6. Расчет на прочность корпусов, днищ

И ТРУБНЫХ ДОСОК ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Расчет на прочность элементов конструкции теплообменного аппарата может выполняться и как конструкторский, и как поверочный.

При конструкторском расчете определяются основные размеры, аппарата, удовлетворяющие условиям прочности. Поверочный расчет производится для определения допустимых значений рабочих нагрузок и напряжений в различных элементах подогревателя при заданных размерах этого элемента.

Расчет на прочность может выполняться по предельным напряжениям или по предельным нагрузкам. Расчет по предельным нагрузкам применяется для теплообменников, выполненных из пластичных материалов, таких, как малоуглеродистые стали, медь и ее сплавы и т.д. В этом случае за опасное принимают напряжение, вызывающее общую пластическую деформацию всего нагруженного узла. Расчет по предельным напряжениям производится для теплообменников, выполненных из хрупких материалов (например, закаленная сталь), разрушение которых наступает без заметных пластических деформаций. В расчете по предельным напряжениям пределом несущей способности конструкции является достижение в любом сечении конструкции предела текучести.

Расчеты теплообменных аппаратов на прочность должны производиться в соответствии с требованиями существующих нормативных документов. За расчетную температуру стенки аппарата, по которой определяются физико-механические характеристики материала и допускаемые напряжения, принимается наибольшее значение температуры протекающей в нем среды. Расчетное давление принимается равным наибольшему давлению теплоносителя с учетом давления срабатывания предохранительных клапанов на соответствующих подводящих трубопроводах. Для элементов, разделяющих пространства с разными давлениями, за расчетное принимается либо каждое давление по отдельности, либо то, которое требует наибольшей толщины стенки, либо разница давлений между средами. В любом случае при расчетах на прочность расчетное давление должно быть не менее 0,2 МПа.

Поскольку температура стенки корпусов подогревателей обычно ниже 400С, то, согласно нормативным документам, допускаемое напряжение [ ]определяется из условий

, МПа; , МПа; , МПа,

где - номинальное значение предела прочности при расчетной температуре, МПа;

- номинальное значение предела текучести при расчетной температуре, МПа;

- среднее значение предела длительной прочности при расчетной температуре, МПа;

- коэффициенты запаса прочности относительно соответствующих допускаемых напряжений; согласно [8] значения коэффициентов запаса принимаются . Нормативное допускаемое напряжение [ ] принимается наименьшим из двух ( и ) полученных значений.

Расчет корпуса аппарата. Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса, работающего под внутренним давлением , определяется по зависимости

(50)

где - расчетное давление, МПа;

- внутренний диаметр корпуса аппарата, м;

- расчетный коэффициент прочности сварного шва;

- допускаемое напряжение, МПа;

- прибавка к толщине стенки, м.

Приведенная формула справедлива при условии и мм.

Коэффициент прочности учитывает ослабление конструкции при наличии сварных швов. В соответствии с нормативами при расчетах принимают значение в пределах от 0,65 до 1,00 в зависимости от свариваемого материала и типа сварного соединения.

Прибавка к расчетной толщине стенки в общем случае равна , где - прибавка, компенсирующая потери металла от коррозии и эрозии; - прибавка, компенсирующая минусовое отклонение толщины стенки корпуса при штамповке или гибке обечаек; - технологическая прибавка, учитывающая искажение правильной геометрической формы при гибке (для прямолинейных участков труб и круговых цилиндров эта составляющая не учитывается). Величина прибавки обычно принимается не менее 4 - 5 мм.

Фактическая толщина стенки определяется по полученной толщине стенки корпуса с учетом сортамента листового материала, из которого будет изготовлен корпус подогревателя. Затем определяется максимально допустимое избыточное рабочее давление среды в подогревателе.

, МПа, (51)

где - фактическая толщина стенки корпуса, м.

При поверочном расчете определяется действующее напряжение

, МПа. (52)

Расчет днищ подогревателя. Для подогревателей применяются выпуклые полусферические или эллиптические днища. Толщина стенки такого днища, нагруженного внутренним давлением, определяется по зависимости

, м, (53)

где ;

- высота выпуклой части днища, м (рис. 4);

- внутренний диаметр днища, м;

- коэффициент прочности сварного шва. Для днищ, изготовленных из одной заготовки, коэффициент =1.

Рис. 4. Форма и основные размеры выпуклых днищ

Приведенная зависимость справедлива при и

Величина прибавки принимается из условия , но не менее 1мм.

Допустимое внутреннее избыточное давление определяется по соотношению

, МПа. (54)

Величина рабочего давления для днищ не должна превосходить соответствующих значений, определенных для цилиндрического корпуса.

При поверочном расчете определяется действующее напряжение

, МПа. (55)

Расчет трубных досок. В качестве расчетного давления на трубную доску принимается наибольшее из давлений двух сред, находящихся по разные стороны трубной доски. Расчетная температура принимается равной наибольшей температур сред, протекающих по обе стороны трубной доски.

Толщина трубной доски подогревателя с U- и П-образными трубками без анкерных связей, а также толщина верхней трубной доски подогревателя с плавающей нижней водяной камерой определяются по формуле

, (56)

где - допускаемое напряжение материала трубной доски, МПа;

- коэффициент прочности трубной доски, причем при треугольной разбивке трубного пучка , при квадратной разбивке трубного пучка ;

t - шаг между центрами трубок, м;

d – диаметр отверстий в трубной доске, м;

D – внутренний диаметр корпуса аппарата, м.

Толщина трубной доски, подкрепленной анкерными связями, находится по формуле

, (56а)

где - допускаемое напряжение материала анкерных связей, МПа;

D =(0,45…0,55)D – диаметр окружности, на которой располагаются анкерные связи, м;

N - количество анкерных связей;

- поперечное сечение одной анкерной связи, м;

P – расчетное давление среды, МПа.

Толщина трубной доски в конструкции аппарата с плавающей нижней водяной камерой определяется следующим образом:

, (57)

где - средний диаметр прокладки между трубной доской и крышкой водяной камеры, м;

- диаметр окружности, на которой располагаются центры отверстий под болты (болтовой окружности), м;

- суммарное допускаемое усилие в болтах, МН;

- допускаемое напряжение материала болтов, МПа;

- площадь наименьшего поперечного сечения болта, м ;

Z – количество болтов (шпилек);

N – число трубок в подогревателе;

- проходное сечение одной трубки, м ;

P – расчетное давление среды, МПа;

- допускаемое распределение по площади трубной доски противодавление от сжатых трубок, МПа;

- модуль упругости материала трубок, МПа;

I - момент инерции поперечного сечения трубки, м ;

L – длина трубок, м.

Расчет фиксированных трубных досок горизонтальных сетевых подогревателей производится в следующем порядке.

Распределенное давление на трубные доски от разности температурных удлинений трубок и корпуса равно

, МПа, (58)

где - коэффициенты линейного расширения трубок и корпуса аппарата соответственно, 1/К;

- расчетные температуры трубок и корпуса аппарата соответственно, °С;

- модули упругости материала трубок и корпуса аппарата соответственно, МПа;

- суммарная площадь поперечного сечения всех трубок по наружному диаметру, м.²;

- площадь поперечного сечения корпуса, м²; ;

- наружный и внутренний диаметры корпуса аппарата соответственно, м;

- толщина стенки корпуса, м.

Распределенное давление на доски от действия рабочего давления среды определяется по соотношению

, МПа. (59)

Толщина трубной доски определяется по соотношению

м, (60)

где - допускаемое распределенное по площади трубной доски противодавление от сжатых трубок, МПа, (7);

- коэффициент, определяемый по рис. 5 в зависимости от отношения .

Для определения коэффициента необходимо вычислить вспомогательный комплекс , в котором величины и находятся по следующим зависимостям: выбирается наименьшим из двух значений

, МН; или , МН; , МН,

где - предел текучести материала трубок, МПа;

- эмпирический коэффициент, равный 125 для трубок, развальцованных в отверстиях, и 230 - для трубок, приваренных к трубным доскам;

- предел текучести материала трубной доски, МПа.

Расчет анкерных связей. Анкерные связи обычно применяются, когда давление в трубках больше давления в межтрубном пространстве. Способы соединения анкерных связей с трубной доской и с крышкой показаны на рис.6. Наименьший диаметр анкерных болтов определяется из расчета усилия на растяжение

(61)

где - коэффициент, учитывающий долю нагрузки, приходящуюся на анкерные болты, = 0,5 – 0,7;

- перепад давлений на трубную доску, МПа;

- число анкерных болтов.

Рис. 5. Зависимость коэффициента от относительной толщины

а б

Рис. 6. Способы соединение анкерных связей с трубной доской и крышкой:

а – на резьбе с распорной трубкой; б – приваркой к трубной доске; 1 – гайка колпачковая; 2 – уплотнение; 3 – крышка; 4 – анкерная связь; 5 – распорная трубка;

6 – трубная доска