Вопросы для самопроверки:

1. Какие основные параметры определяют для нефтехимического оборудования при технологическом расчете?

2. Какие основные параметры определяют для нефтехимического оборудования при механическом расчете?

Практическое занятие № 2. Исходные данные для расчетов

Цель: Определение расчетного давления, температуры и напряжения

Давление – это одно из главных определяющих величин. Различают: рабочее, расчетное, условное и пробное давление.

Под рабочим давлением, понимают избыточное давление среды в аппарате, возникающее при нормальном протекании процесса. Рабочее давление возникает в аппарате при работе на максимально допустимом форсированном режиме. При этом кратковременное повышение давления во время действии предохранительного клапана и других предохранительных устройств не учитывается.

По величине расчетного давления производят расчет аппарата на прочность и устойчивость. Расчетное давление может быть и рабочим, т.е. одинаковым, если среда идеальная. Расчетное давление обычно берется на 10% больше, чем рабочее давление, если среда содержит взрывоопасные, пожароопасные вещества; а когда среда ядовитая – аппарат снабжается предохранительными клапанами. Кроме рабочего, расчетное давление включает также гидростатическое давление столба жидкости в аппарате.

Расчетное давление определяется по формуле:

(2.1)

Где Р_с- давление в системе, рабочее давление;

g = 9,81 м/с;

Н- высота столба жидкости, м;

d - плотность жидкости; кг/м³

10^-6- переводная эмпирическая цифра;

Под условным давлением понимается максимально допустимое давление в аппарате при температуре стенки 20˚С. Условное давление всегда больше, чем рабочее и расчетное. В таблице 3 приведены некоторые данные для углеродистых сталей, дающие представление о характере этой связи.

Величина пробного, или испытательного, давления, при котором испытывают на прочность изготовленный или находящийся в эксплуатации, периодически проверяемый аппарат, установлена нормами, приведенными в таблице 4. Величина пробного давления определяется по следующей формуле:

(2.2)

где [ ]₂₀ - допустимое напряжение материала корпуса при 20 ˚C, МПа.

[ ]_t - при температуре стенки, МПа.

Таблица 3 - Условные и рабочие давления дл изделий из углеродистых сталей

при различных температурах среды.

Условное давление, МН/м2	Наибольшие рабочие давления (в МН/м2) при температурах среды, ˚С
	200	250	300	350	400	425	450
0,1	0,1	0,09	0,08	0,07	0,06	0,05	-
0,25	0,25	0,22	0,2	0,18	0,16	0,14	0,12
0,4	0,4	0,37	0,33	0,3	0,28	0,23	0,18
0,6	0,6	0,56	0,5	0,45	0,4	0,36	0,25
1,0	1,0	0,9	0,8	0,7	0,64	0,56	0,4
1,6	1,6	1,4	12,5	1,1	1,0	0,9	0,64
2,5	2,5	2,2	2,0	1,8	1,6	1,4	1,0
4,0	4,0	3,6	3,2	2,8	2,5	2,2	1,6
6,4	6,4	5,6	5,0	4,5	4,0	3,6	2,5
10,0	10,0	9,0	8,0	7,1	6,4	5,6	4,0

Таблица 4 - Нормы пробного гидравлического давления при испытании аппаратов,

работающих под избыточным давлением.

Вид аппарата	Расчетное давление Р, МН/м2	Пробное гидравлическое давление, МН/м2
Сварной, паяный	0,05	но не менее 0,06
	0,05-0,07	, но не менее 0,1
	0,07, но < 0,5	, но не менее 0,3
Сварной, паяный, кованый	≥0,5	, но не менее Р +0,3
Литой	Независимо от давления	, но не менее Р +0,3

и - допустимые напряжения соответственно при нормальной температуре и температуре рабочей среды.

При расчетах на прочность и устойчивость аппаратов, кроме давления решающую роль играет температура среды. За рабочую температуру принимают максимальную температуру среды, которая наблюдается при нормальном протекании технологического процесса. Для расчета на прочность узлов деталей и внутренних деталей аппарата которую принимают равной:

а) Максимально возможной при эксплуатации температуры среды, если она менее 250˚С т.е. в этом случае расчетная температура принимается равной рабочей.

б) Если температура среды более 250˚С, то расчетная температура принимается меньше на 50˚С, чем рабочая.

При расчетах на прочность и устойчивость очень важен выбор допускаемого напряжения. От выбранного значения допускаемого напряжения зависит надежность аппарата в условиях эксплуатации, расход металла на его изготовление и, следовательно, экономичность конструкции в целом. Допускаемое напряжение выбирают в зависимости от прочностных характеристик принятого конструкционного материала которое, при расчетной температуре в зависимости от свойств среды, характера нагрузок испытываемых аппаратом в процессе эксплуатации, способа и технологии изготовления аппарата и надежности приборов контроля. При расчете на прочность и устойчивость аппаратов, работающих под внешним или наружном давлении, а также подверженным ветровым и сейсмическим нагрузкам установлены нормативы допускаемого напряжения, которые принимают при расчетах на напряжение, сжатие и изгиб. При расчетах на кручение и срез нормативное допускаемое напряжение уменьшают в 1,7 раза.

В соответствии с ГОСТ значение допускаемого напряжения определяют по формуле:

(2.3)

где - поправочный коэффициент.

Для идеальной среды = 0, если взрывоопасная, ядовитая среда = 0,8- 0,95. Чем меньше , тем меньше допускаемое давление.

