
- •1 Теоретическая часть
- •1.1 Основные расчетные параметры
- •1.2 Расчет на прочность цилиндрических обечаек
- •1.4 Расчет на прочность сферических оболочек
- •1.5 Расчет на прочность стандартных эллиптических днищ (крышек)
- •3 Контрольные задачи
- •Глава 2 - Расчет тонкостенных сосудов и аппаратов, нагруженных наружным давлением
- •Глава 3 - Расчет укрепления отверстий
- •Глава 5 – Расчет валов на виброустойчивость
Содержание
Введение |
4 |
1 Теоретическая часть |
5 |
1.1 Основные расчетные параметры |
5 |
1.2 Расчет на прочность цилиндрических обечаек |
11 |
1.3 Расчет на прочность конических обечаек с углом при вершине 2α ≤ 120° |
11 |
1.4 Расчет на прочность сферических оболочек |
12 |
1.5 Расчет на прочность стандартных эллиптических днищ (крышек) |
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ведение
Сосуды и аппараты, применяемые в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, газовой, пищевой и смежных отраслях промышленности, принято считать тонкостенными, если толщина их стенки не превышает 10 % внутреннего диаметра. Такие сосуды и аппараты эксплуатируются обычно при давлении не более 10 МПа.
Основным узлом сосуда и аппарата является корпус, который определяет его форму, размеры, объем, производительность и стоимость. Корпус изолирует обрабатываемую среду, подвергаясь ее химическому воздействию и воспринимая при этом механические и тепловые нагрузки. Следовательно, надежность работы аппарата во многом зависит от надежности его корпуса.
Корпуса аппаратов состоят из пластинок и оболочек различной конфигурации, соединенных друг с другом как неразъемными (сварными, паяными), так и разъемными (фланцевыми и др.) соединениями. Корпуса работают чаще всего в условиях статических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением, а также при действии осевых или поперечных усилий и изгибающих моментов.
1 Теоретическая часть
1.1 Основные расчетные параметры
Перед расчетом на прочность необходимо определить следующие расчетные параметры:
Рабочее давление р — максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или другого предохранительного устройства.
Расчетное давление рр определяется по формуле
рр = р + рг.
где рг |
- |
гидростатическое давление среды, Па; |
p |
- |
рабочее давление, Па. |
где g |
- |
ускорение силы тяжести, м/с2; |
рж |
- |
плотность жидкости, кг/м3 ; |
hж |
- |
высота столба жидкости, м. |
Если (pг /p) 100 % ≤5 %, то
рр = р.
Пробное давление — это давление, на которое подлежат испытанию на прочность и плотность сосуды при изготовлении и периодически — при эксплуатации.
При этом для сосудов и их элементов, работающих при отрицательной температуре, рпр принимается таким же, как при температуре 20 °С, а для сосудов, работающих при температуре стенки свыше +400, рпр не должно превышать р более чем в 2 раза.
Для сосудов высотой более 8 м пробное давление следует принимать с учетом гидростатического давления жидкости:
где р |
- |
рабочее давление, Па; |
[σ ]20, [σ]t |
- |
допускаемые напряжения для материала сосудов или его элементе в соответственно при температуре 20 °С, Па. |
Расчетная температура стенки t определяется на основании тепловых расчетов или результатов испытания. В случае невозможности проведения расчетов и испытаний: при положительных температурах
t — max (tc; 20 °С), где tc —наибольшая температура среды; при отрицательных температурах t = 20 °С.
Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках:
для рабочего состояния
[σ] = η σ*,
где η |
- |
поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки (таблица 1); |
σ* |
- |
нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре, Па. |
Таблица 1 - Значения поправочного коэффициента
-
Вид заготовки
Значения поправочного
коэффициента η
Листовой прокат
1,0
Отливки, подвергающиеся индивидуальному контролю неразрушающими методами
0,8
Отливки, не подвергающиеся индивидуальному контролю
0,7
Нормативное допускаемое напряжение для углеродистых и низколегированных сталей приведено в таблице 2, для теплостойких и кислотостойких сталей — в таблице 3.
