1 Цель расчета

Целью расчета является закрепление теоретических знаний, расчетно-практических рекомендаций по курсу "Основы расчета и конструирования химического оборудования" и их приложение к конкретному прочностному расчету отдельных конструктивных элементов тонкостенного аппарата, работающего в условиях нагружения низким давлением (до I МПа).

2 Данные для расчета

Данные для расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Данные для расчета

Вещество	Концентрация	D1, мм	D2, мм	d1=d2	d3
KNO3	5%	1000	1200	180	60
d4	L	α ,град	l	P1, МПа	P2, МПа	t1, 0C
32	2000	30	100	1,05	1,2	85

Теплоносителем в рубашке аппарата является насыщенный водяной пар. Срок службы аппарата 10 лет.

Схема аппарат представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема тонкостенного аппарата

3 Расчеты

3.1 Выбор конструкционного материала

Выбор конструкционного материала осуществляем с учётом температур, агрессивности сред и их концентраций. Для вещества KNO₃ при температуре 60°С и концентрации 7 % выбираем высоколегированную коррозионно-стойкую сталь 12Х18Н10Т с характеристиками, сведёнными в таблицу 2.

Таблица 2 – Характеристики стали

Марка стали	Скорость коррозии П, мм/год.
12Х18Н10Т	0,1

3.2 Выбор коэффициентов запаса прочности и устойчивости, а также модуля упругости

Коэффициенты запаса прочности материала выбираем по [2]. Результаты подбора сведены в таблицу 3.

Таблица 3 – Коэффициенты запаса прочности

Условия нагружения	Коэффициенты запаса прочности
	пТ	пВ = пУ	пД	пП
Рабочие условия	1,5	2,4	1,5	1,0
Гидравлические испытания	1.1	-	-	-

где п_Т - коэффициент запаса прочности по пределу текучести;

п_В - коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению;

п_Д - коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности;

п_П - коэффициент запаса прочности по пределу длительной ползучести;

п_У - коэффициент запаса устойчивости.

Модуля продольной упругости выбираем по [2]. Для стали 12Х18Н10Т при температуре 100 °С принимаем Е = 2,15 · 10⁵ МПа.

3.3 Определение коэффициентов прочности сварных швов

Коэффициенты прочности сварных швов выбираем согласно [2]:

1) продольный шов обечайки, стыковой с двухсторонним сплошным проваром: = 1,0;

2) кольцевой шов обечаек, в тавр, с конструкционным зазором свариваемых деталей: = 0,8.

3.4 Определение допускаемых напряжений

Допускаемые напряжения [] для стали 12Х18Н10Т определяем по [2] :

для аустенитных сталей

где  = 1,0 ; P_p1,0 = 263 МПа ;

Принимаем [] = 176 МПа ;

3.5 Расчёт элементов аппарата

3.5.1 Определение прибавок к расчётным толщинам элементов

Д

(1)

ля компенсации коррозии, эрозии и утонения стенки элемента аппарата вводится прибавка к расчётной толщине стенок аппарата. Она определяется по формуле:

где С₁ – прибавка, учитывающая влияние коррозии и эрозии, мм;

С₂ – прибавка для компенсации минусового допуска, мм;

Сз – прибавка, учитывающая утонение стенки аппарата при

(2)

технологических операциях, мм.

где П – скорость коррозии, мм/год;

 - срок службы аппарата, лет.

С₁ =0,1 ·10 = 1 мм. С₂ = 0 и Сз = 0, так как сумма (С₂ +Сз) не превышает 5% толщины листа. Тогда прибавка С = С₁ = 1 мм.

3.5.2 Расчёт корпуса

Расчет будет произведен по [2]. Расчётная длина цилиндрической обечайки корпуса:

(3)

где L - длина рубашки, мм;

l - длина конуса рубашки, мм;

l₃ - длина отбортованной части эллиптического днища, мм;

l^/₃ - длина отбортованной части конического днища, мм.

Расчётная толщина цилиндрической обечайки под действием внутреннего давления [2]:

(4)

,

где р₁ – давление внутри обечайки, МПа;

D₁ – внутренний диаметр обечайки, мм;

[] – допускаемое напряжение материала обечайки, МПа;

_р – коэффициент прочности продольного сварного шва.

Тогда по формуле (4) будем иметь:

Принимаем S= 4мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитываем по (4’) :

(4’)

Расчётная толщина цилиндрической обечайки корпуса под действием наружного давления:

(5)

где К₂ – коэффициент, определяемый по номограмме [2, черт.5] при

Воспользуемся формулой (5):

Исходя из самых неблагоприятных условий работы аппарата, выбираем наибольшую расчётную толщину стенки обечайки корпуса – S_R = 16 мм.

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса в первом приближении

Принимаем большее стандартное ближайшее значение S₁=18 мм.

Произведём проверку устойчивости аппарата.

Допускаемое внутреннее давление:

(6)

Условие устойчивости обечайки:

(7)

Таким образом, условие (7) выполняется.

