Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчёт и проектирование технологического оборудования. Учебное пособие.pdf
При этом вместо
рочных расчётах рассчитывают по уравнению
D следует принять 2D а допускаемое давление при прове-
6
⎛
⎜
[] []
=
p
⎜
⎝
2
⎞
−
cs
⎟
ϕσ
.
⎟
DKK
р60
⎠
Укрепление отверстий в стенках аппаратов. Отверстия в обечайках, днищах аппаратов, которые работают под давлением, приводят к повышенной концентрации напряжений в области отверстий и уменьшают прочность обечайки и
всего аппарата в целом. Не рекомендуется размещать отверстия в наиболее
нагруженных частях корпуса (например, в местах установки опор), а также
на сварных швах. В с
оответствии с требованиями Ростехнадзора на торосферических днищах отверстия можно размещать в пределах центрального сферического сегмента. При этом необходимо обеспечить, чтобы расстояние от наружной кромки отверстия до центра днища составляло не более 0,4 наружного
диаметра днища. Отверстия для люков, лючков и штуцеров нельзя размещать
на сварных швах. Мо
жно размещать отверстия на продольных и кольцевых
швах цилиндрических и конических обечаек при диаметре отверстий не более
150 мм. Нельзя размещать отверстия в местах пересечения сварных швов.
Местные напряжения быстро уменьшаются по мере удаления от края
отверстия, поэтому укрепляющие элементы должны размещаться вблизи отверстия, в зоне концентрации напряжений. Наиболее широко р
аспространёнными
способами укрепления отверстий являются: утолщение стенки штуцера
(рис. 3.21, а), установка торовой вставки (рис. 3.21, б), отбортовка края отверстия (рис. 3.21, в), установка накладного кольца (рис. 3.21, г). Укрепляющие
кольца должны изготавливаться предпочтительно цельными (допускается изготавливать их из нескольких частей, при этом сварной шов должен быть выполнен с проваром на по
лную толщину кольца). В каждом укрепляющем кольце
или каждой его части должно иметься контрольное отверстие М10 для проверки
на герметичность сварных швов. Контрольное отверстие следует располагать
в нижней части кольца и оставлять открытым. Укрепляющие кольца должны
плотно прилегать к поверхности укрепляемого элемента, зазор допускается
не более 3 мм.
а) б) в) г)
Рис. 3.21. Варианты укрепления отверстий в стенках аппаратов:
а – утолщением стенки штуцера; б – установкой торовой вставки;
в – отбортовкой края отверстия; г – установкой накладного кольца
41
α
(
(
а) б)
Рис. 3.22. Смещённые штуцера на эллиптическом днище
Расчёт на прочность укрепления отверстий в обечайках, переходах и днищах следует выполнять в соответствии с ГОСТ 24755–89 «Нормы и методы
расчёта на прочность у крепления отверстий». Расчётные диаметры укрепляемых элементов определяют по формулам;
чайки;
р
= cos/рDD
()
312 DxDD −=
– для конической обечайки, перехода или днища;
2
– для эллиптических днищ при Н = 0,25 D (х – расстояние
– для цилиндрической обе-
DD =
р
от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища (рис. 3.22);
– для сферических и торосферических днищ вне зоны отбортовки.
RD 2р=
Отверстие считается одиночным, если ближайшее к нему отверстие не оказывает на него влияния. Это имеет место при расстоянии между наружными
поверхностями соответствующих штуцеров (рис. 3.23), равным
≥
′
где
d
′′
и
– расчётные диаметры отверстий, определяемые по формулам:
d
р
р
– для штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого сов-
cdd 2р+=
′
() ()
′′
+−
csdcsdb −
рр
,
падает с нормалью к поверхности в центре отверстия или круглого отверстия
без штуцера
()
2
)
212 Dxcdd −+= – для эллиптического днища.
)
рр
а) б)
Рис. 3.23. К определению одиночного диаметра отверстия
42
Расчётный диаметр одиночного отверстия, который не требует дополни-
(
)
(
()(
)
−≥−
−+−−+
[
{
σ
=
[][
{
σσ=
(
+
ϕ
=
ϕ
ϕ
{
{
тельного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки определяется
по зависимости
⎞
cs
⎟
8,02 ,
−
⎟
⎠
()
csD
р
где
⎛
−
⎜
d −
=
р0
⎜
s
р
⎝
– расчётная толщина стенки укрепляемого элемента, рассчитываемая
s
р
по формулам разделов 3.1 и 3.2.
Если расчётный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию
, то дальнейшие расчёты укрепления отверстия не проводятся, в против-
dd ≤
0р
ном случае его необходимо провести.
