Ремонт оборудования компрессорной установки

Салаватский индустриальный колледж
Допущен к Защите
Зав. Заочным Отделением
Денисов О.Б
РЕМОНТ ОБОРУДОВАНИЯ КОМПРЕССОРНОЙ
УСТАНОВКИ ПЕРЕКАЧКИ ГАЗА ОАО «ГАЗСЕРВИС» С ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАДАНИЕМ
Пояснительная записка
ДП 150411.09.зо.18.00.00.000 ПЗ
Дипломник Кременицкий А.И., Костерков О.В., Иванов А.А.
Руководитель Юзиков Ю.М.
Консультант по экономической части Рундау О.В.
Старший консультант Качурина И.И.
2009
1. Конструкторско-технологическая часть
1.1 Технологическое назначение оборудования
Компрессор марки 205 ГП 40/3,5 предназначен для сжатия газа. Производительность компрессора 40 м3/мин, давление нагнетания 3,5 кгс/см2.
Работа компрессора в технологической установке заключается в следующем: (смотри рисунок 1.1.1) газ через фильтр позиции «Ф» поступает в первый и второй цилиндр компрессора позиции «К1» «К2» на сжатие до давления 0,35 Мпа. После него газ охлаждается в холодильнике позиции «Х1» и следует на отделение от масла и конденсата в сепаратор «С1». Далее газ поступает в газосборник позиции «В».
/>
Риcунок 1.1. -Технологическая схема работы компрессора марки 205 ГП 40/3
Таблица 1 -Оборудование технологической установки
Обозначение
Наименование
Кол.
Примечание
Ф
Фильтр
1


К1
Цилиндр первой
1


К2
Цилиндр второй
1


Х1
Холодильник
1


С1
Газосепаратор
1


В
Газосборник
1


1.2 Описание конструкции оборудования
Компрессор поршневой стационарный угловой, одноступенчатый, дожимной, двойного действия.
/>
Рисунок 1.2 – Продольный разрез компрессора 205 ГПД-22
Поршневой компрессор 205 ГПД – 22 состоит из следующих узлов и деталей (см. рисунок 1.2). 1 – цилиндр, 2 – поршень, 3 – коробка сальниковая, 4 – крейцкопф, 5 – шатун в сборе, 6 – рама – картер, 7 – вал коленчатый.
Рама компрессора изготовлена литая из чугуна СЧ 21. Рама компрессора является базой для сборки основных узлов компрессора. Рама воспринимает усилия от кривошипно-шатунного механизма: усилия от давления газа в цилиндрах, от сил инерции движущихся и вращающихся частей, крутящих моментов и сил трения. Горизонтальная часть рамы компрессора имеет рабочие поверхности параллели, которые являются опорной поверхностью в работе крейцкопфа. Узел движения крейцкопфа в раме, с обеих сторон имеет люки, закрываемые легкосъёмными крышками.
В нижней части рама имеет картер для масла, стекающего с коренного мотылевого и крейцкопфного подшипников. Картер закрывается легкосъёмной крышкой. С внешней стороны рама имеет постель для двух коренных подшипников, третий – выносной подшипник коленчатого вала крепится у электродвигателя на его опорной плите.
Цилиндр компрессора изготовлен из чугуна СЧ – 21, с одного конца крепится к промежуточному фонарю шпильками, с другого конца опирается на качающуюся опору. Задняя стенка цилиндра является крышкой цилиндра, выполнена съёмной для возможности демонтажа и монтажа поршня со штоком при их заменах. Клапанные плоскости цилиндра расположены горизонтально. Трубопроводы всаса и нагнетания крепятся к нижней стенке цилиндра.
Цилиндр снабжён двумя точками для провода смазки и индикаторными штуцерами для измерения давления и температуры, а также штуцерами для отвода газа от сальниковых камер.
Коленчатый вал изготовлен из стали45 заодно со щекой кривошипа. Кривошипный палец изготовляется отдельно и устанавливается в щёку кривошипа в горячем состоянии.
Смазка к шатунному подшипнику поступает от коренных подшипников по сверлениям, имеющимся в коленчатом вале.
В компрессоре применяют тонкостенные полувкладыши, у которых отношение их толщины к диаметру шейки вала 1:30. Корпус вкладышей изготовлена из бронзы Бр05Ц5С5. Заливка из баббита Б – 83 имеет толщину 0,4 – 0,7 мм.
Шатун изготовлен из стали 35 с разъёмной и неразъёмной крейцкопфной головками. Головка шатуна имеет разъёмные вкладыши, залитые баббитом. Зазор регулируется с помощью латунных прокладок, размещённых между стыковыми кромками обеих половин головки.
Подача смазки производится из кривошипной головки в крейцкопфную по каналу, просверленному непосредственно в стержне шатуна.
Крейцкопф состоит из стального корпуса, опорных сегментов (башмаков) из стали 35, скользящие поверхности которых залиты баббитом и пришабрены по направляющим рамы. Опорные сегменты выполнены съемными, что позволяет монтировать прокладки для коррекции зазора.
Крейцкопф с шатуном соединяется с помощью пальца.
Шток изготовлен цельнокованым из качественной углеродистой стали, с поверхностной закалкой и последующей шлифовкой. На цилиндрической поверхности поршня имеются уплотнительные поршневые кольца, изготовленные из перлитового чугуна. На одном конце шток имеет резьбу, шлицевой канал на торцевой поверхности, установочную гайку с предохранительным болтом и контргайку для соединения его с крейцкопфом компрессора.
Сальники компрессора, самоуплотняющиеся баббитом. В каждой сальниковой коробке расположены четыре камеры с тремя радиально-резанными уплотняющими элементами сечения в каждой камере. Самоуплотнение происходит за счёт цилиндрических пружин и давление газа, проникающего в камеры из цилиндра. К каждому сальнику подводится масло в трёх точках от лубрикатора через обратные клапаны. Для дополнительного уплотнения сальниковой камеры от утечек газа и улучшения смазки в процессе работы к сальниковой камере подводится затворная жидкость – масло компрессорное, которое циркулирует по схеме циркуляционной системы смазки.
Таблица 2 – Таблица штуцеров.
Обозначение
Назначение
Кол.
Проход условный Ду, мм
Давление условное Ру, мм
А
Люк – лаз
1
450
1,6
Б--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
16
Сальник: набивка
Ф-4К20
10007
17
Направляющие
СЧ 21
1412
18
Крышка цилиндра
СЧ 21
1412
Детали сепаратора изготовление из следующих материалов (см. таблицу 4).
Таблица 4 – Материальное исполнение сепаратора
№ п/п
Наименование
материал
ГОСТ
1
Обечайка, днище
Сталь 09Г2С
5520
2
Патрубки штуцеров
Сталь 09Г2С
4543
3
Фланцы штуцеров
Сталь 09Г2С
4543
4
Шпильки фланцевых соединений
Сталь 09Г2С
19281
5
Гайки фланцевых соединений
Сталь 09Г2С
19281
6
Прокладки фланцевых соединений
Паронит
26 – 373
7
Опоры
Сталь Вст3сп
14637
2. Расчётная часть
2.1 Расчёт компрессора
2.1.1 Расчёт цилиндра
2.1.1.1 Задача расчёта
Задачей расчёта является проверка прочности стенки втулки цилиндра от действия внутреннего избыточного давления и веса поршня и штока.
Расчёт произведён в соответствии с [1].
2.1.1.2 Данные для расчёта
Внутренний диаметр втулки 400 мм
Наружный диаметр втулки 425 мм
Материал втулки СЧ 24
Давление внутреннее 0,02 МПа
Масса штока 14,45 кг
Длина втулки 300 мм
/>
Рисунок 1 – Расчётная схема цилиндра компрессора
2.1.1.3 Проверка прочности втулки цилиндра от действия внутреннего избыточного давления.
