4.3 Расчет аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и

сейсмических воздействий

Работа высоких колонных сооружений на технологических установках проходит в тяжелых условиях при совместном воздействии:

- давления (внутреннего или наружного);

- осевой сжимающей силы от собственного веса аппарата;

- изгибающих моментов, возникающих от ветровых и сейсмических нагрузок.

Толщина же стенки обычно рассчитывается при воздействии только внутреннего избыточного давления. Поэтому возникает необходимость проверить прочность и устойчивость основных элементов колонного аппарата при суммарном воздействии всех нагрузок, которые могут действовать на аппарат.

4.3.1 Область применения, цель и задачи расчета, исходные данные.

Расчет аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмического воздействия производится по ГОСТ Р 51273-99 (2006) [2] и 51274-99 (2006) [3].

В курсовом проекте рассчитывается отдельно стоящий аппарат колонного типа – стабилизационная колонна С-501 установки каталитического риформинга бензиновых фракций.

Цели расчета в курсовом проекте:

- проверка прочности корпуса колонного аппарата в сечении В-В под совместным воздействием внутреннего давления Р_рас, осевой сжимающей силы F от собственного веса и изгибающего момента М_V, возникающего от ветровых нагрузок (в курсовом проекте сечение В-В совмещается с сечением Г-Г);

- проверка прочности сварного шва (сечение Г-Г) под воздействием изгибающего момента М_V и осевой сжимающей силы F;

- проверка устойчивости опорной обечайки в наиболее ослабленном отверстиями сечении (сечение Д-Д) под воздействием изгибающего момента М_V и осевой сжимающей силы F;

- расчет элементов опорного узла в месте присоединения нижнего опорного кольца (сечение Е-Е) под воздействием изгибающего момента М_V и осевой сжимающей силы F:

а) определение ширины нижнего опорного кольца (проверка прочности бетона);

б) расчет на прочность анкерных болтов (определение внутреннего диаметра резьбы анкерных болтов).

Необходимость в проверке прочности возникает вследствие того, что толщина стенки корпуса была определена только под действием внутреннего или наружного расчетного давления, без учета дополнительного воздействия осевой сжимающей силы и изгибающего момента, напряжения от которых могут достигать больших величин и привести к разрушению колонного аппарата.

Исходные данные, необходимые для выполнения данного раздела, приведены в таблицах 4.5-4.8, 4.14 и 4.15.

Таблица 4.15 - Исходные данные при расчете колонного аппарата на воздействие ветровых нагрузок

Параметр	Значение
Территориальный район установки аппарата	II
Диаметр колонны наружный (без изоляции), Dн=Dв+2Sгост, мм	2044 / 2644
Толщина стенки опорной обечайки Sоп,	22
Модуль упругости Еt,Па, при расчетной температуре tрас для рабочих условий	1,77∙1011
Модуль упругости Е20 , Па, при расчетной температуре tрас = 20 0С	1,99∙1011
Тип грунта	слабый
Коэффициент неравномерности сжатия грунта Cf, Н/м3(выбирается в зависимости от типа грунта)	60000000
Тип массообменных устройств	клапанные тарелки
Общее число тарелок, шт.	35
Масса тарелки*, кг	200
Учет сейсмических нагрузок	нет
Наличие изоляции	да
Расстояние от поверхности земли до обслуживающей площадки, i , мм: - первой; (нумерация сверху вниз) - второй; - третьей; - четвертой; - пятой	33200 25400 18400 11000 2500
Расстояние от поверхности земли до оси лаза Х 0Д-Д, мм	600
Диаметр лаза, мм	500

4.3.2 Порядок расчета колонных аппаратов от ветровых нагрузок.

Расчет на ветровую нагрузку по стандарту состоит из двух частей, в первой из которых определяются изгибающие моменты от ветровых нагрузок в каждом расчетном сечении по ГОСТ 51273-99 [2], а во второй - производится расчет на прочность и устойчивость отдельных элементов аппарата по ГОСТ 51274-99 [3].

Порядок расчета колонного аппарата от ветровой нагрузки следующий:

- определяются исходные данные;

- разрабатывается расчетная схема аппарата, определяется количество участков z и их параметры (высота участка h_i, расстояние от поверхности земли до центра тяжести i-го участка – x_i);

- определяется период собственных колебаний для трех расчетных условий υ = 1; 2; 3;

- находятся ветровые нагрузки Р_i на каждом участке для трех расчетных условий υ = 1; 2; 3;

- определяются изгибающие моменты М_v в каждом из расчетных сечений аппарата (Г-Г, Д-Д, Е-Е) для υ = 1; 2; 3;

- проводится проверка прочности стенки корпуса колонного аппарата для υ = 1; 3 в поперечных сечениях, переменных по диаметру или толщине стенки, под суммарным воздействием Р_рас, F и М_υ (в КП ведется расчет только для сечения Г-Г);

- выбирается тип опорной обечайки и определяются все размеры опорного узла;

- производится проверка прочности сварного шва в сечении Г-Г под суммарным воздействием F и М_υ для υ = 1; 2;

- производится проверка устойчивости опорной обечайки в сечении Д-Д под суммарным воздействием F и Мυ для υ = 1; 2;

- проводится расчет элементов опорного узла для υ = 1; 2;

- расчет анкерных болтов.

4.3.3 Выбор расчетной схемы и определение расчетных сечений аппарата.

4.3.3.1 Расчетная схема аппарата. В качестве расчетной схемы аппарата колонного типа принимают упруго защемленный стержень.

Из-за непостоянства скорости ветра, аппарат по высоте разбивается на z участков, высота каждого из которых не должна превышать h_z ≤ 10 м, нумерация участков производится сверху вниз.

При этом высоты участков могут быть как равны друг другу (h₁=h₂=h_i=h_z), так и не равны (h₁≠h₂≠h_i≠h_z).