Таблица 2 - Нормативное допускаемое напряжение для углеродистых и низколегированных сталей
Таблица 3 - Нормативное допускаемое напряжение для теплостойких и кислотостойких сталей
при испытаниях:
гидравлических [σ]и = σ Т20/1,1;
пневматических [σ]и = σ Т20/1,2,
где σ Т20 |
- |
минимальное значение предела текучести при температуре +20 °С (Таблица 4); |
Для марок сталей, не указанных в таблицах 2 и 3, нормативное допускаемое напряжение определяют по формуле
[σ ] = min {( σТ/пт); (σв/пв); (σ д105/пд); (σ1%105/пп)},
где σт |
- |
минимальное значение предела текучести при расчетной температура, Па; |
σв |
- |
минимальное значение временного сопротивления (предела прочности) при расчетной температуре, Па; |
σд105 |
- |
среднее значение предела длительной прочности за 105 ч при расчетной температуре, Па; |
σ1%105 |
- |
средний 1 %-ный предел ползучести за 105 ч при расчетной температуре, Па; |
пт, пв, пд, пп |
- |
коэффициенты запаса прочности по пределам соответственно текучести, прочности, длительной прочности и ползучести, пт = 1,5; пв =2,4; пд = 1,5; пп = 1. |
Таблица 4 - Предел текучести сталей при температуре +20 °С
Коэффициент прочности сварных и паяных соединений характеризует прочность соединения в сравнении с прочностью основного металла.
Значения φ в зависимости от конструкции и способа соединения для стальных, алюминиевых, медных и титановых аппаратов приведены соответственно в таблице 5.
Таблица 5 - Значение коэффициентов сварных швов прочности
Вид сварного шва |
Значение коэффициентов сварных швов прочности |
|
Длина контролируемых швов от общей длины составляет 100% |
Длина контролируемых швов от общей длины составляет от 10 до 50% |
|
Стыковой или тавровый с двухсторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой |
1,0 |
0,9 |
Стыковой с подваркой корня шва или тавровый с двухсторонним сплошным проваром, выполняемый вручную |
1,0 |
0,9 |
Стыковой, доступный к сварке только с одной стороны и имеющий в процессе сварки металлическую подкладку со стороны корня шва, прилегающую по всей длине шва к основному металлу |
0,9 |
0,8 |
Стыковой, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой с одной стороны с флюсовой или керамической подкладкой |
0,9 |
0,8 |
Стыковой, выполняемый вручную с одной стороны |
0,9 |
0,65 |
В тавр, с конструктивным зазором свариваемых деталей |
0,8 |
0,65 |
Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле
с = с1 + с2 + с3,
где с1 |
- |
прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм; |
с2 |
- |
прибавка для компенсации минусового допуска, мм; |
с3 |
- |
технологическая прибавка, мм. |
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии
c1 = Пτв + сэ,
где сэ |
- |
прибавка для компенсации эрозии, мм; |
П |
- |
проницаемость среды в материал (скорость коррозии), мм/год; |
τв |
- |
срок службы аппарата, год. |
При двустороннем контакте с коррозионной (эрозионной) средой прибавка с1 соответственно увеличивается. Для изготовления химического оборудования применяют материалы, у которых скорость коррозии П ≤ 0,1 мм/год.
Прибавку сэ рекомендуется учитывать лишь в следующих случаях:
при движении среды в аппарате со значительными скоростями (для жидких сред — более 20 м/с, для газообразных — более 100 м/с);
при наличии в движущейся среде абразивных твердых частиц;
при ударном действии среды на деталь.
Величина прибавки с3 предусматривает компенсацию утонения стенки элемента сосуда или аппарата при технологических операциях (вытяжке, штамповке, гибке и т. д.) и зависит от принятой технологии изготовления. Прибавки с2 и с3 учитывают в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5 % номинальной толщины листа. Технологическая прибавка с3 не включает в себя округление расчетной толщины стенки до номинальной толщины по стандарту.
Сортамент |
Сталь прокатная тонколистовая |
Сталь прокатная толстолистовая |
||||||||||
Толщина листа, мм |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
С2, мм |
0,12 |
0,18 |
0,22 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,8 |
|||||
Сортамент |
Сталь прокатная толстолистовая |
|||||||||||
Толщина листа, мм |
20 |
22 |
25 |
28 |
30 |
32 |
36 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
С2, мм |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |