Важными техническими характеристиками аппарата являются допускаемые (предельные) внутреннее и наружное давления, которые определяют возможные технологические резервы. За счет прибавок c1 при округлении расчетных значений толщины стенок оболочек до стандартной толщины листа увеличивается несущая способность оболочки и соответственно допускаемые давления. Если допускаемые давления больше или равны расчетным (ррв, ррн), то расчеты на прочность и устойчивость выполнены правильно. Допускаемые давления рассчитываются для каждого элемента корпуса, в качестве технических характеристик принимается наименьшее значение допускаемого внутреннего и наименьшее значение допускаемого наружного давления.
Расчет допускаемых (предельных) внутренних давлений
а) Для цилиндрической обечайки
рдоп. в=2*j*[s]*(sц - c - u)/(D + sц) ³ pрв, (16)
рдоп.в=2*0,9*134,1*(10-2-0,8)/(2400+10) =0,721 МПа³0,219 МПа
б) Для эллиптической крышки
Рдоп. в=2*j*[s]*(sэ - с - u)/(D+0,5*sэ ) ³ ррв, (17)
рдоп.в=2*0,9*134,1*(6-1-0,5)/(2400+0,5*7)=0,45МПа³0,219 МПа
в) Для эллиптического днища
рдоп.в=0,55 МПа>0.219
Расчет допускаемых (предельных) наружных давлений
Обечайки, днища, крышки проверяются на устойчивость по условию
рдоп. н ³ ррн, (18)
где рдоп. н – допускаемое значение наружного давления для рассчитываемого элемента корпуса (значение расчетного наружного давления ррн см. табл. 3), Па.
а) Для цилиндрической обечайки
рдоп. н= 2,08*Е*D/(ny*lц)*((sц - c - u)/D)2,5, (19)
рдоп.н=2,08*1,91*105 *2400/(2,4*2790)*((10-2-0,8)/2400)2,5 =0,08 МПа³0,08 МПа
б) Для эллиптической оболочки
рдоп. н= 0,26*Е/ny*((sэ - с - u)/(D*K))2, (20)
рдоп. н= 0,26*1,91*105/2,4*((6-1-0,5)/(2400*0,9))2 =0,09³0,08МПа
Укрепление отверстий
Отверстия в оболочках аппарата, предназначенные для размещения штуцеров различного назначения и люка, снижают несущую способность корпуса и вызывают концентрацию напряжений вблизи края отверстия. Концентрация Напряжений носит локальный характер: напряжения быстро уменьшаются по мере удаления от края отверстия.
На основании ГОСТ 24755-89 расчет укрепления отверстий в оболочках корпуса проводится по геометрическому критерию. Для обеспечения прочности оболочки вблизи отверстия площадь продольного сечения выреза в виде прямоугольника А (рис. 6) должна быть компенсирована суммой площадей А0, А1, Аз, образованных дополнительными толщинами основной оболочки и стенки штуцера (рис. 4 а). Дополнительная толщина появляется из-за того, что исполнительная толщина стенки оболочки или штуцера обычно больше расчетной за счет прибавки с1. Если дополнительной толщины оболочки 3 (рис 4 б) и штуцера I недостаточно, приваривают накладное кольцо 2 вокруг отверстия, добавляя дополнительную площадь А2.
Наибольшим отверстием в оболочке корпуса является люк, расположенный на крышке аппарата - он подлежит первоочередной проверке. При использовании для оболочек корпуса и привариваемых к нему штуцеров одного материала расчет укрепления отверстий выполняется следующим образом;
а) Определяется наибольший диаметр отверстия d0 (мм) в оболочке, не требующий дополнительного укрепления (без учета укрепляющего действия штуцера);
d0=2*((s – c - u)/sp - 0,8)*lp, (21)
lp=(Dp(s - c - u))0.5, (22)
где s, sp - исполнительная и расчетная (из условия прочности) толщина стенки оболочки, мм;
с - прибавка для компенсации коррозии, мм;
u - минусовой допуск на толщину s листа, мм;
lp - расчетная ширина зоны укрепления, мм,
1) Для цилиндрической оболочки: Dp=D
lp=(2600*(10-2-0,8))0,5=136,8 мм
d0=2*((10-2-0,8)/2,2 – 0,8)*136,8 = 676,5 мм
проверка на укрепление для штуцера И: dш=80 мм
dшр= dш+2*с=80+2*1=82 мм<d0 (укрепление не нужно).