Расстояние от поверхности земли до центра тяжести соответствующего участка обозначается через x_i (таблица 4.16).

Таблица 4.16 – Исходные данные для составления расчетной схемы

Номер участка	Внутренний диаметр колонны на участке, Dвi, мм	hi,м	xi, м
1	2000	8,2	30,9
2	2600	9	22,3
3	2600	9,3	13,15
4	2600	8,5	4,25

К центру тяжести каждого из z участков прикладываются нагрузки – ветровые Р_i и весовые G_i, которые рассматриваются как сосредоточенные силы. Нагрузку от веса G_i прикладывают вертикально, а ветровые и сейсмические Р_i нагрузки прикладываются горизонтально.

4.3.3.2 Расчетные сечения. При расчете колонного аппарата с переменным поперечным сечением устанавливаются следующие расчетные сечения:

а) сечения В₁-В₁ и В₂-В₂ в местах изменения диаметра КА;

б) сечение Г-Г – поперечное сечение корпуса и опорной обечайки в месте их присоединения друг к другу (рисунок 4.7);

в) сечение Д-Д – поперечное сечение опорной обечайки в местах расположения отверстий;

г) сечение Е-Е – поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения нижнего опорного кольца.

Расстояние от земли до соответствующего расчетного сечения обозначается через х₀ (таблица 4.17).

Таблица 4.17 – Определение координат расчетных сечений

Расчетное сечение	х0, мм
Хог-г	2400
Ход-д	600
ХоЕ-Е	0

Расчетная схема аппарата приведена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Расчетная схема аппарата

Рисунок 4.7 – Стандартная цилиндрическая опора

4.3.4 Расчетные условия.

Все расчеты аппарата необходимо проводить параллельно для трех расчетных условий:

- рабочее условие (условное обозначение - υ = 1);

- условия испытания (υ = 2);

- условия монтажа (υ = 3).

Расчетные условия отличаются набором исходных параметров, которые определяются следующим образом:

- рабочее условие (υ = 1). В этом случае:

а) вес аппарата - G₁ включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, рабочей среды;

б) расчетное давление в рабочих условиях - р_рас=р^t_рас;

в) расчетная температура - t_рас;

г) допускаемое напряжение при расчетной температуре - [σ]_t;

д) модуль упругости первого рода при расчетной температуре t_рас - Е_t;

- условие испытания (υ = 2). Для этих условий:

а) вес аппарата – G₂ включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, воды;

б) расчетное давление в условиях испытаний равно пробному с учетом гидростатического от столба воды - р^и_рас=р_пр+ Р_г.в.;

в) расчетная температура - t_рас = 20°С;

г) допускаемое напряжение - , где n_т = 1,1 в условиях гидроиспытания;

д) модуль упругости первого рода при расчетной температуре t_рас=20 ⁰ С – Е ₂₀;

- условие монтажа (υ = 3). Для этих условий:

а) вес имеет два значения:

1) G₃ – максимальный вес аппарата в условиях монтажа

2) G₄ – минимальный вес аппарата в условиях монтажа после установки его в вертикальное положение, т.е. только вес колонного аппарата со штуцерами и люками, без внутренних устройств, изоляции, рабочей среды, площадок;

б) расчетное давление равно нулю, т.е. р_рас=0;

в) расчетная температура - t_рас = 20°С;

г) допускаемое напряжение - , где n_т= 1,2;

д) модуль упругости первого рода при расчетной температуре t_рас=20 ⁰ С – Е _20.

Расчет проводится параллельно для трех условий, поскольку для каждого из них характерно опасное сочетание параметров:

- для рабочих условий – это возможность осуществления процесса при высокой рабочей температуре и, соответственно, допускаемые напряжения будут иметь низкие значения;

- для условий испытаний – это высокое расчетное давление (сумма пробного и давления столба воды), которое больше чем расчетное в рабочих условиях минимум в 1,25 раза, а также большое значение осевой сжимающей силы из- за веса воды в корпусе;

- для условий монтажа – это минимальный вес аппарата. В этом случае могут преобладать растягивающие напряжения от изгибающего момента над сжимающими напряжениями от веса КА, что очень опасно для анкерных болтов.

4.3.5 Определение веса колонного аппарата и осевой сжимающей силы

Вес колонны находится для каждого расчетного условия, т.е. для υ = 1; 2; 3. Для определения общего веса колонны G рассчитывается вес каждого участка G_i, который сосредоточен в середине участка.

Осевая сжимающая сила F находится как сумма весов всех участков, т.е.:

F= G=G_i . (4.19)

Вес каждого участка, в зависимости от условий работы, складывается из веса корпуса аппарата G_к, веса изоляции G_из, веса рабочей жидкости G_р.ж. или веса воды G_в, веса внутренних устройств G_вн.у., веса внешних устройств. В курсовом проекте принимаем, что вес внешних устройств (площадок, штуцеров фланцев, люков, лазов) составляет приблизительно 18 % от собственного веса стального корпуса G_к и опоры.

В таблице 4.18 представлены исходные данные для расчета, в таблице 4.19 – сочетание параметров для трех расчетных условий.

Таблица 4.18 – Исходные данные для расчета

Тип аппарата	Тип массообменных устройств	Изоляция
		Материал изоляции	Толщина изоляции Sиз, мм	Плотность изоляции, Н/м3
Переменного сечения	Тарелки клапанные	стекловата	180	200

Методика расчета приведена в пунктах 4.3.5.1, 4.3.5.2. Результаты расчета представлены в таблицах 4.20 и 4.21.

Вес каждого участка и общий вес колонны для каждого расчетного состояния был определен компьютерным расчетом.

Все исходные данные, промежуточные вычисления и результаты компьютерного расчета приведены в приложении А.

