Задание на проектирование
№ п/п
Наименование исходных данных
Обозначение
Единицы измерения
Величина параметров 1 Внутренний диаметр аппарата
Дв мм 1000 2 Высота обечайки Н мм 2000 3 Давление в аппарате Р МПа 0,8 4 Температуры среды в аппарате t
oC 160 5 Среда
- глицерин 6 Водный раствор - % 20 7 Плотность среды r
кг/м3 1050 8 Вид днища -
коническое, α=450 9 Диаметр выходного штуцера
Д0 мм 50 10 Давление в рубашке аппарата
Рруб МПа 0,2 11 Потребляемая мощность мешалки
Nм кВт 7,6 12 Угловая скорость мешалки
nN об/мин 240 13 Срок эксплуатации t год 20
Рассчитать основныеэлементы корпуса аппарата: обечайка, днище, крышка, мотор-редуктор, фланец,патрубок, перемешивающее устройство, штуцер, технологическое отверстие,рубашка, уплотнение, материал аппарата, опоры аппарата.
/>Введение
Развитиехимической и нефтехимической промышленности требует создания новыхвысокоэффективных, надежных и безопасных в эксплуатации технологическихаппаратов. Применение веществ, обладающих взрывоопасными и вредными свойствами,ведение технологических процессов под большим избыточным давлением и привысокой температуре обусловливает необходимость детальной проработки вопросов,связанных с выбором средств защита для обслуживающего персонала, с прочностью инадежностью узлов и деталей аппаратов. Перед химическим машиностроениемпоставлена задача создания и выпуска высокопроизводительного оборудования.Химическое машиностроение должно внести большой вклад в развитиетопливно-энергетического комплекса нашего государства.
Темой проекта являетсяпроектирование аппарата, нагруженного внутренним и наружным давлением, ипривода для механического перемешивающего устройства аппарата. В ходепроектирования производился расчет основных элементов аппарата в соответствии срис. 1, находящихся под внутренним и наружным давлением с заданной рабочейсредой и температурой.
/>
Рис. 1. Кинематическаясхема привода: 1-электродвигатель (асинхронный); 2-муфта (упругая);3-одноступенчатый косозубый редуктор; 4-аппарат с мешалкой.
К перемешивающемуустройству подбирался привод, для которого выполнялся кинематический,энергетический и силовой расчеты. Определялись основные размеры деталейпередачи из условий прочности и жесткости, а также подбирались подшипники имуфты.
/>1. Основная часть
/>1.1 Расчетоболочек нагруженных внутренним и внешним давлением
Во многих технологическихпроцессах применяют емкостные аппараты с мешалки, которые работают поддавлением в соответствии с рис. 1.1.
/>
Рис. 1.1. Аппарат смешалкой и её приводом: 1-электродвигатель; 2-редуктор; 3-муфта; 4-уплотнение;5-стойка; 6-крышка; 7-фланцы; 8-обечайка; 9-днище; 10-мешалка; 11-рубашка;12-днище рубашки; 13-опоры. Штуцеры: А — вход продукта; Б — люк; В — входтеплоносителя; Г — выход теплоносителя; Д — выход продукта.
