4.2 Расчет аппаратов на прочность

Целью данного раздела является:

- определение толщины стенок цилиндрической обечайки и днищ из условия прочности;

- определение допускаемого внутреннего давления;

- проверка прочности цилиндрической обечайки и днищ, т.е. сравнение допускаемого давления с расчетным.

4.2.1 Исходные данные.

Исходные данные, необходимые для выполнения данного раздела, приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Исходные данные

Параметр	Значение
Давление рабочее, Рраб, МПа: внутреннее избыточное	Рраб=1,68
Температура среды (рабочая) верха аппарата, t рабв, 0С	t рабв =75
Температура среды (рабочая) низа, t рабн, 0С	t рабн=238

4.2.2 Выбор материала корпуса и опорной обечайки.

Результаты выбора конструкционного материала элементов корпуса и опоры представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 – Результаты выбора конструкционного материала элементов корпуса и опоры

Корпус колонного аппарата			Опорная обечайка
Название среды в аппарате	стабильный бензин, углеводородный газ
Воздействие среды	неагрессивное	Воздействие среды		неагрессивное
Температура среды (рабочая), 0С	tраб =238	Температура среды, 0С		tраб =20
Температура наиболее холодной пятидневки, 0С	tх.п.=-37	Наличие переходного участка в опоре		нет
Давление рабочее, МПа	Рраб =1,68	Материал переходного участка		-
Материал	20К	Материал опорной обечайки		20К

4.2.3 Определение расчетной температуры, допускаемого напряжения и расчетного давления.

4.2.3.1 Расчет в рабочих условиях. Исходные данные для рабочих условий приведены в таблице 4.5 и на рисунке 4.4.

Таблица 4.5 – Исходные данные для рабочих условий

Параметр	Значение
Название рабочей жидкости в кубовой части	стабильный бензин
Плотность рабочей жидкости, кг/м3	ρж =750
Высота выпуклой части (глубина) верхнего днища без учета цилиндрической части (высоты отбортовки), мм	hднв =0,25 Dв=0,25·2000=500
Глубина нижнего днища без учета цилиндрической части (высоты отбортовки), мм	hднн =0,25 Dв=0,25·2600=650
Высота кубовой части hкуб , мм	hкуб =2500
Высота рабочей жидкости в корпусе hр.ж., мм	hр.ж = h ндн+ hкуб =650+2500=3150

Результаты расчета для корпуса и опорной обечайки представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 – Результаты расчета для рабочих условий

Корпус колонного аппарата		Опорная обечайка
Расчетная температура стенки корпуса, 0С	tраскор=max{tраб; 200С}=max{200C; 2380C}=238	Расчетная температура стенки опорной обечайки, 0С	t рас оп.=max{ tкор – ∆t; 20 0C}= max{238-6500C; 200C}=20
Поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям	η =1 для сварных аппаратов	Поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям	η =1 для сварных аппаратов
Допускаемое напряжение корпуса в рабочих условиях при расчетной температуре tрас кор, МПа	[σ]tкор=η·σ*t, = =133 =133	Допускаемое напряжение опорной обечайки в рабочих условиях при расчетной температуре t рас оп, МПа	[σ]tоп=η·σ*tоп= =1·147=147
Допускаемое напряжение корпуса в рабочих условиях при расчетной температуре 200С, МПа	[σ]20 кор=η·σ20 кор =147=147
Расчетное внутреннее избыточное давление для рабочих условий, МПа	=Рраб +ρж·g·hр.ж.= =1,68·106+750·9,81·3,15 = 1,7 так как Pr не превышает 5 % от Pраб, то Pr не учитываем, следовательно Рtрас=1,68	Расчетное внутреннее избыточное давление, МПа	Ррас оп = 0,1

Н= 35320 мм

h_дн^н= 650 мм

h_дн^в= 500 мм

h_куб= 2500мм

h _оп= 2400 мм

Н= 35320мм

L= 32100 мм

h_воды= 33250 мм

а) б)

Рисунок 4.4 – Расчетная схема аппарата с двумя жесткостями

(диаметрами) в рабочих условиях (а) и в условиях испытаний (б)

4.2.3.2 Расчет в условиях испытаний. Испытанию подвергается только корпус колонного аппарата.

Исходные данные для расчета приведены в таблице 4.7 и на рисунке 4.4.