Допускаемое наружное давление:

И

(8)

з условия прочности

Из условия устойчивости в пределах упругости при lр < l_o,

где lр = 2710,3 мм,

(9)

С учётом обоих условий

(10)

Условие устойчивости обечайки корпуса:

(11)

Таким образом, условие устойчивости выполняется.

3.5.3 Расчёт днища

Используем коническое отбортованное стальное днище с внутренним базовым диаметром D₁ по ГОСТ 12619-78.

Толщина стенки днища:

(12)

Принимаем S₈ = 6 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

(13)

Условие [р₁] > р₁ выполняется (1,51 > 1,05 МПа).

3.5.4 Расчёт крышки

В качестве крышки используем отбортованное эллиптическое днище с внутренним базовым диаметром D₁, изготовленное по ГОСТ 6533-78.

Толщину стенки рассчитываем из условия действия внутреннего избыточного давления Р₁.

(14)

Принимаем S₇ = 4 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

(15)

Условие устойчивости р₁ < [р₁] выполняется (1,05< 1,58 МПа).

3.5.5 Расчёт рубашки

Расчёт толщины стенки рубашки проводим из условия действия внутреннего давления р₂.

(16)

Исходя из конструктивных соображений, принимаем S₂ = 6 мм.

Допускаемое внутреннее давление

(17)

Условие устойчивости р₂< [р₂] выполняется (1,2 < 1,46 МПа).

3.5.6 Расчёт патрубков

Толщины стенок патрубков рассчитываем из условия действия избыточного внутреннего давления.

Толщины стенок рассчитываются по формуле:

(18)

Для патрубков с толщиной стенок S₃ и S₄ – давление р₁, а для патрубков с толщиной стенок S₅ и S₆ – давление р₂.

Выбираем патрубок с толщиной стенки S₃=2 мм, выполненный из трубы 180х2 из стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 9941-81.

S₃= S₄= 2 мм.

Выбираем патрубок с толщиной стенки S₅=2 мм, выполненный из трубы 60х2 из стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 9941-81.

S₆=2 мм.

Выбираем патрубок с толщиной стенки S₆= 2 мм, выполненный из трубы 32х2 из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 9941-81.

3.6 Расчёт напряжений

3.6.1 Соединение днища и корпуса аппарата

Расчетная схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Соединение днища и корпуса аппарата

Система уравнений совместности деформаций

(19)

где - cсоответственно радиальные и угловые деформации края цилиндрической обечайки под действием нагрузок Р, Q₀ и М₀;

- соответственно радиальные и угловые деформации края конической обечайки под действием нагрузок Р, Q₀ и М₀.

Подставляя соответствующие значения деформаций в систему (19), получим:

(20)

г

(21)

де

Подставляя в уравнения (21) известные значения геометрических размеров аппарата и физических свойств материала согласно заданию, получим =0,0138мм¹,_К=0,0118мм^-1, Q=320,4МН/мм; откуда Q₀=-6,98·10^-6 МН/мм;

М₀=14,25 · 10^-6 М Н · мм./мм

Суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки следующие:

Меридиональные

(22)

Кольцевые

(31)

Суммарные напряжения на краю конического днища следующие:

Меридиональные

(32)

Кольцевые

(33)

Максимальные напряжения на краю:

цилиндрической обечайки

конического днища

Условие прочности в месте сопряжения элементов выполняется.

Окончательно принимаем:

толщину стенки цилиндрической обечайки S₁= 18 мм ;

толщину стенки конической обечайки S₈= 6 мм ;

3.7 Проверка необходимости применения колец жёсткости

Для установления необходимости применения колец жёсткости необходимо найти коэффициент и оценить его величину.

Коэффициент [2, с 11]

, (34)

Так както применение колец жёсткости не требуется [2, с 11].

3.9 Проверка необходимости применения укрепления отверстий

Проверка осуществляется по ГОСТ 24755-89 [5].

Проверка отверстий рубашки

Ширина зоны укрепления в обечайках [5, с 12]

,

где - толщина стенки штуцера, мм;

- расчётный диаметр, мм. Определяется по [5, с 3], в нашем случае ,

Тогда

Минимальное расстояние от оси штуцера до края рубашки [1, с 182]

, (9)

где - ширина зоны укрепления, мм;

d – внутренний диаметр штуцера, мм.

Проверку укрепления отверстия будем проводить по штуцеру наибольшего диаметра (так как толщины стенок штуцеров одинаковы) т.е. по .

Тогда (9)

.

Максимальный расчётный диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления [5, с 6]

,

где - исполнительная толщина стенки рубашки, мм;

- расчётная толщина стенки рубашки, мм.

Тогда

Так как то укрепление отверстий рубашки не требуется.

Проверка отверстия эллиптической крышки

Так как Н=600 мм [1, с 117] т.е Н=0.25D то в соответствии с [5, с 3] расчётный диаметр

Расчётная толщина стенки крышки [5, с 5]

Максимальный расчётный диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления [5, с 6]

,

где - исполнительная толщина стенки крышки, мм,

Так как диаметр отверстия под штуцер равный наружному диаметру штуцера т.ебольше чемто необходимо укрепление отверстия. Проверим, достаточно ли будет укрепление отверстия штуцером с принятой толщиной стенки 14 мм.