Основным элементомаппарата является его цилиндрическая часть — обечайка 8. Вертикальноеисполнение тонкостных цилиндрических аппаратов более выгодно, чемгоризонтальное (в горизонтальных аппаратах появляются дополнительные изгибающиенапряжения от силы тяжести самого аппарата и среды). Вертикальная обечайказакрывается днищем 9 снизу и крышкой сверху. В отличие от днищ, имеющихнеразъемное соединение, крышки 6 являются отъемными частями, аппаратов.Днища и крышки изготавливают из тех же материалов, что я обечайки.Присоединение к аппаратам крышек и соединение отдельных частей аппаратаосуществляется с помощью фланцев 7. Герметичность фланцевых соединенийобеспечивается прокладками. Трубопроводы и контрольно-измерительные приборыприсоединяются к аппаратам с помощью штуцеров, чаще фланцевых, реже резьбовых.Для осмотра аппарата, загрузки сырья и очистки аппарата, а также для сборки иразборки внутренних устройств служат люки Б. При съемных крышкахаппараты могут быть без люков. Аппараты устанавливаются на фундаменте с помощьюлап и опор 13. Перемешивание жидких сред в аппаратах производится либомеханическими, либо пневматическими способами. Механическое перемешиваниеосуществляется мешалками 10. Для приведения во вращение механическогоперемешивающего устройства служит привод, состоящий из электродвигателя 1,редуктора 2 и муфт 3. Устанавливается редуктор на крышкевертикального аппарата с помощью стойки и опоры 5. Вал перемешивающегоустройства вводится в аппарат через уплотнение 4, обеспечивающеегерметичность. Уплотнение вала производится с помощью сальника, либо торцевымуплотнением. Жидкость вводится в аппарат через штуцер А, а выводитсячерез штуцер Д. Обогрев аппарата осуществляется обычно с помощью рубашки11, которую приваривают к корпусу стального аппарата. Диаметр рубашкипринимают на 40-100мм больше диаметра аппарата. Обогревающую жидкость подают врубашку через нижний, штуцер Г, а удаляют через верхний В, чтобырубашка всегда была заполнена теплоагентом. Обогревающий пар подают в рубашкучерез верхний штуцер, а через нижний отводят конденсат.
В соответствии справилами /1/ материалы, применяемые для изготовления аппаратов, должны обладатьхорошей свариваемостью, а также прочностью и пластическими характеристиками,обеспечивающими хорошую работу аппарата в заданных условиях эксплуатации.
Элементы корпусарассчитываются по двум вариантам: от действия внутреннего давления P(в) и наружного давления P(н). />1.1.1 Прибавкик толщине элементов корпуса на коррозию. Выбор материала для обечайки, днища икрышки
Для изготовленияхимических аппаратов обычно используют, стали различных марок. При выборематериалов корпуса, рубашки, штуцеров учитываем их коррозионную стойкость врабочей среде (в глицерин), которую принимаем по /2/ и /3/.
По коррозионной стойкостиподходят 5 сталей: 15ХSМ,Х5М, Х18H10T, Х17Н13М2Т, OX23H28MЗДТ, и алюминий (ГОСТ 4785-65).
Рассчитаем скоростьпроникновения коррозии по формуле (1.1) по /4/:
П=/>(1.1)
где П — скоростьпроникновения коррозии (глубинный показатель), мм/год; /> - показатель убыли массы приравномерной коррозии стали, г/(м2∙ч)(по /4/ принимаем />=0,2г/(м2∙ч);/> -плотность стали (по /5/ принимаем />=7,96 г/см3).
П=/>=0,22мм/год — по формуле(1.1).
Отсюда, из условиякоррозионной стойкости по /2/ выбираем материал обечайки, днища и крышки – стальХ18H10T со скоростью проникновения коррозии
П
Для выбранного материалаприбавку к расчетной толщине стенки элементов корпуса на коррозию определяем поформуле (1.2):
С=П·Та (1.2)
где С — прибавка красчетной толщине стенки элементов корпуса на коррозию, мм; Та — амортизационный срок (Ta=10лет).
С=П·Та=0,1∙10-3·20=2∙10-3м– по формуле (1.2).
Материалы, у которыхС>(2÷3)×10-3м обычно не используют по /2/. Поправка С находится впределах допустимых величин, т. к. С=2,0×10-3м/>1.1.2 Определениерасчетных значений давлений, температур, допускаемых напряжений и модуляупругости применяемых материалов
Расчетное давлениепринимаем равным рабочему давлению. Рабочее давление в аппарате — максимальноеизбыточное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса.
Рабочее внутреннеедавление для элементов корпуса, находящихся ниже свободной поверхности жидкостиопределяем по формуле (1.3):
P(в)=P+Pгидр(1.3)
где P(в) — рабочее внутренне давление, МПа; Р- избыточное внутреннее давление в аппарате над свободной поверхностьюжидкости, P=0,8МПа; Pгидр — гидростатическое давление рабочей жидкости (глицерин), МПа.
Гидростатическое давлениеPгидр вычисляем по формуле (1.4):
Pгидр=10ρж·x (1.4)
где ρж — плотность рабочей жидкости (глицерин:ρж=1050кг/м3); х — расстояние от свободнойповерхности жидкости до нижней точки днища аппарата, мм.
