Г л а в а 11

__________________________________________________________________

МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

__________________________________________________________________

Целью механического расчета химического и нефтехимического оборудования является определение размеров отдельных элементов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию машин и аппаратов за счет достаточной механической прочности, плотности разъемных соединений, устойчивости к сохранению формы и необходимой долговечности.

При выполнении дипломного проекта механический расчет производится только для основного оборудования проектируемого цеха или участка. При этом следует с максимальной возможностью использовать стандартизованные или нормализованные размеры отдельных элементов оборудования.

Все сосуды и аппараты, работающие под давлением, должны проектироваться, изготовляться и эксплуатироваться в соответствии с правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением Госгортехнадзора. Эти правила распространяются на:

а) сосуды, работающие под давлением свыше 0,07 МПа (без учета гидростатического давления);

б) цистерны и бочки для перевозки сжиженных газов, давление паров которых при температуре до 50 °С превышает 0,07 МПа;

в) сосуды, цистерны для хранения, перевозки сжиженных газов, жидкостей и сыпучих тел без давления, но опорожняемые под давлением газа свыше 0,07 МПа;

г) баллоны, предназначенные для перевозки и хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением свыше 0,07 МПа.

Эти правила не распространяются на:

а) приборы парового и водяного отопления; б) сосуды и баллоны емкостью не свыше 25 л, у которых произведение

емкости в литрах на рабочее давление в мегапаскалях составляет не более 20; в) сосуды из неметаллических материалов; г) трубчатые печи независимо от диаметра труб и т. д.

11.1. РАСЧЕТ СВАРНЫХ ХИМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специфические условия работы химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном давлений (от вакуума до давлений 250 МПа и

244

выше), большим интервалом температур (от –250 до +1000°С и выше) при агрессивном воздействии среды, предъявляют высокие требования к выбору конструкционных материалов. Так, наряду с требованиями высокой коррозионной стойкости в заданных агрессивных средах, к конструкционным материалам одновременно предъявляют требования высокой механической прочности, жаростойкости и жаропрочности, сохранения пластических свойств при высоких и низких температурах, циклической прочности, малой склонности к старению и др.

11.1.1. Основные расчетные параметры

Основными расчетными параметрами для выбора конструкционного материала и расчета элементов аппарата на прочность являются температура и давление рабочего процесса.

Температура. Различают рабочую и расчетную температуру.

Рабочая температура t – это температура содержащейся или перерабатываемой среды в аппарате при нормальном протекании в нем технологического процесса.

Расчетная температура tR – это температура для определения физикомеханических характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений. Расчетная температура определяется на основании тепловых расчетов или результатов испытаний. При положительных температурах за расчетную температуру стенки аппарата принимают наибольшее значение температуры стенки. При отрицательной температуре стенки элемента сосуда или аппарата за расчетную температуру при определении допускаемых напряжений следует принимать температуру 20 °С.

При невозможности произвести тепловые расчеты или измерения и в тех случаях, когда во время эксплуатации температура стенки повышается до температуры среды, соприкасающейся со стенкой, за расчетную температуру следует принимать наибольшую температуру среды, но не ниже 20 °С.

Давление. Различают рабочее, расчетное, условное (номинальное) и пробное давления.

Рабочее давление p – максимальное внутреннее избыточное или наружное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного устройства (клапана и др.).

Расчетное давление pR – максимальное допускаемое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при максимальной их температуре. Расчетное давление принимают, как правило, равным рабочему давлению или выше.

Расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях:

245

−если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате может повыситься более чем на 10 % от рабочего, то расчетное давление должно быть равно 90 % от давления в аппарате при полном открытии предохранительного устройства;

−если на элемент действует гидростатическое давление от столба жидкости в аппарате, значение которого свыше 5 % от расчетного, то расчетное давление этого элемента соответственно повышается на значение гидростатического давления.

Для элементов аппарата с раздельными пространствами, имеющими разные давления, за расчетное давление принимается каждое из них (без учета других). Допускается производить расчет на разность давлений, если при эксплуатации в любом случае надежно обеспечивается наличие давлений во всех пространствах.

Пробное давление – избыточное давление, на которое аппарат испыты-

вается на прочность и плотность после его изготовления и периодически при эксплуатации.

