- •Прочностные расчеты аппаратов нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов для студентов химических специальностей
- •Введение.
- •1.0. Расчет элементов аппаратов
- •1.1. Расчет толщины стенки аппарата
- •1.1.1. Порядок расчета
- •1.1.2. Расчет толщины стенки аппарата, работающего под внутренним избыточным давлением
- •1.1.3. Выбор материала
- •1.1.4. Толщина стенки цилиндрической части аппарата
- •1.1.5. Допускаемое напряжение
- •1.1.1.4. Алгоритмы расчета толщины стенки на эвм
- •1.2. Толщина стенки днищ
- •1.2.1. Алгоритм расчета толщины стенки днищ на эвм
- •1.2.2.Проверка напряжений в нижней части стенки аппарата и в нижнем днище при проведении гидравлических испытаний
- •1.2.3. Алгоритм расчета гидравлических испытаний аппаратов на эвм
- •1.2.4. Алгоритм и особенности расчета толщины стенки аппарата, работающего под избыточным внешним давлением
- •1.3. Расчет опор
- •1.3.1. Конструкции опор
- •1.3.2. Расчет опоры вертикального аппарата (тип-колонна), подверженного ветровой нагрузке
- •1.3.2.1. Форма и основные размеры опор вертикальных аппаратов
- •1.3.2.2. Ветровая нагрузка.
- •1.3.2.3. Проверка прочности фундамента
- •1.3.2.4. Определение толщины фундаментного кольца
- •1.3.2.5. Расчет аппарата на устойчивость
- •1.3.2.6. Расчет сварного шва, соединяющего опорную часть с аппаратом
- •1.3.2.7. Проверка устойчивости формы в сжатой зоне стенки цилиндрической опорной части и корпуса аппарата
- •1.3.2.8 Опорная обечайка
- •1.3.2.9 Нижнее сечение корпуса
- •1.3.3 Расчет опор вертикального аппарата (типа реактор)
- •1.3.4. Расчет опор горизонтального аппарата
- •Для горизонтальных аппаратов
- •1.3.4.1. Пример расчета опор
- •1.3.4.2. Пример расчета кольца жесткости
- •2.0. Расчет фланцевых соединений
- •2.1. Основные стандарты на фланцевые соединения
- •2.2. Конструкции фланцев.
- •3.3. Пример расчета фланцевых соединений
- •2.3.1. Выбор типа фланцев и уплотнительной поверхности
- •3.3.2. Расчет болтов (шпилек)
- •2.3.3. Расчет фланцев
- •2.3.3.1. Фланцы цельного типа
- •2.3.3.2. Плоские приварные фланцы
- •2.3.4. Штуцера
1.3.4. Расчет опор горизонтального аппарата
При установке горизонтального цилиндрического аппарата на опоры расчетом проверяется прочность и устойчивость корпуса аппарата при действии силы тяжести самого аппарата и его содержимого с учетом возможных дополнительных внешних нагрузок.
Расчет корпуса аппарата на изгиб от всех указанных нагрузок производится как у неразрезной балки кольцевого сечения постоянной жесткости, лежащей на соответствующем количестве опор. Наиболее частыми в практике химического аппаратостроения являются случаи установки горизонтальных цилиндрических аппаратов на двух и трех опорах.
На рис.1.19 показаны расчетные схемы для таких аппаратов. Для аппарата на двух опорах по схеме 1 реакции опор.
Рис. 1.19. Расчетная схема нагрузок от действия силы тяжести
Для горизонтальных аппаратов
РА = РБ = 0,5 G, МН. (1.45)
Расчетный изгибающий момент
Ми = 0,0215 G Lпр, MН м. (1.46)
Для аппарата на трех опорах по схеме II реакции опор
РА = РВ = 0,323 G , МН, (1.47)
РБ = 0,354 G, МН. (1.48)
Расчетный изгибающий момент на всех опорах
Ми = 0,0105 G Lпр, MН м. (1.49)
В формулах значения величин:
G - общая сила тяжести аппарата с содержащейся в нем средой и вертикальные внешние нагрузки (с учетом их знака) , МН; Lпр - приведенная длина аппарата, м
Приведенная длина аппарата (при наличии двух одинаковых днищ)
Lпр = Lц + 2 LDH , (1.50)
где Lц - длина цилиндрической части корпуса, м; LDH - длина днища, приведенная к цилиндрической части корпуса, м.
Приведенная длина днища (при заполнении средой в аппарате) определяется по формуле
, (1.51)
где g - ускорение силы тяжести, м/сек2 ; GDH - сила тяжести днища, Мн; VDH - емкость днища, м3 ; DH, DBH - соответственно наружный и внутренний диаметры цилиндрической обечайки корпуса, м; , c - соответственно плотность материала и среды в аппарате, кг/м3 .
Напряжение на изгиб в корпусе от силы тяжести определяется по формуле
u = Ми / W , МН/м2 , (1.52)
где Ми - расчетный изгибающий момент от силы тяжести, определяемый по формулам (1.46, 1.49); W - момент сопротивления поперечного сечения аппарата в м3 , определяемый по формуле
W = 0,8 DBH2 (S - С). (1.53)
Допускаемое напряжение материала на изгиб может быть определено как
[]u = [] 0,8 ,
где []- допускаемое напряжение на растяжение, МН/м2.
