Учебники и учебные пособия / Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов. Учебное пособие

Расчетное давление pR в рабочих условиях для каждого расчетного сечения и пробное давление pпр , измеряемое в верхней части колонны, устанавливают в соответствии с ГОСТ 14249-80 и ГОСТ 24306-80.

Гидростатическое давление pГ во время гидравлического испытания

колонны в вертикальном положении определяют для каждого расчетного сечения по формуле:

pг = γ(H − x0 ) .

Для воды γ = 104 Н/м3.

При расчете колонн должны быть учтены следующие весовые нагрузки:

• G1 — сила тяжести колонны в рабочих условиях, включая площадки для

обслуживания, изоляцию, внутренние устройства и рабочую среду, Н;

• G2 — сила тяжести колонны при гидравлическом испытании, включая жидкость, заполняющую колонну, Н;

• G3 — максимальная нагрузка колонны от собственного веса в условиях монтажа (после установки колонны в вертикальное положение), Н;

• G4 — минимальная нагрузка колонны от собственного веса в условиях монтажа (после установки колонны в вертикальное положение), Н.

При этом необходимо иметь в виду, что нагрузка от веса воды, заполняющей колонну в условиях испытания, действует только на нижнее днище и расчетные сечения опорной обечайки.

Расчетные изгибающие моменты.

Максимальный изгибающий момент MG от действия эксцентрически

приложенных весовых нагрузок, в том числе от присоединяемых трубопроводов, определяют для каждого расчетного сечения.

Изгибающие моменты Mυ от действия ветровых нагрузок определяют по ГОСТ 24756-81.

Изгибающие моменты MsR от сейсмических воздействий определяют по

ГОСТ 24756-81.

Снеговые нагрузки.

При расчете колонных аппаратов снеговые нагрузки не учитывают.

Температурные нагрузки.

В случае необходимости температурные напряжения определяют специальными методами расчета.

Местные нагрузки.

Расчет локальных напряжений от местных нагрузок на колонне (например: трубопроводы, краны, лестницы и др.) производят по нормативнотехнической документации, утвержденной в установленном порядке. Для этого

82

необходимо определить общие мембранные напряжения в соответствующих

дополнительных расчетных сечениях (A-A, B-B по рис. 8.1) σx и σy .

Расчетная температура.

Расчетную температуру для каждого элемента колонны определяют по

данным технологического расчета и ГОСТ 14249—89.

Для элементов обечайки опоры, которая приварена к корпусу колонны и

изолирована, расчетную температуру в рабочих условиях определяют по

формуле:

tR = max{tk − ∆t;20°C},

где ∆t — перепад температуры вдоль обечайки опоры, определяемый

по рис. 8.4 или по формуле:

∆t =10 + 0.132h3 + 0.249 10−3 h32 −0.305 10−6 h33 + 0.934 10−10 h34 ;

tk — расчетная температура нижнего днища колонного аппарата; h3 —

расстояние от сварного шва, которым приварена опорная обечайка к днищу

колонны, до расчетного сечения опорной обечайки.

Расчетную температуру для условий монтажа и испытаний принимают равной 20°С.

Рис. 8.4. График для определения ∆t

8.3 СОЧЕТАНИЕ НАГРУЗОК

Колонный аппарат рассчитывают для трех вариантов сочетаний нагрузок:

•для рабочих условий (табл. 10, состояние аппарата 1);

•для условий гидравлического испытания при вертикальном положении

колонны (табл. 10, состояние аппарата 2);

•для условий монтажа (табл. 10, состояния 3 и 4).

Если во время эксплуатации в исключительных (аварийных) случаях

возможно заполнение колонны рабочей жидкостью, то необходимо рассчитать

колонну и для этого случая. Расчетные нагрузки определяют так же, как и для

условий испытания, а допускаемые напряжения принимают по табл. 10 для рабочих условий.

83

8.4 КОРПУС КОЛОННОГО АППАРАТА

Стенка колонного аппарата должна быть рассчитана на прочность и

устойчивость.

Расчет напряжений.

Расчетными сечениями колонного аппарата являются:

1)нижние поперечные сечения каждой части корпуса, имеющей разные диаметры или толщины, стенок;

2)поперечное сечение корпуса в месте присоединения к нему обечайки

опоры;

3)сварной шов в месте присоединения обечайки опоры к корпусу;

4)поперечное сечение обечайки опоры в месте наибольших вырезов;

5)поперечное сечение основания обечайки опоры.

84

85

Примечания: 1. Величины со штрихом относятся к случаю монтажа колонны с металлическим каркасом. 2. Индексы при [σ]означают: А – для элементов опоры колонны; к – для корпуса колонны; 0 – для обечайки

опоры.

Для аппаратов, имеющих по высоте постоянные диаметры и толщину

стенки корпуса, расчетными сечениями являются только поперечные сечения корпуса в месте присоединения к нему обечайки опоры и указанные сечения опоры.

Расчетные сечения корпуса проверяют на напряжения в них для рабочих условий (Р =Р1; М = М1; р = pR и для условий монтажа (Р =Р3; М = М3; р = 0).

Продольные напряжения на наветренной (σx1 ) и подветренной (σx2 )

сторонах:

где Р1x0 , Мx0 — расчетная сжимающая сила, действующая в осевом направлении, и расчетный изгибающий момент в соответствующем расчетном

сечении колонного аппарата на заданной высоте относительно подошвы фундамента.

то ϕp =1).

Проверку условий прочности корпуса для каждого расчетного сечения следует проводить по формулам:

• на наветренной стороне max{σx1 ,σE1} ≤[σk ]ϕT (если σx1 < 0, то ϕT =1);

86

• на подветренной стороне max{σx2 ,σE 2} ≤[σk ]ϕT (если σx2 < 0, то

ϕT =1),

где ϕp и ϕT — коэффициенты прочности соответственно продольного и кольцевого сварных швов на корпусе колонны.

Проверку условий устойчивости корпуса следует проверять для

каждого расчетного сечения для рабочих условий, а также для условий

испытаний и монтажа.

Для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением и без давления, условие устойчивости проверяют по формуле:

[P1 ]+ [M ]≤1

P1 M

Значения [P1 ] и [M ] определяют по данным ГОСТ 14249—89 соответственно для рабочих условий, условий испытания и монтажа.

Если толщина стенки обечайки опоры меньше или равна толщине стенки

корпуса в месте присоединения к нему обечайки опоры и механические

свойства материала обечайки опоры не выше соответствующих свойств

материала корпуса, то расчет корпуса не проводят, а проверяют прочность и устойчивость только обечайки опоры, являющейся основным элементом.

Для аппаратов, работающих под наружным давлением, для условий испытания и монтажа проверку производят по формуле:

[P1 ]+ [M ]≤1.

P1 M

Для рабочих условий устойчивость необходимо проверять для каждого основного расчетного сечения колонны по формуле:

[pи]+ [P1 ]+ [M ]≤1,

p P1 M

где [p] — допускаемое наружное давление при нагружении корпуса

только наружным давлением; [P1 ] — допускаемая осевая сжимающая сила при

нагружении корпуса только осевой сжимающей силой; [M ] — допускаемый

изгибающий момент при нагружении корпуса только изгибающим моментом. Их определяют по ГОСТ 14249—89 для рабочих условий.

Устойчивость гладких (не подкрепленных кольцами жесткости) корпусов колонных аппаратов, нагруженных наружным давлением.

Критическое давление pкр для гладких коротких цилиндрических

оболочек, теряющих устойчивость в области упругих деформаций, определено Исанбаевой-Муштари

87

радиус обечайки, мм; Е — модуль упругости материала корпуса аппарата, МПа;

Зависимость k = f (θ) имеет экстремальный характер, но для наиболее

часто встречающихся на практике случаев ( θ=0,036 ... 0,10) k можно считать постоянным и равным 0,65. Подставив это значение при значении θ, соответствующем середине указанного интервала ( θ = 0,068), получим для

обечаек pкр = 0.64k R s −c 2.5 . l R

Из этого уравнения легко определить допускаемое наружное давление при расчете коротких обечаек, которое в соответствии с ГОСТ 14249—80 имеет

вид

коэффициент запаса устойчивости (обычно принимают п=2,4); коэффициент

100 введен для удобства вычислений.

Формула применима, если соблюдается соотношение

деформаций необходимо, чтобы критические напряжения не превышали

предела текучести материала при расчетной температуре, т. е.

преобразований получим расчетную формулу для определения допускаемого наружного давления

88

потери устойчивости оболочки в области упругих деформаций материала.

При внешней нагрузке, соответствующей пределу текучести, материал оболочки находится в состоянии неустойчивости, и любое внешнее возмущение может внезапно вызвать «течение» материала, которое в конечном счете

явится причиной потери устойчивости первоначальной формы равновесия оболочки. Определение устойчивости оболочек за пределами упругости

представляет собой достаточно сложную задачу. Для инженерных расчетов

используют приближенный подход, основанный на том, что за пределами

упругости в качестве критического напряжения принимают предел текучести

Результаты экспериментальных исследований показывают, что влияние несовершенства изготовления оболочек на устойчивость тем выше, чем меньше толщина стенок. В связи с этим для определения устойчивости за

пределами упругости целесообразно ввести переменный коэффициент запаса

устойчивости, уменьшающийся с уменьшением параметра λ, характеризующего геометрические параметры оболочки:

Коэффициент запаса n* = α`+βλ` 2 , где α` и β` — коэффициенты.

При λ = 0 коэффициент запаса принимают так же, как в расчетах на

n* = α`+β`02 =1,5;

n* = α`+βλ` 2пр = 2,4.

Решив эти уравнения, получим

89

На рис. 8.5 приведены зависимости критического давления в области

упругих и пластических деформаций, допускаемого давления и коэффициента

запаса устойчивости от λ. Как видно из графика, можно подобрать общее уравнение, связывающее между собой допускаемые внешние давления для области упругих и пластических деформаций материала корпуса аппарата.

Простейшая аппроксимация такой зависимости — уравнение (см. ГОСТ

14249—80)

допускаемое давление из условия устойчивости.

Рис. 8.5. Зависимость критического и допускаемого давлений, а также коэффициента запаса устойчивости корпуса аппарата от параметра К

90