Таблица 4.19 – Сочетание параметров для трех расчетных условий

Расчетное условие, индекс расчетных условий	Расчетное давление Р, МПа	Расчетная температура t рас,0С	Вес колонного аппарата	Модуль упругости, Па	Допускаемое напряжение, МПа
Рабочие условия	р1 = рtрас= 1,68	tраскор = 238 tрас оп = 20	G1включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, рабочей среды	Еtкор =1,77∙1011 Еt оп =1,99∙1011	[]tкор = 133 []tоп =147
Условия испытаний	р2=рирас= 2,65	tрас=20°С	G2включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, воды	Е20=1,99∙1011	=200 =200
Условия монтажа	р3=0	tрас=20 °С	Вес имеет два значения: 1) G3 – максимальный вес аппарата в условиях монтажа, 2) G4 – минимальный вес аппарата в условиях монтажа после установки его в вертикальное положение, т.е. только вес колонного аппарата со штуцерами и люками, без внутренних устройств, изоляции, рабочей среды, площадок.	Е20=1,99∙1011	= 183,33 =183,33

4.3.5.1 Методика расчета веса колонного аппарата и осевой сжимающей силы.

Определение веса колонного аппарата и осевой сжимающей силы осуществляется по следующей методике для трех расчетных условий.

Для рабочих условий () весi-го участка колонного аппарата рассчитывается по формуле:

G_i¹ = G_к.i + G_из.i + G_р.ж.i+ G_вн.y.i + 0,18∙G_к. , (4.20)

где G_к,i - вес стального корпуса и опорной обечайки колонны на i-м участке, Н;

G_из,i – вес изоляции на i-м участке, Н;

G_р.ж,i – вес рабочей жидкости на i-м участке, Н;

G_вн.y.i – вес внутренних устройств на i-м участке, Н;

0,18∙G_к.i- вес штуцеров, площадок, люков, который в КП принимаем равным 18% веса G_к.i.

Вес материала корпуса и опоры аппарата определяется по формуле

G_k.i = G_цил.i + G_{дн.i ,} (4.21)

где G_цил.i – вес металла цилиндрической части i-го участка аппарата, Н;

G_дн.i – вес металла днища i-го участка аппарата, Н.

Теплоизоляционный материал – стекловата. Толщина изоляции S_из определяется исходя из диаметра аппарата и рабочей температуры.

В качестве внутренних устройств в стабилизационной колонне выступают тарелки.

При определении веса тарелок сначала они распределяются группами по высоте аппарата в зависимости от расположения люков и штуцеров ввода сырья, вывода продукта и т.д. Тип и общее количество тарелок задаются в задании. Далее конструктивно определяется количество тарелок на каждом участке и определяется их вес.

В стабилизационной колонне установлено 35 тарелок.

Расположение группы тарелок в корпусе колонного аппарата представлено на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 – Группа тарелок в корпусе колонного аппарата

Для условий испытаний () весi-го участка рассчитывается следующим образом:

G_i² = G_k.i+ G_из.i + G_в.i+ G_вн.y.i + 0,18·G_к.i, (4.22)

где G_в.i- вес воды на i-м участке, Н.

Для условий монтажа () принимаем, что аппарат пустой, без изоляции, но с обслуживающими площадками и штуцерами.

Вес i-го участка в этом случае определяется по формуле

G_i³ = G_к.i+ 0,18·G_к.i. (4.22)

4.3.5.2 Результаты определения осевой сжимающей силы. Результаты расчета представлены в виде таблиц 4.20 и 4.21.

Таблица 4.20 – Геометрические характеристики аппарата и весовые нагрузки по участкам

Номер участка	Внутренний диаметр колонны DВ, мм	Наружный диаметр DH, мм				Высота участка hi ,м		Расстояние от земли до центра тяжести i-го участка хi , м		Число тарелок на участке		Вес i-го участка Gi, Н
		1 (с изоляцией)	2 (с изоляцией)	3 (без изоляции)	1							2		3
1	2,00	2,404	2,404	2,044	8,20		30,90		9,00		125478			374731		107625
2	2,60	3,004	3,004	2,644	9,00		22,30		10,00		167440			656783		147543
3	2,60	3,004	3,004	2,644	9,30		13,15		11,00		175319			659456		153459
4	2,60	3,004	3,004	2,644	8,50		4,25		5,00		297286			523607		170456
Общий вес колонны Gv =Gi, н													765524		2214577		579085

Таблица 4.21- Значение осевой сжимающей силы для трех расчетных условий

Расчетное условие,	Осевая сжимающая сила, F= Gv , Н
Рабочее условие, = 1	765524
Условие гидроиспытания, = 2	2214577
Условие монтажа, = 3	579085

4.3.6 Определение ветровых нагрузок.

Одна из задач при проведении расчета колонного аппарата от ветровых нагрузок заключается в определении непосредственно силы ветра (ветровой нагрузки).

При этом если несущие конструкции зданий и строительных сооружений обычно рассчитывают в предположении действия установившегося ветра, такое предположение оказывается недостаточным при расчете вертикальных цилиндрических аппаратов нефтеперерабатывающих заводов, устанавливаемых на открытом воздухе.

Сила ветра складывается:

- из установившегося потока, который оказывает статическое действие;

- динамической составляющей, являющейся функцией пульсации скоростного напора и периода колебаний колонного аппарата.

Поэтому прежде чем рассчитать ветровые нагрузки, необходимо определить период собственных колебаний аппарата.

4.3.6.1 Определение периода основного тона собственных колебаний аппарата. Период основного тона собственных колебаний определяется либо для аппаратов постоянного поперечного сечения, либо переменного в зависимости от расчетной схемы.

Величина Т для каждого расчетного состояния определена компьютерным расчетом.

Исходные данные необходимые для расчета представлены в таблице 4.22.

Таблица 4.22 – Исходные данные для расчета

Тип аппарата	Тип грунта	Коэффициент неравномерности сжатия грунта СF, Н/м3	Наружный диаметр корпуса (без изоляции) Dн, мм	Толщина стенки опорной обечайки Sоп, мм	Внутренний диаметр опорной обечайки Dоп, мм
Переменного сечения	слабый	60000000	2644	22	2600

Промежуточные вычисления и результаты компьютерного расчета приведены в приложении Б.

Определение периода собственных колебаний аппарата осуществляется по следующей методике: для аппаратов переменного сечения период собственных колебаний Т, с, определяется для трех расчетных условий работы по формуле

(4.23)

где С_F – коэффициент неравномерности сжатия грунта;

–относительное перемещение i-го участка

. (4.24)

Результаты расчета периода собственных колебаний аппарата представлены в таблице 4.23.

Таблица 4.23 – Результаты расчета периода собственных колебаний для различных расчетных условий

Расчетные условия	Период Т, с-1
υ=1	4,287
υ=2	6,028
υ=3	3,439

4.3.6.2 Определение ветровой нагрузки на каждом участке. Ветровая нагрузка состоит из двух составляющих:

- статической (по ГОСТ Р 51273 – 99 (2006) [2] – это средняя составляющая ветровой нагрузки);

- динамической (по ГОСТ Р 51273 – 99 (2006) [3] – это пульсационная составляющая ветровой нагрузки).

Таким образом, ветровая нагрузка Р_i на i-м участке находится как сумма двух слагаемых:

-- средняя составляющая ветровой нагрузки на i-м участке, Н;

-- пульсационная составляющая ветровой нагрузки наi-м участке, Н.

Ветровые нагрузки определены компьютерным расчетом.

Исходные данные необходимые для выполнения расчета приведены в таблице 4.24.

Таблица 4.24 – Исходные данные для расчета ветровой нагрузки

Параметр	Значение
Ветровой район установки аппарата	II
Нормативный скоростной напор ветра на высоте 10 м q 0 , Н/м2	300
Аэродинамический коэффициент К	0,85
Количество жесткостей аппарата (рисунок 4.9)	2

Промежуточные вычисления и результаты компьютерного расчета приведены в Приложении В.

Рисунок 4.9 – Аппарат с тремя жесткостями I₁, I_2, I₃ (с тремя разными диаметрами)

4.3.6.2.1 Методика расчета ветровой нагрузки. Ветровая нагрузка Р_i на i-м участке для трех расчетных условий () находится как сумма двух слагаемых по формуле:

. (4.25)

Средняя составляющая ветровой нагрузки рассчитывается по формуле

, (4.26)

где q_ist – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на середине i-го участка, Н/м², которое определяется по формуле

, (4.27)

где q₀ – нормативное значение ветрового давления на высоте 10 м над поверхностью земли, Н/м², определяется в зависимости от ветрового района, в котором установлен аппарат, г. Омск относится ко второму ветровому району;

- коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте аппарата, определяется по отношению

, , (4.28)

где х_i - расстояние от поверхности земли до центра тяжести i-го участка, м;

К – аэродинамический коэффициент, учитывающий решетчатую пространственную конструкцию площадок и зависящий от формы площадки.

В курсовом проекте для колонного аппарата принимаем К = 0,85, поскольку отсутствуют точные данные о форме площадки и нет возможности рассчитать значение .

Пульсационная составляющая ветровой нагрузки определяется по формуле

(4.29)

где - коэффициент, учитывающий пространственную корреляцию пульсации давления ветра;

–коэффициент динамичности при ветровой нагрузке;

- приведенное относительное ускорение центра тяжести i-го участка.

4.3.6.2.2 Результаты расчета ветровой нагрузки. Результаты расчета представлены в таблице 4.25.

Таблица 4.25 – Определение ветровой нагрузки для трех расчетных условий

Показатель				Участки аппарата
				1		2		3		4
q0 , н/м2				300
k				0,85
				1,419		1,282		1,089		0,767
qist, Н/м2				361,766		326,975		277,592		195,587
				0,813		0,472		0,182		0,021
, 1/(Н*м)		1(Et)	3,70728E-09		2,63618E-09		1,52156E-09		4,78748E-10
		2,3(E20)	3,67651E-09		2,61831E-09		1,51467E-09		4,7796E-10
mk=mi				0,642		0,674		0,729		0,864
Gk(Gi), н		1	125478		167440		175319		297286
		2	374731		656783		659456		523607
		3	107625		147543		153459		170456
		1	0,048		0,034		0,020		0,006
		2	0,014		0,010		0,006		0,002
		3	0,056		0,040		0,023		0,007
		1	0,094
		2	0,132
		3	0,075
		1	2,307
		2	2,531
		3	2,181
		1	0,819
		2	0,819
		3	0,819
Pkst(Pist), Н		1	7131		8840		7755		4994
		2	7131		8840		7755		4994
		3	6063		7781		6826		4396
, Н		1	11336		10757		6501		3468
		2	11058		13803		8017		2009
		3	10727		10473		6302		2209
, Н		1	18467		19597		14256		8462
		2	18189		22643		15772		7003
		3	16791		18254		13127		6604

4.3.7 Определение расчетного изгибающего момента от ветровой нагрузки и сейсмического воздействия.

Значения изгибающих моментов находятся для сечений Г-Г, Д-Д и Е-Е (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 – Расчетные сечения

Изгибающий момент от ветровой нагрузки определен компьютерным расчетом. Промежуточные вычисления и результаты компьютерного расчета приведены в Приложении Г.

Исходные данные необходимые для выполнения расчета представлены в таблицах 4.26 и 4.27.

