Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчёт и проектирование технологического оборудования. Учебное пособие.pdf
с цельноковаными. Это приводит к некоторому снижению потери металла и
уменьшению стоимости аппарата.
Штампосварные и вальцованосварные корпуса (рис. 3.38, в, г) состоят из
нескольких штампованных или вальцованных обечаек, соединённых между собой кольцевыми сварными швами. Штампосварные обечайки сваривают электрошлаковой или автоматической сваркой под слоем флюса из полукорыт, полученных прессованием толстых листо
в, а вальцованосварные изготавливают
вальцовкой вгорячую с последующей сваркой. Обычно такие обечайки изготавливают с толщиной стенки не более 160 мм. Днища, фланцы и горловины таких
аппаратов изготавливаются отдельно из поковок или штамповок.
Такие аппараты характеризуются большей экономичностью по сравнению
с цельносварными и кованосварными. Кроме того, их можно изготавливать значительно бо
льшего диаметра. Существенным недостатком, снижающим надёж-
ность таких элементов, являются продольные сварные швы на корпусе.
Многослойные корпуса с концентрическим расположением слоёв
(рис. 3.38, д) состоят из центральной обечайки из высоколегированной стали
(толщиной 12…24 мм), на которую с натягом надето относительно большое
число обечаек из тонкого листа (толщиной 4…6 мм). Обечайки соединяют между собой и с ко
нцевыми элементами корпуса кольцевыми сварными швами.
Концевые элементы корпуса выполняют из поковок и штамповок. Внутреннюю
обечайку в многослойных сосудах обычно изготавливают из коррозионностойкой или двухслойной стали, а многослойную часть стенки – из теплоустойчивой низколегированной стали. В некоторых случаях слой, прилегающий
к внутренней обечайке, выполняют с перфорацией, а в мн
огослойной части стенки предусматривают радиальные сквозные отверстия небольшого диаметра на
глубину до центральной обечайки. За счёт этого обеспечивается «проветривание»
корпуса при диффузии водорода изнутри при водородной коррозии, а также создаются условия для проведения контроля плотности внутренней обечайки.
Преимуществом этих корпусов является возможность изготовления круп-
ногабаритных аппаратов, низкая удельная металлоёмк
ость и стоимость по сравнению с ранее рассмотренными аппаратами. Кроме того, в данной конструкции
достаточно просто обеспечивается коррозионная защита внутренней поверхности корпуса за счёт нейтральной обечайки.
Недостатками аппаратов являются относительно высокая трудоёмкость
сборки обечаек по слоям, наличие большого количества продольных сварных
швов, а также массивных кольцевых швов, яв
ляющихся потенциальным источ-
ником дефектов.
Корпуса витые из профильной ленты (рис. 3.38, е) изготавливаются из
специального проката узкой стальной профильной ленты, навитой на центральную обечайку с проточкой наружной поверхности по винтовой линии под профиль ленты. Ленту наматывают в горячем состоянии для обеспечения плотности навивки и необходимого натяга. Витки ленты с пом
ощью выступов и впадин сцепляются друг с другом, вследствие чего осуществляется передача осевых усилий. Фланцевую часть выполняют дополнительной навивкой ленты или
приваркой кованых деталей.
Преимуществами витых аппаратов являются достаточно высокий коэффи-
циент полезного использования металла и меньшая масса за счёт применения
71
высокопрочной профильной ленты. Их недостатками являются сложность изготовления калиброванной профильной ленты, а также
проточенной центральной обечайки; невозможность применения боковых
штуцеров, а также относительно высокий уровень осевых напряжений в кольцевых швах центральной обечайки.
Рулонированные корпуса (рис. 3.38, ж) состоят из одной или нескольких
рулонированных обечаек, соединённых между собой, и концевых элементов
корп
уса, выполненных из поковок или штамповок, соединённых кольцевыми
сварными швами. Многослойная рулонированная обечайка состоит из центральной обечайки из высоколегированной стали толщиной 12…24 мм и намотанной на неё с натягом до необходимой толщины рулонной стальной полосы
шириной 1400…1800 мм и толщиной 4…6 мм. Снаружи на намотанную рулонную обечайку надевается защитный кожух толщиной 8…12
мм.
По сравнению с корпусами с концентрическим расположением слоёв данный способ изготовления характеризуется низкой стоимостью, технологичностью изготовления (простота механизации процесса навивки рулона) и низкой
удельной металлоёмкостью.
Спирально-рулонные корпуса (рис. 3.38, з) состоят из центральной обечайки на всю длину аппарата с приваренными к ней фланцевой частью и днищем.