Для штуцера “И”(на днище)
Dp=2*2600*(1-3*(320/2600)2 )0,5 =5080мм
lp=(5080 *(10-2-0,8))0,5=191,2 мм
d0=2*((10-2-0,8)/2.2 - 0,8)*191,2 = 945.5 мм
dш=80мм
dшр= dш+2*с=80+2*1=82 мм<d0 (укрепление не нужно).
2) Для эллиптической оболочки: Dp=2*D*(1-3*(r/D)2)0.5
Dp=2*2400*(1-3*(740/2400)2 )0,5 =4058 мм
lp=135,1 мм
d0=2*((6-1-0,5)/2,2 - 0,8)*135,1 = 336,5 мм
проверка на укрепление для штуцера А: dш=250 мм
dшр=250+2*1=252 мм < d0 (укрепление не нужно).
Для штуцера Б: dш=100 мм
dшр=100+2*1=102 мм<d0 (укрепление не нужно).
Для штуцера В: dш=200 мм
dшр=200+2*1=202 мм<d0 (укрепление не нужно).
Для штуцера Г: dш=150 мм
dшр=150+2*1=152 мм<d0 (укрепление не нужно).
Для штуцера Д: dш=125 мм
dшр=125+2*1=127 мм<d0 (укрепление не нужно).
Для штуцера Е: dш=100 мм
dшр=100+2*1=102 мм< d0 (укрепление не нужно).
Для штуцера Ж: dш=27 мм
dшр=27+2*1=29 мм< d0 (укрепление не нужно).
Для штуцера З: dш=200 мм
dшр=200+2*1=202 мм<d0 (укрепление не нужно).
Для люка: dш=500 мм
dшр=500+2*1=502 мм> d0 (укрепление нужно).
Проверка укрепления люка за счет стенки штуцера и стенки оболочки:
Площадь продольного сечения выреза, подлежащая компенсации, мм2
A=0,5*(dш - d0)*sp1 (23)
A=0,5*(502 – 340)*2,2 = 178,2 мм2
Площадь продольного сечения оболочки, участвующая в укреплении, мм2
A0 = lp*(s-sp1-c) (24)
A0 = 136,5*(6-2,2-1)=382,2 мм2
Расчетные длины внешней l1p и внутренней l3p части штуцера, мм:
l1p=1,25*(dшр*(sш-c))0,5 (25)
l1p=1,25*(502*(8-1))0,5 = 74 мм
l3p=0,5*(dшр*(sш-2*c))0,5 (26)
l3p=0,5*(502*(8-2*1))0.5 = 27,4 мм
Площади продольного сечения наружной и внутренней частей люка, участвующие укреплении, мм2:
A1 = l1p * (sш-sшр-c) (27)
A3 = l3p * (sш-2*c) (28)
sшр = 0,2*(500+2) / (2*0,9*134,1-0,2) = 0,41 мм (по формуле (11), где j=1,D=dш+2*c)
A1 =74*(8-0,41-1)=487,7 мм2
A3 =27,4*(8-2)=164,4 мм2.
Условие укрепления отверстия за счет стенки люка выполняется, если:
А£А0 + А1 + А3 (29)
178,2 £1034,3(Выполняется, следовательно дополнительное кольцо не нужно).
Рис. 4. Схема к расчету укрепления отверстий: а) расчетная схема; б) укрепление отверстия накладным кольцом
Таблица 8 - Необходимость укрепления штуцеров
| Штуцер | Диаметр (условный проход), мм | Необходимость укрепления по предварительному расчету без учета укрепляющего действия штуцера |
| (Б) Резервный | Нет необходимости | |
| (В) Резервный | Нет необходимости | |
| (Г) Технологический | Нет необходимости | |
| (Д) Для трубы передавливания | Нет необходимости | |
| (Е) Для манометра | Нет необходимости | |
| (Ж) Для термопары | М27x2 | Нет необходимости |
| (З) Технологический | Нет необходимости | |
| (И) Вход и выхода теплоносителя | Нет необходимости | |
| (К) Для слива | Нет необходимости |
З.1.7. Фланцевые соединения
Герметичность фланцевого соединения обеспечивается правильным подбором материала прокладки и учетом действующих усилий. Элементы фланцевого соединения (болты и прокладки) проверяются на прочность.
Фланцевые соединения отъемной крышки корпуса, люка и других штуцеров комплектуются прокладками, материал которых выбирается в зависимости от коррозионной стойкости и термостойкости, причем, следует отдавать предпочтение материалам с низкой величиной коэффициента Кп.
Ширина прокладок b принимается в зависимости от типа и размеров фланцев.