Таблица 4.26 – Исходные данные для расчета изгибающего момента

Расчетное сечение	Расстояние от поверхности земли до расчетного сечения х0, мм
Г-Г	Хог-г=2400
Д-Д	Ход-д =600
Е-Е	ХоЕ-Е=0

Таблица 4.27 – Исходные данные по обслуживающим площадкам

Номер площадки (нумерация сверху вниз)	Расстояние от поверхности земли до j –ой площадки хj, мм	Высота ограждения обслуживающей площадки hпл, м	Наружный диаметр КА с изоляцией Dн, мм	Диаметр площадки Dпл, мм
1	33200	1000	2404	4000
2	25400	1000	3004	4600
3	18400	1000	3004	4600
4	11000	1000	3004	4600

4.3.7.1 Определение расчетного изгибающего момента от ветровой нагрузки. Расчетный изгибающий момент складывается из двух составляющих:

- изгибающий момент от действия Р_i-й ветровой нагрузки на колонный аппарат (сумма произведений ветровой нагрузки на плечо, где плечо - это расстояние от рассматриваемого сечения Г-Г, Д-Д или Е-Е до центра тяжести i –го участка), т.е;

- изгибающий момент от действия ветра на обслуживающие площадки и лестницы .

Таким образом, расчетный изгибающий момент в сечении на высоте x₀ определяют по формуле

, (4.30)

где n – число участков над рассматриваемым расчетным сечением;

m – число площадок над рассматриваемым расчетным сечением;

–изгибающий момент в расчетном сечении на высоте х₀ от поверхности земли, возникающий от действия ветровой нагрузки на i-й участок колонны, H·м;

M_vj – изгибающий момент в расчетном сечении на высоте х₀ от действия ветровой нагрузки на j – ю обслуживающую площадку, Н∙м, определяемый по формуле

(4.31)

Аппарат имеет 5 обслуживающих площадок, но для выполнения расчета принимаем, что их количество равно 4. Расположены на расстоянии 0,8 м ниже оси люка.

Параметры обслуживающих площадок представлены на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 – Параметры обслуживающих площадок

4.3.7.2 Результаты определения расчетного изгибающего момента от ветровых нагрузок.

Результаты расчета представлены в таблицах 4.28 и 4.29.

Таблица 4.28 – Геометрические характеристики обслуживающих площадок и результаты расчета изгибающего момента на обслуживающие площадки

Показатель	Площадки
	1	2	3	4
Диаметр площадки DПЛ,J	4000	4600
Высота площадки hпл,j	1000
Расстояние от земли до низа площадки xj	33200	25400	18400	11000
	1610
	1,451	1,335	1,208	1,030
	0,495	0,517	0,544	0,591
	1,413	0,921	0,550	0,241

Таблица 4.29 – Определение расчетных изгибающих моментов от ветровых нагрузок для трех расчетных сечений и трех расчетных условий

Условия работы аппарата	Расчетное сечение х0, м	Изгибающий момент от ветровой нагрузки, Нм
		на обслуживающие площадки	на колонный аппарат (без площадок)	суммарный изгибающий момент
Рабочие условия	Хог-г	80108	1085199	1165308
	Ход-д	86581	1194608	1281188
	ХоЕ-Е	88738	1231077	1319815
Условия испытания	Хог-г	83758	1151497	1235255
	Ход-д	90498	1265990	1356488
	ХоЕ-Е	92745	1304154	1396899
Условия монтажа	Хог-г	78056	995118	1073173
	Ход-д	84377	1093714	1178091
	ХоЕ-Е	86484	1126580	1213064

4.3.8 Сочетание нагрузок (P, F, M) для каждого расчетного условия. Сочетание нагрузок для трех расчетных условий работы аппарата и для трех расчетных сечений приведены в таблице 4.30.

Таблица 4.30 – Сочетание нагрузок для трех расчетных условий работы аппарата и для трех расчетных сечений

Индекс расчетных условий	Расчетное сечение	Расчетное давление Р, МПа	Осевое сжимающее усилие F, H	Расчетный изгибающий момент М, Нмм (кH м)	Расчетная температура tрас,0С	Допускаемое напряжение, МПа
1	2	3	4	5	6	7
	Г-Г	р1 = рtрас= 1,68	F1=G1 = 765524	M1=M1 =1165,308	tраскор = 238 tрас оп =20	[]tкор= 133 []tоп=147
	Д-Д	р1=0	F1=G1= 765524	M1=M1 =1281,188	tрас оп = 20	[]tоп=147
	Е-Е	р1=0	F1=G1 = 765524	M1=M1 =1319,815	tрас оп =20	[]tоп=147
	Г-Г	р2=рирас =2,65	F2=G2= 2214577	M2=0,6M2=741,153	t рас=20°С	= 200 = 200
	Д-Д	р2= 0	F2=G2= 2214577	M2=0,6M2=813,8928	t рас=20°С	=200
	Е-Е	р2= 0	F2=G2 = 2214577	M2=0,6M2=838,1394	t рас=20°С	=200
	Г-Г	р2=0	F3=G3 = 579085	M3=M3=1073,173	t рас=20°С	=183,33=183,33
	Д-Д	р3=0	F3=G3= 579085	M3=M3=1178,091	t рас=20°С	=183,33
	Е-Е	р3=0	F3=G3= 579085	M3=M3=1213,064	t рас=20°С	=183,33

4.3.9 Проверка на прочность и устойчивость стенки корпуса аппарата

Необходимость в проверке прочности и устойчивости возникает вследствие того, что толщина стенки корпуса была определена только под действием внутреннего или наружного расчетного давления, без учета дополнительного воздействия осевой сжимающей силы F и изгибающего момента M_v, напряжения от которых могут достигать больших величин и привести к разрушению колонного аппарата. Поэтому стенка корпуса аппарата должна быть проверена на прочность и устойчивость.