При расчёте «мокрых» втулок на давление газа, давление в охлаждающей рубашке не учитывается и втулка рассчитывается как труба, нагруженная внутренним p1.
p1 = pн (1)
Где давление pн нагнетания pн =1,5МПа;
Нормальное радиальное напряжение во втулке рассчитывается по формуле:
уr=- p1 (2)
уr = -0,2 МПа
Нормальное касательное напряжение во втулке рассчитывается по формуле
уt = p1*( б+1)/( б-1), Мпа; (3)
Где α –коэффициент линейного расширения, 1/град;
б=(r2/r1)2>1; (4)
Где r1 — внутренний радиус втулки;
r2 — наружный радиус втулки;
б=(212,5/200)2=1,12;
уt = 0,2*((1,12+1)/(1,12-1))= 3,53 Мпа
Эквивалентные напряжения определяются без учёта температурных напряжений, также с учетом их.
Эквивалентные напряжения в опасных точках вычисляем по теории предельных напряжений состояния О.Мара по формуле:
σэкв = σ1 — υ * σtсум, Мпа (5)
Где σ1 — наибольшее по алгебраической величине напряжений, σt и σr
σ1 – наименьшее по алгебраической величине из напряжений, σt и σr;
С учётом температурных напряжений вместо σtберём σtсум,
Где — σtсум = σt + σt0;
Где — σt0= -7,65*∆t*А$
σt0– для втулки из чугуна;
∆t – разность температур на внутренней и наружной поверхности втулки;
А – величина находимая по графику в зависимости от значения k;
k – отношение внутреннего радиуса к наружному;
k = r1/r2 = 200/212,5=0,94;    продолжение
--PAGE_BREAK--
σt0= -7,65*68*1,02=-53МПа;
σtсум= 3,53+(-53)=-49,47 МПа;
Где V– коэффициент характеризующий различие сопротивления материала при растяжении и сжатии. Для серых и модифицированных чугунов V=VВ≈0,3;
σэкв = -0,2-0,3*(-49,47) = 14,6 МПа;
Величина расчётная эквивалентных напряжений (с учётом температурных напряжений и без них) не должна превышать допускаемые, т.е. σэкв ≤ [σ] экв
Для «мокрых» втулок [σ] экв = 30-50 МПа
σэкв = [σ] экв
14,6 МПа
Условие прочности выполняется.
2.1.1.4 Проверка прочности втулки цилиндра от действия веса поршня и штока
Удлинённые втулки цилиндров проверяют на изгиб от нормальной силы N приложенной в середине втулки и рассчитывается по формуле:
N = Gпорш + 0.5*Gшток, кг; (6)
Где Gпорш – вес поршня;
Gшток — вес штока.
N=59,5 + 0,5*12,7 = 65,85 кг;
σu = M/W = 10*((N * l * (L — 1)*d1)/(L*d14 * d24))=5*(( N * l * d1)/( d14 * d24))≤ [σ]u, МПа (7)
где d1– внутренний диаметр втулки;
d2– наружный диаметр втулки;
L– длина втулки
σu= 5* ((65,85*450*220)/(244-224)) = 16,3 МПа;
Для чугунных втулок [σ]u= 20 ÷ 30 МПа;
σu
16.3 МПа
Условие выполняется
2.1.2 Расчёт шпилек крышки цилиндра
2.1.2.1 Задача расчёта
Задачей расчёта является проверка шпилек нагруженных переменными силами и определение их на статическую прочность и выносливость.
Расчёт произведён в соответствии с [1]
/>
Рисунок 2 – Схема расчёта шпилек крышки цилиндра.
2.1.2.2 Данные расчёта
Материал шпилек сталь 35
Число шпилек 8 шт
Диаметр шпилек М24
Давление в цилиндре 0,35 МПа
Материал цилиндра СЧ 18
Материал крышки цилиндра СЧ 21
Внутренний диаметр втулки 400 мм
Количество болтов 8 шт
Наибольшее давление в цилиндре 0,35 МПа
2.1.2.3 Условие расчёта
В соединениях нагружённых переменными силами, шпильки должны быть со значительной первоначальной затяжкой.
