соединений обечаек иднищ;1 коэффициент прочности продольного сварного– соединения штуцера.Если укрепленный элемент работает под наружным давлением, то допускаемое давлениеопределяется по формулеPP П , (13.31)1 P / P 2П EР г д е – допускаемое наружное давление в пределах пластичности,Попределяемое как допускаемое внутреннее избыточное давление для обечайки (днища) с отверстием по формуле (13.29);P – допускаемое наружное давление в пределах упругости дляEобечайки (днища) без отверстий (см. лекцию 10):по формуле (10.13) для цилиндрической обечайки20 8 10 , 6 D E 100 S C 2 5 ,Р ,Е n B l Dy 1по формуле (10.32) для конических обечаек и днищP 20 8 10 , 6 E D E 100 S к С 2 5 , ,E n B l Dy 1 E Eпо формуле (10.21) для выпуклых днищ136P 26 10 6 E 100 S 1 C 2 .E n K Ry э13.5. Учет взаимного влияния отверстийЕсли не выполнено условиеb D p S C D p S C ,то отверстия считаются взаимовлияющими.Рис. 13.9. Расчетные схемы укрепления взаимовлияющих отверстийа– при размещении отверстий на цилиндрической обечайке; б– при размещении отверстий понормали к поверхности; в– при размещении отверстий со смещенными штуцерами 13.6. Последовательность расчета взаимовлияющих отверстийУкрепление отверстий в аппаратах, работающих под внутренним избыточным давлениемРасчет таких отверстий выполняется следующим образом: 1) для каждого из этих отверстий проверяется условие укрепления и выполняется, еслинеобходимо, укрепление отверстий;2) проверяется необходимость укрепления перемычки между отверстиями, для чего должно бытьопределено допускаемое давление для перемычки P , по формулев137P в 0 5 D , 2 K p 1 D S C p S C V 1 V 1 , (13.32)гд е V 1 коэффициент понижения прочности.–Если допускаемое давление для перемычки меньше расчетного давленияР Р ,вто производят укрепление взаимовлияющих отверстий общим накладным кольцом либо увеличивают толщину стенки укрепляемого элемента (обечайки или днища).При раздельном укреплении каждого отверстия коэффициент понижения прочности может бытьопределен по формуле1 l 1p S 1 C s 1 l 2 p S 2 2 l 3 p S 1 C s C s1 1b S C1 ;V 1 min l 1p S 1 K 3 C s 0 8 , 1 d l p 2 p 2 b d S p 2 2 K 1 l 3 p d S D 1 2 C p C s s C 1 s1 l 1p b 1 . (13.33)b S Cd 2 C s l 1pD p 1 bПараметры с одним штрихом и двумя штрихами в формуле (13.33) относятся соответственно кэлементам укрепления первого и второго отверстия.Если ось сварного шва обечайки (днища) удалена от наружных поверхностей обоих штуцеровболее чем на три толщины стенки укрепляемого элемента, 3 S , и не пересекает перемычку (рисунок13.10), коэффициент прочности сварного шва в формулах (13.32–13.34) следует принимать 1 . Востальных случаях коэффициент принимают в зависимости от вида и объема контролируемых швов, т.е. по группе аппарата.Коэффициенты прочности продольных сварных швов штуцеров принимают равными 1 1 и1 1 , если соответствующие сварные швы составляют на окружности штуцеров с линией,соединяющей центры отверстий (рисунок 13.10) центральные углы и не менее 60°. Востальных случаях принимают 1 1 и 1 1 в зависимости от вида и объема контролируемых швов.Рис.13.10. Размещение продольных сварных швов на смежных штуцерах, вваренных в обечайкуПри совместном укреплении двух взаимовлияющих отверстий общим накладным кольцомкоэффициент понижения прочности определяют по формуле1381 l 1p S 1 C s 1 l 1p S 1 C s L S 2 2 2b S C1 ;V 1 min l 3 p K S 3 3 C 0 8 , s C d s1 p 2 b d 3 p l 3 p K 1 S 1 d C D s 2 C p C s s1 1 1 l 1p b , (13.34)b S Cd 2 C s l 1pD p 1 bгд е L 2 расчетная ширина зоны укрепления при использовании общего укрепляющего кольца для двух отверстий, мм.–Расчетная ширина зоны укрепления L 2 определяется по формулеL 2 min b l ; 2 p l 2 p . (13.35)Коэффициент K 3 для цилиндрических и конических обечаек определяется по формулеK 3 0 5 1 , cos 2 , (13.36)где – угол, определяемый в соответствии с рисунком 13.3.Таким образом, для отверстий расположенных на одной направляющей обечайки 0 и K 3 1 .Для отверстий, расположенных в сечении, перпендикулярном оси обечайки, 90 ? и K 3 0 5 , .Для выпуклых днищ принимают K 3 1 .139Рис.13.11. Совместное укрепление взаимовлияющих отверстийа –круглым накладным кольцом; б – кольцом произвольной формыУкрепление отверстий в аппаратах, подверженных наружному давлениюРасчет укрепления взаимовлияющих отверстий в аппаратах, подверженных наружному давлению,проводится для каждого из этих отверстий отдельно так же, как и при внутреннем давлении.Допускаемое наружное давление определяется следующим образом. Определяют допускаемое давление из условия прочности для каждого из отверстий по формуле(13.29)[ ] P 1,2 2 K D 1 p S C S C V [ ] VЗатем определяют допускаемое давление для перемычки по формуле (13.32)P в 0 5 D , 2 K p 1 D S C p S C V 1 V 1 .Меньшее из полученных значений принимается за допускаемое давление из условия прочностиР min P ; P ; Р . (13.37)П 1 2 вДопускаемое давление в пределах упругости определяют для обечайки или днища без отверстий(см. лекцию 10):по формуле (10.13) для цилиндрической обечайки14020 8 10 , 6 D E 100 S C 2 5 ,Р ,Е n B l Dy 1по формуле (10.32) для конических обечаек и днищP 20 8 10 , 6 E D E 100 S к С 2 5 , ,E n B l Dy 1 E Eпо формуле (10.21) для выпуклых днищP 26 10 6 E 100 S 1 C 2 .E n K Ry эДопускаемое наружное давление определяют по формулеPP П .1 P / P 2П EПри невыполнении условия прочности укрепление производится аналогично укреплению привнутреннем избыточном давлении.Контрольные вопросы к лекции 131. Почему необходимо укрепление отверстий в стенках аппаратов?2. Какими конструктивными элементами выполняют укрепление отверстий?3. Как определяется площадь, подлежащая компенсации?4. Какие отверстия считаются одиночными?5. Понятие диаметра отверстия, не требующего укрепления.6. Как определяется расчетный диаметр отверстия?7. Как определяется расчетный диаметр укрепляемого элемента?8. Как определяется коэффициент прочности сварных соединений для штуцера и укрепляемого элемента?9. Условие укрепления одиночного отверстия.10. Как определяются площади, входящие в условие укрепления?11. В каком случае отверстия считаются взаимовлияющими?12. Что такое перемычка?13. Как конструктивно выполняют укрепление взаимовлияющих отверстий?14. В какой последовательности выполняют расчет укрепления взаимовлияющих отверстий при внутреннем избыточном давлении?15. В чем заключаются особенности расчета укрепления взаимовлияющих отверстий при наружном давлении?141 Лекция 14. Тема "Конструкции и расчет фланцевых соединений" Рассматриваемые вопросы: Конструкции фланцевых соединений. Требования, предъявляемые кразъемным соединениям. Типы фланцевых соединений. Нагрузки, действующие во фланцевых соединениях. Опасные сечения. Определение расчетных параметров. Расчет нагрузок. Расчет болтов (шпилек). Расчет прокладок. Расчет фланцевого соединения на прочность. Расчет фланцевого соединения на жесткость.14.1. Конструкции фланцевых соединений Требования, предъявляемые к разъемным соединениямК разъемным соединениям предъявляют следующие требования:– герметичность при заданной температуре и давлении;– достаточная прочность и жесткость;– допустимость быстрой и многократной сборки и разборки;– технологичность изготовления;– взаимозаменяемость.Конструкция фланцевого соединенияВсем этим требованиям удовлетворяют фланцевые соединения – одно из самых распространенныхсоединений в машиностроении и аппаратостроении.Фланцевое соединение включает в себя два фланца или фланец с крышкой (заглушкой) спрокладкой между ними, соединенных болтами или шпильками. Фланцы, крышки, заглушки и прокладки стандартизованы по условному проходу или диаметру и условному давлению. Весь непрерывный ряд размеров фланцев по диаметрам и давлению разбит на ряд условных (номинальных) давлений и условных проходов (номинальных размеров). Условный проход определяет не только размеры трубы, но и размеры предназначенного для нее фланца. Величина условного прохода определяет наружный диаметр трубы, а ее внутренний диаметр зависит от толщины стенки трубы. Так, для труб с условным проходомDN 50 наружный диаметр трубы равен57 мм, а внутренний диаметр изменяется в зависимости от толщины стенки трубы.Ряд условных проходов, в мм: 10, 15, 20; 25, 32, 40; 50, 65, 80, 100, 125; 150, (175); 200 и т.д. Рядусловных давлений для арматурных фланцев, в МПа: 0,1; 0,25; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 8,0; 10; 16; 20. Ряд условных давлений для аппаратных фланцев, в МПа: 0,3; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 8,0; 10; 16.Введение понятий условного прохода и условного давления позволило свести к минимуму всемногообразие размеров труб и фланцев. Все типы фланцев из соображений взаимозаменяемости на данный условный проход и условное давление имеют одинаковые присоединительные размеры. Фланцы выбираются по расчетной температуре и расчетному давлению на ближайшее большее условное давление.