10 Расчет опор аппаратов

Цель работы: ознакомиться с конструкциями основных видов опор и методикой расчета опор на прочность.

10.1 Основные сведения

Установка химических аппаратов на фундаменты или на специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор.

Конструкции опор можно разбить на два основных вида: поры для вертикальных аппаратов и опоры для горизонтальных аппаратов.

10.2 Конструкции опор

На рисунке 10.2.1 показаны основные типовые конструкции сварных стальных опор для установки вертикальных аппаратов.

Опоры типов I-III, VI и VII представляют собой цельные опорные конструкции, а типов IV, V, VIII и IX – отдельные опорные устройства (лапы, стойки), количество которых на аппарате должно быть не менее трех. В отдельных случаях небольшие аппараты можно устанавливать на двух лапах типов VIII и IX. В литых аппаратах опоры большей частью выполняются за одно целое с корпусом и днищем. Конструкция опор в этом случае может быть аналогичной опорам типов IVи IX.

Выбор типа опоры зависит от ряда условий:

• места установки аппарата (в помещении или на открытой площадке)

• соотношение высоты к диаметру аппарата

• его массы и т.д.

В таблице 10.2.1 приведены основные данные о нормализованных опорах для вертикальных аппаратов, которые и следует применять при конструировании на требуемую нагрузку, а на рисунке 10.2.2 представлена конструкция опор вертикальных цилиндрических аппаратов типа I и II.

Рисунок 10.2.1 – Основные типовые конструкции опор для вертикальных аппаратов

Рисунок 10.2.2 – Конструкции опор вертикальных цилиндрических аппаратов типа I и I

Таблица 10.2.1 - Основные данные о нормализованных опорах для вертикальных аппаратов

МН	Тип опор	L	L1	L2	B	B1	B2	b	b1	H	h	s	a	a1	a2	R	d	dб	Исполнение		Подкладной лист
																			А	Б	s1	L3	H1
		мм																	Масса, кг		мм
0,16	I II	50	60	40	60 100	45 55	50 60	15	40 45	85 120	6	4	10 15	15 25	10 40	8	12	М10	0,46 0,73	0,50 0,81	4;6; 8;10;	75	120 155
0,4	I II	85	95	80	95 160	65 75	70 80	22	50 60	140 190	10	5	15 20	25 40	25 80	8	12	М10	1,08 2,42	1,15 2,57	6 8	125	200 255
1,0	I II	100	120	90	115 195	80 85	85 90	22	65 70	170 235	14	6	25	30 50	30 105	12	24	М16	2,55 4,29	2,65 4,56	10 12	150	250 310
2,5	I II	140	160	130	155 255	110	115	22	90	230 310	20	8	25 30	40 65	40 140	12	24	М20	6,56 10,2	6,84 10,7	8 10	200	330 410
4,0	I II	170	190	160	185 315	125 145	135 155	40	105 115	285 390	24	10	30 40	50 80	50 160	18	35	М24	8,96 19,3	9,46 20,2	12 16	250	405 510
6,3	I II	210	240	200	230 380	160	170	40	135	345 470	30	12	35 50	60 100	60 210	18	35	М30	21,9 33,5	22,6 35,4	10 12	300	490 620
10,0	I II	280	320	260	310 520	220 230	230 240	40	175	460 620	32	16	50 65	80 130	80 280	30	42	М36	48,9 84,7	50,5 88,2	16 20	400	650 820
16	I II	340	380	320	390 650	280	290	60	205	570 780	40	20	60 80	100 180	100 360	-	42	М42	-	96,4 156	12;16 20;24	500	810 1020
25	I II	410	460	380	480 800	350 360	360	60	225	680 940	50	24	75 100	120 220	120 435	-	42	М48	-	173 278	16;20 24;28	600	970 1230
Примечание: 1 имеются два типа опор: I – для аппаратов без теплоизоляции; II – для аппаратов с теплоизоляцией 2 Опоры обоих типов могут изготавливаться в двух исполнениях: а) штампованные, б) сварные 3 материал опор – сталь углеродистая и коррозионностойкая 4 количество опор (лап) выбирают исходя из допускаемой нагрузки на одну опору и по конструктивным соображениям, но не менее двух * - допускаемая нагрузка на одну опору.