Стальные по
лосы крепятся на концевых элементах сваркой и навиваются по
спирали под углом к оси сосуда. При этом каждый последующий слой навивается в противоположную сторону по отношению к предыдущему.
Для обеспечения прочности в осевом направлении часть слоёв сваривается
по кромкам винтовой спирали. Поверх навивки надевается наружный кожух,
или сам наружный слой п
роваривается сплошным швом по всей винтовой
линии.
Данная конструкция характеризуется отсутствием кольцевых сварных
швов на всю толщину многослойной обечайки и небольшим расходом металла
при изготовлении. Вследствие этого она характеризуется высокими техникоэкономическим показателями.
В аппаратах высокого давления применяют плоские, слабовыпуклые, полусферические и эллиптические днища (рис. 3.39). В ко
рпусе аппарата отверстия
выполняют только в случае крайней технологической необходимости. Аппараты высокого давления, как правило, не имеют штуцеров и бобышек. Все отверстия для присоединения технологических трубопроводов и контрольноизмерительной аппаратуры изготовляют в днищах и крышках.
К верхней части корпуса аппаратов высокого давления привариваются
фланцы, к которым шпильками крепятся крышки. Наиболее шир
око применяют
кованые фланцы с ввёртными шпильками (рис. 3.40), которые обеспечивают
минимальный изгибающий момент в конструкции вследствие расположения
шпилек по минимально возможному диаметру, компактны и экономичны по
металлоёмкости. Плоская кованая крышка показана на рис. 3.41.
В аппаратах высокого давления больших диаметров используют комбинированные выпуклые сварные крышки, которые состоят из кованого фланца и
эллиптической или сфериче
ской кованой или штампованной части.
В тех случаях, когда в аппарате высокого давления не требуется разъём
корпуса по всему диаметру для установки и извлечения внутренней насадки и
других устройств, в целях уменьшения периметра уплотнения применяются
72
горловины. Они обеспечивают доступ во внутреннюю полость аппарата только
для освидетельствования, монтажа по частям каких-либо внутренних устройств,
загрузки и выгрузки катализатора и т.п. Конструкции кованой и штампованной
горловин представлены на рис. 3.42.
а) б) в) г)
Рис. 3.39. Конструкции днищ аппаратов высокого давления:
а – плоское; б – слабовыпуклое; в – полусферическое; г – эллиптическое
Рис. 3.40. Кованый фланец аппарата высокого давления
Рис. 3.41. Плоская кованая крышка аппарата высокого давления
а) б)
Рис. 3.42. Горловины аппаратов высокого давления:
а – кованая; б – штампованная
73
Расчёт корпусов аппаратов высокого давления. Толщина стенки одно-
(
)
−β=
[
(
[
ϕ
[][
ϕσ=
слойной цилиндрической обечайки рассчитывается по формуле
где D – внутренний диаметр аппарата, м;
cDs +
15,0
p
, (3.49)
)
]
]
– расчётный коэф-
p
ϕσ=β pexp
фициент толстостенности.
Значение коэффициента прочности сварного шва
для аппаратов, изго-
товленных из листового проката с продольным сварным швом, определяется
в соответствии с ГОСТ 14249–89, а для кованых и кованосварных принимается
ϕ = 1.
Допускаемое напряжение при расчёте по предельным нагрузкам аппаратов
из углеродистых, низколегированных и среднелегированных сталей находят
из условия
[]
=σ
min
или
⎧
σσ
⎨
⎩
т
⎫
σ
2,0т
в
;
,
⎬
nn
⎭
в
где значение коэффициента запаса прочности по пределу временного сопротивления
n = 2,4, а коэффициента прочности по пределу текучести тn = 1,5 – для
в
рабочих условий и
Допускаемое давление определяется по формуле
где
[]
n = 1,1 – для условий испытания.
т
]
()
DcsD −⋅+=β 2 – коэффициент толстостенности.
β
lnp , (3.50)
Приведённые зависимости справедливы при выполнении усло-
()
вия
4,0≤− Dcs .
Расчёт толщины стенки и допускаемого давления для многослойной цилиндрической обечайки выполняют по зависимостям (3.49) и (3.50). В этих
формулах вместо допускаемого напряжения
допускаемого напряжения, которое определяется по формуле
[]
=σ
cp
[]
где
i
s – толщина i-го слоя; n – число слоёв в многослойной обечайке.