2.1.2.4 Проверка шпилек на статицную прочность
Усилие предварительной затяжки шпилек головки цилиндра рассчитывается по формуле:
V= Ксм * (1 — х)* Qmax, Н; (8)
где Ксм– коэффициент запаса против раскрытия стыка. При переменной нагрузке
Ксм= 2.5-4;
х — коэффициент основной нагрузки; учитывает податливость шпилек и деталей стягиваемых гайками. Для приближения расчётов, коэффициент основной нагрузки при соединении стальных и чугунных деталей можно принимать х = 0,2-0,3;
Qmax– нагрузка приходящая на одну шпильку при наибольшем давлении в цилиндре, рассчитывается по формуле:
Qmax= (π*D2)/(4*z)* P, H: (9)
Где D– внутренний диаметр втулки цилиндра;
Z– количество шпилек;
P– наибольшее давление в цилиндре;
Qmax= (3.14*4002)/(4*8)*0,35 = 5495H;
V= 1,5*(1 – 0.3)*0,13 = 0,13H;
Расчётная нагрузка шпильки с учётом возможной затяжки полной нагрузкой:
Р = 1,3*[ Ксм * (1 — х)* Qmax+ к* Qmax], кН; (10)
Р = 1,3*[ 1,5* (1 – 0,3)* 0,13+ 0,3* 0,13] = 0,23 кН;
Р
0,23кН
Условие выполняется т.к. минимальная разрушается нагрузка для шпильки из стали
35 [P]=230 кН ГОСТ 1759.4 – 87
2.1.2.5 Проверка шпилек на выносливость
Амплитуда переменных напряжений рассчитывается по формуле:
σа = х * Qmax/2 * F1, Н/мм2 (11)
Где F1– площадь поперечного сечения шпильки М24, F1 = 452,16 мм2
σа = 0,3*5495/2*452,16 = 1,8 Н/мм2
Напряжение затяжки рассчитывается по формуле:
σзат = V/ F1, Н/мм2 (12)
σзат = 5495/452.16 = 12,1 Н/мм2    продолжение
--PAGE_BREAK--
Постоянное напряжение рассчитывается по формуле:
σm = σзат + σа,, Н/мм2 (13)
σm = 12,1+1,8 = 13,9 Н/мм2
Наибольшее напряжение рассчитывается по формуле:
σmax = σm+ σа, Н/мм2; (14)
σmax = 13,9 + 1,8= 15,7 Н/мм2
Коэффициент асимметрии цикла рассчитывается по формуле:
R = σmin/ σmax; (15)
Где σmin =σmax;
R = 12,1/15,7 = 0,77
Коэффициент запаса прочности по амплитуде рассчитывается по формуле:
na = σ-1pk/ σа; (16)
Где σ-1pk – предел выносливости шпильки, σ-1pk = 60 Н/мм2. Для резьбы d > 16мм значение σ-1pk уменьшают на 25%, тогда:
σ-1pk = 60 – 1/4* 60 = 45 Н/мм2;
na = 45/4,55 = 9,89.
Нормативный коэффициент, [na] = 2.5-4.
[na] > na
4
Коэффициент запаса прочности по наибольшему напряжению рассчитывается по формуле:
n = σm/ σmax; (17)
Где – предел текучести материала шпильки, σm = 320 Н/мм2;
n = 320/15,7 = 20,1.
Нормативный коэффициент запаса прочности:
[n] = 1.25 ÷ 2.5.
[n]
2.5
Вывод: коэффициенты запаса прочности весьма высоки, тем самым условия усталостной прочности выполняются.
2.1.3 Расчёт штока
2.1.3.1 Задача расчёта
Задачей расчёта является проверка штока на устойчивость, статическую прочность и выносливость.
