1.2 Вимоги до конструювання основних елементів хімічних апаратів. Загальні питання міцності
Одним з напрямів зниження металоємності проектованого устаткування: є удосконалення теорії розрахунків деталей і їх з'єднань на міцність. Для розрахунку на міцність основних елементів хімічних апаратів розроблені державні і галузеві стандарти. Норми і методи розрахунку зміцнення отворів рекомендовані ГСТ 26.2045−77, а методи розрахунку на міцність конічних, еліптичних і сферичних переходів ГСТ 26−1207−75. Для розрахунку фланцевих з'єднань розроблений галузевий стандарт ГСТ 26−373−71*.
Норми і методи розрахунку на міцність і стійкість апаратів колонного типу при вітрових навантаженнях і сейсмічних діях визначені галузевим стандартом ГСТ 26−487−72. Норми і методи розрахунку на міцність судин і апаратів з титану встановлені ГСТ 26−01−279− 78. Методи розрахунку на міцність елементів теплообмінних апаратів визначені ГСТ 26−1185 75, а теплообмінників з витими трубами і жорстким сердечником ГСТ 26−113 −75.
Для розрахунку елементів апаратів високого тиску (p>9,81 МПа) розроблений ГСТ 26−1046−74, а для розрахунку на міцність і щільність ущільнень нерухомих металевих судин і апаратів на тиск 9,81−98,1 МПа ГСТ 26−01−87−78. Норми і методи розрахунку на міцність судин і апаратів сталевих емальованих встановлений ГСТ 26−0−949−74.
В справжньому розділі наводяться основні розрахункові дані і формули для визначення товщини стінок тонкостінних судин і багатошарових багато шарових судин високого тиску.
При розрахунках апаратів необхідно знати, як слід приймати ряд розрахункових величин, що входять у формули. Розрахунковий тиск. Тиск, який входитиме у формули для визначення товщини стінки при розрахунку
на міцність і стійкість, називається розрахунковим і, як правило, є робочим тиском. Під робочим тиском треба розуміти максимальний надмірний тиск, що виникає при нормальному перебігу технологічного процесу (без урахування короткочасно допустимого підвищення тиску під час дії запобіжних пристроїв, наприклад запобіжною клапана).
Якщо під час дії запобіжного клапана тиск в апараті підвищуватиметься більш ніж на 10% від робочого, то апарат повинен бути розрахований на тиск, 90% від тиску при повному відкритті клапана. Для апаратів, заповнених рідиною, при визначена розрахункового тиску треба враховувати гідростатичний тиск, але тільки у тому випадку, коли його величина перевищує більш ніж на 5% робочий тиск для литих апаратів, що працюють при тиску, меншому 0,2 Мпа, розрахунковий тиск приймається рівним 0.2 Мпа.
Розрахункова температура. Розрахункова температура стінки апарату залежить від температури середовища і методів обігріву або охолоджування його елементів. Зазвичай її приймають рівній температурі середовища, дотичного із стінкою. За наявності в апараті ізоляції розрахункову температуру приймають рівній температурі поверхні ізоляції, дотичної із стінкою, збільшеною на 20°С При захисті апарату внутрішнім футеруванням розрахункову температуру стінки приймають рівній температурі поверхні футерування, дотичного із стінкою.
Якщо апарат обігрівається гарячими газами з температурою 250°С і більше, а також відкритим полум'ям або відкритими електронагрівачами, розрахункову температуру слід приймати рівній температурі середовища, що знаходиться в контакті із стінкою, збільшеною на 50°С, не менше 250°С. Зменшення значень розрахункових температур проти вказаних (наприклад, за наявності пристроїв, що знижують температуру стінки) допускається па підставі теплових розрахунків.
За розрахункову температуру стінки апаратів і судин високого тиску приймають верхню межу температурного ступеня, в межах якого знаходиться найвища дійсна температура стінки, визначувана таким чином:
а) для судин без внутрішньої теплоізоляції за наявності в них пристроїв, що знижують температуру стінки, дійсну температуру стінки приймають рівній найвищій температурі середовища, дотичного із стінкою;
б) для судин з внутрішньою теплоізоляцією або за наявності в них пристроїв, що знижують температуру стінки, а також для судин і апаратів, що працюють в умовах різких зміні температури (швидке розігрівання, спалахи, вибухи і т. п.), дійсну температуру стінки визначають па підставі теплових розрахунків .
Межі температурних ступенів прийняті відповідно до галузевих норм : I ступінь − від 40 до 200°С; II ступінь − понад 200 до 300°С; III ступінь − понад 300 до 400°С.