Основной принцип расчёта укрепления отверстий заключается в том, что
суммарная расчётная площадь сечения укрепляющих элементов в зоне укрепления должна быть больше или равна расчётной площади вырезанного сечения.
В случае укрепления стенки утолщением стенки аппарата или штуцера либо накладным кольцом (ри
кой должно выполняться условие:
+−−
где
верстия, м: N
()
4,0 – расчётный диаметр одиночного неукреплённого от-
рр0
, N2, N3 – отношения допускаемых напряжений, определяемые для
1
внешней части штуцера
[][]
N ; для внутренней части штуцера:
[][ ][ ][ ]
{}
;;; σσσσ – допускаемые напряжения при расчётной температуре
σσ= ;;0,1min
22
321
с. 3.24), либо торообразной вставкой, либо отбортов-
)
csDd −=
][ ]
}
σ
N ; для накладного кольца:
;;0,1min
11
N ;
sddcsslNccslNslNcssl
рр0ррр313р322р21р11р1
(3.25)
;;0,1min
33
,5,0
]
}
соответственно для материала стенки, обечайки или днища, внешней части
штуцера, накладного кольца, внутренней части штуцера, МПа.
Расчётную толщину стенки штуцера рассчитывают по зависимости
s
где
– коэффициент прочности сварного шва (принимается 1
1
ной шов обечайки или днища удалён на расстояние более чем на
ной поверхности штуцера и
p
1
)
cdp
2
=
р1
[]
2
1
,
−ϕσ
p
1
, если свар-
1
s3 от наруж-
1
в зависимости от качества и вида сварного
шва, когда сварной шов пересекает отверстие или удалён от наружной поверхности на расстояние менее
s3 ).
Расчётные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, участвующие в укреплении и учитываемые при расчёте, определяют по формулам:
В случае проходящего штуцера
()()
225,1;min
()( )
25,0;min ccscdll −−+= .
s =1s .
3
}
;
cscdll −+=
11р1
}
133р3
43
а) б)
(
(
{
}
(
)
≤
−
(
≤
(
)
(
α≤−
(
)
(
≤
Рис. 3.24. К расчёту укрепления отверстия
Расчётную ширину зоны укрепления в стенке обечайки, перехода или
днища определяют по выражению
)
csDl −=
рр1
,
а расчётную ширину накладного кольца по зависимости
)
;min .
cssDll −+=
2р2р2
Эффективным вариантом укрепления считается укрепление без использования укрепляющего кольца. При этом расчёт укрепления выполняют по условию укрепления (3.25), в котором принимается
части штуцера
l определяют от наружной поверхности аппарата. В соответст-
1
s = 0. При этом длину внешней
2
вии с условием равностенности свариваемых элементов нецелесообразно, чтобы
толщина стенки штуцера была равна более 1,5s.
Если отсутствует штуцер и укрепление отверстия с помощью накладного
кольца или утолщения стенки аппарата, то следует принимать
При
.0
== ll
р3р1
этом исполнительная ширина накладного кольца определяется от края отверстия.
Если необходимо определить площадь накладного кольца, то расчёт выполняют по зависимости
1
A −−−−−−−−−−≥
2
N
2
где
slA =
При условии, что
()( )( )
[]
– площадь накладного кольца, м2.
2р22
,2
ss > накладные кольца устанавливают как снаружи,
2
()
,5,0
NccslNcsslcsslsdd
313р31р11р1рррр0р
так и внутри аппарата. При этом толщину наружного кольца принимают равной
5,0 s , а внутреннего – 0,5
2
s + с.
2
Данную методику расчёта укрепления отверстий рекомендуется использовать при соблюдении следующих условий:
– для цилиндрических обечаек
0,12
р
Dcd и
)
− Dcs ;
1,0
– для конических обечаек, днищ и переходов
и
)
− Dcs .
cos1,0Dcs ;
)
1,0
и
0,12
р
≤− Dcd
– для сферических, эллиптических и торосферических днищ
6,02
р
≤− Dcd
44
Расстояние от края штуцера до края внешней поверхности сферического
–
неотбортованного и торосферического днища должно быть не менее
(){}
sDsD++ 09,0;21,0max . Допускается размещение в краевой зоне выпуклых
днищ малых отверстий, диаметр которых удовлетворяет условию
() ()
{}
2,0;max . В краевой зоне эллиптических и полусфериче-
csDcsd −−≤
pр
ских днищ можно размещать отверстия без всяких ограничений.
