Обеспечение прочности и экономичности корпусов тонкостенных аппаратов, находящихся под воздействием внутреннего давления

Для обеспечения прочности любой конструкции обычно выполняются механические расчеты.

Расчету на механическую прочность должны подвергаться все основные элементы аппарата, за исключением стандартных, выбранных на ближайшее большее условное давление для рабочей температуры. Если количество циклов нагружения не превышает 1000, то нагрузка в расчетах на прочность условно считается однократной. При определениичисла циклов нагружения не учитывается колебание нагрузки в пределах 15% от расчетной. В противном случае следует вести расчет на усталостную прочность.

Целью механического расчета химического и нефтехимического оборудования является определение размеров отдельных элементов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию машин и аппаратов за счет достаточной механической прочности, плотности разъемных соединений, устойчивости к сохранению формы и необходимой долговечности при минимальных затратах на их изготовление, транспортировку, монтаж и эксплуатацию.

Следует при этом учитывать, что в стоимости продукции, выпускаемой химическими заводами, доля амортизационных расходов составляет ничтожную величину, а стоимость самого аппарата в гораздо большей степени определяется стоимостью труда, затраченного на изготовление, чем стоимостью конструкционного материала. Конструктор обязан экономить материал и не допускать его напрасного расходования. Но нужно экономить разумно, так как слишком облегченная конструкция при изменении условий эксплуатации, как часто случается, может разрушиться, что приведет к катастрофическим последствиям.

Проектируя новые аппараты и сосуды, или решая вопрос о возможности использования существующих, конструктор должен определить тип, конструктивные размеры аппарата, подобрать нужный материал и определить толщину стенки, обеспечивающую достаточную прочность и устойчивость в первом, или рассчитать допустимые внутреннее и наружное давления во втором случае.

Основы конструирования и способы изготовления элементов сосудов изучались ранее при подготовке бакалавров и изложены в специальной технической литературе.

Сосуды и аппараты, применяемые в различных отраслях промышленности, в большинстве своем состоят изследующих элементов: цилиндрических и конических обечаек, выпуклых днищ и плоских крышек.

При действии внутреннего давления данные элементы рассчитываются по формулам, приведенным в ГОСТ Р 52857. 2 - 2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

Таким образом, конечной целью расчета по ГОСТу является:

- определение толщины стенки, обеспечивающей достаточную прочность при проектировании новых аппаратов и сосудов,

- или расчет допустимого внутреннего давления при решении вопроса о возможности использования существующих сосудов и аппаратов.

Формулы для определения данных величин получены на основе теории расчета тонких оболочек. В соответствии с данной теорией обычно определяется напряженное состояние материала тонких оболочек при воздействии внутреннего давления, и выводятся формулы для расчета напряжений.

Кроме этого, необходимо отметить, что в основу формул, приведенных в стандарте, при оценке прочности положен метод предельных нагрузок.

Далее коротко дадим представление о методе предельных нагрузок и систематизируем данные теории расчета оболочек вращения.

8.1 Два подхода к определению механической надежности элементов аппаратов*

Как известно, существуют два принципиально различных подхода к определению механической надежности деталей аппаратов и других сооружений, основанных на двух различных теориях:

- теории упругости;

- теории пластичности.

Согласно теории упругости прочность определяется величиной предельного напряжения, которое может выдержать нагруженная деталь, не разрушаясь (приложение Г).

Согласно теории пластичности прочность определяется величиной предельной нагрузки, которую может выдержать деталь, не получая остаточных деформаций.

Основанный на первом допущении метод расчета на прочность по предельным напряжениям базируется на предположении, что во всех частях детали или сооружения материал находится в упругом состоянии и нигде напряжение не превышает предела текучести. В случае сложнонапряженного состояния материала с помощью одной из теорий прочности находится приведенное напряжение, которое и сравнивается с предельным.

Материал элементов химических аппаратов нагружен неравномерно. Примерами элементов, в которых напряжения распределены неравномерно по сечению, являются фланцы, стенки толстостенных сосудов, крышки, а также места соединения частей разной жесткости, например, обечаек и днищ. Если в основу расчета на прочность по предельным напряжениям взять максимальное напряжение, возникающее в наиболее нагруженном месте конструкции и охватывающее весьма незначительный объем материала, то это неминуемо приведет к перерасходу конструкционного материала. Поэтому, рассчитывая конструкции по предельным напряжениям, берут за основу средние напряжения, например, мембранные напряжения в тонкостенных конструкциях, не обращая внимания на существование местных напряжений значительной интенсивности. Существенный недостаток такого подхода к оценке прочности заключается в том, что истинный запас прочности в разных частях конструкции остается невыясненным.

В особо интенсивно нагруженных местах конструкций, сделанных из пластических материалов, можно допускать частичный переход материала в упруго пластичное состояние, поскольку полное использование прочности материала наступает лишь при таких нагрузках, при которых пластические деформации распространяются на все опасное сечение конструкции.

Расчет на прочность, при котором предполагается переход части материала конструкции в пластичное состояние, называется расчетом по предельным нагрузкам. Этот метод расчета позволяет более объективно оценить величину максимальной нагрузки, которую может выдержать конструкция, не разрушаясь.

Метод расчета на прочность по предельным напряжениям пригоден для аппаратов, изготовленных как из пластичных, так и хрупких материалов.

Метод расчета на прочность по предельным нагрузкам применим только для расчета аппаратов, изготовленных из пластических материалов.