Прочностной расчет горизонтального длинномерного аппарата (90

Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Владимирский государственный университет им. Столетовых

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

2 ×183 × 0,9(18 - 2) + 2

..pdf

Скачиваний:

Добавлен:

15.11.2022

Размер:

1.79 Mб

Скачать

☆

1 / 41 2 3 4 > Следующая >>>

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ДЛИННОМЕРНОГО АППАРАТА

Методические указания

по курсовому и дипломному проектированию

Казань

КГТУ

2006

УДК 66.041.37.666.92 ББК 22.3517

Составили: проф. Э.Ш. Теляков доц. В.В. Алексеев доц. С.А Вилохин Е.Ю. Короткова

Прочностной расчет горизонтального длинномерного аппарата; Метод. указания/

Э.Ш. Теляков, В.В.Алексеев, С.А.Вилохин, Е.Ю.Короткова; Казан. гос. технол. ун-т.

Казань, 2006. 31 с.

Дан прочностной расчет сепаратора диаметром 3 м и длиной 14,58 м, используе-

мого в герметизированных системах совместного сбора, подготовки и транспорта нефти, газа и воды. Рассмотрен случай укрепления аппарата кольцами жесткости, ус-

тановленными в емкости напротив седловых опор.

Предназначены для студентов специальностей 170500 «Машины и аппараты хи-

мических производств», 171700 «Оборудование нефтегазпереработке», выполняющих курсовые и дипломные проекты.

Печатаются по решению методической комиссии специальностей механического профиля.

Рецензенты:

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. ОАО «ТатНИИнефтемаш» Р.К. Диаров канд. техн. наук, доц. кафедры сопротивления материалов С.Г. Мухамбетжанов

Введение

Горизонтальные длинномерные аппараты используются в герметизирован-

ных системах комплексной подготовки нефти. К ним относятся сепараторы, от-

стойники, буферные емкости, деэмульгаторы, флотаторы, сборники и другие аппараты [1].

Горизонтальные аппараты устанавливаются на седловые опоры, количест-

во которых определяется длиной аппарата. В рабочих условиях горизонтальные аппараты сбора, подготовки и транспорта нефти, газа и воды находятся под пластовым давлением. Масса полностью заполненного рабочей средой аппара-

та может превышать 120 тонн. Такие нагрузки вызывают появление в стенке аппарата больших по величине напряжений изгиба, смятия и среза. Следова-

тельно, аппарат необходимо рассчитывать на прочность и устойчивость формы.

Целью данной работы является изучение студентами методики прочност-

ного расчета горизонтального длинномерного аппарата при выполнении ими курсового и дипломного проекта по машинам и аппаратам химических произ-

водств.

Работа составлена на примере расчета сепаратора диаметром 3 м и длиной

14,58 м, используемого в герметизированных системах сбора, подготовки и транспорта нефти, газа и воды.

Для проведения расчета горизонтального аппарата необходимы следующие данные: материал аппарата и его рабочий объем; масса порожнего и полностью заполненного рабочей средой аппарата; рабочее давление и рабочая температу-

ра; внутренний диаметр и длина аппарата.

Задание на проект

Выполнить прочностной расчет горизонтального аппарата объемом 100 м3 ,

массой 25,4 т, рабочее давление – 1,4 МПа, рабочая температура – 20 °С, мате-

риал – сталь 09Г2С, внутренний диаметр аппарата – 3 м.

					Расчет толщины стенки обечайки аппарата
	Гидростатическое давление в аппарате при полном заполнении его водой:
Рг	= g × ρв × (L + h) = 9,81 ×1000 × (13,08 + 0,75) = 135672 Па = 0,135 МПа,
где g – ускорение свободного падения, м/ с2 ;
ρв	–	плотность воды при температуре 20°С, кг / м3 ;
(L + h) –			усредненная рабочая длина аппарата, м.
	Расчетное давление:
Рр	= Р + Рг = 1,4 + 0,135 = 1,535 МПа.
	Учитывая резкие колебания давления в аппарате, принимаем Рр = 1,6 МПа.
	Толщина стенки обечайки [2]:
S о	=	Pp	× Dвн		+ ∑С =	1,6 ×3000		+ 2 = 16,64 мм,
		2[σ ]ϕ - P				2 ×183×0,9 -	1,6
				p

где Dвн –			внутренний диаметр аппарата, мм ;
[σ ] –		допускаемое напряжение для стали 09Г2С при рабочей температуре [2];

ϕ– коэффициент прочности сварного шва [2];

∑С = С1 + С2 + С3 = 2 + 0 + 0 = 2 мм – суммарная прибавка к расчетной толщи-

не стенки обечайки аппарата;

С1 = П ×τ в = 0,1× 20 = 2мм – прибавка к толщине стенки обечайки для компен-

сации коррозии и эрозии;

П = 0,1 мм / год – проницаемость материала или скорость коррозии [3];

τв – срок службы аппарата, год;

С2 – прибавка для компенсации минусового допуска, мм;

С3 – технологическая прибавка, мм;

Принятая толщина стенки обечайки аппарата Sо = 18мм [4].