В случае наличия у корпуса внешних осевых, изгибающих (в диаметральной плоскости) и крутящих (перпендикулярной к оси плоскости) нагрузок (от силы тяжести и т.д.) эквивалентное напряжение от них в стенке обечайки э определяется по формуле
э , (1.54)
где - напряжение растяжения или сжатия в обечайке от внешней осевой силы в МН/м2, определяемое по формуле
= Р / F = Р / (DBH + S) (S - C) , (1.55)
где Р - осевая внешняя нагрузка, МН; F = (DBH + S) (S - C) - площадь поперечного сечения обечайки,м2;
u - напряжение изгиба в обечайке от внешнего изгибающего момента в МН/м2, определяется по формуле
u = Ми / W = 4 Ми / (DBH + S)2 (S - C), (1.56)
- напряжение кручения в обечайке от внешнего крутящего момента в Мн/м2, определяется по формуле
= Мк / 2 W = 8 Мк / (DBH + S)2 (S - C), (1.57)
где Мк - внешний крутящий момент, МН м;
n - приведенное напряжение от внутреннего давления в МН/м2, определяемое по формуле
n = Р [DBH + (S - C)] / 2 (S - C), (1.58)
где Р - расчетное давление, МН/м2; - коэффициент прочности сварного шва.
Напряжения n, u и определяются для сечения, в котором они являются максимальными. В сомнительных случаях указанные напряжения определяются для нескольких сечений.
При отсутствии в обечайке какой-либо из нагрузок соответствующее ей напряжение в уравнении (1.54) принимается равным нулю.
Напряжение на изгиб в стенке корпуса от действия реакции опоры в u МН/м2 необходимо проверить по формуле
u = 0,02 Р DBH / W < []u , (1.59)
где Р - реакция опоры, МН; W’- момент сопротивления расчетного поперечного элемента стенки аппарата над опорой относительно оси х, проходящей через центр тяжести этого сечения параллельно оси аппарата, м3.
Момент сопротивления указанного сечения (рис.20) определяется по формуле
W’ = [в + 8(S - C)] (S - C)2 / 6, (1.60)
где в - ширина опоры, м.
Рис. 1.20. Расчетное сечение стенки горизонтального цилиндрического корпуса в месте опоры при расчете его на прочность и устойчивость от действия реакции опоры
а - сечение неукрепленной стенки; б - сечение стенки, укрепленной накладкой.
Если условие (1.59) не выполнено,то в месте опоры на корпусе необходимо предусмотреть накладку. Момент сопротивления сечения, состоящего из элемента стенки и накладки, относительно оси х, проходящей через центр тяжести этого сечения параллельно оси аппарата, должен быть
W 0,02 P DBH / []u . (1.61)
Толщину накладки Sн рекомендуется принимать
Sн = S, если 4[]u > > []u
или Sн > S, если u > 4[]u ,
где u - по формуле (1.59).
Величину Sн определяют подбором, исходя из соблюдения условия (1.60).
Расчетный момент сопротивления сложного составного сечения корпуса, усиленного накладкой, W в м3(см. рис.1.20), определяется по формуле
, (1.62)
где Fс’ - расчетная площадь поперечного сечения элемента в м2; Fн’ - расчетная площадь поперечного сечения накладки в м2; Iс - момент инерции площади Fс’ относительно оси, проходящей через центр тяжести ее параллельно оси аппарата, м2; Iн - то же для площади Fн’ в м2; у - расстояние от нижней поверхности накладки до оси, проходящей через центр тяжести площади параллельно оси аппарата, м.
В формуле (1.62) величины имеют следующие значения:
Fс’ = [в + 8(S - C)] (S - C), (1.63)
Fн’= (в + 4Sн ) Sн , (1.64)
Iс = Fс’ (S - C)2/12 ; Iн = (Fн’ Sн 2)/12 , (1.65)
. (1.66)
Накладки толщиной Sн > 1,6 S применять не рекомендуется. Поэтому, если указанная толщина накладки не удовлетворяет условию (1.23), то в местах опор следует предусматривать кольца жесткости, которые можно расположить как снаружи, так и внутри корпуса, в зависимости от конструкционных возможностей. Основные типовые поперечные сечения колец жесткости приведены на рис. 1.21.
Рис. 1.21. Типовые поперечные сечения колец жесткости
Расчетный момент инерции I’(м4) поперечного сечения, состоящего из площади сечения кольца жесткости и площади сечения элемента стенки корпуса, определяют исходя из условия устойчивости корпуса в месте опоры ( при запасе на устойчивость nу = 2,6).
, (1.67)
где - угол обхвата опорой корпуса, град; Еt - модуль упругости корпуса при рабочей температуре, МН/м2.
Угол обхвата обычно принимается равным 1200. При определении I’ площадь расчетного поперечного сечения элемента стенки определяется по формуле (1.63).
При применении опор-лап III и IV (рис. 1.17) отношение вылета их к высоте ребра рекомендуется принимать l / h = 0,5. Определение толщины ребра производится по формуле (1.42).