10.3 Расчет опор аппаратов

Первоначально выбираем количество и тип опор согласно массе аппарата. Затем рассчитываем нагрузку на одну опору.

Рассчитаем обечайку на местную прочность и устойчивость в местах, где крепятся лапы:

Ребра привариваем к корпусу сплошным швом с катетом h_ш. Общая длинна сварного шва, L_ш, м:

,

где Н – параметр выбранной опоры (см. таблицу 10.2.1)

s – толщина аппарата, м.

Проверим прочность сварных швов:

где G – нагрузка, воспринимаемая одной опорой, МН

МН/м²

Если условие выполняется, то прочность сварного шва обеспечена.

Определим максимальные напряжения в корпусе аппарата в месте присоединения к нему лап.

Найдем параметры для нахождения коэффициентов К_к и К_м

, ,

.

где В,Н – размеры опоры (см. рисунок 10.2.2)

D – диаметр аппарата, м

s – толщина стенки аппарата, м

C_к – прибавка на коррозию, м

Момент от реакции опоры М_и, МН·м, действующий на лапу при расчетном плече:

,

где - определяем из чертежа опоры, м.

По графику на рисунке 10.3.1 определяем значение коэффициентов К_к и К_м.

Далее определяем параметр β для нахождения моментов действующих на корпус:

для определения меридиональных моментов:

,

для определения кольцевых моментов:

.

Рисунок 10.3.1 – Графики для определения коэффициента К

К_м ,--------- К_к

По графику на рисунке 10.3.2 определяем параметр ,используя β₁ и .

Рисунок 10.3.2 – Графики для определения, отнесенного к единице длины меридионального момента М_м, действующего на стенку цилиндрического корпуса аппарата в месте присоединения к нему лапы (опоры)

Отсюда определяем меридиональный момент М_м, МН×м/м.

По графику на рисунке 10.3.3 определяем параметр ,используя β₂ и

Рисунок 10.3.3 – Графики для определения, отнесенного к единице длины меридионального момента М_к, действующего на стенку цилиндрического корпуса аппарата в месте присоединения к нему лапы (опоры)

Отсюда определяем кольцевой момент М_к, МН×м/м.

Далее по графикам на рисунке 10.3.4 определяем коэффициенты К'_к и К'_м, для определения сил действующих на корпус.

Рисунок 10.3.4 – Графики для определения коэффициентов К' при определении расчетных сил Р_м и Р_к, действующих на стенку цилиндрического корпуса

К_м ,--------- К_к

Определяем параметр β для определения сил действующих на корпус аппарата:

_.

По графику на рисунке 10.3.5 определяем параметр ,используя β₃ и .

Рисунок 10.3.5 – Графики для определения, отнесенного к единице длины меридиональной силы Р_м, действующего на стенку цилиндрического корпуса аппарата в месте присоединения к нему лапы (опоры)

Отсюда определяем меридиональную силу Р_м, МН/м.

По графику на рисунке 10.3.6 определяем параметр ,используя β₃ и .

Отсюда определяем кольцевую силу Р_к, МН/м.

Суммарное напряжение сжатия σ_c, МН/м², в корпусе аппарата при толщине стенки , мм в месте присоединения лапы:

в меридиональном направлении:

,

в кольцевом направлении:

,

Если оба напряжения меньше допускаемого, следовательно, лапа может быть приварена к обечайке без подкладного листа. В противном случае используется подкладной лист. Толщина стенки в этом случае рассчитывается по формуле s_п = s + s₁ – c_к и весь расчет производить заново.

Рисунок 10.3.6 – Графики для определения, отнесенного к единице длины кольцевой силы Р_к, действующего на стенку цилиндрического корпуса аппарата в месте присоединения к нему лапы (опоры)

10.4 Пример расчета опор

Исходные данные: Подобрать опоры для теплоизолированного аппарата диаметром D = 1 м. Вес аппарата G_A = 74000H, толщина стенки s=0,008 м. Прибавка на коррозию С_к=0,001 м. Допускаемое напряжение МН/м².

Решение: Для данного аппарата выбираем опоры (лапы) из таблицы 10.2.1 тип II, исполнение Б. Лапы расположим выше середины аппарата. Это придаст аппарату необходимую устойчивость и облегчит эксплуатацию. Используя расположение опор треугольником, как показано на рисунке 10.4.1, дает возможность выбрать более металлоемкие опоры. Такое расположение опор позволяет распределить всю нагрузку сразу на 3 опоры. В нашем случае подойдут опоры, рассчитанные на 0,025 МН.

Рисунок 10.4.1 – Схема расположения опор

Характеристики опоры:

Тип II, исполнение Б, нагрузка МН;

L = 140 мм, B = 255 мм, b = 22 мм, h = 20 мм, L₁ = 160 мм, B₁ = 110 мм,

b₁ = 90 мм, s = 8 мм, L₂ = 130 мм, B₂ = 115 мм, H = 310 мм, a = 30 мм, R = 12 мм,

a₁ = 65 мм, d = 24 мм, a₂ = 140 мм, d_б = М20.

Подкладной лист:

S₁ = 10 мм, L₃ = 200 мм, H₁ = 410 мм.

Рассчитаем обечайку на местную прочность и устойчивость в местах, где крепятся лапы:

Ребра привариваем к корпусу сплошным швом с катетом h_ш = 3 мм. Общая длинна сварного шва, L_ш, м:

,

Проверим прочность сварных швов:

Условие выполняется, следовательно, прочность сварного шва обеспечена.

Определим максимальные напряжения в корпусе аппарата в месте присоединения к нему лап.

Найдем параметры для нахождения коэффициентов К_к и К_м

,

,

.

Момент от реакции опоры М_и, МН·м, действующий на лапу при расчетном плече:

,

где - определяем из чертежа опоры, (мм), м.

.

По графику на рисунке 10.3.1 определяем значение коэффициентов

К_к = 1,01 и К_м = 1,05.

Далее определяем параметр β для нахождения моментов действующих на корпус:

для определения меридиональных моментов:

,

для определения кольцевых моментов:

.

По графику на рисунке 10.3.2 определяем параметр ,при β₁ = 0,305 и :

,

Отсюда следует, что М_м, МН·м/м, определяется по формуле

,

.

По графику на рисунке 10.2.3 при иопределяем параметр:

,

следовательно, что М_к, МН·м/м, определяется по формуле

,

.

Далее по графикам на рисунке 10.3.4 определяем коэффициенты К'_к = 0,83 и К'_м = 0,85, для определения сил действующих на корпус.

Параметр для нахождения сил, действующих на корпус:

_.

По графику на рисунке 10.3.5 определяем параметр ,используя β₃ = 0,29 и .

По графику на рисунке 10.3.6 определяем параметр ,используя β₃ = 0,29 и .

Следовательно, Р_м и Р_к, МН/м, определяются

,

,

,

,

Суммарное напряжение сжатия σ_c, МН/м², в корпусе аппарата при толщине стенки мм в месте присоединения лапы:

в меридиональном направлении:

,

.

в кольцевом направлении:

,

.

Оба напряжения меньше допускаемого, а следовательно лапа может быть приварена к обечайке без подкладного листа.

10.5 Задание для самостоятельно расчета опор

Подобрать опоры для аппарата диаметром D, м. Вес аппарата G_A, H, толщина стенки s, м. Прибавка на коррозию С_к=0,001 м. Допускаемое напряжение МН/м².

Данные взять из таблицы 10.5.1

Таблица 10.5.1 – Варианты заданий для расчета опор

№ вари-анта	D, мм	s, мм	GA, Н	теплоизоляция	МН/м2	Количество опор
1	800	0,006	60000	+	120	2
2	900	0,008	63000	+	130	2
3	1000	0,007	70000	–	140	2
4	1100	0,009	90000	+	150	4
5	1200	0,01	100000	+	150	4
6	800	0,008	65000	–	120	2
7	900	0,006	64000	+	140	2
8	1000	0,01	85000	–	130	3
9	1100	0,007	80000	+	150	3
10	1200	0,009	96000	–	140	3