Оглавление
1. Расчет на прочность эллиптической крышки аппарата 2. Расчет на прочность сферического днища аппарата 3. Расчет на прочность цилиндрической обечаек реактора 4. Расчет на прочность конической обечайки реактора и нетороидального перехода цилиндрической обечайки реактора (большего диаметра) в коническую 5. Расчет массы аппарата и подбор опор
Используемая литература
Передрасчетом определимся с выбором конструкционного материала в зависимости отнеобходимой химической стойкости. По табл.III.19. «Нержавеющие стали, сортамент, свойства и областиприменения» [1] выбираем листовую сталь марки 03Х18Н11. Сварные соединения изэтой стали, обладают высокой стойкостью против МКК в средах окислительногохарактера, не подвержены ножевой коррозии. Используется для сварногооборудования емкостного, теплообменного и трубопроводов. Применяется от -253до +610 °С.
Разрушающеедействие среды на материал учитываем введением прибавки С к номинальной толщинедетали:
С=П∙τа,
где τа– амортизационный срок службы аппарата (принимаем τа =20 лет);
П –коррозионная проницаемость, мм/год. По табл.III.21. «Коррозионная стойкость аустенитных иаустенитно-ферритных нержавеющих сталей» [1] принимаем П=0,025 мм/год.
С=П∙τа=0,025∙20=0,5мм
1. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙКРЫШКИ
АППАРАТА
Расчеттолщины стенки эллиптической крышки, нагруженного избыточным внутреннимдавлением.
Толщинустенки крышки рассчитываем по формулам (52)-(54) [2]:
/>,
где />, R=D с Н=0,25D.
/>0,0146 м.
s1= 14,6+0,5 = 15,1 мм
Принимаемтолщину крышки s1 = 16 мм.
Допускаемоевнутреннее избыточное давление рассчитаем по формуле (54) [2]:
/>1,5564 МПа
Проведемпроверку на необходимость укрепления отверстия для штуцера.
Согласноформуле (26) [3]
/>0,1303 м
где Dp=2D=2∙2=4 м при х=0 согласно (5) [3].
Толщинустенки крышки, при которой не требуется укрепление отверстия, определим подбором:
/>0,5498 м.
Исполнительнаятолщина крышки аппарата принимается s1=25 мм.
Допускаемоевнутреннее избыточное давление:
/>2,4546 МПа
СогласноГОСТ 6533-78 по таблице 7.2 [7] принимаем h1=60 мм.
Проведемпроверочный расчет по п. 3.3.1.4. [2]:
0,8/>=0,8∙/>177,09>h1.
Согласноусловиям п. 3.3.1.4. [2] принимаем толщину стенки 25 мм.
Расчеттолщины стенки эллиптического днища, нагруженного избыточным наружным давлением.
Наружноеизбыточное давление принимаем равным атмосферному р=0,101 МПа, при абсолютномдавлении внутри аппарата 0 МПа.
Толщинустенки днища рассчитываем по формулам (56)-(58) [2]
/>;
/>,
где Кэ=0,9 дляпредварительного расчета [2].
/>{0,0040;0,0009}=4,0 мм.
Дальнейший расчетпроводим из условия толщины стенки s1=25 мм.
Определимдопускаемое наружное давление по формуле (58) [2]:
/>
где допускаемое давление[p]п из условия прочности:
/>2,73 МПа,
допускаемое давление [p]Е из условия устойчивостив пределах упругости:
/>3,73 МПа,
где Кэ=/>0,91,
/>0,18.
Допускаемое наружноедавление:
/>1,78 МПа
Проверяем условие />:
/> — условие соблюдается.
Принимаем эллиптическоеднище с отбортовкой h1=60 мм толщиной стенки s1=25 мм по ГОСТ 6533-78.
2. РАСЧЁТ НА ПРОЧНОСТЬ СФЕРИЧЕСКОГОДНИЩА
КОРПУСА
Толщину стенкисферического днища корпуса, нагруженного внутренним избыточным давлением,рассчитываем по формуле:
/>,
Расчетная толщина стенки днища
/>0,0060 м
где R=0,5D с Н=0,25D;Р=р+ ρgh=1,47∙106+1000∙4,1∙9,81=1,51МПа; р – давление внутри аппарата – 1,47 МПа, ρ=1000 кг/м3 – плотность воды пригидроиспытании аппарата, h=L1+L2+Lк+0,5D0=1200+1800+300+0,5∙1600=4100мм.