При заполнении на 0,75(75%) высоты обечайки найдём x поформуле (1.5):
x=H∙0,75 (1.5)
где H – высота обечайки, мм.
x=2000·0,75=1500мм=1.5м – по формуле (1.5).
Pгидр=10·1050∙1500∙10-9=0,01575МПа=15,8∙10-3МПа — по формуле (1.4).
Pгидр при определении расчетного давленияучитываем в том случае, когда его величина составляет 5% и более от рабочегодавления по формуле (1.6):
/> или5% (1.6)
/>=1,97% — по формуле (1.6).
Отсюда по формуле (1.3)принимаем: P(в)=P=0,8МПа.
При расчете аппарата срубашкой за расчетное наружное давление P(н) принимаем давление, которое может возникнуть при самыхнеблагоприятных условиях эксплуатации, например, в связи с возможностью сбросавнутреннего давления (опорожнение аппарата). P(н) рассчитаем по формуле (1.7):
P(н)=Pруб+Pг (1.7)
где P(н) — рабочее наружное давление, МПа; Pруб — избыточное внешнее давление врубашке аппарата, МПа; Pг — гидростатическое давление рабочейжидкости (глицерин) в рубашке, МПа.
Pг для рубашки определяется по формуле (1.4), т. е. Pг= Pгидр. При заполнении на 0,75 (75%) высотырубашки xруб=x определяется по формуле (1.5), где xруб — расстояние от свободной поверхности жидкости до нижнейточки днища рубашки, мм. Pг при определении расчетного давленияучитываем в том случае, когда его величина составляет 5% и более от рабочегодавления по формуле (1.8):
/> или 5% (1.8)
/>=7,9%>5% — поформуле (1.8).
Отсюда по формуле (1.7)принимаем: P(н)=Pруб+Рг=(0,6+0,015)МПа= 0,62 МПа.
Следует отметить, чтоформула (1.3) соответствует условиям работы корпуса при отключении подачи теплоносителяв рубашку, т. е. при Рруб=0.
Расчетную температурустенок корпуса принимаем равной температуре среды, соприкасающейся со стенкой,по формуле (1.9):
t=tж(1.9)
где t — расчетная температура стеноккорпуса, °С; tж — температура перешиваемой среды в аппарате (глицерин;tж=160°С).
По формуле (1.9)получаем: t=160°С.
Допускаемое напряжениедля материала определяем по формуле (1.10):
[σ]=η·[σ]*(1.10)
где [σ] — допускаемое напряжение стали,МПа; η — поправочный коэффициент, дляневзрывоопасных смесей η=1;[σ]* — допускаемоенормативное напряжение стали, МПа.
Для стали Х18H10T по табл. 1.1 при t=160°C принимаем: [σ]*=140МПа.
Таблица 1.1
Допускаемые напряжения [σ]* для коррозионностойкойстали Х18H10T принимаем по /5/Сталь
Значение [σ]*МПа при t,°С 100 150 200 250 300 350 400 410 420 Х18H10T 156 148 140 132 123 113 103 102 101
*Прим.: для поковок из стали маркиХ18H10T применяют допускаемые напряжения при температурах до 550°С умножают на 0,95.
Отсюда по формуле (1.10)получим: [σ]=η·[σ]*=1·140∙0,95=133МПа.
Расчетное значение модуляупругости E при t=160°С принимаем по табл. 1.2: Е=197∙103МПа.
Таблица 1.2
Значения модулей упругости Е взависимости от температуры по /5/Сталь
Значение Е/103 МПа (Н/мм2) при t,°С 20 100 150 200 300 400 500 600 700 Углеродистая 199 191 186 181 171 155 - - - Легированная 200 200 199 197 191 181 168 153 136 /> 1.1.3 Расчетэлементов корпуса, нагруженных внутренним давлением
Элементы сосудов согласнонормам /3/ при нагружении внутренним давлением рассчитываем по формулам,основанным на безмоментной теории оболочек и третьей гипотезе прочности по /6/.При этом вводим соответствующие ограничения по конструктивным параметрамаппарата. Одно из основных ограничений находим по формуле (1.11):
/> (1.11)
где S — толщина стенки оболочки, мм; Д — расчетный диаметр, (Д=ДВ=1000мм — внутренний диаметр аппарата).
