7. Расчет трубопроводов и емкостей, работающих под давлением

Трубопроводы различаются:

-по характеру перекачиваемой продукции - нефтепроводы, нефтегазопроводы, нефтеводопроводы, водопроводы и газопроводы;

-по давлениям: высокого- до 6,4 МПа; среднего - до 1,6 МПа; низкого - до 0,6 МПа и безнапорные, т.е. работающие с неполным заполнением сечения;

-по способу прокладки: наземные, подземные, подводные.

Гидравлический расчет трубопровода при движении по нему однофазной жидкости сводится к определению диаметра, либо начального давления Р, либо расхода Q.

h¹_тр = Lv²/ 2Dg = L16Q²/ 2g ²D⁵ (7.1)

где v - средняя скорость течения жидкости;

 - коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от числа Re и относительной шероховатости:

= 64/Re - при ламинарном течении ( Re  2300); (7.2)

= 0,342/ Re^0,21 - при переходном режиме , 1200  Re 50000;

= 0.316/ Re^0.25 - при турбулентном режиме, (Re 2800)

Потери напора на местные сопротивления в трубопроводе (задвижки, муфты и пр.).

h _м = _i (v²/2g) (7.3)

Тогда потери на трение и местные сопротивления

h _тр = (L/D + _i )(v²/2g) (7.4)

Для определения давления в трубопроводе с учетом рельефа местности определяют изменение полного напора по длине трубопровода.

Общий напор Н, который должен развивать насос в установившемся режиме определяется по формуле

H = h _вс+ h _тр+ (h _к - h _н) (7.5)

где h _вс - потери напора во всасывающем трубопроводе;

h _тр - потери напора по длине трубопровода;

h_к , h_н - разность геодезических отметок конца и начала трубопровода;

Прочностной расчет трубопровода предусматривает проверку его при работе под давлением, а в случае транспортировки горячих смесей - расчет необходимого количества и параметров компенсаторов удлинений.

Допустимое давление в трубопроводе

P = 2S/ D_вн (7.6)

где S - толщина стенки трубы за вычетом допуска и коррозионного уменьшения толщины стенки;

= _т/ 2,5 - допустимое напряжение;

D_вн - внутренний диаметр.

1. Основы расчета емкостей, работающих под давлением

Промысловые сосуды имеют следующие основные элементы, подлежащие расчету: сферическое днище, цилиндрическая часть, конусное днище, люк. Цилиндрическая часть может быть тонкостенной и толстостенной. Тонкостенными принимают цилиндры, у которых толщина стенки не превышает 10% внутреннего диаметра сосуда.

Окружное напряжение в стенке сосуда равно

_t= PD_ср / 2s (7.7)

где P - внутреннее избыточное давление;

D_ср - средний диаметр цилиндра (d +s).

Осевое напряжение в цилиндре от внутреннего давления на днища

_z= PD_ср / 4s (7. 8)

где s - полная толщина стенки цилиндра.

Для определения толщины стенки и наибольшего допустимого давления получим:

s = PD_ср / 2R_z + c (7.9)

P= 2R_z(s - c)/ D_ср (7.10)

где R _z - допустимое напряжение;

 - коэффициент сварного шва;

c - прибавка на коррозию (0,004м).

Днища сосудов, особенно верхние, чаще выполняют эллиптическими. Для определения толщины стенки эллиптических отбортованных днищ имеем.

s = P D_ср y_э / 2R_z + c (7.11)

s = P D_н y_э / (2R_z + P y_э) + c (7.12)

где y_э - коэффициент перенапряжения днища, определяемый по графику в зависимости от h/D.

Из этих формул легко определяется напряжение R_z в эллиптическом днище, если известны остальные параметры.

Нижние днища часто выполняют коническими. Толщина стенки и допустимое давление конического днища определяются по формулам.

s = P D_вн / 2R_zcos + c (7.13)

P = (s - c) 2R_zcos/ D_вн (7.14)

где D_вн - внутренний диаметр цилиндрического борта днища;

 - угол наклона направляющей конуса к вертикали.

Рис.7.1 Схема корпуса вертикальной емкости:

1-сферическое днище; 2-люк-лаз; 3-цилиндрическая часть; 4-конусное днище.

При устройстве в сосудах люков цилиндр или днище сосуда резко ослабляется и возникает необходимость упрочнения ослабленного места. Оно осуществляется приваркой накладок с толщиной равной толщине основного тела сосуда, а внешний диаметр упрочняющего кольца берется равным двум диаметрам отверстия.

Расчет сосудов под давлением должен проводится в соответствии с ГОСТ 14249-89 «Сосуды и аппараты». Нормы и методы расчета на прочность.