Толщина стенки с надбавкой:
s1р = 6+0,5=6,5 мм;
Таким образом, по [4]принимаем толщину стенки />8 мм
Допускаемое внутреннее избыточноедавление рассчитываем по формуле:
/>
/>1,881 МПа
Проверяем условие />:
/> — условие соблюдается.
В результатепроизведённых расчётов и полученной толщины сферического днища корпуса аппаратапод внутренним давлением принимаем толщину сферического днища 8 мм.
СогласноГОСТ 6533-78 по таблице 7.2 [7] принимаем длину отбортованной части днища h1=40 мм.
Проведемпроверочный расчет по п. 3.3.1.4. [2]:
0,3/>=0,3∙/>32,86
Согласноусловиям п. 3.3.1.4. [2] принимаем толщину стенки равной толщине обечайки,рассчитанной в п. 3.2 – 12 мм.
Расчеттолщины стенки полусферического днища, нагруженного избыточным наружным давлением.
Наружноеизбыточное давление принимаем равным атмосферному р=0,101 МПа, при абсолютномдавлении внутри аппарата 0 МПа.
Толщинустенки днища рассчитываем по формулам (56)-(58) [2]
/>;
/>,
где Кэ=1,0 дляпредварительного расчета [2].
/>{0,0018;0,0004}=1,8 мм.
Дальнейший расчетпроводим из условия толщины стенки s1=12 мм.
Определимдопускаемое наружное давление по формуле (58) [2]:
/>
где допускаемое давление[p]п из условия прочности:
/>3,20 МПа,
допускаемое давление [p]Е из условия устойчивостив пределах упругости:
/>4,25 МПа,
где Кэ=1[черт. 13; 2],
Допускаемое наружноедавление:
/>2,04 МПа
Проверяем условие />:
/> — условие соблюдается.
Принимаем полусферическоеднище с отбортовкой h1=40 мм толщиной стенки s1=12 мм по ГОСТ 6533-78.
Проведемпроверку на необходимость укрепления отверстия для штуцера.
Согласноформуле (26) [3]
/>0,3029 м
где Dp=2R=D=1,6 м (7) [3].
Исполнительнаятолщина днища аппарата принимается s1=12 мм.
3. РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ОБЕЧАЕКРЕАКТОРА
3.1.Расчет цилиндрической обечайки диаметром 2000 мм
Толщину стенки рассчитываем по формулам 8 и 9 [2]:
s ³ sР+с
где />
где sР –расчетная толщина стенки, мм;
p – внутреннее избыточное давление (внашем случае оно равно давлению внутри аппарата p =15 кг/см2 = 1,47 МПа);
D – диаметр обечайки (D =2 м);
[s] – допускаемое напряжение прирасчетной температуре, МПа;
φр –расчетный коэффициент прочности сварного шва.
Принимаем видсварного шва – стыковой с двусторонним сплошным проваром, выполняемыйавтоматической и полуавтоматической сваркой. По табл.20 приложения 5 [2] найдемзначение коэффициента прочности φр =1,0.
/>0,0132 м
s = 13,2+0,5 =13,7мм
Принимаемтолщину стенки s = 16 мм (см. п. 2).
Допускаемоеизбыточное внутреннее давление будет равным (формула 10 [2]):
/>1,72 МПа.
Определимдопускаемое наружное давление по формуле 13 [2]:
/>
гдедопускаемое давление из условий прочности определяем по формуле 14 [2]:
/>1,72 МПа
Допускаемоедавление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле 15[2]:
/>
где />, расчетная длина обечайки l=L1+l3эл+l3кон+L2+l3сф, />; />0,14м; />; l=2,0+0,167+0,14+1,8+0,267=4,374м
/>4,91
значит,выбираем B1 = 1.
/>0,398 МПа
/>0,388 МПа
Принимаемтолщину стенки корпуса s=16мм.
Расчётцилиндрической части корпуса нагруженной осевыми усилиями.
Толщинастенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствоватьусловию:
/>
где />0,0066 м
Осевоерастягивающее усилие:
/>4,62 МН.