Для рассматриваемойконструкции корпуса аппарата условие (1.11) выполняется со значительным запасоми позволяет напряженное состояние в оболочках считать плоским по уравнениям(1.12), (1.13), (1.14) и (1.15):
σ1=σt (1.12)
σ2=σm (1.13)
σ3=σp≈0(1.14)
где σ1, σ2, σ3 — напряжения в оболочках корпуса, МПа; σt — тангенциальное напряжение, МПа; σm — меридиональное напряжение, МПа; σp — нормальное (радиальное)напряжение, МПа.
Так как для рассматриваемыхоболочек σt меньше равно σm, то условие прочности при наличии сварных швов имеетвид уравнения (1.15):
σэкв3=σ1-σ3=σt≤φ[σ] (1.15)
где σэкв3 — эквивалентное напряжение, МПа; φ — коэффициент прочности сварногопродольного шва.
Таким образом, используяэто условие прочности и известные зависимости для определения тангенциальныхнапряжений в оболочках различных типов можно для любой из них вычислитьтребуемую толщину.
Расчетные схемы оболочек,составляющих корпус аппарата, при нагружении его газовым и гидростатическимдавлениями, приведены на рис. 1.2.
/>
Рис. 1.2. Расчетные схемыэлементов корпуса, нагруженного внутренним давлением: а — крышка аппарата; б — обечайка аппарата; в — днище аппарата.1.1.3.1 Определение толщины стенки обечайки
Толщину стенкицилиндрической обечайки аппарата в соответствии с рис. 1.3 определяем поформуле (1.16):
S1=/>(1.16)
где S1 — толщина стенки обечайки, мм;
P1 – расчетное давление на обечайку,МПа;
φ — коэффициент прочности сварного продольногошва, стыковой односторонний шов при ручной сварке φ=7.
Формула (1.16)справедлива при соблюдении условия (1.11).
При отношениигидростатического и рабочего давления меньше 5% принимаем по формуле (1.3): Р1=Р=0,8МПа,т. к. Pгидр невелико.
S1=/>=6∙10-3м — поформуле (1.16).
Так как /> - условие (1.11)выполняется.
Принимаем по нормальномуряду: S1=6мм.1.1.3.2 Определение толщины стенки стандартной эллиптической крышки
Толщину стенкиэллиптической крышки аппарата определяем по формуле (1.17):
S2=/>(1.17)
где S2 — толщина стенки эллиптической крышки, мм; P2=Р=0,8МПа – расчетное давление на крышку, МПа; R — радиус кривизны в вершине крышкиили днища, (для стандартных крышек и днищ: R=ДВ=1000мм).
При отношениигидростатического и рабочего давления меньше 5% принимаем по формуле (1.3): Р2=Р=0,8МПа,т. к. Pгидр невелико.
Для стандартных крышек по формулам(1.18) и (1.19) найдем R и hВ:
R=ДВ (1.18)
hВ=0,25∙ДВ (1.19)
где hВ — высота крышки в соответствии с рис. 1.4. и по табл.1.3:
По табл. 1.3 принимаем hВ=250мм. По формуле (1.18): R=500мм.
S2=/>5∙10-3м — поформуле (1.17).
Принимаем по нормальномуряду: S2=5мм
Таблица 1.3
Размеры эллиптически отбортованныхстальных крышек (днищ) для сосудов, аппаратов и котлов (ГОСТ 6533-78) по /7/
ДВ
h1
hВ S A V m мм
м2 л кг 1000 25 250 5 1,21 161,7 46,2 6 55,5 8 74,4 10 93,4 12 1171 14 137,2 40 16 157,6 18 178,0 20 198,7 22 219,5 25 251,1 28 294, 30 319,9 32 342,6 60 34 1,27 177,4 365,6 36 388,8 38 412,2 40 435,0 45 495,0 1.1.3.3 Определение толщины стенки конического днища
Для аппарата диаметром273-3000мм, работающих под давлением, рекомендуется применять коническиеотбортованные днища с углами при вершине 60° (ГОСТ 12619-78). Для аппаратов, подведомственныхГосгортехнадзору, центральный угол при вершине конуса днища должен быть неболее 45°. Днища могут быть изготовлены столщиной стенки от 4 до 30мм.