Типы фланцевых соединенийПо назначению различают фланцы аппаратные и фланцы для арматуры и трубопроводов. Фланцыэтих двух типов регламентируются разными стандартами и отличаются по конструкции, размерам и применению. Базовым размером для аппаратных фланцев является внутренний диаметр. Аппаратные фланцы изготовляют с внутренним диаметром не менее 400 мм и применяют для разъемов корпусов аппаратов и люков. Базовым размером фланцев для арматуры и трубопроводов является условный проход (номинальный размер). Фланцы для арматуры и трубопроводов изготовляют с условным проходомDN 10 мм и более и применяют в качестве фланцев штуцеров аппаратов и соединенийтрубопроводов.По конструкции фланцы разделяют на: – фланцы плоские приварные; – фланцы приварные встык; – свободные фланцы на приварном кольце.1421, 2 – фланцы; 3– болт; 4– гайка; 5– прокладка; 6 – втулка (обечайка)Рис. 14.1. Конструкции плоских приварных аппаратных фланцева – с гладкой уплотнительной поверхностью; б– типа "выступ-впадина"; в –типа "шип-паз"1, 2 – фланцы; 3– шпилька; 4– гайка; 5– прокладкаРис. 14.2. Конструкции приварных встык аппаратных фланцева – типа "выступ-впадина"; б– типа "шип-паз"; в – с уплотнительной поверхностью под прокладкувосьмиугольного сечения1, 2– фланцы; 3 – прокладка; 4 – болт; 5 – гайка; 6 – патрубокРис. 14.3. Конструкции плоских приварных фланцев для арматуры и трубопроводова – с соединительным выступом (с гладкой уплотнительной поверхностью); б – типа "выступ-впадина"1431, 2 –фланцы; 3 –прокладка; 4 –болт (шпилька); 5 –гайкаРис. 14.4. Конструкции приварных встык фланцев для арматуры и трубопроводова – с соединительным выступом; б –типа "выступ-впадина"; в – типа "шип-паз"; г – суплотнительной поверхностью под прокладку овального сечения1, 2 –фланец; 3– прокладка линзовая; 4– шпилька; 5 –гайкаРис. 14.5. Фланцевое соединение с приварными встык арматурными фланцами и уплотнительнойповерхностью под линзовую прокладку14.2. Выбор конструкции фланцев, уплотнительной поверхности и материалов для элементов фланцевого соединения Фланцы плоские приварные и приварные встык могут быть аппаратными и для трубопроводов, асвободные фланцы на приварном кольце – только для арматуры и трубопроводов. Плоский приварной фланец представляет собой плоское кольцо, приваренное к краю обечайки или трубы. Плоские приварные аппаратные фланцы применяют при условном давлении до 1,6 МПа включительно и температуре от минус 70 до плюс 300 °С. Плоские приварные фланцы для арматуры и трубопроводов применяют при условном давлении до 2,5 МПа. Фланец приварной встык имеет коническую втулку и приваривается к обечайке или трубе стыковым швом. Эти фланцы применяются при более высоких нагрузках, чем плоские приварные фланцы. Фланцы аппаратные приварные встык рекомендуется применять при условном давлении до 6,3 МПа с неметаллическими прокладками и до 16 МПа с металлической прокладкой при температуре от минус 70 до плюс 600 °С. Фланцы приварные встык для арматуры и трубопроводов применяют при условном давлении до 20 МПа. Аппаратные фланцы имеют круглую форму, арматурные фланцы могут изготовляться круглыми и квадратными.Свободный фланец состоит из свободного кольца и кольцевого бурта, привариваемого к трубе.Преимуществами свободных фланцев являются легкое совмещение отверстий для болтов при сборке соединений путем поворота фланца и возможность изготовления кольца фланца из другого материала (например, более прочного или более дешевого, чем материал труб). Свободные фланцы применяют при давлениях не более 2,5 МПа.1441, 2 –фланцы; 3 –прокладка; 4 –болт (шпилька); 5 –гайка; 6 –труба; 7,8 – кольцаРис. 14.6. Конструкция свободных фланцев на приварном кольцеа – с соединительным выступом; б – типа "выступ-впадина"Фланцы могут иметь различную форму уплотнительных поверхностей: – гладкая уплотнительная поверхность (или с соединительным выступом); – "выступ-впадина"; – "шип-паз"; – под металлическую прокладку восьмиугольного или овального сечения; – под линзовую прокладку (только для арматурных фланцев). Плоские приварные фланцы изготовляют с гладкой уплотнительной поверхностью, поверхностьютипа "выступ-впадина" и "шип-паз". Фланцы приварные встык изготовляют с уплотнительными поверхностями типа "выступ-впадина", "шип-паз" и под металлическую прокладку восьмиугольного (для аппаратных фланцев) или овального сечения и линзовую прокладку (для фланцев арматуры и трубопроводов).Форма уплотнительной поверхности выбирается по свойствам рабочей среды, температуре идавлению (т.е. по группе аппарата). Фланцы с гладкой уплотнительной поверхностью не применяют для аппаратов 1 и 2 групп. Фланцы с уплотнительной поверхностью типа "шип-паз" рекомендуются для прокладок, которые необходимо помещать в замкнутый объем и для герметизации сред с высокой проникающей способностью, например, для высокотемпературных органических теплоносителей. Фланцы приварные встык с уплотнительной поверхностью под металлическую прокладку восьмиугольного сечения рекомендуются при условном давлении от 6,3 до 16,0 МПа.Фланцы могут быть изготовлены из однородного материала (цельные) или из двух материалов(облицованные или наплавленные). Арматурные фланцы изготовляются только цельными. Аппаратные фланцы из недорогих углеродистых и низколегированных сталей изготовляют цельными, а фланцы из нержавеющих коррозионностойких сталей изготовляют цельными только при небольших размерах. Фланцы больших диаметров изготовляют составными, при этом несущая часть фланца выполняется из недорогих углеродистых и низколегированных сталей, а соприкасающиеся со средой поверхности защищают облицовкой или наплавкой из коррозионностойкой стали. Материал фланца выбирают по стандарту на фланцы, такой же как материал корпуса или трубы или ближайший по свойствам.145Рис. 14.7. Конструкции плоских приварных фланцев, облицованных и наплавленныхкоррозионностойкой стальюа –облицованный листом из коррозионностойкой стали; б – наплавленныйкоррозионностойкой стальюРис. 14.8. Конструкции приварных встык фланцев, облицованных и наплавленныхкоррозионностойкой стальюа – облицованный листом из коррозионностойкой стали; б – наплавленный коррозионностойкойстальюМатериал прокладок выбирается в зависимости от свойств рабочей среды, температуры идавления. Для изготовления прокладок используют неметаллические материалы (паронит, фторопласт, картон асбестовый, резину и др.), металлы (стали марок 08, 08Х13, 08Х18Н10Т, алюминий, медь и др.). Прокладки могут быть комбинированными – асбест в металлической обкладке, полимеры в сочетании с металлами и др.146Рис. 14.9. Типы прокладок а –плоская; б – круглого сечения, в– асбометаллическая; г –спирально-навитая; д– овальногосечения; е– восьмиугольного сечения; ж – зубчатая; з– линзоваяРис. 14.10. Плоская прокладкаРис. 14.11. Прокладка овального сеченияРис. 14.12. Прокладка восьмиугольного сечения147Рис. 14.13. Линзовая прокладкаРис. 14.14. Прокладка из терморасширенного графита1 – лента металлическая; 2 – лента наполнителя; 3 – наружное кольцо; 4 – внутреннее кольцоРис.14.15. Типы спирально-навитых прокладока– основных типов А и Б (без ограничительных колец); б– типа В (с наружнымограничительным кольцом); в– типа Г (с внутренним ограничительным кольцом); г– типа Д (с внутренним и наружным ограничительными кольцами)Общая классификация фланцев по назначению, конструкции и форме уплотнительнойповерхности приведена в табл. 14.1.Таблица 14.1Классификация фланцевПо Фланцы для арматурыФланцы аппаратныеназначению и трубопроводовКруглые Круглые или квадратныеЦельные,наплавленные, ЦельныеПо облицованныеконструкции СвободныеПлоские Приварные Плоские Приварные наприварные встык приварные встык приварномкольце148С гладкой уплотнительной поверхностью (с соединительным выступом)+ – + + +Выступ-впадина + + + + +Шип-паз + + + + +Под восьмиугольную металлическую прокладку (или овальную)– + – + –Под линзовую прокладку– – – + – 14.3. Нагрузки, действующие во фланцевых соединениях. Опасные сечения Не смотря на конструктивную простоту фланцевого соединения, в процессе эксплуатации в немвозникают сложные пространственные деформации. При расчете необходимо учитывать, что все детали соединения связаны между собой, но при этом каждая деталь обладает определенной прочностью и жесткостью, что определяет нагрузки и деформации каждой детали и соединения в целом.Фланцевые соединения обычно нагружены внутренним избыточным или наружным давлением, атакже, в ряде случаев, осевыми силами и изгибающими моментами. Значительные нагрузки на фланцы создаются болтами в условиях затяжки соединения. При повышенной температуре среды в аппарате элементы фланцевого соединения нагреваются неодинаково, при этом температура болтов устанавливается обычно ниже температуры фланцев. Вследствие теплового расширения деталей фланцевого соединения в болтах (шпильках) могут возникать значительные температурные усилия.