туре;
i
[]
σ подставляют значение среднего
n
[]
s
σ
∑
i
i
=
i
1
∑
,
n
s
i
=
1
i
При проектировании рулонированных корпусов коэффициент прочности
сварного шва принимается равным 1, а к полученной толщине стенки прибавляется ещё толщина одного слоя навиваемой полосы.
Расчёт днищ аппаратов высокого давления.
Толщина плоских отборто-
ванных и слабовыпуклых днищ с H/D < 0,25 (рис. 3.39, а, б) рассчитывается по
зависимости
74
p
(
(
[
[]
σ
c
=
где
K – коэффициент ослабления днища отверстиями, который определяется
0
DKs +
45,0 ,
01
по формулам для тонкостенных плоских днищ.
При наличии несквозных отверстий под шпильки для определения коэффициента ослабления днища отверстиями в зависимости подставляют значения
расчётного диаметра
{}
d , который определяется с учётом глубины отверстия
р3
.
;2min dsldd =
313р3
Допускаемое давление для плоских и слабовыпуклых днищ определяют
по зависимости
2
cs
−
⎛
p
[] []
=
⎜
45,0 DK
⎝
⎞
1
σ
.
⎟
⎠
0
Приведённые зависимости справедливы при выполнении условия
()
1
35,0
≤− Dcs .
Толщина выпуклых (полусферических и эллиптических) днищ (рис. 3.39, в, г)
определяется по формуле
s +
1
2
()
= – радиус кривизны днища (R = D – для эллиптических днищ
где
HDR 4
pR
=
[]
−ϕσ
c
,
p
5,02
с Н = 0,25D и R = 0,5D – для полусферических днищ с Н = 0,5D).
При длине цилиндрической отбортованной части
3,0 толщина
)
csDh−≥
1
днища должна быть не меньше толщины обечайки.
Допускаемое давление для полусферических и эллиптических днищ определяют по зависимости
[]
()
5,0
.
−⋅+
csR
1
)
]
ϕσ−⋅
cs
2
1
=
p
Полученные зависимости справедливы при выполнении условий H/D ≥ 0,2;
()
1
15,0
≤− Dcs .
Расчёт крышек и фланцев аппаратов высокого давления изложен
в ГОСТ 25215–82.
Затворы аппаратов высокого давления. Затворы относятся к тяжело
нагруженным и очень ответственным элементам аппаратов высокого давления.
К их конструкции предъявляются следующие требования: прочность и герметичность при высоких давлениях и температурах, простота изготовления, удобство сборки и разборки, безопасность эксплуатации аппарата.
Упло
тнительные элементы затворов высокого давления называются обтю-
раторами. В качестве обтюраторов обычно используются металлы (алюминий,
медь, стали). В зависимости от источника силы, обеспечивающей деформацию
обтюратора, различают затворы с принудительным уплотнением (в которых
необходимое усилие обеспечивается за счёт затяжки шпилек) и затворы самоуплотняющиеся (в которых необходимое усилие создаётся за сч
в аппарате). В
зависимости от типа применяемого обтюратора различают затво-
ёт давления
ры с упругой и пластической деформацией обтюратора.
75
а)
б)
в)
а – с плоским металлическим обтюратором; б – с двухконусным обтюратором;
Рис. 3.43. Конструкции затворов высокого давления:
в – с дельтаобразным обтюратором; 1 – крышка; 2 – шпилька; 3 – обтюратор;
4 – корпус; 5 – поджимное кольцо
В промышленности наиболее широко применяются затворы с плоским
металлическим обтюратором (рис. 3.43, а); с дельтаобразным обтюратором
(рис. 3.43, б); с двухконусным обтюратором (рис. 3.43, в).
Затвор с плоским металлическим обтюраторам (рис. 3.43, а) применяют в
аппаратах небольшого диаметра (D < 600 мм), которые работают при давлении
до 32 МПа и не требуют частой разборки.
Крышка 1 кр
епится к фланцу корпуса аппарата 4 шпильками 2. Крышка и
торец корпуса образуют привалочную поверхность типа выступ–впадина, на
которую укладывается обтюратор из меди или алюминия. Необходимое усилие
обеспечивается за счёт затяжки шпилек, в результате чего обтюратор пластически деформируется и герметизирует соединение. Ширина обтюратора составляет 16...20 мм, он подлежит зам
ене после каждой разборки соединения.
Затвор с дельтаобразным обтюратором (рис. 3.43, б) применяют в аппа-
ратах с внутренним диаметром до 1600 мм, работающих при давлении до
100 МПа. Затвор является самоуплотняющимся и работает с упругой деформацией обтюратора.