Для колонн, работающих под действием внутреннего избыточного давления или без давления, производится только проверка прочности стенки корпуса, проверка устойчивости не производится.

4.3.9.1 Проверка прочности стенки корпуса аппарата. Проверку прочности в соответствии со стандартом следует проводить для рабочего условияи условия монтажа в сечении, где корпус присоединяется к опорной обечайке (сечение Г-Г), под суммарным воздействием Р_рас, Fи Мυ;

Продольные (меридиональные) напряжения возникают от всех трех нагрузок Р_рас, Fи Мυ и определяются на наветренной и подветреннойсторонах соответственно по следующим формулам:

, (4.32)

. (4.33)

Кольцевые (тангенциальные) напряжения возникают только от внутреннего (наружного) давления и рассчитываются по формуле

. (4.34)

Для рабочего условия:

МПа;

МПа;

МПа.

Для условия монтажа :

МПа;

МПа;

Па.

Рассчитываются эквивалентные напряжения на наветренной и подветреннойсторонах дляипо формулам

(4.35)

(4.36)

Для рабочего условия :

МПа;

МПа.

Для условия монтажа :

МПа;

МПа.

Производится проверка прочности:

- на наветренной стороне по формуле

. (4.37)

Для рабочего условия:

;

.

Для условия монтажа :

;

;

- на подветренной стороне по формуле:

. (4.38)

Для рабочего условия:

;

;

109,5<133 МПа.

Для условия монтажа :

;

;

15,7<147 МПа.

Так как условия (4.37) и (4.38) выполняются, то нет необходимости увеличивать толщину стенки корпуса.

4.3.9.2 Результаты проверки прочности стенки корпуса. Результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата представлены в таблице 4.31.

Таблица 4.31 – Исходные данные и результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата

Параметр	Рабочее условие (υ = 1)	Условие монтажа (υ = 3)
Расчетное сечение	Г-Г	Г-Г
Расчетное внутреннее давление, МПа	Рtрас =1,68	Рtрас =0
Расчетный изгибающий момент, Н м	М1 =1165308	M3 =1073173
Осевая сжимающая сила, Н	F1=765524	F3=579085
Исполнительная толщина стенки корпуса, Sгост , мм	Sгост =22	Sгост =22
Допускаемое напряжение для материала корпуса, МПа	[]tкор=133	=183,33
Проверка прочности (сравнение допускаемых напряжений с эквивалентными), вывод	108,06<133 109,05<133 условие выполняется	7,55<147 15,7<147 условие выполняется

4.3.9.3 Проверка устойчивости стенки корпуса колонного аппарата. По ГОСТ Р 51274-99 [3] проверку устойчивости стенки колонного аппарата следует проводить для рабочих условий и условий испытания в сечении Г-Г.

Так как стабилизационная колонна работает под внутренним избыточном давлением, проверка устойчивости стенки корпуса не проводится. Расчет на устойчивость ведется только для опорной обечайки.

4.3.10 Расчет опорной обечайки.

Опорную обечайку проверяют на прочность для рабочего условия (υ=1) и условия испытания (υ=2).

Расчет опорной обечайки заключается в выборе стандартной опоры и проверке прочности сварного шва, соединяющего корпус колонны с опорной обечайкой в сечении Г- Г.

Прежде чем рассчитывать опорную обечайку, необходимо выбрать тип опоры.

4.3.10.1 Выбор стандартной опоры колонного аппарата. В соответствии с ОСТ 26-467-94 [4] разработано пять типов стандартных опор, пределы применения которых зависят от внутреннего диаметра колонны D_B и минимальной приведенной нагрузки Q_min.

Минимальные Q_min и максимальные Q_max приведенные нагрузки определяются соответственно по формулам

МН, (4.39)

МН, (4.40)

где М₁, М₂, М₃ – расчетные изгибающие моменты в нижнем сечении опорной обечайки (Е-Е) соответственно при ,,, Н·м;

F₁=G₁; F₂=G₂; F₃=G₃ – осевые сжимающие силы, действующие в сечении Е-Е соответственно при ,,, Н.

Результаты выбора типа опоры представлены в таблице 4.32.

Таблица 4.32 – Результаты выбора типа и размеров опоры

Тип опоры	Приведенная нагрузка, МН		D, мм	S1, мм	S2, мм	S3, мм	d2, мм	dБ, мм	Число болтов zБ
	Qmax	Qmin
3	3,5	1,29	2600	22	30	25	42	М36	24

Юбочная цилиндрическая опора с кольцевым опорным поясом представлен на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 –Юбочная цилиндрическая опора с кольцевым опорным поясом

4.3.10.2 Проверка прочности сварного шва. Прочность сварного шва проверяется в сечении Г-Г приипо формуле

, (4.41)

где F, M – расчетная осевая сжимающая сила и изгибающий момент, определяемые в сечении Г-Г при и, Н, Н·м;

D₃=D_вн – внутренний диаметр опорной обечайки, мм;

а₁=S₃ – толщина сварного шва, мм (рисунок 4.13);

S₃ – исполнительная толщина стенки опорной обечайки, мм;

[σ]_оп, [σ]_к – допускаемые напряжения соответственно опорной обечайки и корпуса колонны, при или, МПа.

В курсовом проекте принимаем, что толщина опорной обечайки и соответственно толщина сварного шва равна толщине стенки цилиндрической обечайки корпуса.

Узлы соединения опорной обечайки с корпусом колонны показаны на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 - Узлы соединения опорной обечайки с корпусом колонны

Для рабочих условий :

;

;

14,2 МПа < 106,4 МПа.

Для условий испытаний

;

;

18,7 МПа < 160 МПа.

Условия выполняются, следовательно, прочность сварного шва обеспечивается.

Результаты проверки представлены в таблице 4.33.