3.4. ФЛАНЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Для разъёмного соединения корпусов или отдельных элементов аппарата,
присоединения трубопроводов наиболее широкое применение нашли фланцевые соединения, обеспечивающие прочность, жёсткость и герметичность,
а также технологичность изготовления и простоту сборки-разборки.
Фланцевое соединение состоит из двух симметрично расположенных
фланцев 1 (рис. 3.25), закреплённых на соединяемых частях конструкции 2,
установленной между ними прокладкой 3, явл
яющейся уплотнительным эле-
ментом, обеспечивающим герметичность, и крепёжных деталей 4 (болтов или
шпилек, гаек, шайб). В качестве крепёжных деталей при р ≤ 4 МПа и t ≤ 300 °С
применяют болты, в остальных случаях шпильки. Выбор материала для крепёжных деталей предполагает, чтобы разница в значениях коэффициентов линейного расширения материалов фланца и крепёжны
х деталей была не более
10%.
По форме фланцы могут быть круглыми, овальными, квадратными, прямоугольными и фигурными. Наиболее распространёнными являются круглые
фланцы вследствие простоты их изготовления.
Фланцы стандартизованы и выбираются для трубной арматуры по условному давлению
и условному диаметру
p
у
по условному давлению
и диаметру аппарата
p
у
(
D
= 10...1600 мм): для аппаратов –
D
у
у
(
D
= 400...4000 мм).
D
у
у
По конструкции фланцы можно разделить
на цельные, когда корпус и труба жёстко связаны между собой и все нагрузки передаются
от фланца корпусу, и свободные, когда корпус
или труба не соединены жёстко между собой и
нагрузки, возникающие при затяжке фланцевого соединения, передаются не в полной мере.
Конструкция фланцев в значительной мере оп
ределяется давлением рабочей среды, её
температурой, агрессивностью и т.д. По способу крепления различают плоские приварные
фланцы, фланцы приварные встык и свободные фланцы (рис. 3.26).
Плоские приварные фланцы (рис. 3.26, а)
представляют собой плоские кольца, приваренные по краю соединяемого элемента конструкции по периметру. Допускается изготавливать пло
ские фланцы из частей при условии
выполнения сварных швов с полным проваром
Рис. 3.25. Фланцевое
1 – фланцы; 2 – соединяемые
элементы конструкции;
4
соединение:
3 – прокладка;
крепёжные детали
45
по всему сечению фланца. Их рекомендуется применять при температуре до
300 °С и условном давлении до 1,6 МПа для аппаратов и до 2,5 МПа – для тру-
бопроводов. Число циклов нагружения за время эксплуатации не должно превышать 2000.
Фланцы приварные встык (рис. 3.26, б) имеют конические втулки, которые
привариваются к обечайке или трубе стыковым швом. Изготавливают
эти фланцы из по
изготавливать их вальцовкой (при
≤ 6,3 МПа) или методом точения из сортового проката. Их рекомендуется
p
у
ковок, штамповок или бандажных заготовок. Допускается
≤ 2,5 МПа), гибкой кованых полос (при
p
у
использовать при температуре до 530 °С и условном давлении до 20 МПа для
трубопроводов и 6,4 МПа – для аппаратов. В случае установки металлической
прокладки овального или восьмиугольного сечения данные фланцы могут
использоваться в аппаратах, работающих при давлении до 16 МПа.
Фланцы свободные (рис. 3.26, в) представляют со
бой кольца, диаметр отверстия которых несколько больше наружного диаметра трубы или обечайки,
на которую одевается фланец. При затяжке фланец упирается в кольцо, закреплённое на краю трубы. Такие фланцы применяют при температуре до 300 °С и
условном давлении до 1,6 МПа, а число циклов нагружения не должно превышать 2000. Такая конструкция позволяет изго
тавливать фланец из обыкновенной углеродистой стали (вследствие отсутствия его контакта со средой) даже
в случаях, когда соединяемые обечайки выполнены из высоколегированных
сталей. В аппаратах и трубопроводах, изготовляемых из цветных металлов
(медь, алюминий) или хрупких материалов (стекло, керамика), вместо приварного фланца выполняют отбортовку края обечайки или трубы. Фланцы выполняют стальными из у
глеродистой стали. Такие конструкции могут использо-
ваться при давлении до 0,6 МПа.
Конструктивные формы уплотнительной или привалочной поверхности
представлены на рис. 3.27. Плоская уплотнительная поверхность (рис. 3.27, а)
применяется при давлении до 1,6 МПа. Не допускается применять фланцы
с гладкой уплотнительной поверхностью в сосудах 1-й и 2-й групп, за исключением фланцев эмали
рованных и гуммированных аппаратов.
