Укрепление отверстий в оболочках
В аппаратах выполняются отверстия для присоединения трубопроводов, установки лазов, смотровых люков и т. д. Отверстия не только уменьшают несущую площадь материала корпуса, механически ослабляя конструкцию, но и вызывают высокую концентрацию напряжений вблизи края отверстия. Повышенные напряжения в области отверстий снимаются двумя способами:
1) увеличением толщины стенки всей оболочки исходя из максимальных напряжений у края отверстия – нерационален, т. к. область повышенных напряжений незначительна и ограничивается диаметром
,
где d – диаметр отверстия; Dp – расчетный диаметр оболочки; S – толщина стенки; С – прибавка на коррозию;
2) укреплением края отверстия добавочным материалом, применением специальных колец, привариваемых к стенке аппарата, или усилением патрубка.
Наибольшее распространение получил так называемый геометрический критерий укрепления, предусматривающий компенсацию площади продольного сечения выреза с помощью дополнительных укрепляющих элементов, расположенных в зоне укрепления.
Зоной укрепления отверстия (рис. 1) считается прямоугольник BCDE со сторонами:
,
где l1р и l2р – соответственно расчетная длина внешней и внутренней частей штуцера; d – диаметр отверстия штуцера; Sш – толщина стенки штуцера; Sу.р – расчетная толщина усиливающего обечайку элемента (накладного кольца); L0 – расчетная длина образующей оболочки в зоне укрепления.
Рис. 1. Укрепление отверстия утолщением стенки штуцером и накладным кольцом
Условие укрепления имеет вид
,
где
А – площадь
продольного
сечения выреза, подлежащая компенсации,
A0
– площадь
продольного сечения оболочки, участвующая
в укреплении;
А2
– площадь
продольного сечения, усиливающего
обечайку элемента в зоне укрепления;
A1H
и А1В
– площади продольного сечения
соответственно наружной и внутренней
частей штуцера, участвующие в укреплении,
и
– соответственно отношение допускаемого
напряжения материала штуцера и
усиливающего элемента к допускаемому
напряжению материала укрепляемой
оболочки.
Степень концентрации напряжений у неукрепленных круговых вырезов определяется геометрическими соотношениями между размерами отверстия и аппарата. Для цилиндрических оболочек концентрация напряжений в области круговых вырезов возрастает с увеличением отношения радиуса выреза к радиусу обечайки (rотв/Rаппар) и уменьшением отношения толщины стенки обечайки S к ее радиусу Rаппар. Укрепления можно разделить на две группы:
Рис. 2. Укрепление круговых вырезов корпусов аппаратов:
а – примыкающим патрубком; 6 – примыкающим патрубком и накладкой; в – сварным
кольцом и примыкающим патрубком; г – примыкающим патрубком с коническим
переходом; д – сквозным патрубком и сварным кольцом
1) с патрубками, примыкающими к корпусу (рис. 2а, 26, 2в, 2г);
2) с патрубками, пропущенными через стенку (рис. 2д).
Последние более эффективны, т. к. усиливается поверхность корпуса, для которой характерна наибольшая концентрация напряжения.
Укрепляющее действие примыкающего патрубка снижается по мере увеличения толщины стенки сосуда.
Укрепления вырезов сварным кольцом и примыкающим патрубком (рис. 2в, 2д), сквозным патрубком к сварным кольцам являются предпочтительными, т. к. сварку производят вне зоны наибольших напряжений.