Гидравлическое испытание сосудов, за исключением литых, должно проводиться пробным давлением, определяемым по формуле

где p − расчетное давление сосуда, МПа;

[σ]20, [σ]t − допускаемые напряжения для материала сосуда или его элементов соответственно при 20 °С и расчетной температуре.

Отношение [σ]20/[σ]t принимается по тому из использованных материалов элементов (обечаек, днищ, фланцев, крепежа, патрубков и др.) сосуда, для которого оно является наименьшим.

Гидравлическое испытание деталей, изготовленных из литья, должно проводиться пробным давлением, определяемым по формуле

Испытание отливок разрешается проводить после сборки и сварки в собранном узле или готовом сосуде пробным давлением, принятым для сосудов, при условии 100 % контроля отливок неразрушающими методами.

Гидравлическое испытание сосудов и деталей, изготовленных из неметаллических материалов с ударной вязкостью более 20 Дж/см2 (2 кгс × м/см), должно проводиться пробным давлением, определяемым по формуле

Гидравлическое испытание сосудов и деталей, изготовленных из неметаллических материалов с ударной вязкостью 20 и менее Дж/см2, должно проводиться пробным давлением, определяемым по формуле

246

Гидравлическое испытание криогенных сосудов при наличии вакуума в изоляционном пространстве должно проводиться пробным давлением, определяемым по формуле

pпр=1,25p−0,1.

Расчетным давлением при гидравлическом или пневматическом испытании аппарата является пробное давление.

Условное (номинальное) давление pу – избыточное рабочее давление при температуре элемента 20 °С (без учета гидростатического давления). Для более высоких температур элементов аппарата условное давление снижается соответственно уменьшению прочности конструкционного материала.

Условные давления применяются при стандартизации аппаратов и их отдельных элементов. Согласно ГОСТ 356−68 применительно к рассматриваемым аппаратам рекомендуется следующий ряд условных давлений, МПа:

0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10; 16; 20.

11.1.2. Расчет на механическую прочность

Расчет на механическую прочность от внутреннего избыточного или наружного давления и внешних нагрузок (силы тяжести, ветровых, сейсмических и др.) производится для всех основных элементов аппарата (обечаек, крышек, днищ, трубных решеток теплообменников, тарелок колонн, фланцевых соединений и их крепежных деталей, перемешивающих устройств, опор и т. д.). Стандартные элементы при применении их в конструируемом аппарате выбираются на ближайшее большее условное давление для рабочей температуры и на прочность, как правило, не рассчитываются.

Допускаемые напряжения для конструкционных материалов из сталей для рабочих условий принимаются:

− для углеродистых сталей при расчетной температуре ≤380 °С и низколегированных сталей при расчетной температуре ≤420 °С равны меньшему из значений:

− для высоколегированной (аустенитной) стали при расчетной температуре ≤525 °С – меньшему из равенств:

или

247

При больших значениях расчетных температур допускаемые напряжения для любой стали принимаются равными наименьшему значению из равенств:

В этих выражениях:

[σ] – допускаемое напряжение; σТ – предел текучести;

σB – предел прочности (временный предел прочности); σ0,2 – условный предел текучести;

σD – предел длительной прочности;

σ1% - предел ползучести;

nT, nB, nD, nп– соответствующие коэффициенты запаса прочности;

η- поправочный множитель.

Кдопускаемым напряжениям для деталей вводится поправочный мно-

житель η:

−для деталей из стальных отливок при индивидуальном контроле неразрушающими методами, равный 0,8;

−для остальных стальных отливок– 0,7;

−для прочих деталей, как правило, 1.

Коэффициенты запаса прочности принимаются по табл. 11.1. Коэффициент запаса устойчивости при расчете элементов аппарата на

устойчивость по нижним критическим напряжениям принимается: для рабочих условий – nу = 2,4; для условий испытания и монтажа – nу = 1,8.

При расчете на прочность и устойчивость сварных элементов аппаратов в расчетные формулы вводятся коэффициенты прочности сварных швов, значения которых в зависимости от конструкции шва и условий сварки принимаются по табл. 11.2.

248

Таблица 11.2. Коэффициенты прочности сварных швов для стальных сосудов и аппаратов по ГОСТ Р 52857.1−2007

Исполнительные или принимаемые при конструировании размеры рассчитываемых элементов, как правило, должны быть больше расчетных на значение конструктивной прибавки, т. е.

s³sR + c. Общее значение конструктивной прибавки

c = c1 + c2 + c3,

249