Таблица 4.7 – Исходные данные для условий испытаний для корпуса колонного аппарата

Параметр	Значение
Вид испытаний	гидроиспытания
Высота выпуклой части верхнего днища, мм	h вдн =500
Глубина днища нижнего, мм	h н дн = 650
Высота корпуса, заполненная водой при гидроиспытании (без учета верхнего штуцера), hводы, мм	hводы = hвдн + hндн + Lк + L1+L2 =500+650+1200+7700+23200 =33250

Результаты расчета корпуса колонного аппарата в условиях испытаний представлены в таблице 4.8.

Таблица 4.8 – Результаты расчета корпуса КА в условиях испытаний

Параметр	Корпус колонного аппарата
Предел текучести при расчетной температуре, равной 20 0С, МПа	σт = 220
Коэффициент запаса прочности по пределу текучести	nТ =1,1 при гидроиспытаниях
Поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям	η = 1
Допускаемое напряжение в условиях испытаний при расчетной температуре, равной 200 С, МПа
Пробное давление, МПа	=
Расчетное давление в условиях испытаний, МПа	=Рпр +Рг воды =Рпр + ρ воды g hводы. = =2,32·106+1000·9,81·33,25=2,65

4.2.4 Определение коэффициента прочности сварного шва.

Результаты определения коэффициента прочности сварного шва представлены в таблице 4.9.

Таблица 4.9 – Результаты расчета коэффициента прочности сварного шва

Наименование параметра	Значение
Название жидкой фазы (среды)	стабильный бензин
Название газообразной фазы	углеводородный газ
Расчетное избыточное внутреннее давление корпуса в рабочих условиях, МПа	Рt рас=1,68
Расчетная температура стенки корпуса, 0С	tрас кор =238
Взрывопожароопасные свойства среды	взрывопожароопасная среда
Класс опасности среды	4
Группа аппарата	1
Аппарат транспортируется целиком или частями	Целиком
Категория аппарата (для аппаратов, транспортируемых целиком)	1
Длина контролируемых швов, в % от общей длины	100
Коэффициент прочности сварного шва	φ =1,0

4.2.5 Расчет исполнительной толщины стенки цилиндрической обечайки и днищ, находящихся под воздействием внутреннего избыточного давления.

4.2.5.1 Определение расчетной толщины цилиндрической обечайки и днища без суммы прибавок. Расчет выполняется либо для рабочих условий, либо для рабочих условий и условий испытаний.

Расчет на прочность цилиндрических обечаек и выпуклых днищ для условий испытаний проводить не требуется, если расчетное давление в условиях испытаний Р^и_рас будет меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на , т.е если

Р^и_рас <; (4.1)

2,65 > 1,351,68МПа.

Данное условие не выполняется, значит, необходимо проводить расчет и для условий испытаний.

4.2.5.1.1 Расчет толщины стенки в рабочих условиях. Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки S^ц _р и днищ S^дн _р (без учета суммы прибавок С) производится, соответственно, по формулам (4.2) и (4.3):

- для цилиндрической обечайки

=мм; (4.2)

- для выпуклого эллиптического днища

=мм, (4.3)

где R – расчетный радиус днища, м.

Для эллиптического днища R = D_в.

4.2.5.1.2 Расчет толщины стенки в условиях испытаний. В этом случае расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки и днища (без учета суммы прибавок С) определяется, соответственно, по формулам (4.4) и (4.5):

- для цилиндрической обечайки

=мм; (4.4)

- для выпуклого эллиптического днища

=мм. (4.5)

4.2.5.1.3 Определение расчетной толщины. Так как не выполняется условие (4.1), то из значений, найденных по формулам (4.2) – (4.5) выбираются большие для цилиндрической обечайки и днища, по которым выполняются дальнейшие расчеты, т.е.

S^ц_р = max {S^ц_{р (р.у)} ; S^ц_{р. (у.и)}}= max {16,55 ; 17,35}=17,35 мм, (4.6)

S^дн_р= max {S^дн _{р (р.у.)} , S^дн _{р (у.и)}}= max {16,5 ; 17,3}=17,3 мм. (4.7)

4.2.5.2 Определение суммы прибавок к расчетной толщине. Сумма прибавок к расчетной толщине определяется как сумма прибавки для компенсации коррозии и эрозии, мм, которая находится по скорости коррозии металла, мм/год, в заданной среде. При отсутствии данных С₁ может приниматься равной 2 мм. Далее учитываются прибавки для компенсации минусового допуска по толщине листа и технологическая прибавка.

Исходные данные для расчета суммы прибавок представлены в таблице 4.10.