Расчет обечайки на устойчивость формы

Аппарат рассматриваем, как балку, установленную на двух опорах и на-

груженную равномерно распределенной нагрузкой от веса полностью запол-

ненного водой аппарата (прил., рис.1).

Реакция одной опоры:

= G = 1254000 =

Q 627000H ,

z	2
где G –	сила тяжести, заполненного водой аппарата, Н;

z – число опор.

Изгибающий момент в середине аппарата [5]:

М1 = Q( f1 L - a) = 627000(0,235 ×13,08 - 2,54) = 334692,6 Н × м = 0,334 МН × м,

где	f1 –		коэффициент, определяемый по графику [5] в зависимости от отноше-
ний		h	=	750	= 0,24 ( h	– высота выпуклой части днища, мм; D – средний
ний		D	=		= 0,24 ( h	– высота выпуклой части днища, мм; D – средний
		D	3018
диаметр аппарата, мм) и							L	=	13000 + 2 × 40	= 4,3 ( L – длина цилиндрической
							D	3018

части аппарата, включая цилиндрическую отбортовку днищ, мм);

а – расстояние между концом цилиндрической части сосуда, включая отбор-

товку днищ, и серединой седловой опоры, м.

Изгибающий момент в сечении над опорой:

Q × a

(1 -

+ f

- f

) =

627000 × 2,54

(1 -

2,54

+ 0,045

3,018

-1,075) =

3 2а

2 × 2,54

f 2

1,075

13,08

= -359997,13 Н × м = -0,36 МН × м,

где

f 2 , f3 –

коэффициенты, определяемые по графику [5] в зависимости от от-

ношений h и L .

D D

Перерезывающая сила:

Т = f 4 × Q = 0,55 × 627000 = 344850H ,


где f4 –				коэффициент, определяемый по графику [5] в зависимости от отноше-
ний	h	=		0,75	= 0,057 и	a	=	2,54	= 0,19 .

	L		13,08			L 13,08

Прочность стенки аппарата от совместного действия изгиба и давления по-

середине пролета должна удовлетворять условию [5]:

σ 1

р × D

+ 1,275

£ ϕ[σ ].

4(Sо

- ∑С)

(Sо - ∑С)

Имеем:

σ 1

1,6 × 3,018

+ 1,275

0,334

= 77,74МПа 0,9

×183

4(0,018 - 0,002)

3,0182

(0,018 - 0,002)

= 164,7 МПа.

Таким образом, условие прочности стенки аппарата от совместного дейст-

вия изгиба и давления посередине пролета обеспечено.

Прочность стенки аппарата от совместного действия изгиба и давления в сечении над опорой [5]:

σ 2

р × D

+1,275

= 75,45 + 1,275

0,36

4(Sо

- ∑С)

K1 D 2 (Sо

- ∑С)

× 3,0182

(0,018

- 0,002)

= 78,59 МПа,

где К1 – коэффициент, учитывающий наличие в аппарате колец жесткости.

	Условие σ 2 ϕ[σ ] удовлетворено ( 78,59МПа 164,7МПа).
	Расчет стенки аппарата на устойчивость начинаем с определения коэффи-
циента К4 , который равен [2]:
К4	=	Рр (Dн + S	о - ∑С)	-1 =	1,6(3,036 + 0,018		- 0,002)	-1 = -0,08.
		2ϕ[σ ](Sо	- ∑С)			2 × 0,9 ×183(0,018	- 0,002)

Так как К4 0 , укрепление емкости аппарата кольцами жесткости необяза-

тельно [2].

Допускаемое внутреннее избыточное давление определяем из условия, что

[Р] = min{[Р]1 ;[Р]2 }, где [Р]1 – допускаемое внутреннее избыточное давление,

определяемое из условия прочности всей обечайки; [Р]2 – допускаемое внут-

реннее избыточное давление, определяемое из условия прочности обечайки между двумя соседними кольцами жесткости.

Допускаемые давления [Р]1 и [Р]2 рассчитываются по формулам [2]:

2[σ ]ϕ(Sо − ∑С) + 2

Ак

[σ ]к ϕк

[Р]1 =

;

D + (Sо − ∑С)

[Р]2 =

2[σ ]ϕт

(So - ∑C )

2λн2

D + (So - ∑C )

ϕ λ

где

– площадь

поперечного

сечения кольца

жесткости, мм2 (уголок

125*80*8, материал –

Ст3);

l1 –

расстояние между парой колец жесткости над опорой, мм;

[σ ]к

–

допускаемое напряжение для кольца жесткости из стали Ст3 при расчет-

ной температуре, МПа [2];

ϕк – коэффициент прочности сварных швов кольца жесткости [2];

ϕт – коэффициент прочности кольцевого сварного шва [2];

λн	2 =		b 2	=	2502	= 20,6 ,
		D(So	- ∑C )		3018(18 - 2)

где b – расстояние между парой колец, мм.

Имеем:

[Р]

=1,737

2 × 20,6

= 2,996 МПа .