Таблица 4.33 – Исходные данные и результаты проверки прочности сварного шва

Параметр	Рабочее условие(υ = 1)	Условие испытания (υ = 2)
Расчетное сечение	Г-Г	Г-Г
Изгибающий момент, МН м	М1 =1165308	M2=741153
Осевая сжимающая сила, Н	F1=765524	F2=2214577
Толщина сварного шва а, мм	а=Sгост =22	а =Sгост =22
Допускаемое напряжение для материала корпуса, МПа	[]tкор=133	=200
Допускаемое напряжение для материала опоры, МПа	[]tоп=147	=200
Проверка прочности	14,2 МПа < 106,4 МПа прочность сварного шва обеспечивается	18,7 МПа < 160 МПа прочность сварного шва обеспечивается

4.3.10.3 Проверка устойчивости опорной обечайки. Потеря устойчивости формы опорной обечайки может произойти под действием осевой сжимающей силы и изгибающего момента.

Проверка устойчивости опорной обечайки с одним отверстием проводится для сечения Д-Д, проходящего через середину отверстия для рабочих условий () и для условий испытаний () по формуле 4.42

, (4.42)

где D₀ – диаметр опорной обечайки, мм;

F, M – расчетная осевая сжимающая сила и изгибающий момент, определяемые в сечении Д-Д при и, Н, Н·м;

[F], [M] – соответственно допускаемая осевая сжимающая сила и изгибающий момент, Н, Н·м;

Ψ₁, Ψ₂, Ψ₃ – коэффициенты, определяемые соответственно по формулам 4.43

(4.43)

где A, W, Y – соответственно площадь, м² , наименьший момент сопротивления, м³, и координата центра тяжести, м, наиболее ослабленного поперечного сечения.

В ослабленном сечении расположено только одно отверстие, кольцевой сварной шов находится вне зоны отверстия.

В этом случае в первом приближении можно принять Ψ₁, =1,Ψ₂,= 1,Ψ₃ = 0.

4.3.10.3.1 Методика определения допускаемой осевой сжимающей силы. При воздействии осевой сжимающей силы цилиндрическая оболочка может потерять устойчивость по двум вариантам в зависимости от соотношения l_р/D , где l_р – расчетная длина оболочки:

- при l_р/D<10 происходит местная потеря устойчивости;

- при l_р/D≥10 происходит общая потеря устойчивости.

В курсовом проекте принимаем, что расчетная длина оболочки равна высоте колонного аппарата, т.е. l_р = Н.

При местной потере устойчивости оболочек при сжатии происходит потеря устойчивости внезапно, хлопком, с образованием глубоких ромбических вмятин, обращенных к центру кривизны согласно рисунку 4.14, а. Вдоль образующей располагаются несколько поясов вмятин. Такую форму потери устойчивости называют несимметричной. Реже наблюдается осесимметричная форма с образованием в окружном направлении одной кольцевой вмятины как на рисунке 4.14, б, обычно на коротких оболочках, а на длинных – при одновременном нагружении осевой силой и внутренним давлением.

а б

а – несимметричная, б – осесимметричная

Рисунок 4.14 – Формы потери устойчивости цилиндров при осевом сжатии

Для стабилизационной колонны:

>10 – общая потеря устойчивости.

При общей потере устойчивости цилиндрическая обечайка теряет устойчивость по всей длине как стержень. Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия общей устойчивости при l_р/D≥10 в пределах упругости определяется по формуле

(4.44)

где Е- модуль упругости, МПа, для соответствующего расчетного условия;

n_у – коэффициент запаса устойчивости;

Данный коэффициент имеет следующие значения:

- для рабочих условий n_у = 2,4;

- для условий испытаний и монтажа n_у = 1,8;

- гибкость, определяется по формуле

, (4.45)

где l_пр =2Н – приведенная длина, м;

Н – высота колонны, м.

.

В курсовом проекте принимаем, что для колонного аппарата, расчетная схема которого представляет упруго-защемленный стержень (рисунок 4.15)

Рисунок 4.15 – Расчетная схема колонного аппарата

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости для рабочих условий ()

МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости для условий испытаний ()

МН

В случае, если

; (4.46)

МН.

Разрушение сжимающего элемента может быть следствием

– потери устойчивости;

– потери прочности;

– потери того и другого.

В этом случае значение допускаемой осевой сжимающей силы определяется по формуле 4.47

, (4.47)

где - допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности, Н, которое определяется по формуле 4.48

. (4.48)

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия прочности для рабочих условий ()

МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия прочности для условий испытаний ()

МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости и условия прочности для рабочих условий ()

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости и условия прочности для условий испытаний ()

4.3.10.3.2 Потеря устойчивости под действием изгибающего момента.

Если обечайки нагружены изгибающим моментом, то допускаемый изгибающий момент следует рассчитывать по формуле 4.49

(4.49)

где [М]_П – допускаемый изгибающий момент из условия прочности, Н·м, который рассчитывается по формуле 4.50;

[М]_Е – допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости, Н·м, который рассчитывается по формуле 4.51.

, (4.50)

. (4.51)

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности для рабочих условий ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности для условий испытаний ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости для рабочих условий ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости для условий испытаний ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности и условия прочности для рабочих условий ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности и условия прочности для условий испытаний ()

МН∙м

Проверка устойчивости опорной обечайки для рабочих условий () по формуле 4.42

Проверка устойчивости опорной обечайки для условий испытаний () по формуле 4.42

4.3.10.3.3 Результаты проверки устойчивости опорной обечайки. Результаты проверки устойчивости представлены в таблице 4.34.