Таким образом, на фланцевое соединение действуют следующие нагрузки: – внутреннее или наружное избыточное давление; – осевые силы; – изгибающие моменты; – усилия затяжки болтов; – температурные усилия. В результате воздействия внешних нагрузок в диаметральных сечениях фланца возникаютизгибающие моменты, под действием которых втулка (обечайка) будет находиться в напряженном состоянии. Если втулка цилиндрическая (плоский приварной фланец), опасным сечением является сечение в месте приварки фланца к обечайке. Если втулка фланца коническая (фланец приварной встык), опасными являются сечения в месте соединения плоскости фланца с втулкой и втулки с обечайкой. В указанных сечениях напряжения возникают в осевом (меридиональные напряжения) и тангенциальном (кольцевые или окружные напряжения) направлениях.14.4. Последовательность расчета фланцевых соединенийФланцевое соединение рассчитывают на прочность, жесткость (герметичность) и малоцикловуюусталость.Расчет фланца на прочность заключается в определении эквивалентных напряжений в опасныхсечениях и сравнении этих напряжений с допускаемыми напряжениями.Расчет фланца на жесткость (герметичность) заключается в определении угла поворота фланца исравнения его с допускаемой величиной угла поворота.Расчет фланцевых соединений производится в следующей последовательности:1. Определяется тип фланца (плоский приварной или приварной встык) по давлению, температуре идиаметру.2. Определяется тип уплотнительной поверхности по свойствам рабочей среды или группе аппарата.1493. Выбираются фланцы (крышка) по соответствующим стандартам и определяются их размеры(вычерчивается эскиз).4. Уточняется материал фланца, крышки, болтов или шпилек, прокладки.5. Выбирается прокладка по соответствующему стандарту и определяются ее размеры.6. Определяют расчетную температуру элементов фланцевого соединения.7. Определяют допускаемые напряжения для материала болтов и фланцев.8. Рассчитывают податливости элементов фланцевого соединения.9. Определяют коэффициент жесткости фланцевого соединения.10. Производят расчет нагрузок.11. Выполняют расчет болтов на прочность.12. Выполняют расчет мягких прокладок на смятие.13. Выполняют расчет фланца на прочность.14. Выполняют расчет фланца на жесткость.15. При необходимости выполняют расчет на малоцикловую усталость. 14.5. Определение расчетных параметровРасчетные температуры элементов фланцевого соединенияРасчетные температуры элементов фланцевого соединения зависят от расчетной температурыаппарата и наличия теплоизоляции.Таблица 14.2Расчетные температуры элементов фланцевого соединенияФланцы изолированные Фланцы неизолированныеt ф t б t ф t бt 0 97 t , 0 96 t , 0 85 t ,t расчетная температура стенки аппарата, °С;–t ф расчетная температура фланца, °С;–t б расчетная температура болтов (шпилек), °С.–Допускаемые напряженияДопускаемые напряжения для материалов болтов (шпилек) определяются по формулам: если расчетная температура болтов (шпилек), изготовленных из углеродистых сталей непревышает 380 °С, низколегированных – 420 °С, аустенитных – 525 °С[ ] б R n e ; (14.1)тесли расчетная температура болтов (шпилек) превышает указанную выше[ ] б min R n т e ; R m 10 n / д 5 ; R p1 0 10 n , / п 5 , (14.2)где R e – минимальное значение предела текучести материала болтов (шпилек) при расчетной температуре, МПа;R m 10 / 5 – среднее значение предела длительной прочности за 10 5 ч при расчетной температуре, МПа;R p1 0 10 , / 5 – средний 1%-ный предел ползучести за 10 5 ч при расчетной температуре, МПа;n т – коэффициент запаса прочности по пределу текучести;n д – коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности;n п – коэффициент запаса прочности по пределу ползучести.Коэффициенты запаса прочности по пределу текучести приведены в таблице 14.3.150Коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности следует принимать равнымn д 1 8 , .Коэффициент запаса прочности по пределу ползучести принимается равным n п 1 1 , .Таблица 14.3Значение коэффициента запаса прочности по пределу текучестиКоэффициент запаса прочности по пределуМатериал текучести n тболтов рабочие условия условия испытания(шпилек) затяжка не затяжка контролиру-ется затяжка не затяжка контролиру-етсяконтролиру-ется контролиру-етсяУглеродистые стали при:R R e / т 0 7 , 2,6–2,8 2,4 2,1 1,8R R e / т 0 7 , 2,3 2,1 1,7 1,6Аустенитные 1,9 1,8 1,4 1,3сталиR т – минимальное значение временного сопротивления (предела прочности) материала болтов(шпилек) при расчетной температуре.Допускаемые напряжения для наиболее распространенных материалов болтов (шпилек) приведеныпособии 2 .Допускаемые напряжения материала фланца [ ] и [ ] 20 принимаются пособию [1].Дальнейшие расчеты рассмотрим для плоских приварных фланцев для опасного сечения S 0 .Расчет фланцев приварных встык производится аналогичным образом, но для двух опасных сечений:S 0 и S 1 . Последовательность расчета и расчетные формулы для приварных встык фланцевприведены в пособии [2].Расчетная схема плоских приварных фланцев приведена на рис. 14.16. Допускаемые напряжения для материала плоских приварных фланцев в сечении толщинойS 0(рис.14.16) при расчете на статическую прочность:в рабочих условиях[ ] S0 4 5 2 0 , , R R p0 2 m , [ ] ; (14.3)в условиях затяжки[ ] S0 20 4 5 2 0 , , R R 20 p0 2 m 20 , [ ] 20 ; (14.4)в условиях испытания[ ] u S0 6 0 2 7 , , R R 20 p0 2 m 20 , [ ] 20 , (14.5)где R p0 2 , , R 20 p0 2 , минимальное значение условного предела текучести материала фланцасоответственно при расчетной и температуре 20 °С, МПа;R m , R m 20 минимальное значение временного сопротивления (предела прочности) материалафланца соответственно при расчетной и температуре 20 °С, МПа.151а – с гладкой уплотнительной поверхностью; б– типа „выступ-впадина”; в –типа „шип-паз”Рис. 14.16. Расчетная схема для плоских приварных фланцевДля углеродистых и низколегированных сталей в формулах (14.3)–(14.5) вместо минимальныхзначений условных пределов текучести R p 0 , 2 и R p 20 0 , 2 необходимо подставлять минимальныезначения пределов текучести при расчетной температуре – R e и температуре 20°С – R e 20соответственно.Расчет фланцевого соединения для условий испытания производить не требуется, если расчетноедавление в условиях испытания меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на1 35 , [ ] /[ ] 20 .Расчет вспомогательных величинЭффективную ширину плоской прокладки определяют по формулам:b 0 b n при b n 15 мм; (14.6)b 0 3 8 , b n при b n 15 мм, (14.7)гд е b n исполнительная ширина прокладки, мм.–Для металлических прокладок восьмиугольного сеченияb 0 0 25 b , n . (14.8)Линейная податливость неметаллической прокладки определяется по формулеу n E n h K n D cn b n , (14.9)гд е h n толщина прокладки;–K коэффициент обжатия прокладки;–E n модуль упругости прокладки;–D cn средний диаметр прокладки.–Для металлических и асбометаллических прокладок у n 0 .Основные характеристики прокладок для фланцевых соединений аппаратов приведены в таблице14.4.152Таблица 14.4Характеристики прокладокКоэффициен т удельного давления на прокладку Удельное давление обжатия прокладки Допускаемо е удельное давление Коэффиц иент обжатия прокладк и Модуль упругости прокладкиТип и материал прокладки m q обж , [q ] , МПа K E п 10 МПа 5 ,МПаПлоская из резины с твердостью по Шору А до 65 единиц 0 , 3 10 40,50 2 18 0,04 1 b n2 h nПлоская из резины с твердостью по Шору А более 65 единиц 0 , 4 10 41,00 4 20 0,09 1 b n2 h nПлоская из паронита при толщине не более 2 мм2,50 20* 130 0,90 0,02Плоская из картона асбестового при толщине 1 – 3 мм2,50 20 130 0,90 0,02Плоская из фторопласта-4 при толщине до 3 мм2,50 10 40 1,00 0,02Асбометаллическая в оболочке из алюминия, меди или латуни, сталей марок: 05КП, 12Х18Н10Т3,25 3,50 38 46 – – – – 0,04 0,043,75 3,75 53 63 – – – – 0,05 0,05Прокладка восьмиугольного сечения из сталей марок: 08Х13, 08Х18Н10Т5,50 125 180 – – – – – –6,50Продолжение таблицы 14.4Коэффициен т удельного давления на прокладку Удельное давление обжатия прокладки Допускаемо е удельное давление Коэффи циент обжатия проклад ки Модуль упругости прокладкиТип и материал прокладки m q обж , [q ] , МПа K E п 10 МПа 5 ,МПаПрокладка спиральнонавитая 1,50 27 – – –Прокладка ТРГ неармированная с обтюратором2,0 4,0 200 – 11 , 1 q ***120 при t =2Прокладка ТРГ армированная без обтюратора2,5 4,0 мм** – 11 , 1 q ***100 при t =3мм**Прокладка ТРГ армированная с обтюратором 2,0 4,0 200 – 11 , 1 q **** Для сред с высокой проникающей способностью (водород, гелий, легкие нефтепродукты,153сжиженные газы и т.п.) q обж 35 , 0 МПа.** Толщина прокладки в свободном состоянии. ***q – удельное давление на прокладку при затяжке, МПа.Податливость болтов (шпилек) следует определять по формуле:y б E б 20 l б f б n , (14.10)гд е l б расчетная длина болта (шпильки);–f б площадь поперечного сечения болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы (принимается по таблице 14.5);–Е б 20 модуль продольной упругости материала болта (шпильки) при температуре 20 °С;–n – количество болтов (шпилек).Таблица 14.5Площадь поперечного сечения болта (шпильки)Диаметр болта (шпильки) d, мм20 24 27 30 36 42 48 52 56Площадь поперечного сечения болтапо 165 191внутреннему диаметру резьбы 225 324 430 520 760 1045 1380 7 1f б ,мм 2Примечание – В случае применения шпилек с проточкойзначение площади поперечного сечения шпильки определяется по диаметру проточки.Расчетная длина болта (шпильки) рассчитывается по формулеl б l l б0 б0 0,56 d для шпильки 0,28 d для болта , (14.11)гд е l б0 расстояние между опорными поверхностями гайки и головки болта (для шпилек – между опорными поверхностями гаек);–d – наружный диаметр болта (шпильки).Для расчетных давлений 2,5 МПа и более следует применять шпильки. Эквивалентная толщина плоского приварного фланцаS э S 0 .Угловая податливость фланцаY ф 1 E 1 0 9 20 , h 3 2 , (14.12)гд е , , 2 безразмерные коэффициенты;Е 20 модуль продольной упругости материала фланца при 20 ºС;–154h толщина фланца в месте контакта с прокладкой.–Коэффициент определяется по формуле1, (14.13)1 0 9 , 1 1 j 2где , 1 , j – безразмерные коэффициенты.Коэффициент рассчитывается по формулеh D S 0 . (14.14)Коэффициент 1 рассчитывается по формуле1 1 28 , lg D D н , (14.15)гд е D н наружный диаметр фланца.–Коэффициент рассчитывается по формуле22 D D н н D D . (14.16)Коэффициент j рассчитывается по формулеj h S 0 . (14.17)Фланцевое соединение может состоять из двух фланцев (одинаковых или разных по конструкции)или фланца с крышкой (например, в люках). Если фланцы отличаются по конструкции или материалу, то необходимо вышеприведенные коэффициенты и угловую податливость рассчитывать для каждого фланца. В соединении фланца с крышкой рассчитывают угловую податливость фланца и крышки.Угловая податливость плоской крышкиXкрyкр , (14.18)Е кр 20 h кр 3гд е X кр – безразмерный коэффициент.0 67 К , кр 2 1 8 55 , lg K кр 1X кр , (14.19)К кр 1 К кр 2 1 1 857 К , кр 2 1 h кр кр 3h кр где , кр толщина плоской крышки соответственно в зонеуплотнения и на наружном диаметре;К кр – безразмерный коэффициент.K кр D D н сп , (14.20)гд е D сп средний диаметр прокладки.–Плечи моментов сил определяют по формулам:b 0 5 D , б D сп ; (14.21)e 0 5 D , сп D S э , (14.22)где D б диаметр болтовой окружности;–155S э эквивалентная толщина втулки фланца.–Определение коэффициента жесткости фланцевого соединенияКоэффициент жесткости фланцевого соединения, нагруженного внутренним избыточным илинаружным давлением и внешней осевой силойJ 1 y п y ф 1 е 1 y ф 2 е 2 b , (14.23)гдеy n y б y ф1 y ф2 b 2 . (14.24)При стыковке одинаковых по размерам фланцев:y ф1 y ф2 y ф ;e 1 e 2 e .Следовательно,J 1 y п 2 y ф e b , (14.25)гдеy п y б 2 y ф b 2 . (14.26)Для соединения с плоской крышкойJ 1 y n y ф е y кр b b , (14.27)гдеy п y б y ф y кр b 2 . (14.28)Для фланцев с металлической прокладкой J 1 .14.6. Расчет фланцевого соединения на прочностьРасчет нагрузок Равнодействующая внутреннего избыточного или наружного давленияQ д 0 785 D , сп 2 Р , (14.29)где Р расчетное внутреннее избыточное или наружное давление (для вакуума или наружного давления P<0).–Реакция прокладки в рабочих условияхR n D сп b m P o , (14.30)где m коэффициент удельного давления на прокладку .–При определении нагрузок от температурных деформаций расчетные температуры фланцев,крышки, болтов (шпилек), трубной решетки, следует уменьшить на температуру, при которой происходит сборка фланцевого соединения (20 °С).Нагрузка, возникающая от температурных деформаций фланцевого соединенияQ t 1 ф 1 h ' t ф 20 ф 2 h '' t ф 20 б l бо t б 20 , (14.31)1где1561 y n y б Е Е б 20 б y ф1 Е Е 1 20 1 y ф2 Е Е 2 20 2 b 2 ; (14.32)ф1 , ф2 , б коэффициенты линейного расширения материаласоответственно фланцев и болтов (шпилек);t ф , t б – расчетная температура соответственно фланцев иболтов (шпилек).Коэффициенты линейного расширения сталей, получивших наибольшее распространение дляизготовления фланцев и болтов (шпилек), приведены в таблице 14.6.Нагрузка, возникающая от температурных деформаций, при стыковке одинаковых фланцев (сгладкой уплотнительной поверхностью и под прокладку восьмиугольного сечения) Q t , Н,определяется по формуле1Q t 2 ф h t ф 20 б l б 0 t б 20 , (14.33)1где1 y n y б E E б 20 б 2 y ф E E 20 b 2 . (14.34)Нагрузка, возникающая от температурных деформаций в соединении фланца с плоской крышкойQ t , Н, определяется по формулеQ t 1 ф h t ф 20 кр h кр t ф 20 б l б 0 t б 20 , (14.35)1гд е кр – коэффициент линейного расширения материала крышки,1/ °С.Коэффициент 1 определяется по формуле1 y n y б Е Е б 20 б y ф Е Е 20 y кр Е Е кр кр 20 b 2 . (14.36)Таблица 14.6Расчетное значение коэффициента линейного расширения сталейМарка стали Расчетное значение коэффициента линейного расширения 10 6 ,1/ °C, при температуре t , °C100 200 300 400 500Ст3, 20, 20К 11,6 12,6 13,1 13,6 14,135 11,1 11,9 13,2 13,4 13,940 11,3 12,0 13,3 13,3 13,309Г2С, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1, 10Г213,0 14,0 15,3 16,1 16,212ХМ, 12МХ, 15ХМ, 15Х5М, 15Х5М-У 11,9 12,6 13,2 13,7 14,035Х, 40Х, 38ХА 13,4 13,3 14,0 14,8 14,820ХН3А 11,0 12,0 13,0 13,5 14,030ХМА 12,3 12,6 12,9 13,9 14,225Х1М1Ф 11,3 12,7 12,9 13,9 14,203Х18Н11, 08Х17Н12М2Т, 08Х17Н15М3Т16,6 17,0 18,0 18,0 18,045Х14Н14В2М 16,6 17,0 18,0 18,0 18,025Х2М1Ф 12,5 12,9 13,3 13,7 14,037Х12Н8Г8МФБ 15,9 18,0 19,2 21,5 22,408Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т 9,6 13,8 16,0 16,0 16,512Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 03Х17Н14М3, 10Х17Н13М2Т,16,6 17,0 18,0 18,0 18,015710Х17Н13М3Т, 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т 03Х21Н21М4ГБ14,9 15,7 16,6 17,3 17,506ХН28МДТ, 03ХН28МДТ 15,3 15,9 16,5 16,9 17,308Х18Г8Н2Т 12,3 13,1 14,4 14,4 15,3ХН35ВТ 14,8 15,1 15,5 15,9 16,108Х15Н24В4 14,5 15,5 16,3 16,8 17,2Примечание – Промежуточные значения коэффициента определяются методом линейнойинтерполяции.Болтовая нагрузка в условиях монтажаP б max P б1 ; Р б2 ; Р б3 , (14.37)где Р б1 – болтовая нагрузка от совместного действиявнутреннего избыточного или наружного давления среды, осевой силы и изгибающего момента;Р б2 болтовая нагрузка, необходимая для начального смятия прокладки;–Р б3 болтовая нагрузка из условия обеспечения прочности болтов (шпилек).–Болтовая нагрузка P б1Р б 1 J Q д F R n Q t J м 4 D cn M , (14.38)где F внешнее осевое усилие, действующее на фланцевое соединение (– F 0 , если усилие сжимающее);М внешний изгибающий момент, действующий на фланцевое соединение.–При отсутствии внешнего осевого усилия F и внешнего изгибающего момента М болтоваянагрузка P б 1 , МПа, определяется по формулеР б 1 J Q д R n Q t . (14.39)Нагрузка от температурных деформаций Q t учитывается только при Q t 0 .Если коэффициент жесткости фланцевого соединения J 1 , в расчетах принимается J 1 .Болтовая нагрузка, необходимая для начального смятия прокладки, определяется по формулеP б2 0 5 , D cn b q 0 обж ; (14.40)Болтовая нагрузка из условия обеспечения прочности болтов (шпилек), определяется по формулеP б3 0 4 , [ ] 20 б n f б , (14.41)[ ] гд е б 20 – допускаемое напряжение для материала болтов (шпилек) при температуре 20 °С;п – количество болтов (шпилек).Для условий вакуума или наружного давленияP б max P б2 ; P б3 . (14.42)Расчет болтов (шпилек)Условие прочности болтов (шпилек): в условиях монтажаб1 n f P б б [ ] б 20 ; (14.43)в рабочих условиях158б2 P б1 п f б P б [ ] б , (14.44)гд е б1 напряжение в болтах (шпильках) в условиях монтажа (при температуре 20 °С);–б2 напряжение в болтах (шпильках) при расчетной температуре в рабочих условиях;–P б приращение нагрузки на болты (шпильки) в рабочих условиях.–4 MP б 1 J Q д F Q t м D cn . (14.45)При отсутствии внешнего осевого усилия F и внешнего изгибающего момента М приращениеболтовой нагрузки P б , МПа, определяется по формулеP б 1 J Q д Q t . (14.46)Для условий вакуума или наружного давленияб2 P б n f б P б [ ] б . (14.47)При проверке прочности болтов для рабочих условий с учетом нагрузки на болты от стесненноститемпературных деформаций допускаемое напряжение может быть увеличено на 30 %.Расчет прокладокУсловие прочности мягких прокладокq P б [ ] q , (14.48)D cn b nгд е [ ] q – допускаемое удельное давление на прокладку.Расчет фланца на прочностьРассмотрим расчет на прочность плоского приварного фланца. Для плоских приварных фланцевопасным сечением является сечение в месте приварки фланца к обечайке. Расчет фланца на прочность заключается в определении эквивалентных напряжений в опасных сечениях и сравнении этих напряжений с допускаемыми напряжениями, определенными по формулам (14.3) – (14.5).При затяжке в опасном сечении возникают меридиональные и кольцевые напряжения навнутренней и наружной поверхности обечайки. Фланец может соединяться с обечайкой непосредственно или через цилиндрическую втулку большей толщины, чем обечайка. Толщина цилиндрической втулки для стандартных фланцев указана в стандарте. Если при расчете цилиндрической обечайки от давления толщина ее получилась меньше, чем толщина рекомендованной втулки, то фланец соединяют с обечайкой через переходную втулку рекомендованной стандартом толщины.Изгибающий момент от болтовой нагрузкиM 01 P б b . (14.49)Меридиональные напряжения в цилиндрической втулке (обечайке) при затяжке фланцевогосоединения для плоских приварных фланцев:на наружной поверхности втулки 21 1 ;на внутренней поверхности втулки 22 1 ,где 1 максимальное напряжение изгиба во втулке в месте приварки ее к фланцу:–1 D S T 0 M C 01 2 . (14.50)где1592T D н D 1 8 55 , lg D н D 1 ; (14.51)21 05 1 945 D , , н D D н D 1Если фланец приварен непосредственно к обечайке, S 0 S , где S толщина стенки обечайки.Приращение меридиональных напряжений в цилиндрической втулке (обечайке) в рабочихусловиях для плоских приварных фланцев:21 м 1 ; (14.52)22 м 1 , (14.53)где м – приращение напряжения, возникающего вмеридиональном направлении в цилиндрической втулке (обечайке) в рабочих условиях от действия внешних нагрузок,м Q д 4 M D D S 0 cn C F , (14.54)1 – приращение напряжения, возникающего вмеридиональном направлении от изменения изгибающего момента в рабочих условиях,1 D S T 0 M C 01 2 , (14.55)где M 01 – приращение изгибающего момента от болтовой нагрузки.Приращение изгибающего момента от болтовой нагрузкиM 01 P б b Q д 4 D M cn F e . (14.56)При отсутствии осевого усилия и внешнего изгибающего момента приращение изгибающегомомента от болтовой нагрузки определяют по формулеM 01 P б b Q д e . (14.57)Окружные напряжения в цилиндрической втулке (обечайке) при затяжке соединения для плоскихприварных фланцев:23 0 3 , 1 ; (14.58)24 0 3 , 1 . (14.59)Приращения окружных напряжений в цилиндрической втулке (обечайке) в рабочих условиях дляплоских приварных фланцев:23 2 S P D 0 C 0 3 , 1 ; (14.60)P D24 2 S 0 C 0 3 , 1 . (14.61)Условия статической прочности плоских приварных фланцев в сечении толщиной S 0 :при затяжке соединения1602 2S0 max 21 23 21 23 [ ] S0 20 ; (14.62)2 222 24 22 24в рабочих условияхp 2 p 2 p p21 23 21 23S0 max p 2 p 2 p p [ ] S0 , (14.63)22 24 22 24где 21 р – меридиональное напряжение на наружной поверхностивтулки в рабочих условиях;р – меридиональное напряжение на внутренней поверхности22втулки в рабочих условиях;р – окружное напряжение на наружной поверхности втулки в23рабочих условиях;р – окружное напряжение на внутренней поверхности втулки24в рабочих условиях;[ ] S0 – допускаемое напряжение в рабочих условиях.Меридиональные и окружные напряжения для плоских приварных фланцев в сечении толщинойS 0 в рабочих условиях определяются по формулам:21 р 21 21 ; (14.64)22 р 22 22 ; (14.65)23 р 23 23 ; (14.66)24 р 24 24 . (14.67)14.7. Расчет фланцевого соединения на жесткость Угол поворота фланца при затяжке соединения, радM 01 1 1 0 9 E 20 , h 3 2 , (14.68)где M 01 изгибающий момент от болтовой нагрузки.Приращение угла поворота фланца в рабочих условияхM 01 1 1 0 9 E h , 3 2 , (14.69)где M 01 приращение изгибающего момента от болтовой нагрузки.Условие жесткости (герметичности) фланцевого соединения[ ] , (14.70)где [ ] допускаемый угол поворота фланца, рад.–Для плоских приварных фланцев:в рабочих условиях [ ] 0,013 ;в условиях испытания [ ] 0,017 .Фланцы приварные встык рассчитывают в такой же последовательности. Отличие в расчетесостоит в том, что проверяют условия прочности в двух опасных сечениях. Подробно расчет приварных встык фланцев рассмотрен в пособии [2].161Контрольные вопросы к лекции 1410. Требования к разъемным соединениям.10. Классификация фланцев по назначению и конструкции.10. Типы уплотнительных поверхностей.10. Крепежные изделия фланцевых соединений.10. Материалы элементов фланцевого соединения.6. Перечислите нагрузки, действующие во фланцевых соединениях. 7. Опасные сечения. 8. Как определяется расчетная длина болта (шпильки)? 9. Как определяется высота фланца? 10. Что такое коэффициент жесткости фланцевого соединения? 11. Как определяется болтовая нагрузка? 12. От чего зависит нагрузка от температурных деформаций? 13. В чем заключается расчет болтов? 14. Как действуют меридиональные и окружные напряжения? 15. В чем заключается расчет на прочность? 16. В чем заключается расчет на жесткость?162Лекция 15. Тема "Конструкции и выбор опор и строповых устройств аппаратов"Рассматриваемые вопросы:Конструкции опор вертикальных аппаратов. Лапы опорные.Опоры стойки. Цилиндрические опоры. Конструкции опор горизонтальных аппаратов. Выбор опор. Расчет обечаек вертикальных аппаратов на прочность от воздействия опорных нагрузок. Расчет необходимости применения подкладных листов для вертикальных аппаратов на лапах. Расчет необходимости применения подкладных листов для горизонтальных аппаратов на седловых опорах. Конструкции строповых устройств. Выбор строповых устройств.15.1. Конструкции опор вертикальных аппаратов Вертикальные аппараты могут быть установлены на стойках, лапах или цилиндрических опорах.Обычно в помещениях аппараты устанавливаются на стойках или на лапах. Аппараты на лапах устанавливают на межэтажных перекрытиях или специальных стальных конструкциях. На открытых площадках аппараты устанавливают на цилиндрических или конических опорах.Все перечисленные типы опор стандартизованы.Лапы опорные Конструкция и основные размеры опорных лап приведены в ГОСТ 26296-84 "Лапы опорныеподвесных вертикальных сосудов и аппаратов".Опорные лапы изготовляют следующих исполнений:1 – штампованные;2 – сварные;3 – сварные с увеличенным вылетом для изоляции;4 – штампованные с увеличенным вылетом для изоляции.На рисунках 15.1 и 15.2 приведены конструкции соответственно штампованной и сварной лап(исполнения 1 и 2). Лапы исполнений 3 и 4 с увеличенным вылетом для изоляции имеют такую же конструкцию, но несколько большие размеры с учетом размещения изоляции.1– скоба; 2 – накладной листРис. 15.1. Штампованная опорная лапа1631 – пластина; 2 – ребро; 3 – накладной листРис. 15.2. Сварная опорная лапаЛапы изготовляют в основном из углеродистой стали. Выбирают типоразмер лапы подопускаемой нагрузке на одну лапу. Допускаемая нагрузка определена при допускаемом напряжении материала лапы 130 МПа и модуле упругости 1,8 105 МПа. Число лап принимают по конструктивнымсоображениям: от двух до четырех. Обечайку аппарата рассчитывают на прочность от опорных нагрузок и при недостаточной несущей способности обечайки применяют накладные листы. Накладной лист приваривают к обечайке сплошным односторонним швом, толщина накладного листа должна быть не менее толщины обечайки. В случае приварки к аппарату из коррозионностойкой стали лап из углеродистой стали независимо от несущей способности обечайки устанавливают накладные листы из коррозионностойкой стали для исключения контактной коррозии. Сварку опорной лапы и приварку ее к обечайке или накладному листу производят сплошным двухсторонним швом.Опоры – стойки Опоры-стойки применяют для аппаратов с эллиптическими или коническими днищами. Типы, конструкция и размеры опор-стоек приведены в ГСТУ 3-17-192-2000 "Опори–стоякивертикальних апаратів". Стандарт устанавливает пять типов опор:тип 1 – опора из листового проката для аппаратов с эллиптическими и коническими днищами; тип 2 – опора из труб для аппаратов с эллиптическими днищами; тип 3 – опора из уголка для аппаратов с эллиптическими днищами; тип 4 – опора облегченная для аппаратов с эллиптическими и коническими днищами; тип 5 – опора из двутавра для аппаратов с эллиптическими днищами. Опоры типа 1 имеют два исполнения: 1 – сварные; 2 – штампованные. Количество опор стоек – 3 или 4.1641 – ребро; 2 – пластина; 3 – подкладной листРис.15.3. Опора из листового проката для аппаратов с эллиптическими днищами типа 1исполнения 1Рис.15.4. Опора из листового проката для аппаратов с коническими днищами типа 1 исполнения 11 – скоба; 2 – накладка; 3 – подкладной листРис.15.5. Опора-стойка из листового проката типа 1 исполнения 21651 – пластина; 2 – стойка; 3 – подкладной листРис.15.6 – Опора-стойка из труб1 – пластина; 2 – стойка; 3 – заглушка; 4 – подкладной листРис.15.7. Опора-стойка из уголка1 – пластина; 2 – стойка; 3 – подкладной лист166Рис.15.8. Опора-стойка облегченная1 – пластина; 2 – стойка; 3 – заглушка; 4 – подкладной листРис.15.9. Опора-стойка из двутавраОпоры изготовляют из листового проката, уголков и двутавра из стали Ст3сп, труб – из стали 10.Допускается применять другие марки стали с механическими характеристиками не ниже, чем у указанных сталей. Требования к установке подкладных листов и методов сварки такие же, как и для опор лап.Цилиндрические опоры Типы, конструкция и основные размеры опор приведены в ГСТУ 3-17-193-2000 "Опоривертикальних апаратів". Стандарт устанавливает пять типов опор:тип 1 – опора облегченная цилиндрическая; тип 2 – опора цилиндрическая с местными косынками; тип 3 – опора цилиндрическая с внешними стойками под болты; тип 4 – опора цилиндрическая с кольцевым опорным поясом; тип 5 – опора коническая с кольцевым опорным поясом.Опора типа 1 состоит из цилиндрической обечайки 1, к которой приваривается кольцо 2. Вобечайку вварены лаз 3и укрепляющие кольца 4 та 5.Опора типа 2 отличается от опоры типа 1 тем, что к обечайке 1и кольцу 2 приварены косынки6.Опора типа 3 отличается от опоры типа 1 тем, что к обечайке 1и кольцу 2приварены ребра 7 спланками 6.Опора типа 4 отличается от опоры типа 1 тем, что к обечайке 1и кольцу 2приварены ребра 7 сверхним кольцом 6.Опора типа 5 состоит из конической обечайки 1,к которой приварена цилиндрическая обечайка2,и верхнее 3 и нижнее 4 опорные кольца. Между верхним и нижним кольцами приварены ребра 8. В коничскую обечайку вварен лаз 5иукрепляющие кольца 6 и 7.1671 – обечайка; 2– кольцо; 3– лаз; 4, 5 – укрепляющие кольцаРис. 15.10. Опора цилиндрическая облегченная (типа 1)1 – обечайка; 2– кольцо; 3– лаз; 4, 5 – укрепляющие кольца; 6 – косынкаРис. 15.11. Опора цилиндрическая с местными косынками (типа 2)1681 – обечайка; 2– кольцо; 3– лаз; 4, 5 – укрепляющие кольца; 6 – планка; 7 – реброРис. 15.12. Опора цилиндрическая с наружными стойками под болты (типа 3)1 – обечайка; 2– кольцо нижнее; 3– лаз; 4, 5 – укрепляющие кольца;6 – кольцо верхнее; 7 – реброРис. 15.13. Цилиндрическая опора с кольцевым опорным поясом (типа 4)1691 – обечайка коническая; 2– обечайка цилиндрическая; 3 – кольцо верхнее;4– кольцо нижнее; 5 – лаз; 6, 7 – кольца укрепляющие; 8 – реброРис. 5.14. Опора коническая с кольцевым опорным поясом (типа 5)Опоры изготовляют из углеродистых и низколегированных сталей. Материал опор выбирается взависимости от условий эксплуатации. При приварке к аппарату из коррозионностойкой стали опоры из углеродистой стали должна быть предусмотрена переходная обечайка из коррозионностойкой стали для исключения контактной коррозии. Высота цилиндрических опор должна быть не менее 600 мм. Для вентиляции полости опоры в верхней части должно быть не менее двух отверстий диаметром 100 мм. При сварке опор с днищами, имеющими сварные швы, в опорах необходимо предусмотреть люки-лазы для доступа к сварным швам днища. В этом случае отверстия для вентиляции не предусматриваются.Опоры выбираются по приведенным нагрузкам: максимальной и минимальной. Максимальнуюприведенную нагрузку определяют по большему из значений:Q max 4M D 1 F 1 или Q max 4M D 2 F 2 , (15.1)где М 1 и F 1 – расчетный изгибающий момент и осевое сжимающее усилие в месте присоединенияопорного кольца в рабочих условиях;М 2 и F 2 – то же в условиях испытаний.Минимальная приведенная нагрузкаQ min 4M D 3 F 4 , (15.2)где М 3 и F 4 – расчетный изгибающий момент и осевое сжимающее усилие в месте присоединенияопорного кольца в условиях монтажа.По приведенным нагрузкам определяют тип опор и конструктивные размеры опоры по стандарту.15.2. Конструкции опор горизонтальных аппаратов170Горизонтальные аппараты независимо от их размещения (в помещении или на открытойплощадке) устанавливают на седловых опорах. Типы, конструкция и основные размеры опор приведены в ОСТ 26-2091-81 "Опоры горизонтальных сосудов и аппаратов. Конструкция". Стандарт устанавливает 3 типа опор в зависимости от диаметра аппарата, каждый тип предусматривает несколько исполнений в зависимости от нагрузки:тип 1 – опоры для сосудов и аппаратов диаметром от 159 до 630 мм, который имеет дваисполнения по нагрузкам:исполнение 1 – от 10 до 40 кН, исполнение 2 – от 16 до 80 кН; тип 2 – опоры для сосудов и аппаратов диаметром от 800 до 2000 мм, который имеет триисполнения по нагрузкам:исполнение 1 – от 80 до 250 кН, исполнение 2 – от 160 до 400 кН, исполнение 3 – от 300 до 450 кН; тип 3 – опоры для сосудов и аппаратов диаметром от 2200 до 4000 мм, который имеет триисполнения по нагрузкам:исполнение 1 – от 250 до 630 кН, исполнение 2 – от 500 до 1400 кН, исполнение 3 – от 900 до 1200 кН.1– лист опорный; 2 –плита опорная; 3 – реброРис. 15.15. Опора неподвижная типа 1 исполнения 11711– лист опорный; 2 –плита опорная; 3– ребро; 4 – лист подкладной5 – болт М16Рис. 15.16. Опора подвижная типа 1 исполнения 1:1– лист опорный; 2 –плита опорная; 3-5 – ребра;6 – втулка резьбовая; 7 – шайбаРис. 15.17. Опора неподвижная типа 21721– лист опорный; 2 –плита опорная; 3-6 – ребра; 7 – втулка резьбовая; 8 – шайбаРис. 15.18. Опора неподвижная типа 3:Число опор, располагаемых вдоль аппарата, определяют расчетом. В зависимости от длины имассы аппарата число опор может быть равно двум или более. При этом одна опора должна быть неподвижной, остальные – подвижными для компенсации температурных удлинений аппарата. Скольжение подвижной опоры происходит по подкладному листу или по металлоконструкции. Для этого в опорной плите подвижной опоры предусмотрены пазы под фундаментные болты. Фундаментные болты у подвижной опоры следует снабжать контргайками и не затягивать (устанавливать с зазором 1-2 мм).Опорный лист приваривается к аппарату прерывистым швом по периметру. Сварку деталейопоры и приварку опоры к опорному листу выполняют сплошным односторонним швом. Опоры для сосудов и аппаратов диаметром до 3200 мм должны привариваться к корпусу на предприятии- изготовителе. Опоры для сосудов и аппаратов диаметром более 3200 мм допускается поставлять отдельно, при этом опорные листы должны быть приварены к корпусам на предприятии- изготовителе. При транспортировке опор отдельно от аппаратов в центральном ребре опоры предусматривают для строповки два отверстия диаметром 60 мм.Материал опор в зависимости от температуры рабочей среды и температуры самой холоднойпятидневки (если аппарат расположен на открытой площадке) должен выбираться по таблице 15.1:173Таблица 15.1Температура, ° СИсполнениесамой холодной Материалпо рабочейпятидневки нематериалу средынижеОт минус 40 Сталь Ст3пс4 ДСТУ1до 350Минус 40 Сталь 16ГС категория 15 ГОСТ 19282-73От минус 402до 475Ниже минус Сталь 09Г2С категория 9 ГОСТ 19282-733 40 до минус Минус 6070Обозначение седловых опор включает в себя нагрузку, радиус опоры и исполнение по материалу.У подвижных опор впереди ставится буква "П":Опора 360 – 646 – 1 ОСТ 26-2091-81; Опора П 360 – 646 – 1 ОСТ 26-2091-81.В опорах типов 2 и 3 при массе пустого аппарата до 16400 кг должны быть предусмотренывтулки резьбовые под регулировочные винты, которые применяются для установки аппарата в горизонтальном положении. Узел регулировочного винта приведен на рисунке 15.19.После выверки аппарата на фундаменте и затвердевания бетонной подливки, регулировочныевинты, а также болты М16, служащие для крепления подкладного листа к подвижной опоре, должны быть удалены. Резьбовые отверстия заполняются антикоррозионной мастикой. Гайки и контргайки фундаментных болтов не должны затягиваться. Между гайкой и шайбой должен оставаться зазор 1-2 мм.1 – болт М16; 2 – втулка резьбовая; 3 – шайба; 4 – винт регулировочный;5 – гайка; 6 – болт фундаментный М24; 7 – гайка М24; 8 – пластина опорнаяРис. 15.19. Крепление опоры15.3. Выбор опор Выбор типа опоры зависит от рабочего положения аппарата (горизонтальный или вертикальный),от способа установки аппарата (на фундаменте или металлоконструкции; в цеху или на открытой площадке), от соотношения высоты и диаметра аппарата.После выбора типа и количества опор определяют нагрузку на одну опору по весу аппарата врабочих условиях и подбирают по соответствующему стандарту опору по допускаемой нагрузке.17415.4. Расчет обечаек вертикальных аппаратов на прочность от воздействия опорных нагрузок Расчетный диаметр элемента, нагруженного опорными узлами, определяют по формуле:D äëÿ öèëèí äðè÷åñêî é î áå÷àéêèD ê äëÿ êî í è÷åñêî é î áå÷àéêècosD p R äëÿ ñô åðè÷åñêî ãî äí èù à (15.3)x 2D 1 3 äëÿ ýëëèï òè÷åñêî ãî äí èù à ñ H D 0, 25Dгде D – внутренний диаметр цилиндрической обечайки иливыпуклого днища;D к – внутренний диаметр конической обечайки всечении, соответствующем половине высотыопорного узла;– половина угла при вершине конической обечайки;R – радиус сферического днища;x – расстояние между осью эллиптического днища исерединой опорного узла;H – высота выпуклой части днища по внутреннейповерхности без учета цилиндрической обечайки.Для обечайки, нагруженной опорным узлом, определяют местные допускаемые усилия F i .Воснову расчетаобечаек,нагруженных несущими ушками, опорными лапами или седловыми опорами, положено предельное напряжение изгибаi , определяемое из условия достижения предельногосостояния балки прямоугольного сечения, вырезаемой из обечайки.Расчет необходимости применения подкладных листов для вертикальных аппаратов налапахРасчетная схема приведена на рисунке 15.20.Рис. 15.20. Расчетная схема175Опорные лапы присоединены к цилиндрическим или коническим обечайкам. Направлениедействия усилия принимают параллельно оси обечайки. Расчет заключается в определении несущей способности обечайки (допускаемого усилия на обечайку в области опорного узлаF ) и сравнения1с расчетным усилием F 1 . При выполнении условия прочности F 1 F 1 считается, что несущаяспособность обечайки достаточна; при невыполнении условия прочности необходимо применить подкладной лист и проверить несущую способность обечайки с подкладным листом.Расчетные формулы применяют при S C 0,05.D pРасчетное усилие, действующее на опорную лапуG M + для n 2 и n 4;F 1 = G 2 D + (e + S + S ) 2 1 M 2 F 1 , (15.4) + для n 3.3 0 866 , D + (e + S + S ) 2 1 2где G вес сосуда в рабочих условиях;–M изгибающий момент, действующий на обечайку в сечении, где расположены опорные узлы;–n – число опор.Расстояние между точкой приложения опорного усилия и обечайкой или подкладным листомпринимают равным e 1 6 5 ? 1 .При условии точного монтажа, обеспечивающего равномерное распределение нагрузки междувсеми опорными лапами, при n = 4 усилие можно определять по формулеF = 1 G 4 + D + 2 e + S + S M 1 2 F . 1 (15.5)Несущую способность обечайки в месте приварки опорной лапы без подкладного листаопределяют по формулеF 1 F = 1 i h S - C K e 7 1 1 2 , (15.6)где i – предельное напряжение изгиба;K 7 – коэффициент, зависящий от соотношений D h 1 p и 2 S C D p , определяется графически илирасчетным путем.Предельное напряжение изгибаi K 1 K n T 2 , (15.7)где K 1 коэффициент, определяемый в зависимости от 1 и– 2 ;допускаемое напряжение материала обечайки;–n т запас прочности по пределу текучести;–1 коэффициент, представляющий отношение местных мембранных напряжений к местным напряжениям изгиба;–2 коэффициент, учитывающий степень нагрузки– общими мембранными напряжениями;176K 2 коэффициент.–Значение 1 для опор лап без подкладного листа принимается равным 1 0 3 , .Коэффициент 2 определяют по формулеK 2 m , (15.8)2 n Tгд е m общее мембранное напряжение;–коэффициент прочности сварных швов обечайки, расположенных в области опорного узла.–Значение коэффициента K 2 принимается равным:для рабочих условий – 1,2; для условий испытания и монтажа – 1,0. КоэффициентK 1 определяется по формуле (15.9) или по рисункам 15.21, 15.22K 1 = 1+3 3 1 1 2 2 9 1+3 1 2 - 1 1 2 2 2 + 1 - 1 ; K 0 1 при 1 0 (15.9)1,5 1 - 2 2 при 1 0 =Общее мембранное напряжение в цилиндрической обечайке следует определять по формулеm 2 S C P D p . (15.10)При невыполнении условия (15.6) необходимо применить подкладной лист и проверить несущуюспособность обечайки с подкладным листом в месте приварки опорной лапы.Рис. 15.21. Коэффициент K 1 при 1 0177Рис. 15.22. Коэффициент K 1 при 1 0Несущую способность обечайки в месте приварки опорной лапы с подкладным листомопределяют по формулеF 1 F = 1 K e + S i 8 b S - C 3 1 2 2 , (15.11)где K 8 – коэффициент, определяемый графически или расчетным путем;i – предельное напряжение изгиба.При определении предельного напряжения изгиба коэффициент 1 для опор лап с подкладнымлистом принимается равным 1 0,4 .При невыполнении условия прочности обечайки с подкладным листом необходимо либоувеличить толщину обечайки до выполнения условия, либо увеличить число опор.15.5. Расчет обечаек горизонтальных аппаратов от опорных нагрузокРасчетные схемы приведены на рисунке 15.23, 15.24.178Рис. 15.23. Расчетная схемаРасчетные формулы применяют при60 180 ;S C0 , 05 ;DS 2 S ,гд е – угол охвата седловой опоры опорным листом ;S 2 толщина опорного листа.–В качестве основной расчетной схемы для определения опорных усилий, моментов и поперечныхусилий принимают балку кольцевого сечения, шарнирно опертую в местах расположения опор (рис.15.23).Распределенная нагрузка эквивалентного сосуда определяется по формулеq = G , (15.12)Lгде G – вес аппарата в рабочих условиях или условиях испытания;L – длина сосуда.Опорные усилия для сосуда, опирающегося симметрично на две седловые опорыF 1 F 2 = 0 , 5 G (15.13)Изгибающие моменты определяют в сечениях обечайки над опорами M 1 и между опорами M 2 всечениях, где они имеют наибольшие значения.Для сосуда, опирающегося симметрично на две седловые опоры, изгибающие моменты равны:179над опоройM 1 = 0 , 5 q l 1 2 . (15.14)между опорамиM 2 = F 1 2 L l 1 q 2 2 L 2 . (15.15)Поперечное усилие в сечении обечайки над опоройQ L L 2 l 1 F 1 (15.16)Расчет несущей способности обечайки производят для двух сечений: – в сечении между опорами; – в области опорного узла. Проверка несущей способности обечайки в сечении между опорами Для аппаратов, работающих при внутреннем избыточном давлении, производят следующиепроверки:а) условие прочности в сечении между опорамиУсловие прочности сосуда, работающего под внутренним избыточным давлением, определяетсяпо формулеP D + 4 M K 2 17 , (15.17)4 S - C D S - C 2где К 17 – коэффициент, учитывающий частичное заполнение жидкостью, определяется расчетнымпутем или графически.б) условие устойчивости в сечении между опорамиМ 2 1,0 , (15.18)Mгде М – допускаемый изгибающий момент, определяемый по формулеМ 0,25 D D S C S C . (15.19)Для сосудов, работающих под наружным давлением, производят проверку условия устойчивостиP + M 2 1,0 . (15.20)P MПроверка несущей способности обечайки в области опорного узлаРис. 15.24.а) проверка несущей способности180Проверку несущей способности производят сначала для обечайки без подкладного листа. Условие прочностиF min F , F 1 2 3 , (15.21)где F – допускаемое опорное усилие в осевом направлении;2F – допускаемое опорное усилие в окружном направлении.3Допускаемое опорное усилие в осевом направленииF = 0,7 i 2 D S - C S - C , (15.22)2 K K 18 20допускаемое опорное усилие в окружном направленииF = 0,9 i 3 D S - C S - C , (15.23)3 K K K 22 24 25где i 2 , i 3 - предельные напряжения изгиба, определяемые по формуле (15.7).При определении предельных напряжений изгиба i 2 и i 3 необходимо рассчитать двазначения коэффициента 2 и коэффициента К 1 и принятьто значение К 1 , которое дает меньшеепредельное напряжение изгиба.Коэффициенты К , К ,К ,К ,К 18 20 22 24 25 определяются в зависимости от угла обхвата опоры ипараметров:параметр, определяемый расстоянием до днища = 2,83 a S - C , (15.24)D Dпараметр, определяемый шириной пояса опоры = 0,91 b . (15.25) D S - CПри невыполнении условия прочности (15.21) требуется применение подкладного листа.Выбирают подкладной лист и проверяют несущую способность обечайки с подкладным листом.При выполнении условияb K 2 1 9 D + 1,5 b (15.26)прочность проверяют по формулеF 1,5 min F , F 1 2 3 , (15.27)где F и F определяют по тем же формулам, что и для обечайки без подкладного листа, но2 3значение их изменяется из-за изменения величины коэффициентов.б) проверка устойчивости в области опорного узлаПроверку устойчивости следует проводить по формулеP + M 1 + F e + Q 2 1,0 , (15.28)P M F Qгде P = 0 – для сосудов, работающих под внутренним избыточным давлением;F e – эффективное осевое усилие от местных мембранных напряжений, действующих вобласти опоры.F = F e 1 4 S - C D K K . 21 23 (15.29)15.6. Типы и конструкции строповых устройств181Подъем и перемещение аппаратов при монтаже и демонтаже осуществляется подъемно-транспортными средствами с помощью строповки. Для обеспечения надежности и безопасности строповки на аппаратах предусматривают специальные строповые устройства: крюки, ушки, цапфы или монтажные штуцера. Строповые устройства стандартизованы.На вертикальных аппаратах применяют крюки, цапфы, монтажные штуцера и ушки. Крюки,цапфы и монтажные штуцера на вертикальных аппаратах следует размещать выше центра тяжести аппарата.На горизонтальных аппаратах применяют ушки, цапфы и монтажные штуцера. Крюки, ушки и цапфы рассчитаны на грузоподъемность не более 320 кН. Монтажные щтуцерадопускают грузоподъемность до 2500 кН. Удлиненные монтажные штуцера допускают грузоподъемность до 1000 кН.Конструкция крюков двух исполнений – сварного и штампованного – приведенасоответственно на рисунках 15.25 и 15.26.Конструкция ушек приведена на рисунке 15.27. Конструкция цапф приведена на рисунке 15.28.1– скоба; 2– пластинаРис. 15.25. Крюк сварнойа –крюк; б – скоба; в – пластина1821– скоба левая; 2– скоба праваяРис. 15.26. Крюк штампованныйа –крюк; б – скоба левая; в – скоба правая1 – серьга; 2 – пластина183Рис. 15.27. Ушкоа – ушко; б – серьга1 – труба; 2 – кольцо; 3 – заглушкаРис. 15.28. ЦапфаКонструкция монтажных штуцеров приведена на рисунках 15.29 и 15.30. Монтажный штуцерсостоит из обечайки 1, к которой приварен фланец 2 и косынки 3. В обечайку вварено ребро 4. В зависимости от исполнения количество ребер составляет от 1 до 3. Штуцер приваривают к обечайке аппарата или к подкладному листу.1841 – обечайка, 2 – фланец, 3 – косынка, 4 – реброРис. 15.29. Штуцер монтажныйа– штуцер, б–косынка1 – обечайка, 2 – фланец, 3 – ребро185Рис. 15.30. Штуцер монтажный удлиненный13.7. Выбор строповых устройств Строповые устройства выбирают по усилию на одно строповое устройствоF 1,25G , ( 15.30)nгде G – вес аппарата при монтаже,n – количество строповых устройств.Для вертикальных аппаратов обычно используют два строповых устройства, но число ушекможет быть n 2; 3; 4. Строповые устройства следует размещать как можно выше центра массаппарата. Для горизонтальных аппаратов используют 4 цапфы. Материал строповых устройств – углеродистая сталь марок Ст3сп5, Ст3Гсп5.