4. Механический расчет

1. Расчет корпуса аппарата:

Корпус изготовлен из стали типа Ст-3; коэффициент прочности сварных швов - ;

допускаемое напряжение для марки стали Ст-3 - [] =142,7 МПа; труба, служащая для изготовления корпуса бесшовная горячекатаная по ГОСТ 8732-58.

1. Определение толщины стенки корпуса:

где P = 0,8 МПа – расчетное давление;

[] = 134,3 МПа – допускаемое напряжение для марки стали Ст-3;

_р = 0,9 – расчетный коэффициент прочности сварных швов;

С = 4 мм – прибавка к расчетной толщине стенки;

 = 1 – коэффициент, учитывающий класс аппарата;

2. Напряжение при гидравлическом испытании аппарата:

следовательно принимаем S_ф = 6мм. тогда,

3. Максимально допустимое избыточное давление среды в аппарате:

;

2. Проверка на прочность латунных трубок:

Трубки изготовлены из латуни Л68 ГОСТ 494-52; d_нар=16мм; толщина s = 1мм;

допускаемое напряжение _доп = 4,5 кг/мм²; на минусовой технологический допуск и коррозию добавить величину С = 0,5мм.

1. Определение необходимой толщины стенки трубок:

3. Расчет термических напряжений и относительных удлинений материалов трубок и корпуса:

Т.е. корпус аппарата термических напряжений не выдержит, поэтому необходим защита от относительных удлинений в виде температурной компенсации. Для этого установим линзовые компенсаторы.

4. Расчет трубных решеток:

Рассчитаем на прочность трубные доски, имеющие жесткую конструкцию, одинаковые по форме, закреплению и размерам.

где:

D = 309мм – диаметр трубной доски, на которой распространяется давление;

К = 0,162 – коэффициент;

P = 15кг/см² – перепад давлений по сторонам трубной доски;

n = 151 – число труб в трубной доске;

_доп = 14кг/см² – допустимое напряжение для стали Ст3 при t = 20-200^о С

С = 2мм – величина, принимаемая на коррозию (принимаем по 1мм на каждую сторону);

 - коэффициент ослабления решетки отверстиями.

 = ; где b – расстояние между осями труб.

1. Проверка на надежность развальцовки труб в стальной трубной доске:

По конструктивным соображениям принимаем толщину трубной доски равной толщине приварного фланца по ГОСТ 1255-54, так как они выполняются вместе.

Определим, выполнено ли условие надежности вальцовочного соединения по сечению мостика между отверстиями. Площадь мостика должна быть ≥ минимально допустимой.

f_min = 4,8d_н = 4,8^.16 = 77мм²

f = S^.5 = 24,2^.5 = 121мм²

f_min ≤ f => условие надежности выполнено.

2. Проверка прочности конического перехода:

;

Переход имеет продольный сварной шов, выполненный сваркой под флюсом с одной стороны, поэтому .

Из конструктивных и технологических соображений принимаем S₁ = 8мм

5. Расчет фланцевых соединений.

   1. Выбор типа фланца:

Выбираем тип фланца плоский приварной;

Толщина стенки S = 8мм;

Диаметр фланца D = D_вн = 325мм;

Толщина цилиндрической части фланца S₁ = S + C = 8 + 8 = 16мм;

Толщина тарелки фланца:

;

2. Выбор и расчет шпилек:

Выбираем шпильки, изготовленные из стали марки 20К. Рабочая температура шпильки – t_ш = 155^о С; допускаемое напряжение при рабочей температуре σ_доп = 102,7 МПа.

Расчетное давление в аппарате – сумма избыточных давлений теплоносителей:

Номинальный диаметр шпилек: d_ош = 23мм; соответственно рекомендуемый тип шпилек М20 (d_о = 0,023м; l = 0,035м)

Значение шага шпилек l_ш выбирается, исходя из условия, что при величине расчетного давления (P < 2,5МПа), величина шага находится в пределах: 2,1d_о ≤ l_ш ≤ 5 d_о; следовательно:

l_ш = 5^.0,023 = 0,115м.

Расчетное количество шпилек:

; где:

D_б – диаметр болтовой окружности шпильки;

D_б = D_нп + d_о + 0,01 = 0,381 + 0,023 + 0,01 = 0,414м = 414мм;

D_нп – наружный диаметр прокладки;

D_нп = D + 2S + 2b_о + 2u = 325 + 2^.6 + 2^.12 + 2^.8 = 381мм;

u – расстояние от внутренней кромки фланца до внутренней кромки прокладки;

u = 2^.δ = 2^.4 = 8мм;

δ = 4мм – толщина прокладки;

S = 6мм – толщина стенки корпуса;

b_о = 12мм – ширина прокладки.

Конструктивно задано 12 шпилек, следовательно количество шпилек Z_p = 12 шт удовлетворяет расчетным условиям.

3. Проверка выполнения условия прочности для шпилек:

Минимальное усилие R на прокладку, необходимое для сохранения ее плотности при рабочих условиях:

; где:

D_рп = D_нп - b_о = 0,365 - 0,012 = 0,353мм – расчетный диаметр прокладки;

b = - эффективная ширина прокладки;

q = mxP = 1,50 ^. 1,375 ^. 2,2 = 4,54МПа – удельное давление на прокладку в рабочих условиях; (коэффициенты m и x выбираются по таблице).

Растягивающее усилие в шпильках от рабочего давления:

Расчетное усилие, воспринимаемое шпильками в рабочих условиях:

F_p = R + Q = 0,191 + 0,215 = 0,406МН

Напряжение в шпильках в рабочих условиях:

; где:

;

Следовательно рассчитанное количество шпилек удовлетворяет прочностным условиям.

4. Расчет изгибающего момента от усилий, действующих в рабочем состоянии: По таблицам определяем параметры фланцев (в зависимости от размера шпилек):

d_о = 23мм; е = 35мм; а = 10мм; 2а₁ = 6мм.

Наружный диаметр фланца:

D_нф1 = D_б + е + 2а₁ = 414 + 35 + 6 = 455мм. D_нф2 = D_б + е + 2а₁ = 350 + 35 + 6 = 390мм.

Рассчитаем плечи моментов сил, действующих на фланцы.

_• усилие от давления в корпусе:

_• усилие на прокладку:

_• усилие внутренний участок тарелки фланца:

Изгибающий момент от усилий:

=

Редуцированный диаметр отверстия под шпильки:

d_or = 0,5 ^. d_o = 0,5 ^. 0,023 = 0,0115м = 11,5мм

Момент сопротивления фланца:

Напряжение в теле фланца: