Назначение
|
Абсорбция
|
Исполнение
|
Цельносварная
|
Основные размеры.
|
|
Диаметр колонны
|
D=4000 мм,
|
Условные диаметры штуцеров
|
dy1=160 мм,
|
|
dy2=250 мм,
|
|
dy3=800 мм,
|
|
dy4=250 мм,
|
|
dy5=500 мм,
|
Высота сепараторной части
|
hc=1400 мм,
|
|
hк=3000 мм,
|
Высота насадки, м
|
13+13
|
Изгибающий момент
|
М=0,22МН·м
|
Тип опоры
|
Цилиндрическая
|
Высоту опоры принять как
|
hо=0,7· hк,
|
Высоту перераспределительной части принять как
|
hc1=0,7·
hc,
|
Температура
|
t=20°С,
|
Давление, абсолютное
|
|
Максимальное
|
Рmax=1,1 МПа,
|
Минимальное
|
Рmin=0,015 МПа,
|
Среда
|
Вода, хлор, воздух.
|
Высота опоры, согласно заданию:
hо=0,7·
hк=0,7·3=2,1 м.
высота перераспределительной части, согласно заданию:c1=0,7· hc=0,7·1,4=0,98 м.
.4 Определение расчетных параметров
.4.1 Расчетная температура
Расчетная температура стенки t определяется на основании результатов
испытания или тепловых расчетов. В случае невозможности проведения расчетов и
испытаний при положительных температурах рассчитывается по формуле:
t= max (tc; 20°С), (1)
где tc - наибольшая температура среды.
По формуле (1):
t= max (20°С; 20°С);
t=20°С.
.4.2 Расчетное давление
В условиях поставленной задачи имеют место два случая.
. На аппарат действует внутреннее избыточное давление.
В этом случае:
Р1=1,1-0,1=1 МПа.
. На аппарат действует внешнее давление.
В этом случае:
Р2=0,1-0,015=0,085 МПа.
.4.3 Пробное давление
Согласно [7], пробное давление для вертикально установленных аппаратов
определяем по формуле:
Рпр=1,25РR ,(2)
где
=154 МПа,
допускаемые напряжения для стали ВСт-3пс4, при температуре t=20°С, -допускаемые
напряжения при рабочей температуре,,
согласно приложения А [7].
По
формуле (2):
Рпр1=1,25РR =1,25·1· =1,25
МПа.
Для
условий гидроиспытаний в горизонтальном положении аппарата:
Рпр2= Рпр1+ свg(H-D)·10-6(3)
где св =998 кг/м3 - плотность воды, g=9,81 м/с2 - ускорение свободного
падения,
По формуле (3) получаем:
Рпр2= Рпр1+ свg(H-D)·10-6= 1,25+998·9,81·(33,52-4)·10-6=1,54 МПа
.4.4 Допускаемые напряжения для материала колонны при статических
однократных нагрузках
Корпус колонны изготовлен из стали ВСт-3пс4. Этой
марке стали соответствует допускаемое напряжение согласно ГОСТ 52857.1 - 2007
при расчетной температуре t=20°С:
=154 МПа.
Допускаемое напряжение [у] при расчете по предельным нагрузкам
сосудов, работающих при статических однократных нагрузках, вычисляют по
формулам:
для углеродистых, низколегированных, ферритных,
аустенитно-ферритных, мартенситных сталей и сплавов на железноникелевой основе:
=з·min(4)
где
з=1 - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки, =250 МПа
- расчетное значение предела текучести при температуре 20°С по таблице Б1 [7],=460 МПа
- расчетное значение временного сопротивления при температуре 20°С по таблице Б2 [7],
nв=2,4 - коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению (пределу
прочности) по таблице 1 [7], пт=1,5-
коэффициент запаса по пределу текучести по таблице 1
[7],
Допускаемые
напряжения согласно формуле (4)
=1·min= min(166,7;
191,7)
=166,7
МПа.
.4.4.1
При гидравлических испытаниях
При
гидравлических испытаниях допускаемые напряжения находим по формуле:
(5)
Допускаемые напряжения согласно формуле (5):
= 1·()=166,7
МПа.
.4.5
Модуль упругости
При
температуре t=20°С, согласно таблицы В.1 [7] Е=1,99·105 МПа.
.4.6
Коэффициенты запаса устойчивости
Согласно
ГОСТ 52857.1-2007 коэффициенты запаса устойчивости:
Для
рабочих условий
ny=2,4
для
условий испытаний и монтажа
ny=1,8
.4.7
Коэффициент прочности сварных швов
Согласно
таблицы Д.2 [7] коэффициент прочности сварных швов:
ц=0,9.
.4.8
Прибавка к расчетной толщине стенки
Общая
прибавка к расчетному значению толщины стенки корпуса колонны находится по
формуле:
с=с1+с2+с3,
(6)
где
с1 - суммарная прибавка для компенсации коррозии и эрозии, с1 = 0, т.к.
внутренняя поверхность колонны покрывается коррозионно-защитным
перхлорвиниловым лаком; с2- прибавка к расчетной толщине стенки корпуса для
компенсации минусового значения предельного отклонения по толщине листа,
согласно таблицы 2.22 [3, с.102] с2=0,8 мм; с3 - прибавка к расчетной толщине
стенки корпуса для компенсации утонения стенки элементов аппарата в процессе
изготовления, с3 = 0.