Допускаемоеосевое растягивающее усилие:
/>
=10,82 МН ≥4,62 МН.
Условия s≥sp+c и [F]≥F выполняются.
Осевоесжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:
/>
Допускаемоеосевое сжимающее усилие:
— из условияпрочности (22) [2]
/>3,14∙(2+0,016-0,0005)∙(0,016-0,0005)∙112=10,99МН
— в пределахупругости из условия устойчивости (23) [2]
[F]Е =min{[F]E1;[F]E2}
но приусловии l/D=4,374/2,0=2,187
тогда [F]E1 находим по формуле (24) [2]
/>
/>51,91 МН
с учетомобоих условий по формуле (21) [2]:
/>=/>10,75МН
Осевоесжимающее усилие – это усилие прижатия днища к обечайке атмосферным давлением,которое может быть рассчитано (Приложение 3 «Пример расчета аппарата»[5]):
F=0,25∙π∙(D+2s)2∙p=0,25∙3,14∙(2,0+2∙0,016)2∙0,101=0,33 МН
Так какобечайка корпуса при атмосферном давлении и отсутствия давления внутри аппаратаработает под совместным действием наружного давления 0,1 МПа и осевогосжимающего усилия F, должновыполняться условие устойчивости:
/>
Проверяемусловие устойчивости:
/>0,29≤1
Устойчивостьобечайки корпуса с толщиной стенки 16 мм выполняется.
Принимаемтолщину стенки обечайки s=16мм.
3.2.Расчет цилиндрической обечайки диаметром 1600 мм
Толщину стенки рассчитываем по формулам 8 и 9 [2]:
s ³ sР+с
где />
где sР –расчетная толщина стенки, мм;
p – внутреннее избыточное давление (внашем случае оно равно давлению внутри аппарата p =15 кг/см2 = 1,47 МПа);
D – диаметр обечайки (D =1,6 м);
[s] – допускаемое напряжение прирасчетной температуре, МПа;
φр –расчетный коэффициент прочности сварного шва.
Принимаем видсварного шва – стыковой с двусторонним сплошным проваром, выполняемыйавтоматической и полуавтоматической сваркой. По табл.20 приложения 5 [2] найдемзначение коэффициента прочности φр =1,0.
/>0,0106 м
s = 10,6+0,5=11,1мм
Принимаемтолщину стенки s = 12 мм.
Допускаемое избыточное внутреннее давление будет равным (формула10 [2]):
/>1,60 МПа.
Определимдопускаемое наружное давление по формуле 13 [2]:
/>
гдедопускаемое давление из условий прочности определяем по формуле 14 [2]:
/>1,60 МПа
Допускаемоедавление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле 15[2]:
/>
где />, расчетная длина обечайки l=L1+l3эл+l3кон+L2+l3сф, />; />0,14м; />; l=2,0+0,167+0,14+1,8+0,267=4,374м
/>4,08
значит,выбираем B1 = 1.
/>0,264 МПа
/> 0,260 МПа
Принимаемтолщину стенки корпуса s=12мм.
Расчётцилиндрической части корпуса нагруженной осевыми усилиями.
Толщинастенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствоватьусловию:
/>
где />0,0057 м
Осевоерастягивающее усилие:
/>3,22 МН.
Допускаемоеосевое растягивающее усилие:
/>
=7,65 МН ≥3,22 МН.
Условия s≥sp+c и [F]≥F выполняются.
Осевоесжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:
/>
Допускаемоеосевое сжимающее усилие:
— из условияпрочности (22) [2]
/>3,14∙(1,6+0,012+0,0005)∙(0,012-0,0005)∙112=6,52МН
— в пределахупругости из условия устойчивости (23) [2]
[F]Е =min{[F]E1;[F]E2}
но при условии l/D=4,374/1,6=2,73
тогда [F]E1 находим по формуле (24) [2]
/>
/>27,52 МН
с учетомобоих условий по формуле (21) [2]:
/>=/>6,34 МН
Осевоесжимающее усилие – это усилие прижатия днища к обечайке атмосферным давлением,которое может быть рассчитано (Приложение 3 «Пример расчета аппарата»[5]):
F=0,25∙π∙(D+2s)2∙p=0,25∙3,14∙(1,6+2∙0,012)2∙0,101=0,21 МН
Так какобечайка корпуса при атмосферном давлении и отсутствия давления внутри аппаратаработает под совместным действием наружного давления 0,1 МПа и осевогосжимающего усилия F, должновыполняться условие устойчивости:
/>
Проверяемусловие устойчивости:
/>0,90≤1
Устойчивостьобечайки корпуса с толщиной стенки 12 мм выполняется.
4. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ КОНИЧЕСКОЙОБЕЧАЙКИ
РЕАКТОРА И НЕТОРОИДАЛЬНОГО ПЕРЕХОДА
4.1 Расчетныепараметры
Расчетныедлины для нетороидальных переходов (рис. 1) рассчитываем по формулам:
/>, />
/>
Рис. 1.Соединение цилиндрической и конической обечаек.
Расчетныйдиаметр гладкой конической обечайки с нетороидальным переходом
/>.
Расчетныйкоэффициент сварных швов по табл. 4 [2]
/>/>
Толщинастенки конической обечайки
/>
где />
4.2. Толщинастенки нетороидального перехода
Толщинастенки перехода определяется по формуле (108) [2]
/>,
где /> [(109) 2].
Коэффициентβ3 определяем по формуле (97) [2]
/>
гдекоэффициент β=1,45 находим по черт. 27 [2] при условиях /> и />0,013;
Толщинастенки
/>0,020 м, тогда s2=20+0,5=20,5 мм.
Принимаем s1=s2=22 мм
Допускаемоевнутреннее избыточное давление из условия прочности переходной части
/>1,65 МПа.
Допускаемоенаружное избыточное давление из условия прочности переходной части
/>0,64 МПа.
гдекоэффициент β=3,75 находим по черт. 27 [2] при условиях /> и />0,001;
Условиепрочности выполняется.
Расчетныедлины нетороидального перехода
/>0,17 м
/>0,15 м
4.3. Толщинастенки конической обечайки
/>
/>0,0171 м
/>1,832 м.
согласноусловию />=17,1+0,5=17,6 мм принимаемтолщину стенки конической обечайки sк=0,018 м
Допускаемоевнутреннее избыточное давление определяем по формуле (87) [2]
/>2,38 МПа
Согласноусловиям п. 5.2.7 [2] принимаем толщину стенки нетороидольного перехода 22 мм.
Толщину стенки обечайки, нагруженную избыточным наружным давлениемв первом приближении определяем по п. 2.3.2.1. [2] согласно п. 5.3.2.2. [2].
s ³ sР+с,
где />
Коэффициент К2=0,15 определяем по номограмме черт.5 [2];
при />0,53; />0,12,
где />0,283м,
/>=
/>
=max{2,427; -10,851}=2,427м
/>max{0,004; 0,0012}=0,004м.
Толщинастенки s ³ sР+с=4+0,5=4,5мм, исполнительная толщина стенки принимается s=22 мм
Допускаемоенаружное давление определяем по формуле:
/>,
гдедопускаемое давление из условия прочности
/>1,84 МПа;
и допускаемоедавление из условия устойчивости
/>,
/>10,43 МПа
где />,
/>86,11
значит,выбираем B1 = 1.
/> 1,81 МПа
Толщинастенки конической обечайки, нагруженной осевыми усилиями
sк ³ sкр+с
где sкр=/>0,0005 м.
Допускаемаяосевая растягивающая сила (п.5.4.1.[2])
/>8,55 МН
Допускаемаяосевая сжимающая сила (п. 5.4.2. [2])
/>
гдедопускаемая осевая сила из условия прочности
/>14,82 МН
и допускаемаяосевая сжимающая сила из условия устойчивости в пределах упругости
/>
/>49,95 МН
где />2,772м.
Соединениеобечаек без тороидального перехода
Допускаемаяосевая растягивающая или сжимающая сила перехода из условий п.5.4.3.[2]
/>
гдекоэффициент формы β5=max{1,0;(2β+1,2)}.
По диаграммечерт. 28 [2] β=1,5, тогда β5=2∙1,5+1,2=4,2
/>3,60053 МН.
Проверяемусловие устойчивости:
/>
/>0,11≤1
Устойчивостьперехода с толщиной стенки 12 мм выполняется.