Толщина стенки коническогоднища (рис. 1.5) определяем вначале по напряжениям изгиба в тороидальномпереходе по формуле (1.20):
S0=/>(1.20)
Где Р3 – давление настенки днища, МПа. Из-за незначительности величины гидростатического давления Р3=Р1=0,8МПа.Y – коэффициент формы днища.
Для конических днищ с α=45°, Y=1.9
Коэффициент прочности кольцевого шва j принимается равным 1,0 при условии,что расстояние между кольцевым швом и началом дуги не меньше
h1=/>(1.21)
Если это расстояние h1 меньше условия 1.21, то для стыкового кольцевого швасвариваемого с одной стороны, j=0,8; для стыкового шва с подваркой со стороны вершины j=0,95
/>5∙10-3м
Проверяем условие:
/>41,8мм , то j=0,8
/>5мм
По таблице 1.4 для 2α=90° определяем S0:
Значение S при различных параметрах Дв, hв, rв, h1.
Таблица 1.4
Дв, мм
hв, мм
rв, мм
h1, мм
S, мм
A, м2
V, м3
Масса, кг 1000 566 160 40 6 1,45 0,214 69,6 50 8 1,49 0,222 93,3 10 120,1
Принимаем So=10мм
Толщина стенки конической части днищаопределяется по формуле:
/> (1.22)
Где Др расчетный диаметрконического отбортованного днища:
/> (1.23)
Где rв=0,15∙Дв=0,15·1=0,15м
/>0,86м
/>0,0063м=6мм
Принимаем по нормальномуряду: S3=6мм. Однако во всех случаях толщина днища должна бытьне меньше толщины обечайки, поэтому окончательно принимаем по стандартномуряду: S1= S3=6мм, S2=5мм, So=10мм
Длина цилиндрической частиотбортованного конического днища:
/>0,99м
Длина конической части нижетороидального перехода:
/>1,18м/>1.1.4 Расчетэлементов корпуса, нагруженных наружным давлением, на устойчивость
В тонких стенкахаппаратов, работающих под наружным давлением, с рубашкой возникают напряжениясжатия, т. е. возможно вдавливание стенки внутрь. Под действием критическогодавления поперечное сечение первоначально круглой формы искажается, становитсяволнообразным, что приводит к потере устойчивости по /9/.
Принцип расчётазаключается в проверке на устойчивость толщин элементов корпуса, полученных изранее полученных расчетных данных по /10/. Конструкция рубашки такова, что поддействием наружного давления Рруб находятся обечайка, днище икрышка.
Эти элементы аппарата и рассчитываемна устойчивость по /11/. Расчетные схемы оболочек, составляющих корпусаппарата, при нагружении его наружным давлением, приведены на рис. 1.6.
Расчетное наружноедавление для элементов корпуса P(н) определяем по формуле (1.7).
1.1.4.1 Расчет обечайки
Исполнительная толщинацилиндрической обечайки должна удовлетворять условию устойчивости (1.21):
/> (1.21)
где σС — напряжение от сжимаемой осевой нагрузки, которое определяется по формуле(1.22), МПа; [σС] — допускаемое напряжение сжатия, которое определяетсяпо формуле (1.23), МПа; /> - расчетное наружное давление на обечайку,/>=Рруб=0,8МПапо формуле (1.7); [P] — допускаемоебоковое давление обечайки, которое определяется по формуле (1.25), МПа.
σС=/>(1.22)
σС=/>=12,5МПа – поформуле (1.22).
Допускаемое напряжениесжатия определяется по формуле:
[σC]=/>(1.23)
где KС — коэффициент, который рассчитывается по формуле(1.24):
КС/>(1.24)
где /> - параметр, зависящийот /> потабл. 1.4:
Значения /> для различных ДВ
Таблица 1.5
/> 25 50 75 100 125 150 200 250 500
/> 0,024 0,048 0,072 0,1 0,12 0,14 0,15 0,14 0,12
/> зависит от />=125, отсюда />=0,12 по табл.1.4.
Для стали Х18H10T коэффициент продольной деформации (модуль упругости) при t=160°С:E=197∙103 МПа в соответствии с табл. 1.2.
КС/>=0,112 — поформуле (1.24).
