основы проектирования хим произв дворецкий

Относительная овальность для элементов сосудов и аппаратов, работающих под вакуумом или наружным давлением, не должна превышать 0,5%, а для сосудов, работающих без давления (под налив) – 2%.

Расчет на прочность необходимо проводить для всех прогнозируемых состояний аппаратов, возникающих во время их эксплуатации, испытания, транспортировки, монтажа. При этом следует учитывать все нагрузки и внешние факторы (температуру, коррозионные среды и т.п.), которые могут оказать влияние на прочность, и учитывать вероятность их одновременного воздействия. В частности, необходимо учитывать следующие факторы: внутреннее или внешнее давление; температуры окружающей среды и рабочие температуры; статическое давление в рабочих условиях и условиях испытания, нагрузки от массы сосуда и содержимого в оборудовании; инерционные нагрузки при движении, остановках и колебаниях; нагрузки от ветровых и сейсмических воздействий; реактивные усилия, которые передаются от опор, креплений, трубопроводов и т.д.; нагрузки от стесненности температурных деформаций; усталость при переменных нагрузках; коррозию и эрозию и т.д.

Физико-механические характеристики конструкционных материалов и допускаемые напряжения определяют по расчетной температуре, которую находят на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний, или опыта эксплуатации аналогичных сосудов. При положительных температурах за расчетную температуру стенки сосуда или аппарата принимают наибольшее значение температуры стенки, при температуре ниже 20 ºС – при определении допускаемых напряжений температуру 20 ºС. При невозможности проведения тепловых расчетов или измерений за расчетную температуру следует принимать наибольшую температуру среды, но не ниже 20 ºС.

Под рабочим давлением для сосуда или аппарата рр следует понимать максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или других предохранительных устройств.

Расчетное давление в рабочих условиях р – это давление, на которое проводится расчет на прочность элементов сосудов и аппаратов. Расчетное давление, как правило, принимают равным рабочему давлению или выше. Расчетное давление должно учитывать внутреннее или внешнее давление; гидростатическое давление от среды, находящейся в сосуде; нестабильность перерабатываемых сред и технологического процесса; инерционные нагрузки при движении или сейсмических воздействиях.

Если на сосуде или подводящем трубопроводе к сосуду установлено устройство, ограничивающее давление, чтобы рабочее давление не превышало максимально допустимого рабочего давления, то при определении расчетного давления не учитывают кратковременное превышение рабочего давления в пределах 10%.

Для элементов, разделяющих пространства с разными давлениями (например, в аппаратах с рубашками), за расчетное давление следует принимать либо

каждое давление в отдельности, либо давление, которое требует большей толщины стенки рассчитываемого элемента. Если обеспечивается одновременное действие давлений, то допускается производить расчет на разность давлений. Разность давлений принимается в качестве расчетного давления также для таких элементов, которые отделяют пространства с внутренним избыточным давлением от пространства с абсолютным давлением, меньшим чем атмосферное. Если отсутствуют точные данные о разности между абсолютным давлением и атмосферным, то абсолютное давление принимают равным нулю.

Все сосуды и аппараты после их изготовления подлежат гидравлическому (или пневматическому) испытанию. Под пробным давлением рпр понимают давление, при котором проводится испытание сосуда или аппарата, а под расчетным давлением в условиях испытаний – давление, которому они подвергаются во время пробного испытания, включая гидростатическое давление. Величина пробного давления, при котором должно проводиться гидравлическое испытание сосудов и аппаратов в соответствии с ГОСТ Р 52630 составляет

pпр =1,25 p [[σ]]20 ,

σ t

где [σ]20, [σ]t – допускаемые напряжения для материала сосуда или его элементов соответственно при температуре 20 ºС и расчетной температуре, МПа.

Гидравлическое испытание элементов, изготовленных из литья, должно проводиться пробным давлением

pпр =1,5 p [[σ]]20 .

σ t

Под расчетным пробным давлением в условиях испытаний для элементов сосудов и аппаратов следует принимать давление, которому они подвергаются во время пробного испытания, включая гидростатическое давление.

Для гидравлических испытаний используют воду с температурой 5…40 ºС. Время выдержки сосуда под пробным давлением должно быть не менее 10 мин при толщине стенки до 50 мм, не менее 20 мин при толщине стенки от 50 до 100 мм и не менее 30 мин при толщине стенки свыше 100 мм.

Для аппаратов, работающих под вакуумом, величина расчетного пробного давления принимается равной 0,1 МПа.

Под условным давлением ру понимают избыточное давление среды в аппарате при температуре 20 ºС (без учета гидростатического давления). Согласно ГОСТ 9493–80 рекомендуется следующий ряд условных давлений, МПа: 0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10; 16; 20.

За расчетные усилия и моменты принимают действующие для соответствующего состояния нагружения (например, при эксплуатации, испытании или монтаже), усилия и моменты, возникающие в результате действия собственной массы, инерционных нагрузок, присоединенных трубопроводов, ветровой, сне-

говой, сейсмической и других нагрузок. Расчетные усилия и моменты от ветровой нагрузки и сейсмических воздействий определяют по ГОСТ Р 51273.

Допускаемое напряжение [σ] при расчете по предельным нагрузкам сосудов

иаппаратов, работающих при статических однократных нагрузках, определяют:

–для углеродистых, низколегированных, ферритных, аустенитноферритных, мартенситных сталей и сплавов на железноникилевой основе

– для аустенитной хромоникилевой стали, алюминия, меди и их сплавов сталей

где η – поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям (обычно принимается η = 1, за исключением стальных отливок, для которых принимается значение: η = 0,8 – для отливок при индивидуальном контроле неразрушающими методами, η = 0,7 – для остальных отливок); RТ – минимальное значение предела текучести при расчетной температуре, МПа; RТ0,2, RТ1,0 – минимальное значение условного предела текучести (при котором остаточное удлинение составляет соответственно 0,2% и 1,0%) при расчетной температуре, МПа; RВ – минимальное значение временного сопротивления при расчетной температуре, МПа; Rд10n –

среднее значение длительной прочности за 10n ч при расчетной температуре, МПа; R1%10n – средний 1% предел ползучести за 10n ч при расчетной темпера-

туре, МПа.

Предел ползучести используют для определения допускаемого напряжения в тех случаях, когда отсутствуют данные по пределу длительной прочности или по условиям эксплуатации необходимо ограничивать деформацию (перемещения).

При отсутствии данных об условном пределе текучести при 1%-ном остаточном удлинении используют значение условного предела текучести при 0,2%-ном остаточном удлинении.

Допускаемые напряжения для титановых сплавов, а также при отсутствии данных о пределе текучести и длительной прочности для алюминия, меди и их сплавов вычисляют по формуле

[σ] = RB .nв

Для условий испытания сосудов из углеродистых, низколегированных, ферритных, аустенитно-ферритных мартенситных сталей и сплавов на железноникелевой основе допускаемое напряжение вычисляют по формуле

Для стальных сосудов и аппаратов, работающих при многократных нагрузках с количеством циклов нагружения от давления, стесненности температурных деформаций или других воздействий более 103 за весь срок эксплуатации следует выполнятьпроверку намалоцикловуюусталость в соответствии сГОСТ Р 52857.6.

Расчет на прочность цилиндрических обечаек и конических элементов, выпуклых и плоских днищ для условий испытания проводить не требуется, если расчетное давление в условиях испытания будет меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на 1,35 [σ]20 /[σ].

При расчете на прочность сварных элементов сосудов и аппаратов в расчет-

ные зависимости вводят коэффициент прочности сварных швов φ, который ха-

рактеризует прочность сварного шва по отношению к прочности основного металла. Величина коэффициента прочности сварных швов зависит от вида сварного шва, его расположения и отношения длины контролируемых швов к их общей длине. Например, для стыкового или таврового шва с двухсторонним сплошным проваром, выполняемым автоматической или полуавтоматической сваркой при 100%-ном контроле длины шва φ = 1,0, при 50%-ном контроле φ = 0,9; при сварке втавр с конструктивным зазором свариваемых деталей при тех же условиях контроля соответственно φ = 0,9 и 0,65. Значения коэффициентов прочности сварных швов приведены в табл. 3.7.

Для бесшовных элементов сосудов и аппаратов φ = 1.

При расчете сосудов и аппаратов необходимо учитывать прибавку «с» к рас-

четным толщинам элементов сосудов и аппаратов. Исполнительную толщину стенки s элемента сосуда или аппарата определяют по формуле

где sр – расчетная толщина стенки элемента сосуда или аппарата, м. Прибавка к расчетной толщине стенки

с = с1 + с2 + с3 ,

где с1 – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, м; с2 – прибавка на минусовой допуск, м; с3 – технологическая прибавка, м.

Прибавка для компенсации коррозии и эрозии

с1 = Пτа + сэ ,

где П – проницаемость среды в материал (скорость коррозии), м/год; τа – расчетный срок службы аппарата, год; сэ – прибавка для компенсации эрозии, м.

Прибавка для компенсации эрозии сэ учитывается обычно лишь в следующих случаях: при движении среды в аппарате со значительными скоростями (для жидких более 20 м/с, для газообразных более 100 м/с); наличии в движущейся среде абразивных частиц; ударном воздействии среды на элемент.

86Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

3.7.Коэффициенты прочности сварных швов для стальных сосудов и аппаратов

Коэффициент прочности сварных швов для стальных

сосудов и аппаратов при Вид сварного шва и способ сварки длине контролируемых швов

от общей длины составляет

* Объем контроля определяется техническими требованиями на изготовление.

Проницаемость П определяют по справочным данным или из экспериментальных исследований. Для изготовления оборудования применяют материалы, у которых скорость коррозии П ≤ 0,1 м/год. Рекомендуется принимать при П ≤ 0,05 10–3 м/год прибавку на коррозию и эрозию с1 = 1 10–3 м, а при отсутствии данных о проницаемости для материалов, стойких в данной среде, с = 2 10–3 м. При двухстороннем контакте с коррозионной или эрозионной средой прибавку с1 соответственно необходимо увеличивать. Прибавку на минусовое значение предельного отклонения по толщине листа с2, из которого изготавливается элемент сосуда или аппарата, принимается по соответствующему стандарту на сортамент.

Технологическая прибавка с3 предусматривает компенсацию утонения стенки сосуда или аппарата при технологических операциях – вытяжке, штамповке, гибке и т.д. Прибавки с2 и с3 учитываются в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5% номинальной толщины листа.

При расчете эллиптических днищ, изготавляемых штамповкой, прибавку с2 не учитывают, если ее значение не превышает 15% исполнительной толщины листа. Исполнительная толщина стенки, определенная по формуле (3.16), округляется в большую сторону до стандартной толщины листа.

Цилиндрические обечайки, нагруженные внутренним избыточным давлением

Расчетная толщина стенки гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением

где р – расчетное внутреннее избыточное давление, МПа; D – внутренний диаметр обечайки, м; φр – коэффициент прочности продольного сварного шва.

Исполнительную толщину стенки рассчитывают по формуле (3.16) и округляют до ближайшего бóльшего стандартного значения толщины листа.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

Данные расчетные формулы применимы при отношении толщины стенки к диаметру (s – c)/D ≤ 0,1 для обечаек и труб при D ≥ 200 мм и (s – c)/D ≤ 0,3 для труб при D < 200 мм.

Толщину стенки элементов сосудов и аппаратов, работающих под наливом или атмосферном давлении, выбирают из конструктивных или технологических соображений с последующей проверкой на прочность и устойчивость. С учетом технологии изготовления, жесткости и качества сварных швов не рекомендуется принимать исполнительную толщину стенки сосуда или аппарата менее 3 мм.

Обечайки, нагруженные наружным давлением

В большинстве случаев нагруженными наружным давлением оказываются обечайки аппаратов, работающих под вакуумом, а также аппаратов, снабженных водяной или паровой рубашкой, давление в которой выше давления в аппарате. В результате действия наружного давления может произойти потеря первоначальной геометрической формы аппарата, называемое потерей устойчивости формы. При этом на поверхности обечайки образуются продольные вмятины и она теряет свою цилиндрическую форму. Следует отметить, что потеря устойчивости происходит при напряжениях в стенке значительно меньших предела текучести.

Расчетную толщину стенки цилиндрической обечайки, нагруженной наружным давлением, определяют предварительно по зависимости:

Исполнительную толщину стенки определяют по формуле (3.16) с обязательной последующей проверкой по допускаемому наружному давлению

где допускаемое давление из условия прочности

(принимается равным nу = 2,4 – для условий эксплуатации, nу = 1,8 – для условий

испытания); Е – модуль продольной упругости материала, МПа; l – расчетная длина обечайки, м.

При определении расчетной длины обечайки l необходимо учитывать длину примыкающего элемента l3 (рис. 3.11, в, г):

– для выпуклых днищ

l3 = H3 ;

– для конических обечаек или днищ без отбортовки, но не более длины конического днища

l3 = D6tgα ;

– для конических обечаек или днищ с отбортовкой, но не более длины конического днища

l3 = max{r sin α; D6tgα},

где r – внутренний радиус отбортовки, м.

Приведенные расчетные формулы могут быть использованы при условии, что расчетная температура не превышает значений, при которых учитывается ползучесть материалов. При отсутствии точных данных эти формулы допускается применять при условии, что расчетная температура стенки обечайки из углеродистой стали не превышает 380 ºС, из низколегированной – 420 ºС, из аустенитной – 525 ºС.

Обечайки, нагруженные осевым растягивающим усилием

Расчетную толщину стенки следует определять по формуле

где F – осевое растягивающее усилие, МН; φт – коэффициент прочности кольцевого сварного шва.

Исполнительная толщина стенки рассчитывается по формуле (3.16). Допускаемое осевое сжимающее усилие

[F]= π(D + s − c)(s − c)[σ]ϕт.

Обечайки, нагруженные осевым сжимающим усилием

Осевое сжимающее усилие также может привести к потере устойчивости обечайки. Однако, характер деформаций при этом будет иной, волны образуются вдоль стенки обечайки, нарушая ее прямолинейность.

Допускаемое осевое сжимающее усилие рассчитывается по зависимости

а допускаемое осевое сжимающее усилие в пределах упругости из условия устойчивости:

Допускаемое осевое сжимающее усилие [F]E1 определяют из условия местной устойчивости в пределах упругости по зависимости

а допускаемое осевое сжимающее усилие [F]E2 из условия общей устойчивости в пределах упругости рассчитывается по формуле

Гибкость λ определяют по уравнению

Расчетную длину lпр принимают в соответствии с расчетной схемой

(табл. 3.8).

Приведенные расчетные зависимости применимы при l/D ≥ 10. В случае l/D < 10 формула (3.24) принимает вид [F]E = [F]E1.

3.8. Приведенная расчетная длина lпр