При выборе метода строповки учитывают: – массу, габариты, конфигурацию и расположение центра масс; – метод подъема и установки на фундамент; – количество грузоподъемных средств и конструкцию стропового устройства; – высоту и конфигурацию фундамента. Схема строповки в одной или двух проекциях приводится на первом листе общего вида аппарата.На схеме строповки указывается положение центра масс аппарата, расстояние от центра масс до строповых устройств и угол между стропами.Контрольные вопросы к лекции 151. Конструкция опор- стоек. 2. Конструкция опор-лап. 3. Цилиндрические и конические опоры. 4. Конструкция седловых опор. 5. Как определить нагрузку на одну опору? 6. В каких случаях требуется установка подкладных листов? 7. Влияет ли точность монтажа на нагрузку на опоры? 8. Сформулируйте условия необходимости подкладного листа. 9. Как определяются размеры подкладных листов? 10. Типы строповых устройств. 11. Определение нагрузки на одно строповое устройство. 12. Как располагают строповые устройства?186СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Конструювання і розрахунок сталевих зварних посудин та апаратів. Обичайки та днища: /Укл.О.І. Барвін, І.М. Гєнкіна, В.В.Іванченко, Г.В. Тараненко, Ю.Н. Штонда. Навч. посібник. – Луганськ: Вид-во Східноукр. нац.. ун-ту імені Володимира Даля, 2005. – 300 с.2. Конструювання і розрахунок сталевих зварних посудин та апаратів. Фланцеві з'єднання: /Укл.О.І. Барвін, І.М. Гєнкіна, В.В.Іванченко, Г.В. Тараненко, Ю.Н. Штонда. Навч. посібник. – Луганськ: Вид-во Східноукр. нац.. ун-ту імені Володимира Даля, 2007. – 306 с.3. Конструювання і розрахунок сталевих зварних посудин та апаратів. Стропові пристрої. Опори:/Укл. І.М. Гєнкіна, В.В. Іванченко, Г.В. Тараненко, Ю.М. Штонда. Навч. посібник. – Луганськ: Вид-во Східноукр. нац. ун-ту імені Володимира Даля, 2008. – 289 с.4. Смирнов Г.Г., Толчинский А.Р., Кондратьева Т.Ф. Конструирование безопасных аппаратов дляхимических и нефтехимических производств. – Л.: Машиностроение, 1988. – 303 с.5. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи. Подред. Михалева М.Ф. – Л.: Машиностроение, 1988. – 303 с.6. ГСТУ 3–17–191–2000. Посудини та апарати стальні зварні. Загальні технічні умови. –Державний комітет промислової політики України, 2000. – 301 с.7. ДНАОП 0.00-1.07-94. Правила будови та безпечної експлуатації посудин, що працюють підтиском. (зі змінами та доповненнями) –Київ. Видавництво "Основа", 1998.– 374 с.8. ГСТУ 3-17-193-2000. Опори вертикальних апаратів. Типи та основні розміри. Державнийкомітет промислової політики України, 2000. – 39 с.9. ГОСТ 6533–78. Днища эллиптические отбортованные стальные для сосудов, аппаратов икотлов. Основные размеры. – М.: Издательство стандартов, 1985.10. ГОСТ 8731–74. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Техническиетребования. М.: Изд–во стандартов, 1978. – 7 с.11. ГОСТ 8732–74. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент. М.: Изд–востандартов, 1978. – 11 с.12. ГОСТ 9617-76. Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. – М.: Издательство стандартов, 1976. – 3с.13. ГОСТ 10885–85. Сталь листовая горячекатанная двухслойная коррозионностойкая.Технические условия. – М.: Издательство стандартов, 1985.14. ГОСТ 12816 - 80. Фланцы арматуры, соединительных частей трубопроводов на Р у от 0,1 до20,0 МПа. Общие технические требования.15. ГОСТ 12820 - 80. Фланцы стальные плоские приварные на Р у от 0,1 до 2,5 МПа. Конструкцияи размеры.16. ГОСТ 12619–78. Днища конические отбортованные с углами при вершине 60 и 90°. Основныеразмеры. М.: Изд–во стандартов, 1978. – 22 с.17. ГОСТ 12620–78. Днища конические неотбортованные с углами при вершине 60, 90 и 120º.Основные размеры. М.: Изд–во стандартов, 1978. – 11 с.18. ГОСТ 12621–78. Днища конические неотбортованные с углом при вершине 140º. Основныеразмеры. М.: Изд–во стандартов, 1978. – 3 с.19. ГОСТ 12622–78. Днища плоские отбортованные. Основные размеры. М.: Изд–во стандартов,1978. – 4 с.20. ГОСТ 12623–78. Днища плоские неотбортованные. Основные размеры. М.: Изд–востандартов, 1978. – 4 с.21. ГОСТ 13372-78. Сосуды и аппараты. Ряд номинальных объемов. – М.: Издательствостандартов, 1978. – 2 с.22. ГОСТ 14249–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. – М.:Издательство стандартов, 1989.23. ГОСТ 19903–74. Прокат листовой горячекатанный. Сортамент. – М.: Издательствостандартов, 1974.24. ГОСТ 24755–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепленияотверстий. М.: Изд–во стандартов. 1989. – 31 с.25. ГОСТ 25221–82. Сосуды и аппараты. Днища и крышки сферические неотбортованные.Нормы и методы расчета на прочность. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 6 c.26. ГОСТ 25859-83. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность прималоцикловых нагрузках. М.: Изд-во стандартов, 1983. – 30 с18727. ГОСТ 25867–89. Сосуды и аппараты. Сосуды с рубашками. Нормы и методы расчета напрочность. М.: Изд–во стандартов, 1989. – 79 с.28. ГОСТ 26202-84. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность обечаек и днищот опорных нагрузок.29. ГОСТ 26296 - 84. Лапы опорные подвесных сосудов и аппаратов. Основные размеры.30. ГОСТ 28759.1-90. Фланцы сосудов и аппаратов. Типы и параметры. М.: Изд-во стандартов,1991. – 8 с.31. ГОСТ 28759.2-90. Фланцы сосудов и аппаратов стальные плоские приварные. Конструкция иразмеры. М.: Изд–во стандартов, 1991. – 26 с.32. ГОСТ 28759.3-90. Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык. Конструкция иразмеры. М.: Изд-во стандартов, 1991. – 22 с.33. ГОСТ 28759.4-90. Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык под прокладкувосьмиугольного сечения. Конструкция и размеры. М.: Изд-во стандартов, 1991. – 11 с.34. ГОСТ 28759.5-90. Фланцы сосудов и аппаратов. Технические требования. М.: Изд-востандартов, 1991. – 7 с.35. ГОСТ 28759.6-90. Прокладки из неметаллических материалов. Конструкция и размеры.Технические требования. М.: Изд–во стандартов, 1991. – 10 с.36. ГОСТ 28759.7-90. Прокладки асбометаллические. Конструкция и размеры. Техническиетребования. М.: Изд-во стандартов, 1991. – 7 с.37. ГОСТ 28759.8-90. Прокладки металлические восьмиугольного сечения. Конструкция иразмеры. М.: Изд-во стандартов, 1991. – 5 с.38. ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. –М.: Издательство стандартов, 1988. – 4 с.39. ОСТ 26–2002–83. Люки с плоскими крышками стальных сварных сосудов и аппаратов.Конструкция. Издание официальное, 1991. – 13 с.40. ОСТ 26–2003–83. Люки со сферическими крышками стальных сварных сосудов и аппаратов.Конструкция. Издание официальное, 1991. – 7 с.41. ОСТ 26–2008–83. Крышки плоские люков стальных сварных сосудов и аппаратов.Конструкция. Издание официальное, 1991. – 15 с.42. ОСТ 26–2009–83. Крышки сферические люков стальных сварных сосудов и аппаратов.Конструкция. Издание официальное, 1991. – 10 с.43. ОСТ 26 - 2091 - 81. Опоры горизонтальных сосудов и аппаратов. Конструкция, размеры итехнические требования.44. АТК 24. 200.02 - 90 Заглушки фланцевые стальные. Конструкция, размеры и техническиетребования.45. АТК 24.200.04-90. Альбом типовых конструкций. Опоры цилиндрические и коническиевертикальных аппаратов. Типы и основные размеры . – 23 с.46. РД 26–11–05–85. Сосуды и аппараты из двухслойной стали. Нормы и методы расчета напрочность.47. РД 26-15-88. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность и герметичностьфланцевых соединений. М.: НИИхиммаш, 1988. – 63 с.48. Методические указания к выбору конструкционных материалов для стальных сварныхсосудов и аппаратов для студентов специальности 7.090220/ Сост. А.И. Барвин, И.М. Генкина, В.В. Иванченко, Д.А. Куликов, В.Г. Табунщиков, Ю.Н. Штонда. – Северодонецк, СТИ, 2003. – 41 с.49. Методические указания к расчету цилиндрических обечаек стальных сварных сосудов иаппаратов для студентов специальности 7.090220 / Сост. А.И. Барвин, И.М. Генкина, В.В. Иванченко, В.Г. Табунщиков, Г.В. Тараненко, Ю.Н. Штонда. – Северодонецк, СТИ, 2002. – 83 с.50. Расчет выпуклых и плоских днищ и крышек, конических обечаек, днищ и переходов стальныхсварных сосудов и аппаратов. Методика и примеры расчета / Сост. А.И. Барвин, И.М. Генкина, В.В. Иванченко, Д.А. Куликов, В.Г. Табунщиков, Г.В. Тараненко, Ю.Н. Штонда. – Северодонецк, СТИ, 2003. – 122 с.51. Методические указания к расчету на прочность укрепления отверстий в обечайках, переходахи выпуклых днищах стальных сварных сосудов и аппаратов для студентов специальности 7.090220 / Сост. А.И. Барвин, И.М. Генкина, В.В. Иванченко, Д.А. Куликов, В.Г. Табунщиков, Г.В Тараненко, Ю.Н. Штонда. – Северодонецк: СТИ, 2003. – 56 с.52. Розрахунок на міцність, жорсткість і герметичність фланцевих з’єднань посудин та апаратів.Методика і приклади розрахунку. – Сєвєродонецьк. СТІ, 2005. – 68 с.18853. Методичні вказівки до вибору фланцевих з’єднань посудин та апаратів для студентівспеціальності 7.090220. / Укл. О.І Барвін, В.В. Іванченко, І.М. Гєнкіна, В.Г. Табунщіков, Г.В. Тараненко, Ю.М. Штонда. – Сєвєродонецьк: СТІ, 2006. – 94 с.189