Обтюратор представляет собой стальное шлифованное кольцо 3, имеющее
в сечении дельтаобразную форму, которое укладывается в специаль
ные проточ-
76
ки в крышки фланце 2. Герметичность обеспечивается за счёт затяжки шпилек и
внутреннего давления, действующего на внутреннюю поверхность обтюратора
и вызывающего его упругую деформацию.
Затвор с двухконусным обтюратором (рис. 3.43, в) применяют в аппаратах с внутренним диаметром до 2400 мм, работающих при давлении до
100 МПа. Затвор является самоуплотняющимся и работaет в обл
асти упруго-
пластических деформаций обтюратора.
Обтюратор представляет собой стальное кольцо 3, на привалочных поверхностях которого размещены медные или алюминиевые прокладки толщиной 1,0...1,5 мм. Кольцо устанавливается в специальную проточку в крышке 1 и
поджимается кольцом 5. Герметичность обеспечивается за счёт затяжки шпилек
и внутреннего давления, действующего на внутреннюю поверхность обтюратора. Обт
юратор при этом деформируется упруго, а прокладки пластически.
Для аппаратов небольшого диаметра и трубопроводов высокого давления
применяют фланцевые соединения с линзовой или овальной металлической
прокладкой.
77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Инженеры-проектировщики и специалисты по конструированию и расчёту
технологического оборудования должны уметь квалифицировано выбирать
конструкции соответствующих элементов технологического оборудования и
грамотно подкреплять расчётом свой выбор. Авторы надеются, что в этом им
определённую помощь окажет настоящее учебное пособие.
В пособии достаточно подробно рассмотрены этапы и фазы конструкторской проработки элементов оборудования. Рассмотрены методы и этапы организации проектирования и освоения технологического оборудования, описаны
основные типы, виды и комплектность конструкторских документов на проектируемое оборудование. Приводятся основные понятия и терминология по технологическому оборудованию, описываются основные характеристики и требования, предъявляемые к машинам и механизмам, описываются задачи, которые
стоят перед конструктором, функциональное назначение технологического оборудования. Представлены конструктивные особенности типовых элементов
оборудования, а также изложены методики их прочностного расчёта. Приведены методики расчёта и проектирования элементов технологического оборудования: тонкостенных и толстостенных цилиндрических обечаек, днищ и крышек, штуцеров, люков, фланцевых соединений, опор, устройств для строповки,
конструктивных элементов аппаратов высокого давления.
Изложенный в пособии материал предусмотрен для изучения студентами,
обучающимися по направлениям: 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие
процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 20.03.01
«Техносферная безопасность», 21.03.01 «Нефтегазовое дело». Пособие будет
полезно студентам бакалавриата и магистратуры при выполнении курсовых
работ и проектов, а также повысит их профессиональную подготовку.
78
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Машины и аппараты химических производств : учебник для вузов / А. С. Тимонин,
Б. Г. Балдин, В. Я. Борщев и др. ; под общ. ред. А. С. Тимонина. – Калуга : Изд-во Н. Ф. Бочкаревой,
2008. – 872 с.
2. Кольман-Иванов, Э. Э. Конструирование и расчёт машин химических производств /
Э. Э. Кольман-Иванов. – М. : Машиностроение, 1985. – 408 с.
3. Лащинский, А. А. Ко
А. А. Лащинский. – Л. : Машиностроение, 1981. – 382 с.
4. Лащинский, А. А. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры : спра-
вочник / А. А. Лащинский, А. Р. Толчинский. – Л. : Машиностроение, 1970. – 752 с.
5. Михалев, М. Ф. Расчёт и конструирование аппаратов химических производств /
М. Ф. Мих
Е. Т. Топтуненко. – Харьков : ХГУ, 1968. – 276 с.
матулин, Е. М. Королев, В. И. Лившиц. – М. : Машиностроение, 1990. – 384 с.
мова, В. Н. Кузнецова, И. К. Морозова. – М. : Атомиздат, 1966. – 522 с.
В. С. Зотиков. – Л. : Химия, 1975. – 320 с.
в 2 ч. Ч. I.
Томск : ТПУ, 2003. – 168 с.
собие : в 2 ч. / В. М. Миронов, В. М. Беляев. – Томск : ТПУ, 2004. – Ч. II. – 108 с.
бие для студентов заочной формы обучения специальности «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов» / Л. В. Новосельская, Д. В. Семененко. – Минск :
БГТУ, 2007. – 88 с.
бие / А. А. Назаров и др. ; М-во образ. и науки России, Казан. на
Изд-во КНИТУ, 2014. – 80 с.
Нормы и методы расчёта на прочность. – 9 с.
ческих документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ.
ские требования. – 46 с.
и курсовые. Правила оформления. – Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2017. – 40 с.
ТГТУ, 2010. – 22 с.
основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты /
Ю. И. Дытнерский. – М. : Химия, 1995. – 400 с.
процессы и аппараты / Ю. И. Дытнерский. – М. : Химия, 1995. – 368 с.
охранного обор
Т. 1. – 852 с. ; Т. 2. – 1028 с. ; Т. 3. – 968 с.
вузов / А. С. Тимонин, Г. В. Божко, В. Я. Борщев и др. ; под общ. ред. А. С. Тимонина. – Калуга :
Изд-во «Ноосфера», 2017. – 948 с.
алев. – М. : Машиностроение, 1984. – 301 с.
6. Топтуненко, Е. Т. Основы конструирования и расчёта химических аппаратов и машин /
7. Хисматулин, Е. Р. Сосуды и трубопроводы высокого давления : справочник / Е. Р. Хис-
8. Громова, А. И. К
9. Сухотин, А. М. Химическое сопротивление материалов : справочник / А. М. Сухотин,
10. Беляев, В. М. Конструирование и расчёт элементов оборудования отрасли : учеб. пособие :
Тонкостенные сосуды и аппараты химических производств / В. М. Беляев, В. М. Миронов. –
11. Миронов, В. М. Конструирование и расчёт элементов оборудования отрасли : учеб. по-
12. Новосельская, Л. В. Расчёт и конструирование машин и ап
13. Основы расчёта и конструирования химических машин и аппаратов : учеб.-метод. посо-
14. ГОСТ 25215–82. ЕСКД. Сосуды и аппараты высокого давления. Обечайки и днища.
15. ГОСТ 2.105–95. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам. – 37 с.
16. ГОСТ 2.004–88. ЕСКД. Общие требования к выполнению констру
17. ГОСТ 2.106–96. ЕСКД. Текстовые документы.
18. ГОСТ 14249–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность. – 62 с.
19. ГОСТ 24306–80. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность. Техниче-
20. ГОСТ 24755–81. Сосуды и аппараты. Нормы и ме
21. СТО ФГБОУ ВО «ТГТУ» 07–2017 Стандарт организации. Проекты (работы) дипломные
22. Рекомендации по выполнению выпускных работ в электронной форме. – Тамбов : Изд-во
23. Дытнерский, Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1. Т
24. Дытнерский, Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 2. Массообменные
25. Тимонин, А. С. Основы конструирования и расчёта химико-технологического и природо-
удования : справочник : в 3 т. / А. С. Тимонин. – Калуга : Изд-во Н. Бочкаревой, 2002. –
26. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки : учебник для
нструирование сварных химических аппаратов : справочник /
оррозионная стойкость реакторных материалов : справочник / А. И. Гро-
паратов : учеб.-метод. посо-
ц. исслед. технол. ун-т. – Казань :
кторских и технологи-
тоды расчёта на прочность. – 20 с.
еоретические
79
ОГЛАВЛЕНИЕ
К
и
2
2
2
т
Р
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………. 3
ОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ …... 4
1.
1.1. Задачи конструирования ………………………………………………... 4
1.2. Общие сведения о машинах …………………………………………….. 4
1.3. Основные характеристики и требования, предъявляемые к машинам
механизмам …………………………………………………………………. 5
1.4. Служебное назначение технологического оборудования …………….. 7
1.5. Технические условия на технологическое оборудование …………….. 8
2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОСВОЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ……………………………… 9
.1. Фазы опытно-конструкторской работы ………………………………... 9
.2. Стадии и этапы разработки конструкторской документации ………... 10
.3. Типы, виды и комплектность конструкторских документов на проек-
ируемое оборудование ……………………………………………………… 12
АСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
3.
ОБОРУДОВАНИЯ …………………………………………………………… 14
3.1. Тонкостенные цилиндрические обечайки ……………………………... 14
3.2. Днища и крышки приварные …………………………………………… 27
3.3. Штуцера, люки, крышки отъёмные …………………………………….. 34
3.4. Фланцевые соединения …………………………………………………. 45
3.5. Опоры и устройства для строповки ……………………………………. 53
3.6. Толстостенные сосуды и аппараты …………………………………….. 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………... 78
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………….. 79
80