а) б) в)
Рис. 3.26. Конструкции фланцев:
а – плоский приварной; б – приварной встык; в – свободный
46
а) б) в) г)
Рис. 3.27. Типы уплотнительных поверхностей фланцев:
а – гладкая; б – выступ–впадина; в – шип–паз;
г – под овальную или восьмиугольную металлическую прокладку
Фланцы с типом привалочной поверхности выступ–впадина (рис. 3.27, б)
применяются при давлении до 6,4 МПа, а с типом шип–паз – от 1,6 до 6,4 МПа.
Уплотнение типа шип–паз (рис. 3.27, в) используется также в аппаратах, работающих под вакуумом, и в аппаратах со взрывоопасными или токсичными средами. Уплотнительные поверхности под металлические прокладки (ри
с. 3.27, г)
рекомендуются для давлений 6,4...16,0 МПа.
Для зашиты фланцев от воздействия высокоагрессивных коррозионных
сред применяются конструкции фланцев, облицованные листом из коррозионностойкой стали или наплавленные коррозионно-стойкой сталью (рис. 3.28).
В зависимости от рабочего давления, температуры и вида рабочей среды
применяют прокладочное и беспрокладочное уплотнения фланцевых соединений. Беспрокладочное соединение обычно используют в те
х случаях, когда по
каким-либо причинам невозможно подобрать материал прокладок. Наиболее
распространено прокладочное уплотнение, герметичность в котором достигается за счёт прокладки, размещаемой между привалочными поверхностями фланцев и сжимаемой при затяжке болтов (шпилек). Материал прокладки при этом
упруго (в ряде случаев пластически) деформируется, заполняя все микронеровности и шерох
оватости на привалочных поверхностях фланцев.
Прокладка должна отвечать следующим основным требованиям: при сжатии с возможно малым давлением заполнять все микронеровности уплотнительных поверхностей (эластичность), сохранять герметичность соединения
а) б)
Рис. 3.28. Фланцы стальные защищенные:
а – плоский приварной с гладкой уплотнительной поверхностью,
облицованный листом из коррозионно-стойкой стали;
б – приварной встык с пазом, наплавленный коррозионно-стойкой сталью
47
при упругих перемещениях фланцевого соединения (упругость); возвращаться
к первоначальной форме при разгрузке фланцевого соединения (долговечность);
обладать механической инертностью к материалу привалочных поверхностей
(не оставлять на них царапин, зазубрин), высокой коррозионной стойкостью
к воздействию агрессивных сред, низкой стоимостью.
В зависимости от давления, размеров и конструкции фланца применяют
прокладки:
неметаллические, асбометаллические и комбинированные на соедини-
−
тельном выступе фланцев;
неметаллические и асбометаллические в уплотнении выступ–впадина;
−
неметаллические, асбометаллические и металлические в уплотнении
−
шип–паз;
металлические овального и восьмиугольного сечений.
−
Неметаллические прокладки изготавливают из паронита, резины, картона
асбестового, фторопласта, а металлические – из цветных металлов (алюминий,
медь, свинец, никель), а также стали 08КП, 08X13, 08X18H10T. Асбометаллические прокладки изготавливают из наполнителя (картон или бумага асбестовые), заключённого в оболочку из стали или цветного металла. По форме различают (рис. 3.29) пло
ские, гофрированные, овальные и восьмиугольные прокладки. Данные прокладки стандартизованы, рекомендации по их выбору представлены в работе [1].
На практике, как правило, применяют стандартизованные фланцы.
По условному давлению, температуре и агрессивности среды выбирают тип
фланца, форму привалочных поверхностей и конструкционный материал. Далее
в зависимости от условного диаметра трубы или диаметра аппарата выбира
ют
типоразмер фланца, а также прокладку и крепёжные элементы. Специальные
фланцевые соединения разрабатывают только в специальных случаях при невозможности или нецелесообразности использования стандартных фланцевых
соединений (по рабочим условиям или каким-либо другим соображениям).
Расчёт фланцевых соединений.
Расчётные схемы фланцевых соединений
представлены на рис. 3.30. При работе аппарата в различных режимах нагружения по давлению и температуре расчёт выполняется на наиболее тяжёлый
режим.
