Вопросы для самопроверки:

1. Какие аппараты называются толстостенными?

2. По какой формуле можно вычислить толщину стенки таких аппаратов?

Практическое занятие № 6. Расчет днищ нефтехимических аппаратов.

Цель – ознакомить с методикой механического расчета днищ аппаратов

нефтеперерабатывающей промышленности.

В нефтеперерабатывающей промышленности днища изготавливаются из того же материала, что и обечайка, их приваривают к ним чаще встык. Они соединяются с обечайкой без разъема сваркой или с разъемом на фланцевом соединении. Форма применяемого днища зависит от требований процесса, для осуществления которого предназначен данный аппарат, зависит от размеров аппарата, давлений среды в нем и конструктивных соображений. По форме различают эллиптические, сферические, конические, полушаровые и плоские днища.

1. Эллиптические днища.

Имеют рациональную конструктивную форму, поэтому в аппаратуростроении применяются чаще других. Постепенное непрерывное уменьшение радиуса кривизны эллипсоидальной поверхности днища от центра к краям обеспечивает равномерное распределение напряжения без концентрации их. Для удобства присоединения к обечайке эллиптические днища изготавливается с цилиндрическим бортом. ГОСТ устанавливает размеры и условия применения эллиптических днищ. Принято условное обозначение эллиптических днищ 400х 6 – 25 – 09Г2С означает 400 мм-диаметр днища, 6 – толщина стенки, 25 – высота цилиндрического борта 09Г2С марка стали. Стандартизированные и нормализованные эллиптические днища применяют для аппаратов работающих под давлением до 10 МПа. Расчет на прочность днища, работающего под давлением, заключается в определении толщины стенки эллиптического днища.

(6.1)

D_с – средний диаметр днища, м

y_э - коэффициент перенапряжения определяется по таблицам и по графикам зависимости отношения Уэ к отношению высоты к внутреннему диаметру днища.

Для стандартного днища, у которого Н / Дв = 0,25

(6.2)

где R – радиус кривизны в вершине эллиптического днища, м.

Кроме толщины стенки при расчетах на прочность эллиптического днища определяют допускаемое давление.

(6.3)

Внутреннюю емкость выпуклой части эллиптических днищ вычисляют по формуле:

(6.4)

где Н_в – высота днища без учета толщины.

Расчеты эллиптического днища проводят для многих аппаратов нефтепереработки т.к. многие технологические процессы протекают при высоких давлениях и в основном эти аппараты имеют эллиптические днища.

2. Полушаровые днища

В нефтепереработке полушаровые днища применяют для аппаратов большого диаметра более 4 м, работающих под давлением. Их изготавливают сварными из отдельных штампованных элементов шарового сегмента и шаровых лепестков. При расчетах на прочность определяют толщину стенки полушарового днища и внутреннюю емкость. Толщина стенки определяется:

(6.5)

где R – внутренний радиус днища.

Емкость днища рассчитывают по формуле:

(6.6)

3. Плоские днища

В нефтепереработке плоские днища применяют для аппаратов под наливом без давления. Для аппаратов, диаметр которых более 0,4 м, работающих под давлением применять плоские днища нельзя. При равных расчетных условиях толщина плоского днища круглого сечения на много больше, чем для других днищ.

Плоские днища стандартизированы. Толщину стенки плоского днища определяют по формуле:

(6.7)

где D₁ - приведенный диаметр задается в справочных данных, м.

k - коэффициент, зависящий от конструкции днища, обычно k изменяется от 0,6 до 0,45

4. Сферические днища

В сечении плоскостью, проходящей через ось, сферическое днище представляет собой кривую, состоящую из двух участков: центрального, выполненного большим радиусом R и сопрягающего, выполненного меньшим радиусом r.

(6.8)

у_с – коэффициент перенапряжения, который показывает, во сколько раз напряжение в сопрягающей переходной части сферического днища больше напряжения в центральной части. Значение коэффициента определяют по таблице или по графику зависимости от отношения . Минимальное значение коэффициента у = 0,08. При r / R =1→ у_с = 1 при этом сферическое днище превращается в полушаровое.

5. Конические днища

В нефтепереработке конические днища применяют в том случае, когда по условиям процесса необходимо полностью удалить из аппарата сыпучие или вязкие среды. Конические днища применяют для тех аппаратов, когда выпускают из аппарата высоковязкие нефтепродукты. Расчеты толщины стенки конического днища проверяют по следующим формулам:

1. Если давление в аппарате незначительно по сравнению с гидростатического столба жидкости, то

(6.9)

γ - удельный вес вещества, заполнившего днище.

- половина угла при вершине конического днища.

Н- расчетная высота.

h_к -высота конуса.

Н= h + h э (6.10)

h_э - эквивалентная высота столба вещества, заменяющая давление внутри аппарата Р.

h_э = ( P / γ )

2) Если давление значительно по сравнению с гидростатическим давлением столба жидкости, то

(6.11)

Р´- расчетное давление.

Р´=Р+Р_э (6.12)

Р – давление системы, МПа;

Р_э – давление, эквивалентное гидростатическому давлению столба жидкости, МПа

В переходной части отбортованных днищ, а также в сварном шве, которым неотбортованное днище соединяется с корпусом, возникают напряжения изгиба. Учитывая это, из условия прочности определяют толщину стенки конического днища по формуле:

(6.13)

где у_к – коэффициент перенапряжения, определяемый по графику.

Пример 1. Произвести расчет отбортованного конического днища (угол при основании днища 90˚) аппарата из кислотостойкой стали 08Х18Н10Т. Диаметр аппарата 2600 мм, давление 1,6 Н/мм², температура 400˚С. Расчетную температуру принимаем 400+50=450˚ С, так как аппарат обогревается открытыми электронагревателями и служит для работы с взрывоопасными продуктами). Нормативное допускаемое напряжение σ*=84 Н/мм² находим по табл. 6.

Находим расчетное допускаемое напряжение [σ]= σ *η =84·0,9=75,5 Н/мм².

Среда взрывоопасная, коэффициент условной работы η =0,9. Принимаем коэффициент прочности сварного шва φ= l (двусторонняя автоматическая сварка), суммарную прибавку с + с₁=1,5 мм.

Диаметр линии перехода D_р = 2400 мм, радиус отбортовки днища r =390 мм.

Решение. Толщина конической части днища:

отбортованной части днища

где у_к определяется по графику, изображенному на рис. 2. Принимаем толщину днища s=38 мм.

Задачи:

6.1 Определить толщину стенки сферического отбортованного днища аппарата, для выполнения которого был выбран материал Х17Н13М3Т. Рабочие давление 0,7 МПа и температура 400˚С. Известны следующие данные: r/R =0,12; высота столба жидкости 1,8 м., диаметр 2,1 м., плотность жидкости 1000 кг/м³, коэффициент сварного шва 0,95; прибавка на коррозию 2 мм, прибавка на эрозию 1мм, коэффициент =0,8.

6.2 Определить толщину стенки плоского днища аппарата, для выполнения которого был выбран материал Х5М. Рабочие давление 1 МПа и температура 250˚С. Известны следующие данные: высота столба жидкости 3,7 м., диаметр 1,1 м., плотность жидкости 955 кг/м³, коэффициент сварного шва 1; прибавка на коррозию 2 мм, прибавка на эрозию 2 мм, коэффициент =0,85, k=0,60, D₁=D .

3. Определить толщину стенки конического днища (угол при основании 90˚) аппарата. Выполненного из кислостойкой стали марки 0Х18Н10Т. Диаметр аппарата 2600 мм., давление 16 МПа, температура 400 ˚С. Среда в аппарате взрывоопасная, =0,9; φ=1. с_к+с_э=3,5 мм; высота 2400 мм; h_к=400 мм, γ=980кг/м³.

4. Определить толщину стенки полушарового днища аппарата, изготовленного из углеродистой стали Ст10. Давление 0,2 МПа, температура 300˚С; =0,9; R=2,4 м; с_к+с_э=3 мм;

5. Определить толщину стенки эллиптического днища и емкость днища аппарата, выполненного из материала Ст. 10. Рабочие давление 3,0 МПа и температура 20˚С. Известны следующие данные: высота столба жидкости 2,0 м., диаметр 1,8 м., плотность жидкости 970 кг/м³, коэффициент сварного шва 0,9; прибавка на коррозию 2 мм, прибавка на эрозию 1мм, коэффициент =1.

6. Определить толщину стенки полущарового днища аппарата, выполненного из материала Ст. 20. Рабочие давление 1 МПа и температура 400˚С. Известны следующие данные: высота столба жидкости 7,0 м., диаметр 2,0 м., плотность жидкости 1100 кг/м³, коэффициент сварного шва 1; прибавка на коррозию 2 мм, прибавка на эрозию 1мм, коэффициент =1.

7. Определить толщину стенки конического днища (угол при основании 90˚) аппарата. Выполненного из кислостойкой стали марки 0Х18Н12Т. Диаметр аппарата 2000 мм., давление 3 МПа, температура 250 ˚С. Среда в аппарате взрывоопасная, =0,85; φ=0,9. с_к+с_э=2 мм; высота 3000 мм; h_к=200 мм, γ=1010кг/м³.