[σC]= />=88,26МПа — по формуле(1.23).
Допускаемое боковоедавление для цилиндрических обечаек корпусов вертикальных аппаратов, работающихв области упругих деформаций, рассчитаем по формуле (1.25):
[P]=/>(1.25)
где l1 — расчетная длина обечайки (рис1.7), определяемая поформуле (1.27) при соблюдении условий: S2-S1≤2мм и S3-S1≤2мм, мм.
При этом должновыполняться условие (1.26):
/> (1.26)
l1=h+h1+h2 (1.27)
где h — высота, определяемая по формуле (1.28), мм; h1 — высота борта (по табл. 1.3: h1=25мм); h2 — высота, определяема по формуле(1.29), мм.
h=H-100 (1.28)
h2=/>(1.29)
HЭЛ — высота, которая находится поформуле (1.30), мм:
Hэл=/>=/>(1.30)
Hэл=125мм — по формуле (1.30) ипо табл. 1.3.
h2=/>=41,67мм≈42мм — поформуле (1.29).
h=2000-100=1900мм — по формуле(1.28).
l1=1900+25+42=1967мм — по формуле (1.27).
Проверяем условие (1.26):
/>
1,97>0,20 – условие (1.26)выполняется.
[P]=/>=0,066МПа – по формуле (1.25).
Проверяем условиеустойчивости обечайки по формуле (1.21):
/>
12,26>1 – условиеустойчивости (1.21) не выполняется.
Рассчитаем /> по формуле (1.31):
/> (1.31)
где /> - расчетная наружнаятолщина обечайки, мм.
/>=12,79мм — по формуле (1.31).
Принимаем по стандартномуряду с запасом: />=14мм. 1.1.5 Исполнительнаятолщина стандартной эллиптической крышки, работающей в области упругихдеформаций
Исполнительная толщинакрышки должна удовлетворять условию устойчивости (1.32):
/> (1.32)
где /> — расчетная наружнаятолщина крышки, которая вычисляется по формуле (1.33), мм:
/> (1.33)
где КЭ — параметр, зависящий от зависящий от /> по табл. 1.6; R=Дв=1000мм, /> - расчетное наружноедавление на крышку, />=Рруб=0,8МПа по формуле(1.7).
Значения КЭдля различных R
Таблица 1.6
/> 50 100 150 200 250 300 350 400
КЭ 0,90 0,92 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,98
КЭ зависит от />=333,33≈350,отсюда КЭ=0,98 по табл. 1.6.
/>=8,58мм — по формуле (1.33).
151,98>140,71 — условие (1.32) выполняется.
Принимаем по стандартномуряду: />=10мм.
1.1.6 Исполнительнаятолщина стандартного конического днища, работающего в области упругихдеформаций
Исполнительную толщину коническогоднища проверяют на устойчивость при действии наружного давления, согласно рис.1.6 (1.34):
/> (1.34)
где /> - расчетное наружноедавление на днище, />=Рруб=0,62МПа поформуле (1.7), [p] определяется поформуле (1.25), в которой l1заменяют на />, Дв на />, /> на />(Д0– диаметр отверстия в днище (Д0=50мм),
/>, Кэ=0,96 (1.35)
/>
Расчетная длинаконического днища />
Диаметр конического днища/>
Допускаемое наружноедавление
/>15,54МПа
Принимаем по нормальномуряду: />=6мм.0,62/>=14мм. />=6мм.
1.2 Подборфланцев, прокладок и расчет фланцевых болтов
Фланцы являются деталями массового изготовления. С помощьюфланцев осуществляются разъемные соединения аппаратов и трубопроводов. Фланцы,подобранные по ГОСТу или нормали, в расчете не нуждаются, их размеры таковы,что обеспечивается прочность и плотность соединения. Фланцы аппаратов свзрывоопасными, ядовитыми и пожароопасными веществами рассчитываем на давление1÷1,6МПа по /10/, даже если давление в аппарате меньше.
Подбираем приварные фланцы для крепления крышки к обечайкеаппарата по следующим данным: давление в аппарате P=0,8МПа; температура стенок t=160°С; внутренний диаметр аппарата ДВ=1000мм;толщина стенок обечайки S1(H)=14мм, толщина стенок днища S3(H)=14мм, атолщина стенок крышки: S2(H)=6мм. В аппарате находится не токсичная, не обладающаявзыво-, пожароопасностью среда – глицерин.