5. РАСЧЕТ МАССЫАППАРАТА И ПОДБОР ОПОР
Массу аппарата определяемкак массу корпуса аппарата и массу воды, заливаемой для гидравлическогоиспытания аппарата.
5.1. Масса корпусааппарата
5.1.1. Масса крышки соштуцером и фланцами
Площадь поверхностикрышки Fк=4,71 м2 (табл. 7.2 [7]).
Мк=Fк∙s∙ρ=4,71∙0,025∙7850=924,34кг
Массу штуцера и фланцапринимаем 45 кг
Масса фланца крышки Мфк=(3,14∙2,1852∙0,1/4-3,14∙22∙0,1/4)∙7850=477,10кг.
Общая масса М1=924+45+477=1446кг
5.1.2. Масса обечайкидиаметром 2000 мм
Мо2000=(3,14∙2,0322∙1,2/4-3,14∙22∙1,2/4)∙7850=954,09кг.
Масса фланца обечайки Мфо=Мфк=477 кг
Общая масса М2=954+477=1431кг
5.1.3. Масса коническойобечайки
Мок=/>1185,64 кг
5.1.4. Масса обечайкидиаметром 1600 мм
Мо800=(3,14∙1,6242∙1,8/4-3,14∙1,62∙1,8/4)∙7850=858,26кг.
5.1.5. Масса днища соштуцером и фланцем
Площадь поверхности днищаFд=2,15 м2 (табл. 7.8 [7]).
Мд=Fд∙s∙ρ=2,15∙0,012∙7850=202,53кг
Массу штуцера и фланцапринимаем 20 кг
Общая масса М5=202+20=222кг
Общая масса аппаратаМ=1446+1431+1186+858+222=5143 кг
5.2. Объем аппарата
5.2.1. Объемэллиптической крышки примем как объем сферической крышки
V1=2∙3,14∙13/3=2,09 м3
5.2.2. Объем обечайкидиаметром 2000 мм
Vо2000=3,14∙22∙1,2/4=3,77м3.
5.2.3. Объем коническойобечайки
Vок=/>3,06 м3
5.2.4. Объем обечайкидиаметром 1600 мм
Vо1600=3,14∙1,62∙1,8/4=3,62м3.
5.2.5. Объем днища
V5=2∙3,14∙0,83/3=1,07 м3
V=2,9+3,77+3,06+3,62+1,07=14,42 м3
Масса воды Мв=14,42∙1000=14420кг
Общая масса аппаратаМ=5143+14420=19563 кг
Принимаем округленно 20000 кг
5.3. Подбор опор аппарата
Сила с которой аппаратвоздействует на опоры
Qо=20000∙9,81=196200 Н
Принимаем количество опордля аппарата — 4, тогда сила действующая на одну опору
Q=196200/4=49050 Н=49 кН
Согласно табл. 14.1 [7]принимаем опору типа 1 (лапа) с накладным листом по ОСТ 26-665-79.
Опора 1-6300 ОСТ26-665-79 имеет следующие типоразмеры, ммQ, кН а
а1 b с
с1 h
h1
s1 K
K1 d
dб f 63,0 185 230 230 60 130 360 24 12 35 70 35 M30 60
/>Размеры накладного листа по ОСТ26-665-79, мм
/>
Н=490; В=300; с=24; sн=16.
Принимаем: Накладной лист1-6300-16 ОСТ 26-665-79.
Используемаялитература
1. Конструкционныематериалы: Справочник/Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ.ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.; ил.
2. ГОСТ 14249-89.Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. – М.: Издательствостандартов,1989. — 79с.
3. ГОСТ 24755-89Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий. –М.: Издательство стандартов,1989. — 79с.
4. Тимонин А.С.Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранногооборудования: Справочник. Т.1. – Калуга: Издательство Н.Бочкаревой, 2002. -852с.
5. Михалев М.Ф. идр. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примерыи задачи. - Л.: Машиностроение, 1984. -301 с.
6. К.Ф.Павлов,П.Г.Романков, А.А.Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратовхимической технологии.Л.: Химия,1987.
7. Лащинский А.А.Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. – Л.: Машиностроение,1981. – 382 с., ил.
8. Смирнов Г.Г.,Толчинский А.Р., Кондратьева Т.Ф. Конструирование безопасных аппаратов дляхимических и нефтехимических производств. – Л.: Машиностроение, 1988. -303 с.