Найдём расчётные длины штуцеров [5, с 5]

где ,- длина выступающей наружу и соответственно внутрь части штуцера, мм. Принимаем конструктивно 150 и 22 мм соответственно, при общей длине штуцера 190 мм и толщине стенки крышки 18 мм. Более подробно смотреть рисунок 6.1;

- толщина стенки штуцера, мм;

- величина прибавки для стенки крышки и штуцера соответственно, мм.

Рисунок 6.1 – К расчёту штуцеров

Тогда

Отношения допускаемых напряжений [5, с 5]

где ,- допускаемые напряжения материала наружной и внутренней части штуцера при рабочей температуре, МПа. Принимаем равными основному материалу корпуса аппарата так как рабочая температура в аппарате менее, тогда

Коэффициент прочности сварного шва для штуцера [5, с 4]

Расчётная толщина наружной части штуцера [5, с 5]

Расчётная ширина зоны укрепления [5, с 4]

Расчётная диаметр [5, с 6]

Диаметр штуцера рабочий [5, с 4]

И в итоге для проверки надёжности укрепления отверстия в эллиптической крышке штуцером необходимо проверить выполняется ли условие [5, с 7]

Условие выполнено, значит отверстие в эллиптической крышке укреплено штуцером надёжно.

Проверка отверстия конического днища

В качестве проверки надёжности укрепления отверстия конического днища определим допускаемое давление не нарушающее прочность соединения штуцера и конического днища по меньшему диаметру.

Определим коэффициент формы [3, с 32]

По номограмме [3, с 33] для

видно что , тогда

Определяем допускаемое давление [3, с 32]

Видно что допускаемое давление больше рабочего, это говорит о том, что отверстие в коническом днище укреплено штуцером надёжно.

3.9 Проверка толщины стенки корпуса из условия действия осевого

сжимающего усилия и изгибающих моментов

Допускаемое осевое сжимающее усилие рассчитывают по формуле

(43)

где допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности

(44)

Допускаемое осевое сжимающее усилие в пределах упругости из условия устойчивости

(45)

В формуле ( 46 ) допускаемое осевое сжимающее усилие [F]_E1 определяется из условие местной устойчивости в пределах упругости по формуле:

(46)

Так как для данного аппарата (2,1<10) , то формула (46) принимает вид:

(47)

Допускаемый изгибающий момент рассчитывают по формуле

(48)

где допускаемый изгибающий момент из условия прочности

(49)

А допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости по формуле:

(50)

Тогда

Проверка условия прочности и устойчивости при совместном действии осевой сжимающей силы, поперечного усилия, наружного давления и изгибающего момента

Условие прочности записывается следующим образом [3, с 11]

.

Так как в данной расчётной работе имеются данные только лишь о наружном давлении то условие прочности перепишется следующим образом

Условие прочности выполнено.

3.10 Подбор стандартных изделий

Выбор фланцев производим по ОСТ 26 - 424 - 79. Конструкция стандартного приварного встык фланца с выступом для аппарата приведена на рисунке 3.

Рисунок 4 – Фланец корпуса аппарата

Основные геометрические размеры фланцев приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Основные параметры фланцев

D	P	Dф	Dб	D1	D2	h	D3	d	z
мм	Мпа	мм							шт
1000	1,06	1145	1105	1066	1076	65	1064	23	44
180	1,06	335	295	268	260	27	259	23	12
180	1,06	335	295	268	260	27	259	23	12
60	1,2	180	145	122	110	21	109	18	4
32	1,2	135	100	78	66	16	65	18	4

Опоры аппарата выбираем по ОСТ 26-665-79. Для аппарата принимаем количество лап п = 4, следовательно, нагрузка на одну опору составит:

Q=m_{аппарата} / 4=….

Конструкция стандартной опоры для сварных вертикальных аппаратов приведена на рисунке 4.

a K

s₁

a₁

h

h₁ K₁

d_Б f

b

Рисунок 4 – Эскиз опоры

Основные геометрические характеристики опоры аппарата представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Основные геометрические характеристики опор аппарата

Q	h	h1	S1	a	a1	c	c1	b	d	K	K1
кН	мм
63	360	24	12	185	230	60	130	230	35	35	70

Строповые устройства для аппарата выбираем по ГОСТ 13716-73. Для аппарата принимаем количество строповых устройств п = 4, следовательно, нагрузка на одно строповое устройство составит Q= m_{пустого аппарата}/4.

Конструкция стандартного стропового устройства для стальных сварных аппаратов приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Эскиз сварного крюка

Основные геометрические характеристики стропового устройства представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Основные характеристики стропового устройства

L

B

H

h

l

l1

l2

l3

S

S1

K

K1

Q

C

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

MH

мм

135

110

92

42

90

55

23,5

36

16

12

12

3

0,02

3