По ОСТ 26-427-70 подбираем размеры приварных фланцев с уплотнительнойповерхностью выступ-впадина, которые имеют утолщенную шейку, придающую фланцамбольшую жесткость по /13/ в соответствии с рис. 1.8. Этот вид фланцев обычноприменяют при более высоких давлениях и температурах. С увеличением температурымеханическая прочность стали понижается и допускаемые рабочие давления ваппаратах оказываются ниже условных. Для аппаратов с высокой температуройсредой выбираем фланцы, рассчитанные на большее условное давление по /14/.Болты для соединения фланцев применяют при давлении в аппарате до 1,6МПа, т. к.при более высоких давлениях у головки болта возникают местные напряжения,поэтому в таких случаях используют шпильки.
Для фланцев выбираем по ОСТ 26-426-79 материал — Х18Н10Т, дляшпилек — сталь 4Х12Н8Г8МФБ, для гаек — Х18Н10Т. Наибольшее расчетное давление Рр=1,6МПав аппарате (типа А) при выбранных материалах и температуре до 200°С приусловном давлении Py=1,6МПа, по рис. 1.9. и по /13/. Выбираем размеры фланцев по табл. 1.7 при Py=1,6МПа: ДВ=1000мм; ДН=1145мм;Д1=1105мм; Д3=1064мм; Дn=1024мм; Дm=1050мм; b1=55мм; h1=95мм; d0=23мм; количество шпилек М20 — 44.
Таблица 1.7
Размеры в мм приварных встык фланцев с уплотнительнойповерхностью выступ-впадина по /13/
ДВ
ДН
Д1
Д3 Дn Дm
b1
h1
d0 Болты, шпильки
Ру,
МПа диаметр резьбы кол-во 1000 1145 1105 1064 1020 1044 50 85 23 М20 44 1,0 1024 1050 55 95 1,6 1175 1125 1078 1036 1066 60 105 27 М24 52 2,5
Прокладки обеспечивают герметичность фланцевого соединения. Картонприменяют при низких температурах и давлениях для воды и других нейтральныхсред; паронит — для горячей воды, пара и многих химических веществ; резину — для кислых сред; металлические прокладки — для высоких давлений.
Выбираем материал прокладки — асбестоалюмминиевую гофрированнуюпо табл. 1.8 и рис. 1.10.
Таблица 1.8
Пределы применения прокладочных материалов по /15/Прокладочный материал Наибольшая температура среды, °С Наибольшее давление в аппарате, МПа Картон асбестовый 500 0,6 Асбестовый шнур прографиченный 300 0,3 Резина 65 1,0 Паронит 490 6,4 Медь 250 5,0 Алюминий 150 2,5 Сталь углеродистая (0, 10, 15) 450 Любое Сталь Х18Н9Т 600 Любое Асбестоалюмминиевые гофрированные 500 4,0 Асбестостальные гофрированные 500 4,0
По табл. 1.9. выбираем размерыпрокладок при Py=1,6МПа:
ДВ=1000мм; Д1=1065мм; Д2=1037мм;mп=0,244кг — масса прокладки, а≈3,6
Таблица1.9.
Размеры в (мм) прокладки изасбометалических материалов (OCT26-431-79) по /15/
ДВ
Д1
Д2
Ру, МПа
Масса, кг сталь алюминий латунь 1000 1065 1037
1,0 0,324 0,244 0,402 1,6 1079 1051
2,5 0,32 0,248 0,410
Проверяем прочность шпилек М20 (44 штуки) изстали 4Х12Н8Г8МФБ.
Податливость шпильки
Где lш– расчетная длина шпильки
lш=В1+В2+6=55+60+6=120мм=0,12м
Еш=215∙103Мпа
Площадь поперечного сечения шпильки
Аш=πd12/4=3.14*20,52/4=329,90мм2
Податливость прокладки, приходящейся на однушпильку
Размеры металлических прокладок дляаппаратов в зависимости от Pу и типа уплотнительной поверхностифланцев – для фланцев с поверхностью выступ-впадина по рис. 2.4.