1× 20,6

1 +

0,9

Условие Рр

=1,6 МПа [Р]1 = 2,32 МПа обеспечено.

Напряжение среза в опорном сечении обечайки аппарата на двух седловых

опорах при

2540

= 0,84 0,25 [5]:

3018

τ = 0,64

= 0,64

344850

= 4,57 МПа .

D(So - ∑C )

3018(18 - 2)

Условие τ = 4,57 МПа 0,8[σ ]= 0,8 ×183 =146,4 МПа удовлетворено.

Напряжение растяжения в выпуклом днище [5]:

σ 3 = 2К4

+ σ д

= 2 × 0,4

627000

+ 150,9 =161,28

МПа ,

D(Sд

- ∑C )

3018(18 - 2)

где К4

= 0,4 –

коэффициент, найденный по графику К4 - δ

в зависимости от

угла охвата аппарата седловой опорой δ , причем δ = 120 °;

σ д =

р × D

1,6 × 3018

=150,9

МПа –

мембранное напряжение в днище

2(Sд

- ∑С)

2(18 - 2)

емкости от внутреннего давления.

Условие σ 3 =161,28 МПа 1,25[σ ]=1,25 ×183 = 228,75 МПа соблюдено.

Опоры выбраны в соответствии с расчетной нагрузкой и внутренним диа-

метром емкости [6].

Кольцевое напряжение в нижней точке опорного сечения (т.1, β = π ,

прил., рис.2) [5]:

σ S1 = K		Q			627000
σ S1 = K	5	(So - ∑C )[b +1,1	D(So ∑C )	]= 0,77	(18 - 2)[300 + 1,1	3018(18 - 2)	]=

= 55,7 МПа,

гдеК5 – коэффициент, определяемый по графику К5 − δ при угле охвата обе-

чайки емкости седловой опорой δ = 120 ° [5];

b – ширина седловой опоры, мм [6].

Условие σ S1 ≤ ϕ[σ ] соблюдено.

Кольцевое

напряжение

на

гребне

седловой

опоры

(т.2,

β = π - δ =180 -

120

=120 °,

прил., рис.2)

для

двухопорных аппаратов

при

13080

= 4,337 4 [5]:

3018

σ S 2 =

So - ∑C

627000

4[b + 1,1

D(S

C )

]+ 1,5K 6 =

∑

C )2

∑

(18 - 2)2

18 - 2

+ 1,5 × 0,0528

= 212,05МПа,

4[300 +

1,1 3018(18 -

2)]

где

К6 – коэффициент,

определяемый

по

графику [5]

при δ = 120 ° и

2540

= 0,84 .

3018

Условие σ = 212,05 МПа£ϕ[σ ]= 0,9 ×183 =164,7 МПа не соблюдено.

S 2

Устанавливаем между седловой опорой и стенкой обечайки подкладной

лист толщиной S л

= 18 мм .

Тогда

σ S1

= К5

(So + S1 − ∑C )[b + 1,1

D(So

− ∑C )

627000

]= 26,21МПа;

0,77

(18 + 18 − 2)[300 + 1,1

3018(18 − 2)

So + S1 − ∑C

+ 1,5K

= 51,46 МПа.

S 2

(So + S1 − ∑C )2

4[b + 1,1

D(So − ∑C )]


Условие σ S 2		/ ϕ[σ ] соблюдено.
Условия прочности для кольцевых напряжений в точках 1 и 2 за пределами
подкладного листа			шириной bл = 400 мм	также соблюдены, так как
bл b, K5	/ = f (δ / ) К5		и К6 / = f (δ / ) К6 (δ / –	угол охвата обечайки аппарата
подкладным листом).

Расчет обечайки, укрепленной кольцами жесткости

Установим в обечайке аппарата напротив каждой седловой опоры пару ко-

лец жесткости из уголков 125 × 80 × 8			мм. Материал колец – Ст3. Расстояние
между парой колец l = 200 мм (прил., рис. 3, 4).
Расстояние от центра тяжести эффективного сечения до линии х-х равно:
y ¢	=	So		=	18	= 9 мм.

1	2		2

Расстояние от центра тяжести кольца жесткости (уголка) до линии х-х рав-

но:

y2′ = H - yo = (125 +18) - 40,5 = 102,5 мм,

где yo – расстояние по вертикали от полки уголка до центра тяжести сечения

уголка, мм.

Эффективная длина обечайки, входящая в расчетное сечение, равна [5]:

lэф = l + 2δ +1,1D(So - ∑C) = 200 + 2 ×8 +1,1× 3018(18 - 2) = 457,7 м,

где l – расстояние между кольцами жесткости, мм.

Расстояние от центра тяжести расчетного сечения до линии х-х:

		Fэф × y1′	+ Fк	× y2	′		8244 × 9 + 1600 ×102,5
yc	=					=		= 24,197	мм,
yc	=	Fэф	+ Fк			=	8244 + 1600	= 24,197	мм,
		Fэф	+ Fк				8244 + 1600

1 / 41 2 3 4 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]