Таблица 4.10 – Значения прибавок к расчетной толщине

Наименование параметра	Значение
	Цилиндрическая обечайка	Днище
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм	С1 =2	С1 =2
Прибавка для компенсации минусового допуска, мм	С2 =0,8	С2 =0,8
Прибавка технологическая, мм	С3 =0	С3=1,8
Сумма прибавок С2 и С3	С2 + С3 = 0,8 + 0 =0,8 (˂5% расчетной толщины Sцр)	С2 + С3 = 0,8 + 1,8= 2,6 (>5% расчетной толщины Sднр)
Сумма прибавок к расчетной толщине стенки, мм	Сц=С1+С2+С3= =2	Сдн=С1+С2+С3= =2+0,8+1,8=4,6

4.2.5.3 Определение исполнительной толщины стенки цилиндрической обечайки и днищ. Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки S^ц и эллиптического днища S^дн определяется соответственно по формулам (4.8) и (4.9)

S^ц ≥ S ^ц_р + С_ц=17,35+2=19,35 мм, (4.8)

S^дн ≥ S^дн _р + С_дн=17,3+4,6=21,9 мм. (4.9)

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки и днища заносятся в таблицу 4.11.

Таблица 4.11 – Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки и днища

Наименование параметра	Значение
Исполнительная толщина цилиндрической обечайки, мм	Sцгост = 22
Исполнительная толщина эллиптического днища, мм	Sднгост = 22

4.2.6 Проверка условий применения расчетных формул.

Проверяется условие применения расчетных формул для цилиндрической обечайки корпуса аппарата, которое записывается в виде

(4.10)

Проверяется условие применения расчетных формул для эллиптической оболочки, которое записывается в виде

(4.11)

(4.12)

Так как условия выполнятся, то расчеты выполнены корректно.

4.2.7 Выбор стандартного днища.

Параметры эллиптического днища представлены в таблице 4.12.

Таблица 4.12 – Параметры эллиптического днища

D,мм	Sдн,(Sднгост), мм	Ндн, (hдн), мм	hц, мм	Fдн, м2	mдн, кг	Vдн, м3
2600	22	650	60	7,82	1375	2,6087

Эскиз эллиптического днища и конического перехода представлены на рисунке 4.5.

а) б)

Рисунок 4.5 – Эскиз эллиптического днища (а) и конического перехода (б)

4.2.8 Проверка прочности.

4.2.8.1 Проверка прочности аппарата, работающего под действием внутреннего избыточного давления. Проверка прочности заключается в определении допускаемых значений расчетных давлений в рабочих условиях [P]_t и в условиях испытаний [P]_и и сравнении их с расчетными P_рас^t и P_рас^и.

4.2.8.1.1 Определение допускаемого давления в рабочих условиях. В рабочих условиях допускаемое внутреннее избыточное давление [P]_t определяется по формулам:

- для цилиндрической оболочки

; (4.13)

МПа;

- для днищ

; (4.14)

МПа.

4.2.8.1.2 Расчет в условиях испытаний. В условиях испытаний допускаемое внутреннее избыточное давление [P]_и определяется по формулам:

- для цилиндрической оболочки

; (4.15)

МПа;

- для днищ

; (4.16)

МПа.

4.2.8.1.3 Проверка прочности. Проверяется условие прочности цилиндрической обечайки и днищ по следующим формулам:

- в рабочих условиях

P_рас^t ≤ [P]_t ; (4.17)

1,68 МПа˂2,03 МПа;

1,68 МПа˂1,88 МПа.

- в условиях испытаний

P_рас^и ≤ [P]_и ; (4.18)

2,65 МПа ˂3,05 МПа;

2,65 МПа ˂2,83 МПа.

Условия (4.17) и (4.18) выполняются.

Результаты проверки прочности цилиндрической обечайки и днищ приведены в таблице 4.13.

Таблица 4.13 – Результаты проверки прочности обечайки и днища

Наименование	Условие прочности
	Расчет в рабочих условиях	Расчет в условиях испытаний
Цилиндрическая обечайка	1,68˂2,03	2,65˂3,05
Днище эллиптическое	1,68˂1,88	2,65˂2,83

Результаты расчетов приведены в таблице 4.14.

Таблица 4.14 – Результаты расчетов

Наименование параметра	Значение
Сумма прибавок к расчетной толщине, С, мм	С =2
Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки без учета суммы прибавок, мм	Sцр =17,35
Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки по ГОСТ, мм	Sцгост =22
Расчетная толщина стенки эллиптического днища без учета суммы прибавок, мм	Sднр=17,3
Исполнительная толщина эллиптического днища по ГОСТ, мм	Sднгост =22