Таблица 4.34 – Исходные данные и результаты проверки устойчивости опорной обечайки

Параметр	Рабочее условие (υ = 1)	Условие испытания (υ = 2)
Расчетное сечение	Д-Д	Д-Д
Расчетный изгибающий момент, Н м	М1 =1281188	M2=813893
Осевая сжимающая сила, Н	F1=765524	F2=2214577
Допускаемое осевое сжимающее усилие [F], МН	[F] =16	[F] =22,8
Допускаемый изгибающий момент[M], МН·м	[M] =11,1	[M] =15,7
Проверка устойчивости	0,163<1,0 Условие устойчивости выполняется	0,149<1,0 Условие устойчивости выполняется

4.3.11 Расчет элементов нижнего опорного узла.

Расчет нижнего опорного узла заключается:

- в выборе марки бетона для фундамента;

- определении ширины нижнего опорного кольца;

- проверке на прочность и устойчивость всех элементов опорного узла (верхнего и нижнего опорных колец, ребер, опорной обечайки в месте соединения с верхним опорным элементом) при заданных их размерах.

4.3.11.1 Определение ширины нижнего опорного кольца опоры. Расчет элементов опорного узла следует проводить для рабочего условия () и условия испытания () в сечении Е-Е.

Расчет заключается в проверке прочности бетона в сечении Е-Е под суммарным воздействием F и Мυ.

Для этого находится расчетная ширина нижнего опорного узла b_1R по формуле 4.52

b_1R , (4.52)

где D_б – диаметр окружности анкерных болтов, мм;

[]_бет – допускаемое напряжение бетона на сжатие, МПа, выбирается из таблицы 4.35.

Затем конструктивное значение ширины нижнего опорного кольца b₁ сравнивается с расчетным значением b_1R

, (4.53)

где D ₁, D₂ – соответственно, наружный и внутренний диаметры нижнего опорного кольца, мм (рисунок 4.16).

Допускаемые напряжения бетона на сжатие приведены в таблице 4.35.

Таблица 4.35 – Допускаемые напряжения бетона на сжатие, МПа

Вид опорной поверхности	[]Б, МН/м2 (МПа)
Бетон марка 300 200 100	8

Расчетная ширина нижнего опорного узла для рабочих условий ()

b_1R мм.

Конструктивное значение ширины нижнего опорного кольца

b₁ = 2920-2450=470 ≥ 38,2 мм.

Расчетная ширина нижнего опорного узла для условий испытаний ()

b_1R мм.

Конструктивное значение ширины нижнего опорного кольца

b₁ = 2920-2450=470 ≥ 60 мм.

Результаты расчета ширины нижнего опорного кольца представлены в таблице 4.36.

Таблица 4.36 – Исходные данные и результаты расчета ширины нижнего опорного кольца

Параметр	Рабочее условие (υ = 1)	Условие испытания (υ = 2)
Расчетное сечение	Е-Е	Е-Е
Изгибающий момент, Н м	М1 =1319815	M2=838139,4
Осевая сжимающая сила, Н	F1=765524	F2=2214577
Марка бетона	100	100
Допускаемое напряжение для бетона, МПа	[] Б = 8	[] Б =8
Сравнение конструктивного и расчетного значений ширины нижнего опорного кольца, мм	470 ≥ 38,2	470 ≥ 60

Рисунок 4.16 – Опорная обечайка с нижним опорным кольцом (вид снизу)

4.3.11.2 Расчет анкерных болтов. Расчет прочности анкерных болтов производится для сечения Е-Е для условий монтажа (), поскольку именно в этих условиях аппарат имеет наименьший вес и, соответственно, осевую сжимающую силу и положительные напряжения от изгибающего момента могут превысить отрицательные напряжения от осевой сжимающей силы, часть болтов будет работать на растяжение, что может привести к их разрыву.

Схема анкерного болта приведена на рисунке 4.17.

Рисунок 4.17 – Схема анкерного болта

При расчете анкерных болтов определяют, работают ли они под нагрузкой (воспринимают растягивающие напряжения) или служат только для фиксации аппарата, по соотношению 4.54 или 4.55

, (4.54)

или

. (4.55)

Для сечения Е-Е для условий монтажа () соотношение следующее

Так как , то положительные напряжения (σ_M) от изгибающего момента М₃ в сечении Е-Е больше, чем отрицательные напряжения (σ_F) от осевой сжимающей силы F₃, т. е. суммарные напряжения с наветренной стороны аппарата положительны, часть болтов работает на растяжение, может произойти их разрыв (рисунки 4.18) и их необходимо рассчитать на прочность.

Рисунок 4.18 – Болты в правой части опоры воспринимают растягивающие напряжения (), в левой части наблюдается местная потеря

устойчивости

В этом случае определяется внутренний диаметр резьбы d_{Б рас} анкерных болтов по формуле

+С, (4.56)

где n=z_б – число болтов;

[σ]_бол – допускаемое напряжение материала анкерных болтов, МПа;

D_б –диаметр болтовой окружности, мм;

- коэффициент, определяемый по рисунку 4.19 или по формуле

(4.57)

Рисунок 4.19 – Коэффициент

Внутренний диаметр резьбы болта должен быть не менее стандартного значения d_Б, т.е. должно выполняться условие d_Б. d_Б._рас .

мм

Результаты расчета анкерного болта на прочность представлены в таблице 4.37.

Таблица 4.37 – Исходные данные и результаты проверки прочности анкерных болтов

Параметры	Условия монтажа ()
Расчетное сечение	Е-Е
Изгибающий момент, МН м	M3=1213064
Осевая сжимающая сила	F3=579085
Материал болта	ВСт5
Допускаемое напряжение для материала болта, МПа	[]бол = 126
Количество болтов	zб = 24
Диаметр болта (конструктивное значение)	М36
Необходимо рассчитывать болты на прочность или можно выбрать конструктивно	рассчитываем
Проверка прочности болта (сравнение расчетного значения диаметра резьбы болта dБ с заданным конструктивно), вывод	dБ. dБ.рас условие выполняется