Расчёт произведён в соответствии с [1]
/>
Рисунок 3 — Расчётная схема штока
2.1.3.2 Данные для расчёта
Материал шпилек сталь 45
Расчётная длина штока 962 мм
Диаметр штока 50 мм
Давление в цилиндре 0,35 МПа
Масса поршня совместно со штоком 81 кг
Число оборотов коленчатого вала 500 об/мин
Радиус кривошипа 110 мм
Радиус галтели 3 мм
Вес крейцкопфа 28,8 кг
Вес шатуна 24 кг
Диаметр гладкой части штока 65 мм
Диаметр поршня 400 мм
2.1.2.3 Условие расчёта
Для выбора расчётных нагрузок определяется:
А) максимальное усилие растяжения и сжатия при работе компрессора
Б) максимальное значение сил инерции в мёртвых точках
Расчёт ведётся по наибольшим усилиям
2.1.3.4 Расчёт максимальных усилий действующих на шток
Максимальное усилие растяжения (поршневая сила) рассчитывается по формуле:
Pmax.раст = π* (Dn2– dшт2)/*Рц; (18)
Где Dn– диаметр поршня, мм;
dшт— диаметр штока, мм;
Рц— Давление в цилиндре, МПа;
Pmax.раст= 3,14*(4002— 502)/ 4* 0,35 = 43273 Н.
Максимальное усилие сжатия рассчитывается по формуле:
Pmax.сж= π* Dn2*Рц/4; (19)
Pmax.сж = 3,14 * 4002* 0,35/4 = 43960Н;
Pmax.сж= Pmin.сж
Максимальное значение силы инерции рассчитывается по формуле:
Jn= R* ω2* mn* (1 + δ); (20)
Где R— радиус кривошипа
ω— угловая скорость коленчатого вала, об/сек;
δ-коэффициент гибкости штока;
δ= R/L; (21)
Где — расчетная длина штока;
δ= 225/862 = 0.26;
ω= π* n/30 = 3.14 * 500/30 = 52.3 сек-1; (22)    продолжение
--PAGE_BREAK--
Jn= 0,225 * 52,32* 72,2 * (1 + 0,26) = 55987,83Н.
Дальнейший расчёт ведём по максимальным усилиям Pmax.раст и Pmax.сж:
Pmax.раст > Jn; 88217.1 > 55987.83H
Pmax.сж > Jn; 92316H> 55987.83H
2.1.3.5 Расчёт штока на устойчивость
Запас устойчивости рассчитывается по формуле:
n= σк / σ; (23)
Где σк– критическое напряжение, Н/мм2
σ— максимальное напряжение сжатия в сечении штока, Н/мм2
Максимальное напряжение сжатия в сечении штока F– F, рассчитывается по формуле:
σ= P/F; (24)
Где Р – максимальное усилие сжатия действующее на шток, Н.
F— Площадь поперечного сечения штока, мм2;
F= π* dшт2/4; (25)
F= 3.14 * 502/4 = 1962,5 мм2;
σ= 14360/1962,5 = 22,8 Н/мм2
σк = Рк / F; (26)
где Рк– критическая сила, Н. Выюор критической силы Ркили критического напряжения зависит от величины гибкости штока δ.
δ = 4*м*l1/ dшт=4*1*982/50=78.56 (27)
где L– расчётная длина штока, мм;
dшт– диаметр штока, мм.
Т.к. δ
σк=F*(a – b * λ)/F = a – b * λ(28)
где а = 430 Н/мм2для углеродистых сталей
b= 1,7 Н/мм2для углеродистых сталей
Нормативное значение коэффициента запаса устойчивости:
σк = 430 – 1,7*78,56 = 296,45 Н/мм2;
n= σк / σ= 296.45/22 = 13 Н/мм2
[n] = 8 ÷ 12;
[n]
12 Н/мм2
Условие устойчивости выполняется.