Механічна напруга, що допускається. Напруга, при якій забезпечується безпечна робота апарат без перевитрати конструкційного матеріалу, називається механічною напругою, що допускається. Напруга, що допускається:
σдоп=σƞ, (1,6)
де σ − нормативна напруга, що допускається, при розрахунковій температурі стінки, МПа, вибирається залежно від матеріалу деталі, що розраховується . ƞ − поправочний коефіцієнт, що враховує умови експлуатації апарату; ƞ − приймається від 0,85 до 1 при розрахунку апаратів, в яких зберігаються або транспортуються вибухонебезпечні і пожароопасные продукти, а також речовини з високою токсичністю. При розрахунку трубопроводів і апаратів, що встановлюються поза приміщенням, значення коефіцієнта ƞ слід збільшити на 0,05. Для всіх інших апаратів коефіцієнт ƞ =1.
Нормативна напруга, що допускається, визначає таким чином:
1) якщо розрахункова температура стінки не перевищує для вуглецевих сталей 380°С, для низьколегованих сталей 420°С і для аустенітних сталей 525°С, то за нормативну напругу, що допускається, слід приймати менше з двох значенні:
σ=σв/ƞв или σ=σт/ƞт , (1.7)
де σв − мінімальне (найменше) значення межі міцності при розрахунковій температурі; ƞв=2,6 . коефіцієнт запаса міцності по межі міцності; σт− мінімальне значення межі текучості при розрахунковій температурі; ƞт=1,5 . коефіцієнт запасу міцності по межі текучості;
2) якщо розрахункова температура стінки перевищує допустимі величини, то за нормативну напругу, що допускається, слід приймати менше з двох значень:
σ=σт/ƞт или σ=σд/ƞд , (1.8)
де σд − середнє значення межі тривалої міцності за 100 тис. годин при розрахунковій температурі; ƞд=1,5 − коефіцієнт запасу міцності по межі тривалої міцності.
Для сталевих литих елементів значення σ повинні бути зменшені: в 1,25 разу для литих елементів, що піддаються індивідуальному контролю якості, і в 1,4 разу − для решти литих елементів.
Для практичних розрахунків емальованих апаратів напруга, що допускається, забезпечує міцність як металу, так і покриття, можна визначити по формулі:
σдон=σКφt, (1.8)
де σ − нормативна напруга, що допускається, для матеріалу основи при температурі 20ºС . К − коефіцієнт, що враховує зниження напруги, що допускається, в емальованому апараті в порівнянні з неемальованим К=1 для сталі 08сп покритою емалями; 57К, 105Т, 20, 25, 54 і 143/54; К=0,935 для сталі 10Г2С1, покритою емаллю 1513Ц, і К=0,89 для сталі 10Г2С1, покритою емаллю (8/2-72)-К; φt − коефіцієнт, залежний від комбінації матеріалів основи і покриття і від температури .
При розрахунку на міцність фланців (при умовному тиску 0,1−20 Мпа), згідно ГОСТ 12816−80, напруга, що допускається:
для болтів (шпильок) σбдон=σγ/2,8, если σт/σв≥0,7; σбдон=σт/2,3, якщо σт/σв<0,7;для фланцев σфдон≤σв/2,6; σфдон≤σт/1,5.
При розрахунку судин і апаратів напруга, що високого тиску допускається, визначається по (1.6). Нормативна напруга , що допускається, при розрахунку циліндрових обичайок і опуклих днищ приймаємося меншим з двох значень, розрахованих по (1.7).
Поправочний коефіцієнт ƞ, що беруть участь умови експлуатація сосудов і апаратів, приймаємося рівним одиниці для судин, призначених для процесів капролактаму (метод гідрування), синтезу аміаку, метанолу, карбаміду.
Величини коефіцієнтів запасів міцності і текучості для багатошарових циліндрових обичайок із спіральним розташуванням шарів, для опуклих днищ приймаються наступними:nв=2,6 и nт=1,5.
Напруга, що допускається, при розрахунку плоских і слабовыпуклых днищ, фланців, горловини, плоских кришок і кріпильних шпильок визначається по мінімальному значенню межі текучості для днищ, горловини, фланців і плоских кришок nт−1,5; для шпильок nт− 2,0 або 2,25
відповідно за наявності контролю величини зусилля затягування або його відсутності.
Величини коефіцієнтів запасів міцності для одношарових циліндрових обичайок і багатошарових з концентричним розташуванням шару приймають:
а) по границі міцності (залежно від відношення величини робочого тиску до мінімальної межі міцності при розрахунковій).
б) по межі текучості значення nт=1,5.