34 Вопрос

Различные способы укрепления отверстий в стенках составных элементов сварных сосудов и аппаратов.

Присоединение к корпусу аппарата регулировочной, запорной и предохранительной арматуры, различных контрольно-измерительных приборов и технологических трубопроводов подразумевает под собой вырезание на обечайке, в днищах и крышках сквозных цилиндрических отверстий различного диаметра, которые значительно ослабляют конструкцию аппарата. Отверстия не только уменьшают несущую площадь материала корпуса, механически ослабляя конструкцию аппарата, но и вызывают высокую концентрацию напряжений вблизи края отверстия, которые могут в 5 и более раз превышать напряжения в стенке аппарата (рис. 7.4).

Коэффициент концентрация напряжений равен

, (7.2)

где d  диаметр отверстия, вырезанного в обечайке, м; D  внутренний диаметр цилиндрической обечайки, м; S  исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки, м.

Тогда величина максимальных напряжений вблизи вырезанного в цилиндрической обечайке отверстия, с учетом формулы (3.7), будет равна

, (7.3)

где  тангенциальные (кольцевые) напряжения в тонкостенном цилиндре, МПа.

Таким образом, при проектировании большинства сосудов и аппаратов необходимо решать задачу об уменьшении концентрации напряжений в области отверстий до допускаемых значений за счет компенсации ослабления, вызванного наличием выреза.

Компенсация ослабления может производиться двумя способами:

1) увеличением толщины стенки всей оболочки исходя из максимальных напряжений у края отверстия;

2) укреплением края отверстия путем введения дополнительного металла как можно ближе к месту распределения максимальных напряжений.

Первый способ применяется очень редко и не может быть признан рациональным, так как область повышенных напряжений незначительна и ограничивается диаметром

, (7.4)

где D_R  расчетный диаметр ослабленной оболочки, м; S_R расчетная толщина стенки ослабленной оболочки, м.

Кроме этого такой способ компенсации ослабления вызывает напрасную трату зачастую дорогого конструкционного материала оболочки.

По второму способу расчет размеров укрепляющих элементов ведут без учета концентрации напряжений по краю отверстия, а только исходя из необходимости компенсировать металл, изъятый в процессе создания отверстия. При этом рассматривается наиболее опасное (меридиональное) сечение оболочки, проходящее через диаметр отверстия (рис. 7.5).

Для укрепления вырезов и отверстий в ослабленных оболочках по второму способу рекомендуется применять:

• специальные кольца, привариваемые к стенке аппарата и патрубку штуцера;

• тороидальные вставки, привариваемые также к стенке аппарата и патрубку штуцера;

• усиливать толщину стенки патрубка штуцера;

• выполнять отбортовку по краям отверстия;

• комбинировать любые два из выше приведенных способов.

При укреплении отверстий напряженное состояние в области выреза выравнивается, и концентрация напряжений снижается.

Наиболее рациональным и поэтому наиболее предпочтительным способом укрепления является усиление толщины стенок патрубков штуцеров (рис. 7.6, ав, д). Такая конструкция позволяет разместить весь дополнительный металл в зоне возникновения максимальных напряжений. С позиции изготовления, оптимального использования конструкционного материала и длины сварных швов, использование толстостенных патрубков более выгодно, чем применение накладных колец, тороидальных вставок или выполнения отбортовки по краям отверстия. Однако такой способ укрепления имеет один существенный недостаток  расположение сварного шва в зоне возникновения максимальных напряжений. Частично данная проблема решается путем использования сплошного сварного шва с двухсторонним проваром для присоединения усиленного патрубка к ослабленной оболочке (рис. 7.7).

Укрепление отверстия по способу представленному на рис. 7.6, в не рекомендуется применять при циклических нагрузках на штуцер.

При укреплении отверстия по способу представленному на рис. 7.6, д важно чтобы соблюдалось условие 0,7S ≤ S_ш ≤ 1,45S, которое обеспечивает хорошие условия сварки

Поэтому в настоящее время наиболее широкое применение нашел комбинированный способ укрепления отверстий  накладным кольцом и усилением толщины стенки патрубка штуцера (рис. 7.6, аг). Использование накладного кольца позволяет повысить жесткость и, как следствие, прочность конструкции аппарата в зоне возникновения максимальных напряжений.

Укрепляющие кольца должны изготовляться предпочтительно цельными в виде круглых сплошных пластин; допускается выполнять их из двух половин, при этом сварной шов (со сплошным проваром) должен быть расположен под углом 45° к продольной оси аппарата, если штуцер помещен на цилиндрическом корпусе. Все укрепляющие кольца должны иметь контрольные сквозные отверстия диаметром М101,5, расположенные в нижней части кольца при рабочем положении аппарата для пневматического испытания герметичности сварных швов. В отверстие М101,5 ввинчивается ниппель, через который в зазор между корпусом аппарата и накладным кольцом подается сжатый воздух под избыточным давлением 0,40,6 МПа. Сварные швы при этом смачиваются мыльным раствором. При этом должно соблюдаться условие 0,7S ≤ S_к ≤ 1,4S, которое обеспечивает хорошие условия сварки.

Использование в качестве укрепляющих элементов тороидальной вставки и, в меньшей степени, вварного кольца (рис. 7.9) является наиболее предпочтительным, так как сварка данных элементов к корпусу аппарата производится за приделами зоны максимальных напряжений. При этом наилучшей конструкцией с точки зрения распределения напряжений является утолщенный штуцер с тороидальным переходом (рис. 7.9, а, б). Такой штуцер изготавливается литьем, однако применяется редко из-за необходимости иметь на складе все типоразмеры.

Укрепление отверстия по способу представленному на рис. 7.9, в не рекомендуется применять при циклических нагрузках на штуцер.

Отбортовка края отверстия (рис. 7.10) перед приваркой патрубка штуцера способствует снижению концентрации напряжений, так как увеличивает гибкость соединения «корпусштуцер».