Толщина прокладок из резины, фторопласта, паронита Sn = 3 мм, в остальных случаях: материал неметалл – Sn = 2 мм (D < 1400 мм), Sn = 3 мм (D >1400 мм), из металла – Sп = 1,5 мм, зубчатая металлическая или составная (неметалл в гофрированной оболочке) - Sп = 3,5¸4,5мм.
Материал фланцев с учетом коррозионной стойкости принимается таким же, как и материал корпуса аппарата соприкасающийся с рабочей средой. Материал болтов (шпилек) выбирается по ГОСТ 28759.5-90 в зависимости от материала элементов корпуса аппарата.
Расчет фланцевого соединения аппарата или люка проводится на основе отраслевого нормативно-технического документа РД 26-15-88.
Так как фланцевые (рис. 5) соединения относятся к статически-неопределимым системам, для расчета усилий, действующих на болты (шпильки) и на прокладку предварительно необходимо определить податливость болтов и прокладки (податливость - величина обратная жесткости, равна отношению деформации к вызывающей ее силе). Поскольку жесткость фланцев, как правило, значительно больше жесткости прокладки, податливостью фланцев можно пренебречь.
Тип фланца: плоский приварной по ГОСТ 28759.2-90; тип затвора: шип-паз по ОСТ 26-2003-83, исполнение 2.
Среда – нефтепродукты. В качестве материала для прокладки используется паронит общего назначения (ПОН). Расчет ведется для фланцев плоских приварных люка:
Таблица 9 - Параметры материала прокладки и размеры прокладки.
| Параметр | Значение |
| Толщина прокладки Sп, м | 0,003 |
| Коэффициент прокладки Кп | 2,5 |
| Допускаемая нагрузка [q], МПа | |
| Минимальная удельная нагрузка qmin, МПа | |
| Модуль продольной упругости материала прокладки Eп, МПа | |
| Ширина прокладки b, м | 0,0125 |
Рис 5. усилия во фланцевых соединений: а) на стадии монтажа и герметизации; б) на стадии эксплуатации; (усилия на прокладку Fn показаны только со стороны верхнего фланца)
Податливость болтов соединения lб (м/Н)
lб=lб/(zб*Eб*Аб), (30)
где lб = hф+0,5*dб – приведенная длина для болтов, м;
lб= hф+dб – приведенная длина для шпилек, м;
hф» 2*h + sn +1 - общая высота дисков фланцевого соединения, м;
h-высота диска фланца, м;
Еб - модуль упругости материала болта (при 20 °С), Па;
dб - наружный диаметр резьбы болта, м;
zб - число болтов (шпилек) в соединении;
Аб - минимальная площадь поперечного сечения болта (см. табл. 10), м2.
Таблица 10 - Минимальные площади Ав поперечных сечений болтов
| lб, мм | |||||||||
| Аб*106, м2 |
Материал болтов – сталь 35
Еб = 1,99*1011, Па;
h= 0,025 м = 25 мм;
hф=25*2+3 +1 = 54мм = 0,054 м;
dб=0,020 м = 20 мм;
lб=0,054+0,5*0,020 = 0,064 м = 64 мм;
zб=20;
Aб=0,000225 м2
lб=0,064/(20*1,99*1011 * 0,000225)=7,18*10-11 м/Н
Податливость прокладки lп (м/Н)
lп= К0*sп/(p*Dп.ср*b*Eп20) (31)
где b – ширина прокладки, м (см. табл. 11);
Dп.ср=(Dп - b) – средний диаметр прокладки, м;
Eп20 – модуль упругости материала прокладки, Па (см. табл. 11).
К0 = 0,9
Dп.ср=0,543 - 0,0125=0,5305 м
lп= 0,9*0,003/(3,14*0,5305*0,0125*2000*106)=6,48*10-11 м/Н
Коэффициент внешней нагрузки c, т.е. доля усилия от давления рабочей среды, передаваемая на болты соединения рассчитывается с учетом податливости болтов и прокладки
c=lп/(lп+lб) (32)
c=6,48*10-11/(7,14*10-11 + 6,48*10-11)=0,47
При расчете фланцевых соединений рассматривают два режима: 1 – монтаж – аппарат без давления с начальной температурой t0 = 20 °С; 2 – эксплуатация под давлением рабочей среды с температурой tp.