По
формуле (6) общая прибавка к расчетной толщине стенки:
с=с1+с2+с3=0+0,8+0=0,8
мм.
3. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТА
.1 Расчет цилиндрических обечаек
.1.1 Расчетная толщина стенки, работающей под действием внутреннего
избыточного давления находится по формуле:
Sр=, 7)
где
D - диаметр обечайки колонны; Р1 - внутреннее избыточное давление; -
допускаемые напряжения для стали ВСт-3пс4, при температуре t=20°С; цр -
коэффициент прочности сварных швов.
По
формуле (7) имеем:
Sр1= = =0,01334,
м.
Расчетная
толщина стенки при условии гидроиспытаний
Sр2= (8)
где
Рг - внутреннее избыточное давление при условиях гидроиспытаний, -
допускаемые напряжения для стали ВСт-3пс4, при условиях гидроиспытаний
аппарата,
Рг= Рпр1+свgH·10-6(9)
По формуле (9) получаем:Рг= 1,25+998·9,81·33,52·10-6=1,579 МПа
Проверим необходимость расчета для условий гидроиспытаний
Рг≥
1,35Р1 (10)
По
формуле (10) получаем
Рг˃ 1,35Р1= 1,35·1 =1,35˂1,579
Условие
выполняется, необходим дополнительный расчет
= (11)
где
=250 МПа
- Расчетное значение
предела текучести, при 20°С
По формуле (11) получаем
= = 227,27
МПа.
По
формуле (8) имеем
Sр2== = 0,0155
м
3.1.2 Расчетная толщина стенки, работающей под действием наружного
давления находится по формуле
Sр3= max (12)
где
Е=1,99·105 МПа - Расчетное значения
модуля продольной упругости, l=32,19м - расчетная длина гладкой обечайки,
В=
max(13)
По
формуле (13) получаем
В=max=max= max=1
Подставим
полученные данные в формулу (12)
Sр3= max =
=max=max{0,0277
0,0012}=0,0277 м.
р
= max { Sр1; Sр2; Sр3 }(14)
По
формуле (13) расчетная толщина стенки:
Sр = max {
Sр1; Sр2; Sр3} = max { 0,0133; 0,0155;0,0277}=0,0277 м.
.1.3
Исполнительная толщина стенки определяется с учетом прибавки к расчетной
толщине, исходя из условия
S≥ Sр+c.(15)
где
Sр - расчетная толщина стенки; с - общая прибавка к
расчетному значению толщины стенки корпуса колонны.
Исходя
из условия (15), исполнительная толщина стенки:
S≥ Sр+c=0,0277+0,0008=0,0285
м = 28,5 мм.
Выбираем
ближайшее большее стандартное значение толщины стенки S=30 мм.
.1.4
Расчет обечайки, работающей под совместным действием наружного давления,
внешней осевой сжимающей силы и внешнего изгибающего момента
Обечайки,
работающие под совместным действием совместных нагрузок Р3, F1 и М проверяют на
устойчивость по условию:
(16)
где
[P], [F], [M] - допускаемое давление, осевая сила и момент
соответственно.
Допускаемое
наружное давление определяется по формуле:
, (17)
где
[P]Е - допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости; [Р]П
- допускаемое давление из условия прочности.
Допускаемое
давление из условия прочности определяется по формуле:
, (18)
По
формуле (18) получаем:
= = 2,24
МПа
Допускаемое
давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле:
[P]E= (19)
где
В1= (20)
По
формуле (20) получаем:
В1=
=
== 1,0
По
формуле (19) имеем:
[P]E==0,098
МПа
Допускаемое наружное давление по формуле (17):
= = 0,167
МПа
Допускаемая
осевая сжимающая сила определяется по формуле:
, (21)
где
[F]П - допускаемое осевое сжимающее усилие из условия
прочности; [F]Е - допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости в
пределах упругости.
Допускаемое
осевое сжимающее усилие из условия прочности, определяется по формуле:
[F]П =
р·(D+S-c)·(S-c)·[у]20(22)
Допускаемая
осевая сжимающая сила из условия устойчивости в пределах упругости определяется
по формуле:
[F]E= min
{[F]E1; [F]E2},(23)
где
[F]E1 - допускаемая осевая сжимающая сила, определяемая из
условия местной устойчивости в пределах упругости, [F]E2 -
допускаемая осевая сжимающая сила, определяемая из условия общей устойчивости в
пределах упругости.
Допускаемая
осевая сжимающая сила [F]E1, определяемая из условия местной устойчивости в пределах
упругости, определяется по формуле:
[F]E1= , (24)
Допускаемая осевая сжимающая сила [F]E2, определяемая
из условия общей устойчивости в пределах упругости, определяется по формуле:
[F]E2= , (25)
где
-
гибкость
Гибкость
определяется по формуле:
,(26)
где
-
приведенная расчетная длина.
Приведенная
расчетная длина ,
согласно таблицы 1 [7], определяется по формуле:
=2·l,(27)
По
формуле (27) имеем:
=2·32,186
= 64,372, м.
Определим
гибкость по формуле (26):
= 45,21.
Допускаемая осевая сжимающая сила [F]E1, определяемая
из условия местной устойчивости в пределах упругости, по формуле (24):
[F]E1= = 187,25
МН.
Допускаемая осевая сжимающая сила [F]E2, определяемая
из условия общей устойчивости в пределах упругости, по формуле (25):
[F]E2==
= 147,76 МН
Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости в пределах
упругости по формуле (23):
[F]E= min {[F]E1; [F]E2}= min {187,25; 147,76}=147,76 МН
Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности, по формуле
(22):
[F]П=р·(D+S-c)·(S-c)·[у]20=3,14·(4+0,30-0,0008)(0,030-0,0008)·154=60,67
МН
Допускаемая осевая сжимающая сила по формуле(21):
== 56,12
МН.
Определяем
осевое сжимающее усилие, под которым понимается собственный вес аппарата, вес
подвешенных частей, давление вакуума, и вес жидкости находящейся в колонне.
Вес
корпуса аппарата определяется по формуле:
Gкор=1,05·сст·g·(Vоб+Vдн),(28)
где
Vоб - объем стенок обечайки; g = 9.81 м/с2 ускорение
свободного падения; Vв.дн - объем стенок верхнего днища; сст = 7850 кг/м3 -
плотность стали.
Объем
стенок обечайки определяется по формуле:
Vоб = р·D·S·Hоб(29)
где
Hоб = 31,38 м - высота обечайки.
По
формуле (29) получаем:
Vоб = р·D·S·Hоб =
3,14·4·0,030·31,38 = 11,83 м3.
Объем
стенок верхнего днища находится по формуле:
в.дн
= Fдн·Sдн,(30)
где
Fдн= 18,2 м2 - площадь днища согласно таблицы 16,1 [3, с. 440], Sдн =
0,030 м - толщина стенки днища (принимаем равной толщине стенки обечайки)
По
формуле (30) получаем:
в.дн
= Fдн·Sдн = 18,2·0,030=0,546 м3.
Вес
корпуса аппарата по формуле (27):
Gкор=1,05·сст·g·(Vоб+Vдн)=
1,05·7850·9,81·(11,83+0,546)= 1000710,1Н = = 1.0007МН.
Вес
подвешенных частей аппарата определяется по формуле:
Gпча= g(mн+
2·mр+2·mcт.о+mр.у.)(31)
где
mн - масса насадки, mр =1642 кг.-
масса решетки под насадки, mcт.о = 714 кг. - масса стальных опор для решеток, mр.у.
= 820 кг (520 кг (ТСН II) и 300 кг (ТСН III)) - масса распределительных
устройств.
Масса
насадки определяется по формуле:
mн= сн·Vн,(32)
где
сн=552 кг/м3 -плотность насадки (кольца Рашига диаметр 50 мм), Vн -
объем насадки, находится по формуле:
Vн = (33)
где
- высота
первого и второго слоя насадки соответственно.
По формуле (33) имеем:
Vн = ==326,56
м3
Масса
насадки по формуле (32):
mн= сн·Vн
=552·326,56 =180261,12 кг.
Вес
подвешенных частей аппарата по формуле (31):
Gпча= g(mн+
2·mр+2·mcт.о+mр.у.) = 9,81·(180261,12+2·714+820)=1790414,4672Н=1,79
МН
Давление
вакуума определяется по формуле:
(34)
По
формуле (34) имеем:
= = 2,2 МН
Вес
жидкости в колонне находится по формуле:
ж=
g(mжк+mжн)(35)
где
mжк - масса жидкости в кубовой части, mжн - масса жидкости стекаемой по
насадке.
Масса
жидкости в кубовой части находится по формуле:
mжк=
, (36)
где
- высота
кубовой части колонны, = 998
кг/м3 - плотность жидкости при 20°С.
Масса жидкости в кубовой части по формуле (36):
mжк=
= =18840
кг.
Масса жидкости стекаемой по насадке находится по формуле:
mжн =
0,05·Vн (37)
Масса жидкости стекаемой по насадке по формуле (36):
mжн =
0,05·Vн= 0,05·326,56=16,328 кг.
Вес жидкости в колонне по формуле (35):
ж= g(mжк+mжн)=
9,81(18840+16,328)= 184980,58Н = 0,185 МН
Осевая сжимающая сила находится по формуле:
F1= Gкор+
Gпча++ Gж.
(38)
По
формуле (38) имеем:
F1= Gкор+
Gпча++
Gж=1,0007 + 1,79+2,2+0,185=5,176 МН
Допускаемый
изгибающий момент определяется по формуле:
(39)
где
-
допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости; -
допускаемый изгибающий момент из условия прочности.
Допускаемый
изгибающий момент из условия прочности определяется по формуле:
[F]п
(40)
Допускаемый
изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости определяется по
формуле:
(41)
Допускаемый
изгибающий момент из условия прочности по формуле (40):
[F]п==60,67,
МН·м,
Допускаемый
изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости по формуле (41):
= = 214
МН·м
Допускаемый
изгибающий момент по формуле (39):
= 58,37
МН·м
Проверка
устойчивости по условию (16):
Условие
устойчивости обечайки выполняется.