Фланец типа А приваривается к крышке в соответствии с рис.2.1.
Проверяем прочность шпилек М20 (24шт)из стали 4Х12Н8Г8МФБ. Шпильки к выбранным фланцам проверяем на прочность подопускаемым нагрузкам по условию (2.1):
F≤[F] (2.1)
гдеF — суммарная сила, действующая нашпильку, которая находится по формуле (2.3), кН; [F] — допускаемая нагрузка для шпилек, которая находится потабл. 2.5, при расчетной температуре tп, котораяопределяется по формуле (2.2), кН:
tп=0,95∙tж (2.2)
tп — расчетная температура для шпилек, °С; tж=80°С.
tп=0,95∙80=76°С — по формуле (2.2).
F=Q[KСТ(1-χ) +χ](2.3)
где Q — сила, действующая на одну шпильку, которая определяется по фор/>муле(2.4), кН; KСТ — коэффициент затяжки запаса против раскрытиястыка (по /9/ KСТ=1,4); χ — безразмерныйкоэффициент основной нагрузки, который рассчитывается по формуле (2.6).
/> (2.4)
ДСП — средний диаметр прокладки, который находитсяпо формуле (2.5), мм; P — давление в аппарате (Р=1,25МПа).
/> (2.5)
ДСП=/>=550,5мм — по формуле(2.5) и табл. 2.3.
Q=/>=12,4кН — по формуле (2.4).
χ=/>(2.6)
где λп-податливость части прокладки,приходящейся на одну шпильку, МПа, которая находится по формуле (2.7);
λш-податливость шпильки, МПа, котораярассчитывается по формуле (2.9).
/> (2.7)
где lп — толщинапрокладки, мм (lп=а=2мм) по рис. 2.3; Еп — модуль упругости для прокладки из паронита, который находим по табл. 2.4, МПа;Ап — площадь поперечного сечения прокладки, приходящаяся на однушпильку, которая находится по формуле (2.8), мм2.
Таблица 2.4
Модули упругости некоторых материаловпо /15/
Материалы прокладок и крепёжных деталей
Модуль упругости, Е, МПа
Паронит или спрессованный асбест
3∙103
Сталь 4Х12Н8Г8МФБ
215∙103
Еп=3∙103МПа- по табл. 2.4.
/> (2.8)
где z — число шпилек (z=24шт).
Ап=/>=900,75мм2 — по формуле (2.8).
λп=/>=7,4∙10-4МПа — поформуле (2.7).
Податливостьшпильки рассчитываем по формуле (2.9):
/> (2.9)
где lш — расчетная длина шпильки, которая определяется по формуле (2.10), мм; Еш — модуль упругости стали для шпильки, который находим по табл. 2.4, МПа; Аш — площадь поперечного сечения шпильки, которая находится по формуле (2.12), мм2.
/> (2.10)
где B2 — размер, который определяется по формуле (2.11):
/> (2.11)
B2=35+5=40мм — по формуле (2.11).
lш=35+40+6=81мм — по формуле (2.10)
Еш=215∙103МПа — по табл. 2.4.
/> (2.12)
где d1 — внутренний диаметр резьбы, мм (по /15/ находим, чтоd1=20мм)
Аш=/>=314,16мм2 — по формуле (2.12).
λш=/>=1,2∙10-3МПа — поформуле (2.9).
χ=/>=0,38 — формуле (2.6) .
F=12,4[1,4(1-0,38)+0,38]=15,48кН.
[F]=24кН — возьмем по табл. 2.5 сзапасом при температуре 200°С для шпильки М20.
15,48≤24 — условие (2.1) выполняется.
/>Таблица 2.5
Допускаемые нагрузки F (кН) для шпилек в зависимости оттемпературы при неконтролируемой затяжке по /15/
/>Материал шпильки
/>Резьба
/>Температура, °С.
/>20
/>200
/>400
/>500
/>Сталь
/>4Х12Н8Г8МФБ
/>М20
/>26
/>24
/>22
/>21
/>М22
/>38
/>35
/>32
/>30
/>М24
/>47
/>43
/>39
/>38
/>М27
/>62
/>57
/>52
/>50
/>М30
/>73
/>68
/>63
/>60
Условие прочности для выбранныхшпилек выполняется со значительным запасом.