В условиях монтажа усилия затяжки болтов Fб1 и усилия сжатия прокладки Fn1 равны, т.е. Fб1 = Fп1. Усилие затяга контролируется при помощи специального динамо метрического ключа. Эти предварительные усилия должны быть такими, чтобы сохранялась герметичность и в условиях эксплуатации, поскольку внутреннее давление, действуя на крышку и растягивая болты, снижает усилия на прокладку (см. рис. 6).
Рис. 6. График зависимости усилий на болтах Fб и прокладке Fn от давления ррв рабочей среды (усилия в болтах от температурных деформаций элементов не учитываются)
Усилие от давления рабочей среды
Fд=pрв*p*D2п.ср/4 (33)
Fд=0,219*106*3,14*0,53052/4=48406,6 Н = 0,484 МН
Усилие в болтах, от температурных деформаций элементов фланцевого соединения (в условиях эксплуатации)
Ft=(aф*hф*(tф-t0)-aб*hф*(tб-t0))/(lп+lб*Ебt/Еб20) (34)
где tб, tф – температура болтов и фланцев соответственно (tф= tp и tб = 0,97*tp при наличии теплоизоляции на аппарате; tф=0,96*tp и tб=0,85*tp при отсутствии теплоизоляции), °С; t0 = 20°С начальная температура. aф,.aб – коэффициенты линейного расширения материалов фланцев и болтов, 1/град;
Еб, Ебt – модуль упругости материалов болтов при 20 °С и при рабочей температуре, Па. Тс=500С (теплоизоляция отсутствует), поэтому: tф=100 и tб=0,97*100
Ft=(11,6*10-6*0,054*(100-20)–11,1*10-6*0,054*(0,97*100–20)/(6,48*10-11+7,14*10-11*1,91*1011/1,99*1011)) = 29257,3 Н
Усилие, которое должно быть приложено к прокладке, чтобы обеспечивалась герметичность в рабочих условиях (см. рис. 5 б)
Fп2=p*Dп.ср*b0*ppв*Kп, (35)
где Кп - коэффициент материала прокладки (см. табл. 10).
b0- эффективная ширина прокладки (b0=b при b < 0,015м, b0= 0,12*(b)0,5 при b>0,015м),м;
b0=0,0125 м = 12,5 мм
Fп2=3,14*0,5305*0,0125*0,219*106*2,5=11405,9 Н
Усилие затяжки Fб1, действующее как на болты, так и на прокладку при монтаже, принимается наибольшим из двух значений:
FIб1=FIп1=p*Dп.ср*b0*qmin, (36а)
FIIб1=FIIп1=Fп2+(1 - c)*Fд+|Ft| (36б)
где q min – минимальная удельная нагрузка на контактной поверхности прокладки, необходимая для заполнения неровностей уплотнительных поверхностей фланцев (см. табл. 10).
Температурное усилие Ft в формуле (40б) учитывается в том случае, если оно меньше нуля.
FIб1=FIп1=3,14*0,5305*0,0125*20*106=208326,9 Н
FIIб1=FIIп1=11405,9+(1-0,47)*48406,6=37061,4 Н
Fб1=maxí FIб1; FIIб1ý=208326,9 Н
При действии рабочего давления усилие на болты возрастает (см. рис. 6)
Fб2=Fб1+c*Fд+Ft (37)
Температурное усилие Ft в формуле (41) учитывается в том случае, если оно больше нуля.
Fб2=208326,9+0,47*48406,6+29257,3=260335,3 H = 0,26 МН
Проверка запаса герметичности
nг=Fб1/((1-c)*Fд)³[nг] (38)
[nг]=1,2
nг=260335,3/((1-0,47)*48406,6)=10,1 ³ 1,2
Условие выполняется.
Проверка прочности болтов в условиях монтажа:
sб=1,3*Fб1/(zб*Аб) £ [sб]20 (39)
где коэффициент 1,3 учитывает крутящий момент, возникающий при затяжке болта;
[sб]20 = 130 МПа, допускаемое напряжение в материале болтов, для болта из стали 35.
sб=1,3*28326,9/(20*0,000225) = 60,1 МПа £ 130 МПа
Условие выполняется.
Проверка прочности болтов в рабочих условиях:
sб=Fб2/(zб*Аб) £ [sб]60 (40)
sб=260335,3/(20*0,000225)= 57,8 МПа£126 МПа
Условие выполняется.
Проверка прочности материала прокладки:
q=Fб1/(p*Dп.ср*b) £ [q] (41)
где [q] - допускаемая удельная нагрузка на прокладку (см. табл. 10), Па.
q=208326,9/(3,14*0,5305*0,0125)= 10 МПа £ 130 Мпа
Условие выполняется.