а) б) в) г)
Рис. 3.29. Прокладки для фланцевых соединений:
а – плоская; б – асбометаллическая; в – овальная металлическая;
г – восьмиугольная металлическая
48
[
σ=σ
{
}
≤
−
≤
−
β
β
+
+
+++
+
а) б)
Рис. 3.30. К расчёту фланцевых соединений:
а – плоский приварной фланец; б – фланец приварной встык
Расчётная температура элементов фланцевого соединения, допускаемое
напряжение для болтов (шпилек) принимаются по справочным данным работы [1]. Для болтов (шпилек), изготовленных из сталей, не указанных в справочниках, допускаемые напряжения определяются по формулам:
– для углеродистых сталей при расчётной температуре t ≤ 380 °С, низколегированных сталей при t < 420 °С и высоколегированных аустенитных сталей
пр
и t ≤ 525 °С
]
– при температурах выше указанных значений
[]
б
где
σ ,
т
σ ,
σ
5
10д⋅
сти; среднее значение длительной прочности за 10
ползучести за 10
– соответственно минимальное значение предела текуче-
5
10%1 ⋅
5
ч.
Меньшую толщину конической втулки находят из условия
но во всех случаях
тывают как
ssβ= , где
01
5
ss мм. Толщину втулки у основания фланца рассчи-
0
тт
– коэффициент для приварных встык фланцев и
n
;
б
тт
;;min nnn
σσσ=σ
д
⋅⋅
10д
10%1
5
ч; средний 1%-ный предел
,
55
п
0
sss 35,1
буртов, определяют по справочным данным, а для плоских приварных фланцев
1=
принимают
()
3 ssl
−⋅≥ .
0
i
В зависимости от диаметра болтов (шпилек)
. Длину втулки приварного встык фланца принимают
d , принимаемого по спра-
б
вочнику, рассчитывается диаметр болтовой окружности по формулам:
– для приварных встык фланцев
– для плоских приварных фланцев
– для свободных фланцев
где
D – внутренний диаметр свободного фланца.
ок
≥ dDD ,
+≥ dsDD ;
б1б
≥ dsDD ;
)008,0(2
+
бокб
)006,0(2
б0б
)006,0(2
,
49
Наружный диаметр фланца
λ
=
=
(
[
(
[
(
[
(
)
⋅=ψ
()(
)
−+=
(
)
(
=
+
=
+
eDD −≥
(коэффициенты а и е определяют по работе [1]), а средний диаметр
бп
прокладки
/ tpDz = (где
ббб
t – шаг болтов, выбираемый по работе [1]) и принимают рав-
б
. Число болтов (шпилек) определяют по зависимости
bDD −=
ппср.п
, наружный диаметр прокладки
аDD +≥
бф
ным ближайшему большему, кратному четырём.
Толщину фланца рассчитывают по зависимости:
вочный коэффициент, а
плоских приварных коэффициент
Nss
– эквивалентная толщина втулки фланца (для
0э
1
N ).
Dsh λ= , где
э
– спра-
Коэффициент жёсткости фланцевого соединения при стыковке одинаковых
фланцев рассчитывают по зависимости
где
датливость фланца, (МН⋅м)
y – линейная податливость болтов (шпилек), м/МН.
[]
б
5,0
−++= DDyyyA ;
ср.пбфбп
–1
;
y – линейная податливость прокладки, м/МН;
п
)
]
,5,0
DDByA −+=α (3.26)
1
−
2
)
ср.пбб
()
;
y
э1бф
ф
– угловая по-
sDDyВ −−=
Угловую податливость плоского приварного и приварного встык фланцев
определяют по формуле
()
9,011 Ehy ψλ+ω−= ,
где
– модуль продольной упругости материала фланца, MПa; λ – коэффи-
E
ф
циент, являющийся справочной величиной;
размерный параметр;
циенты.
DDф1lg28,1
и
Линейная податливость прокладки
прокладки, м;
Е – модуль продольной упругости материала прокладки (вели-
п
3
()
]
ф
2ф
ψ
−
2э2
]
19,01
ψ+λ+=ω sh – без-
1
фф2
, где
ЕbDsy π=
ппср.ппп
)
DDDD
– коэффи-
s – толщина
п
1
чина справочная), МПа.
Линейная податливость болтов (шпилек):
где
Е – модуль продольной упругости материала болта (шпильки), МПа;
б
f – расчётная площадь поперечного сечения болта (шпильки) (по работе [1]), м:
б
l – расчётная длина, определяемая для болтов dll 28,0
б
с двумя гайками
= ; 0бl – длина болта (шпильки) между опорными
0бб
dll 56,0
)
zfЕly
,
ббббб
0бб
, для шпильки
поверхностями головки болта и гайки (гаек).
Нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления, рассчитывают по зависимости
2
785,0= . (3.27)
pDQ
ср.пд
50