- нормативное допускаемое напряжение, его определяют по справочным данным по графику зависимости значения допускаемого напряжения от вида материала и температуры. ( МПа).

Поправочный коэффициент учитывает взрыво-, пожароопасность и токсичность среды в аппарате. Значение его устанавливает в соответствии с утвержденной нормативно-технической документацией. При отсутствии нормативов коэффициент принимают равным 0,9. Для аппаратов, содержащих чистую среду, =1,0. Значение нормативных допускаемых напряжений для различных сталей определяют по таблицам 5 и 4.

Таблица 5 - Нормативные допускаемые напряжения для углеродистых и низколегированных сталей

Расчетная температура стенки, ْС	Значение (в МН/м2) для сталей марок
	Ст. 3	Сталь 10	Сталь 20 и 20К	09Г2С и 16ГС
20	140	130	147	170
100	134	125	142	160
150	131	122	139	154
200	126	118	136	148
250	120	112	132	145
300	108	100	119	134
350	98	88	106	123
375	93	82	98	116
400	88	77	92	110
410	83	75	89	104
420	78	72	86	97
430	76	68	83	90
440	-	60	73	82
450	-	53	64	73
460	-	47	56	65
470	-	42	49	60
475	-	39	46	56

Таблица 6 - Нормативные допускаемые напряжения для теплостойких и кислостойких сталей.

Расчетная температура стенки, ْС	Значения (в МН/м2) для сталей марок
	12ХМ, 12МХ	15ХМ	Х5М	Х18Н10Т, Х18Н12Т, 17Н13М3Т, Х17Н13М2Т.	0Х18Н10Т, 0Х18Н12Т
20	147	155	146	146	132
100	-	-	141	139	122
150	-	-	138	134	115
200	145	152	134	129	109
250	145	152	127	125	100
300	141	147	120	120	93
350	137	142	114	116	91
375	134,5	139,5	109,5	113,5	88,5
400	132	137	105	111	86
410	130,5	136	103	110,5	85,5
420	129	135	101	110	85
430	127,5	133,5	98,5	109	84,5
440	126	132	96	108	84
450	124,5	131	93,5	107	83,5
460	123	130	91	106	83
470	122	128	88,5	105,5	82,5
480	121	126	86	105	82
490	108,5	114,5	82,5	104,5	81,5
500	96	103	79	104	81
510	83	89	72	103	80
520	69	78	66	103	79
530	57	69	60	102	79
540	47	60	54	102	78
550	-	51	47	102	76
560	-	42	-	101	73
570	-	-	-	97	69
580	-	-	-	90	65
590	-	-	-	81	61
600	-	-	-	74	57
610	-	-	-	68	-
620	-	-	-	62	-
630	-	-	-	57	-
640	-	-	-	52	-
650	-	-	-	48	-
660	-	-	-	45	-
670	-	-	-	42	-
680	-	-	-	38	-
690	-	-	-	34	-
700	-	-	-	30	-

В тех случаях, куда конструкционный материал в приведенных таблицах не значится, нормативное допускаемое напряжение определяют по одной из следующих ниже формул.

1. Для углеродистых сталей при расчетной температуре до 380^˚С, для низколегированных сталей – до 420^˚С, для аустенитных сталей – 525^˚С – по формулам:

или (2.4)

2. При более высоких расчетных температурах, чем перечисленные, для каждой группы сталей, - по формулам

или (2.5)

- минимальное значение предела прочности (временное сопротивление) при расчетной температуре, МН/м²;

- минимальное значение предела текучести при расчетной температуре, МН/м²;

- запас прочности по пределу прочности ( =2,6);

- запас прочности по пределу текучести ( =1,5);

- среднее значение предела длительной прочности за 100 тыс. ч при расчетной температуре, МН/м²;

- запас прочности по пределу длительной прочности.

За нормативное допускаемое напряжение принимают меньшее из значений, вычисленных по двум формулам.

Если для выбранного конструкционного материала нет данных по пределу длительной прочности, за нормативное допускаемое напряжение принимают меньше из значений, вычисленных по формулам

или (2.6)

- среднее значение предела ползучести за 100 тыс. ч при расчетной температуре, МН/м².

Для стальных отливок значение нормативного допускаемого напряжения уменьшают в 1,25 – 1,4 раза.

Задачи:

2.1. Рассчитайте пробное и расчетное давления в аппарате, если известны следующие данные:

А) давление в системе – 8 Па, среда в аппарате – жидкость плотностью 980 кг/м³, высота столба жидкости 84 м., = 132 МПа, =147 МПа.

Б) давление в системе – 10 Па, среда в аппарате – жидкость плотностью 700 кг/м³, высота столба жидкости 140 м., = 30 МПа, =57 МПа.

2.2. Определите значения допускаемых напряжений, если известны следующие данные:

А) сталь марки 12ХМ, расчетная температура стенки аппарата - 400 ْС, среда в аппарате –взрывоопасная.

Б) сталь марки Х17Н13М2Т, расчетная температура стенки аппарата - 20 ْС, среда в аппарате – ядовитая

В) сталь марки 09Г2С, расчетная температура стенки аппарата - 160 ْС, =0,9;

Г) сталь марки сталь 10, расчетная температура стенки аппарата - 200 ْС, среда в аппарате –чистая.

2.3. Определите пробное и расчетное давления в аппарате, выполненного из материала сталь марки Ст3, если известны следующие данные:

А) давление в системе – 15 Па, среда в аппарате – жидкость плотностью 880 кг/м³, высота столба жидкости 75 м., температура стенки аппарата 300 ْС, среда в аппарате – токсичная.