3.1.5 Расчет обечайки в условиях гидроиспытаний
Давление в аппарате в условиях гидроиспытаний с учетом давления столба
жидкости определяется по формуле:
Рг.и.=Рпр+св·g·(Hоб+2Ндн),(42)
где св=998 кг/м3 - плотность воды при 20°С, Ндн =1,070 м. - высота днища
таблица 16.1 [3, с.440]
Давление в аппарате в условиях гидроиспытаний с учетом давления столба
жидкости по формуле (42):
Рг.и.=Рпр+св·g·(Hоб+2Ндн)=
1,25+998·9,81·(31,380+1,070)·10-6=1,57, МПа
Расчет на прочность цилиндрических обечаек для условий испытания
проводить не требуется, если выполняется условие:
Рг.и.≤1,35·Р1· (43)
Проверим
выполнение условия (43):
,35·1· =1,35˂1,57
Условие
(43) не выполняется, поэтому требуется расчет на прочность в условиях
испытаний.
Допускаемое внутреннее избыточное давление определяется по формуле:
, (44)
Допускаемое внутреннее избыточное давление по формуле (44):
= = 2,965
МПа
поскольку
1,57˂2,965, а следовательно Рг.и˂, условие
прочности в условиях гидроиспытаний выполняется.
.1.6
Проверка прочности обечайки в опасном сечении
Проверка
прочности обечайки ведется для наветренной и подветренной сторон. В нашем
случае проверку проводим в месте крепления аппарата к опоре.
Продольные
напряжения для наветренной стороны по формуле:
, (45)
По
формуле (45) получаем:
=
=
= 20,99 МПа
Продольные
напряжения для подветренной стороны по формуле:
, (46)
По
формуле (46) получаем:
=
=
= 19,79
МПа
Кольцевые
напряжения находим по формуле:
(47)
По
формуле (47) получаем:
= = 69,0
МПа.
Эквивалентные
напряжения рассчитываются по формуле:
(48)
где
=0,9; = 1,0 -
коэффициенты прочности сварного шва (при сжатии =1,0).
По
формуле (48) получаем:
для
наветренной стороны
= =
=
54,71 МПа
для
подветренной стороны\
= =
Условие
прочности для наветренной стороны:
max {; }≤[у]кцт
(49)
По
условию (49) получаем
max {20,99;
54,71 }= 54,71˂154·0,9=138,6 МПа
Условие
прочности для наветренной стороны выполняется.
Условие
прочности для подветренной стороны:
max {; }≤[у]кцт
(50)
По
условию (50) получаем
max {19,79;
61,54 }= 61,54˂154·1=154 МПа
Условие
прочности для подветренной стороны выполняется.
3.2 Расчет днищ
.2.1 Расчет днищ, нагруженных внутренним избыточным давлением
Толщина стенки днища рассчитывается по формуле:
, (51)
где
R=D=4 м, для эллиптических днищ с высотой эллиптического
днища Н=0,25D, согласно[8] - радиус кривизны в вершине днища.
Толщина
стенки днища определяется из условия:
Sд≥+с, (52)
Толщина
стенки днища по формуле (51):
= =0,0134
м.
Толщина
стенки днища из условия (52):
Sд≥+с=0,0134+0,0008=0,0142
м.
Принимаем
стандартное значение толщины стенки Sд=16 мм.
.2.1
Расчет днищ, нагруженных наружным давлением
Толщину стенки предварительно вычисляют по
формулам (53), (54) с обязательной последующей проверкой по формуле (55)
S1 ≥ S1P + c, (53)
где
S1P = max (54)
Для предварительного расчета Kэ принимают равным 0,9 для
эллиптических днищ.
S1P = max = max =
= max = 0,0072
По условию (46) предварительная толщина стенки днища
≥ S1P + c=0,0072+0,0008=0,008 м
Для снижения отрицательного действия краевого эффекта,
возникающего вследствии разности толщины стенок днища и обечайки, принимаем Sд=
0,030 м = 30мм.
Допускаемое наружное давление вычисляют по формуле:
(55)
где допускаемое давление из условия прочности:
(56)
а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах
упругости:
[P]E= (57)
Коэффициент Kэ = 0,93 по графику, приведенному на рисунке 9 [8]
Допускаемое давление из условия
устойчивости в пределах упругости по формуле (51):
[P]E= = 1,18 МПа
Допускаемое давление из условия прочности по формуле (56):
= = 2,23 МПа
Допускаемое наружное давление по формуле (55):
= = 1,06
МПа
Поскольку
Р2=0,085 МПа˂1,06 МПа = , условие
прочности аппарата в условиях наружного давления выполняется.
3.3 Расчет укрепления отверстий
Расчетный диаметр одиночного отверстия, не
требующего дополнительного укрепления при наличии избыточной толщины стенки
сосуда, согласно [9], вычисляют по формуле:
(58)
где = 0,0141 м. - расчетная
толщина стенки, под действием внутреннего избыточного давления при условии гидроиспытаний,
рассчитанная в п.3.1.2; - расчетный диаметр обечайки. Для обечайки расчетный диаметр =D=4м [9].
Расчетный диаметр отверстия в обечайке, не требующего
дополнительного укрепления, по формуле (58):
= = 0,869 м.
Так как расчетный диаметр отверстия в обечайке, не требующего
дополнительного укрепления больше всех имеющихся отверстий в обечайке (dy1=0,160
м, dy2=0,250 м, dy3=800 м, dy4=0,250
м, dy5=0,500 м.), то укрепления отверстий проводить не
нужно.
3.4 Выбор фланцевого соединения и расчет его болтов
Согласно [3, с.513] для люков выбираются фланцы с уплотнительной
поверхностью шип-паз. Согласно [1,с.213] тип фланца стальной плоский приварной
с шипом и пазом ГОСТ 28759.2-90 для люков. Для штуцеров плоские приварные фланцы с
уплотнительной поверхностью выступ или впадина по ГОСТ 12820-80 согласно таблицы 13.1
[1, с.212].
Принимаем к расчету фланцевое соединение с уплотнительной
поверхностью выступ - впадина с условным диаметром Dy=0,80 м.
Рисунок 4. Фланцевое соединение выступ -
впадина.
Параметры фланцевого соединения:
Фланец II - 800 - 25 - ВСт-3 ГОСТ 12820-80.
Фланец III - 800 - 25 - ВСт-3 ГОСТ 12820-80.
Основные размеры [11]:y=0,80 м;=1,075 м;=0,990
м;=0,930 м;=0,882 м;=0,883 м;
d=0,048 м;
h=0,005 м;
h1=0,005 м;
h2=0,004 м;
b=0,063 м;
Диаметр шпилек М42;
Количество болтов n=28;
В качестве крепежных деталей во фланцевом
соединении применяем шпильки М 45, материал - сталь 20. В качестве
прокладочного материала выбираем паронит кислотостойкий ПК ГОСТ 481-80.
Рисунок 5. Фланцевое соединение с плоскими фланцами.
Расчетные размеры[10], [12]:=0,80
м;б=0,990 м;н=1,075 м;
d=0,045 м;
bп=0,0285 м;
Эффективную ширину для
плоских прокладок, при bп
˃15 мм., вычисляют по формуле:
(59)
По формуле (59) получаем:
==20,29 мм. = 0,02029м.
Расчетный диаметр плоских прокладок вычисляют по формуле:
Dсп = Dн.п - b0 (60)
где Dн.п = 0,877 м. - наружный диаметр прокладки [12].
По формуле (60) получаем:
сп = Dн.п - b0 = 0,877-0,02029=0,8567 м.
Усилие, необходимое для смятия прокладки при затяжке,
вычисляют по формуле:
Робж =0,5рDсп b0 qобж.(61)
где qобж = 20 МПа- удельное давление обжатия прокладки [13];
По формуле (61) получаем:
Робж =0,5рDсп b0 qобж =
0,5·3,14·0,8567·0,0203·20= 0,5461
МН
Усилие на прокладке в рабочих условиях, необходимое для
обеспечения герметичности фланцевого соединения, вычисляют по формуле:
п = рDсп b0 mР1. (62)
где m = 2,5 прокладочный коэффициент [13].
По формуле (62) получаем:
Rп = рDсп b0 mР1=
3,14·0,8567·0,0203·2,5·1=0,1366
МН.
Усилия в болтах (шпильках) фланцевого соединения при затяжке
и в рабочих условиях:
Cуммарную
площадь сечения болтов (шпилек) по внутреннему диаметру резьбы или нагруженному
сечению наименьшего диаметра вычисляют по формуле
б = nfб.(63)
где fб =1306 мм2-
площадь поперечного сечения болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы или
сечению наименьшего диаметра;
По формуле (63) получаем:
б = nfб= 28·1306·10-6=0,0366 м2.
равнодействующую нагрузку от давления вычисляют по формуле:
д = 0,785D2cпP1. (64)
По формуле (64) получаем:
Qд = 0,785D2cпP1=0,785·0,85672·1=0,5761
МН.
Нагрузку, вызванную стесненностью температурных деформаций,
вычисляют по формуле:
t = г[бф1h1(tф1-20)+бф2h2(tф2-20)- бб(h1+ h2)( tб-20)]65)
где г - жесткость фланцевого соединения ;
бф1= бф2 =бб = 11,1·10-6, 1/°С - коэффициент температурного линейного
расширения материала фланцев, согласно таблицы Ж 3, [10]; tф1 = tф2 - расчетная температура фланцев; tб- расчетная температура болтов.
Рабочую температуру элементов фланцевого соединения
определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний.
При отсутствии более точных данных допускается определять расчетную температуру
элементов фланцевого соединения по таблице В.1.[10].
tф1 = tф2= t=20°C.
расчетную температуру болтов, находим по формуле:
tб=
0,97t(66)
по формуле (66) получаем:
tб=
0,97t=0,97·20=19,4°С.
Жесткость плоского фланцевого соединения вычисляют по
формуле:
г=
(67)
где
- податливость прокладки, -
податливость болтов (шпилек),= угловая податливость фланца при затяжке, - модуль
продольной упругости материалов болтов (шпилек), фланцев.
==2,13·105
МПа, =1,99·105
МПа,
b - плечи действия усилий в болтах (шпильках) для плоских фланцев
вычисляют по формулам:
b = 0,5 (Dб - Dcп), (68)
Податливость прокладки по формуле:
(69)
где =2мм - толщина прокладки, К = 0,90 - коэффициент обжатия, =0,02·105МПа - условный модуль сжатия.
По формуле (69) получаем:
= = 1,174·10-5 м/МН.
Податливость болтов (шпилек) для фланцев по формуле:
(70)
где
-
расчетная длина болта (шпильки),
(71)
где
= 0,134м
- расстояние между опорными поверхностями гаек.
По формуле (71) получаем:
=
0,134+0,56·0,045 = 0,1592 м.
Податливость болтов (шпилек) для фланцев по формуле (70):
= =2,0439·10-5,
м/МН.
Угловую податливость фланца при затяжке
вычисляют по формуле:
(72)
где = 0,55 - коэффициент зависящий от соотношения размеров втулки
фланца, - коэффициент, S0 =0,008м. -
толщина втулки, - параметр длины обечайки.
Параметр длины обечайки вычисляют по формуле:
(73)
По формуле (73) получаем:
= = 0,08м
Коэффициент л вычисляют по формуле:
л = (74)
где = 0,91 - коэффициент зависящий от соотношения размеров втулки
фланца; = 1,8, = 8 - Коэффициенты
зависящие от соотношения размеров тарелки фланца, определяют по графикам,
приведенным на рисунке К.1
[10], в зависимости
от К=Dн/D=1,075/0,800=1,34
По формуле (74) получаем:
л = = = 5,21
Угловую податливость фланца вычисляем по
формуле (72):
= = 0,094, 1/МН·м
по формуле (68) получаем:
= 0,5 (Dб - Dcп) = 0,5 (0,99-0,8567) =
0,06665м
Жесткость плоского фланцевого соединения вычисляем по формуле(67):
г= =
= = 1152,98
Нагрузку, вызванную стесненностью температурных деформаций,
по формуле (65):
Qt = г[бф1h1(tф1-20)+бф2h2(tф2-20)- бб(h1+ h2)( tб-20)]=
=1152,98[11,1·10-6·0,068(20-20)+11,1·10-6·0,064(20-20)-11,1·10-6(0,068+0,064)·(19,4-20)]=0,00101 МН
Расчетную нагрузку на болты (шпильки) фланцевых соединений
вычисляют по формулам:
при затяжке фланцевого соединения:
Рмб = mах{Рб1; Рб2}, (75)
в рабочих условиях:
Ррб = Рмб+(1-б)(Qд+F)+Qt+(76)
где Рб1 - расчетная нагрузка на болты (шпильки) при затяжке,
необходимая для обеспечения в рабочих условиях давления на прокладку,
достаточного для герметизации фланцевого соединения; Рб2 - расчетная нагрузка
на болты (шпильки) при затяжке, необходимая для обеспечения обжатия прокладки и
минимального начального натяжения болтов (шпилек):
Рб1 = max(77)
где б -коэффициент жесткости фланцевого соединения (для приварных
встык и плоских фланцев с плоскими прокладками), нагруженного внутренним
давлением или внешней осевой силой; - коэффициент жесткости фланцевого соединения, нагруженного
внешним изгибающим моментом, F=0 - внешняя осевая сжимающая сила.
Коэффициенты б и вычисляются по формулам:
б = ;
(79)
где e - плечо усилия от действия давления на фланец для всех типов
фланцев принимается равным:
= 0,5 (Dcп - D - Sэ), (80)
- угловая
податливость фланца, нагруженного внешним изгибающим моментом, вычисляют по
формуле:
(81)
По формуле (81) получаем:
= = 0,00712, 1/МН·м
По формуле (80) при эквивалентной
толщине втулки для плоского приварного фланца Sэ= S0 =0,008м. получаем:
= 0,5 (Dcп - D - Sэ) =
0,5(0,8567-0,8-0,008)= 0,02435 м.
По формуле (79) получаем:
=
=
= 1,09137
По формуле (78) получаем:
б== = =1,338251
По формуле (77) получаем:
Рб1
= max=
max=
max=2,027 МН
Рб2 = max {Робж; 0,4 Аб[у]б}(82)
где [у]б - допускаемое напряжение для
материалов болтов
(шпилек) определяется по формуле:
(83)
где
= 410
МПа - предел текучести материала шпилек сталь Ст-20, =2,6 - коэффициент запаса прочности.
Допускаемое напряжение для
материалов болтов (шпилек) по
формуле (83):
= = 157,69
МПа
По формуле (82) получаем:
Рб2 = max {Робж; 0,4 Аб[у]б}= max {0,5461; 0,4
·0,0366·157,69}= max {0,5461; 2,31}= 2,31 МН
По формуле (75) получаем:
Рмб = mах{Рб1; Рб2} = mах{2,027; 2,31}=2,31 МН
По формуле (76) получаем:
Ррб = Рмб + (1 - б) (Qд + F) + Qt + = 2,31 + (1-1,338251)· ·(0,5761+0) + 0,00101+ = 2,0223 МН
Расчетные напряжения в болтах (шпильках) вычисляют по
формулам:
при затяжке:
(84)
в рабочих условиях:
(85)
По формуле (71) получаем:
= = 63,11МПа
По формуле (71) получаем:
= = 55,25МПа
Условия прочности болтов (шпилек) определяют по формулам:
при затяжке:
≤ (86)
в рабочих условиях:
≤ (87)
По условию (86)
,11≤157,69 - Условие
выполняется
По условию (87)
,25≤157,69 - Условие
выполняется
Условие прочности прокладки (проверяется для мягких прокладок)
определяют по формуле:
(88)
Допускаемое удельное давление [q]=130 МПа согласно приложению И
<#"730005.files/image196.gif"> = = 30,131≤130 МПа
Условие прочности прокладки выполняется.
3.5 Выбор и расчет опоры
Определяем расчетные нагрузки, действующие на опору. За максимальную
приведенную нагрузку Qmax
принимаем наибольшее из значений:
Q1= (89)
Q2= (90)
где
и -
расчетные изгибающие моменты в нижнем сечении опорной обечайки в режимах
эксплуатации и гидравлического испытания соответственно; и - осевые
сжимающие силы, действующие в нижнем сечении опорной обечайки в режимах
эксплуатации и гидравлического испытания соответственно. Минимальная
приведенная нагрузка определяется по формуле:
Qmin= (91)
где
-
расчетный изгибающий момент в нижнем сечении опорной обечайки при пустом
аппарате; - осевая
сжимающая сила, действующая в нижнем сечении опорной обечайки при пустом
аппарате. Принимаем М1=М2=М3=0,22 МН·м Осевые сжимающие силы:= Gкор
= 1,0007 МН.
F1= F3+Gпча+ Gж = 1,0007+1,79+0,185=2,9757
МН
F2= F3+GН2О,
где GН2О вес воды при гидроиспытаниях
определяется по формуле:
GН2О=
с·V·g,(92)
По формуле (92) получаем:
GН2О= с·V·g = сg,(93)
где
=9,257м3
- объем воды в днище и крышке соответственно, согласно таблицы 16,1 [3, с.440].
Вес
воды при гидроиспытаниях по формуле (93)
GН2О=сg= 9989,81=
=4039969,0 Н = 4,04 МН
Осевая
сжимающая сила F2:
=
F3+GН2О=1,0007+4,04 = 5,0407 МН.
По
формулам (89) и (90):
Q1= = 3,1957
МН,
Q2= = 5,2607
МН.
из
полученных результатов следует, что максимальная приведенная нагрузка будет
равняться:
Qmax=5,2607 МН.
Минимальная
приведенная нагрузка по формуле (91):
Qmin= = 1,2207
МН.
Согласно
рисунков 14.3 [1, с.285] и 14.25 [1, с 305], а также таблиц 14.10 [1, с. 287] и
14.11 [1, с. 288] выбираем стандартную цилиндрическую опору тип 1 исполнение 2
(с местными косынками), для которой:
Qmax= 6,3 МН;
Qmin= 3,2 МН.
Основные
размеры опоры:
Высота
опорыН1=2100 мм;
Диаметр
аппаратаD = 4000 мм;
Наружный
диаметр опорного кольцаD1 = 4360 мм;
Внутренний
диаметр опорного кольцаD2 = 3800 мм;
Диаметральные
расположения
Фундаментных
болтовDб = 4220 мм;
Толщина
обечайки опорыS1 = 12 мм;
Толщина
опорного кольцаS2 = 30 мм;
Число
болтовzб = 32;
Диаметр
болтовdб = М36
Диаметр
отверстий в нижнем опорном кольце
под
шпилькиd2 = 42 мм.
Рисунок
6. Основные параметры и расчетные сечения опоры.
Опорная
обечайка проверяется на прочность для рабочих условий, и устойчивость для
рабочих условий и условий гидроиспытаний. Проверку производим по трем расчетным
сечениям опоры: Е - Е -в основании опоры; Г - Г -по сварному шву обечайки и
опоры; Д - Д -по центру наибольшего отверстия в опоре.
Расчетная
температура в опорной обечайке определяется из условия:
tR=max {tк-∆t;
20°C},(94)
где
∆t = 350°С - перепад температуры вдоль опорной обечайки, определяется по
рисунку 14.26 [1, с.306]
Расчетная
температура в опорной обечайке из условия (94):
tR=max {tк-∆t;
20°C}={20-350;20}=20°С.
Прочность
сварного соединения опоры с корпусом определяется условием (сечение Г-Г):
у
= цs·min
{[уo]; [уk]},(95)
где
цs = 0,8 - коэффициент прочности сварных швов, согласно
таблицы Д.1. [7]; [уo] = [уk] = 154 МПа - допускаемые напряжения для материала
опоры и материала корпуса аппарата соответственно; =S1=
0,012 м - расчетная толщина сварного шва.
По
условию (95):
у
= 34,90
МПа ˂ цs·min {[уo]; [уk]}= 0,8·min {154; 154} = 123,2 МПа.
Условие
прочности для сварного шва, соединяющего корпус аппарата с опорной обечайкой
выполняется.
Прочность
и устойчивость обечайки опоры в сечении Д-Д, проходящего по центру наибольшего
отверстия в опоре, определяется по условию:
, (96)
где
- осевая
сжимающая сила; М - максимальный изгибающий момент в сечении Д-Д; , и -
коэффициенты, определяемые по рисунку 14.27 [1, с.308]; и -
допускаемые осевая сила и момент соответственно.
Коэффициенты
, и зависят
от величин:
d/D =
0,5/4 = 0,125 и b3/D = 0,1/4 = 0,025.
Соответственно
коэффициенты будут равны:
= 1
= 0,95
= 0,01
Допускаемая
осевая сила определяется по формуле:
, (97)
где
[F]П - допускаемое осевое сжимающее усилие из условия
прочности; [F]Е - допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости в
пределах упругости.
Допускаемое
осевое сжимающее усилие из условия прочности, определяется по формуле:
[F]П =
р·(D+S-c)·(S-c)·[у] 0(98)
Допускаемая
осевая сжимающая сила из условия устойчивости в пределах упругости определяется
по формуле:
[F]E= , (99)
Допускаемое осевое сжимающее усилие по формуле (98):
[F]П = р·(D+S-c)·(S-c)·[у] 0 =
3,14·(4+0,012-0,0008)·(0,012-0,0008)·154= 21,74 МН.
Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости в пределах
упругости по формуле (99):
[F]E==
=
17,06 МН
Допускаемая осевая сила по формуле (97):
= = 13,42
МН
Допускаемый изгибающий момент определяется по формуле:
(100)
где
-
допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости; -
допускаемый изгибающий момент из условия прочности.
Допускаемый
изгибающий момент из условия прочности определяется по формуле:
[F]п(101)
Допускаемый
изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости определяется по
формуле:
(102)
Допускаемый
изгибающий момент из условия прочности по формуле (101):
[F]п==21,74,
МН·м,
Допускаемый
изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости по формуле
(102):
= = 19,50
МН·м
Допускаемый
изгибающий момент по формуле (101):
= 14,52
МН·м
Проверка
устойчивости по условию (96):
,
Условие
выполняется.
Расчет
нижнего кольца опоры. Сечение Е-Е.
Ширина
кольца определяется по формуле:
b1=0,5·(D1-D2)(103)
По
формуле (103) получаем:
b1=0,5·(D1-D2) =
0,5·(4,36-3,8)=0,28 м.
Для
величины b1 должно выполняться условие:
b1≥ b1R= (104)
где
=6 МПа -
допускаемое напряжение при сжатии для бетона марки 200; F=F1=5,176
- осевая сжимающая сила, рассчитанная в пункте 3.1.4..
Проверка
условия (104)
b1R== =0,068˂0,28= b1.
Условие
выполняется.
Толщина
нижнего опорного кольца проверяется по условию:
S2≥ max (105)
где
-выступающая
наружу от обечайки опоры ширина кольца; -
расчетное напряжение сжатия в бетоне; х1= 0,88 - коэффициент, принимаемый по
рисунку 14.28 [1, с. 309] в зависимости от параметра =
0,174/0,442=0,3937; -
допускаемое напряжение материала опоры.
Расчетное
напряжение сжатия в бетоне определяется по формуле:
, (106)
Расчетное
напряжение сжатия в бетоне по формуле (106):
= = 1,46
МПа.
Толщина
нижнего опорного кольца по условию (105):
S2≥max=max
= max=
0,027˂0,030=S2.
Условие
для нижнего опорного кольца выполняется.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В
данной работе выполнен расчет на прочность основных элементов аппарата от
действия различных нагрузок, таких как избыточное давление, вакуум и изгибающий
момент. Рассчитана толщина стенки корпуса, которая составила 30 мм. Подобрана и
рассчитана стандартная опора. Выполнен проверочный расчет фланцевого
соединения. Также выполнен расчет днищ. Поскольку работа носит учебный
характер, полный прочностной расчет всех элементов аппарата не произведен.
СПИСОК
ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических
аппаратов: Справочник. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1981г. - 382 с.,
ил.
. Поникарпов И.И., Гайнулин М.Г. Машины и аппараты химических
производств и нефтегазопереработки: Учебник. - Изд. 2-е, перераб. И доп. - М.:
Альфа-М, 2006. - 608 с. Ил.
. Лащинский А.А. Толчинский А.Р., Л.: Машиностроение, 1970
г., - 752 стр. табл.476. илл. 418. Библ.218 назв.
. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в
агрессивных средах химического производств. 2-е изд., пер. и доп. - М.: Химия,
1975 г.
. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по
курсу процессов и аппаратов химической технологии/под ред. П.Г. Романкова. -
9-е изд. Перераб. И доп. - М. - Л.: Химия, 1981г.
. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие
по проектированию/ под ред. Ю.И.Дытнерского. - М.:Химия, 1983. - 272с., ил.
7. ГОСТ Р 52857.1 - 2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на
прочность. Общие требования.
. ГОСТ Р 52857.2 - 2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на
прочность. Расчет
цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек.
. ГОСТ Р 52857.3 - 2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на
прочность. Укрепление
отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на
прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер.
. ГОСТ Р 52857.4 - 2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на
прочность. Расчет на
прочность и герметичность фланцевых соединений.
11. ГОСТ12815-80 Фланцы арматуры,
соединительных частей и трубопроводов на ру от 0,1 до 20,0 мпа (от 1 до 200 кгс/см2).
Типы. Присоединительные размеры и размеры уплотнительных поверхностей.
. ГОСТ 12820-80 Фланцы стальные плоские приварные на ру от 0,1
до 2,5 мпа (от 1 до 25 кгс/см2). Конструкция и размеры.
. ГОСТ 15180 - 86 Прокладки плоские эластичные.
Основные параметры и размеры.
. ГОСТ 481-80 Паронит и прокладки из него.
Технические условия.
. Курсовая работа по дисциплине
"Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли": метод.
Указания для студентов спец. "Машины и аппараты химических
производств"/ НГТУ им. Р.Е. Алексеева; сост.: В.М. Косырев, С.В. Жестков.
- Н. Новгород, 2011-17с.