2.1.3.6 Расчёт штока на прочность
Определение напряжений и запаса прочности в месте перехода гладкой части штока к опорному бурту (сечение F— F)
Максимальное значение напряжения в сечении рассчитывается по формуле:
σmax= Pmax.раст / F; (29)
σmax= 43273/1962.5 = 22 Н/мм2;
Минимальное значение (максимальное сжимающее напряжение Pmax.сж) в сечении:
σmin= Pmin/ F; (30)
σmin= 43960/1962.5= 22.4 Н/мм2;
Среднее значение напряжения рассчитывается по формуле:
σm= (σmax+ σmin)/2; (31)
σmin= (12.8+12.6)/2 = 12.7 Н/мм2
Переменное значение цикла рассчитывается по формуле:
σy= (σmax— σmin)/2 Н/мм2; (32)
σy= (22.0-22.4)/2 = 22.2 Н/мм2
Рассчитываем коэффициент концентрации напряжения:
Кg= 1 + q* (Km— 1); (33)
Где q– коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений. Для углеродистых сталей q= 0,5- 0,6;
Km— коэффициент концентрации напряжений для галтели. Зависит от величины отношения r/d;
Где r— радиус галтели    продолжение
--PAGE_BREAK--
d— диаметр штока
Km= r/d= 3/50 =0.06
Принимаем Km= 2,
Кg= 1+ 0.55 (2 — 1) = 1,55.
где величину масштабного коэффициента εqнаходим по графику в зависимости от диаметра штока. εq= 0,729.
Предел усталости по данному циклу
r= σmin/ σmax= 22/22.4=0.9 (35)
определяем по графику
Диаграмма Смита
По диаграмме Смита для стали 45 проводим луч через начала координат под углом β к оси σmпри этом
tgβ = 2/(1+r)=2/(1+0.9)=1.81; β = 51(36)
Запас прочности рассчитывается по формуле:
n= σr-1/ (σm+ Kq/εq)* σy= 340/(22+1,55/0,729*0,1)=13,15 (37)
Нормативный коэффициент запаса прочности
[n] = 2,5 ÷ 4 Н/мм2;
[n]
4 Н/мм2
Условие прочности в сечении F– Fвыполняется.
2.1.3.7 Определение напряжения и запаса прочности в сечении F1– F1крепления поршня на штоке
Резьбовое соединение поршня со штоком относятся к типу « болт-гайка»:
Определение коэффициента основной нагрузки.
Сила давление газа Р, действующая на поршень не влияет на работу соединения, тто вызванное тем, что сила затяжки резьбового соединения в несколько раз превосходит максимальную силу, действующую на поршень, поэтому коэффициент основной нагрузки для данного соединения будет Х = 0
Определение коэффициента податливости поршня и штока.
Поршень. Вычислить точное значенье δ– коэффициент податливости поршня ввиду влияния на жёсткость днищ, рёбер, наружной поверхности поршня, поэтому поршень условно заменим втулкой, для которой находим коэффициент податливости.
Коэффициент податливости поршня рассчитывается по формуле:
δ = Ln/En * Fn=168/0,11*10-6*152880=11200 (36)
где Ln – длина поршня между буртами штока и гайки, мм;
En– модуль упругости материала поршня. Для чугуна En= 0,75*10-6 Н/мм2;
Fn – площадь поперечного сечения, мм2.
Fn= π/4 * (dn2 — dшт2); (37)
Fn= 3.14/4*(4002 — 502) = 123637,5 мм2.
Коэффициент податливости штока рассчитывается по формуле:
δшт = 1/Ешт[Lгл/Fгл + (Lрез+1/3H)/Fрез+0.415/h *(dб/dшт — 1)], мм/Н; (38)
где Lгл – длина поперечного сечения гладкой части штока;
Fгл — площадь поперечного сечения гладкой части штока;
dгл — диаметр гладкой части штока;
Lрез — длина резьбы от торца затяжной гайки, мм;
Fрез -площадь поперечного сечения резьбы по среднему диаметру;
1/3H — величина учитывающая деформацию стержня в пределах гайки;
Н — длина свинчивания гайки; значение 1/3H берётся во внимание только при Н > 1,5 dшт и l
h — Высота бурта штока, h =15мм;
dб — диаметр бурта штока, dб = 65 мм.
Коэффициент податливости бурта штока:
δб = 0,415/h*E*(dб/ dшт — 1)мм/Н (39)
δ = 1 / 2,04*10-6*[98/7539,14+42/1256+0,415/15*(65/50 — 1)] = 250000 мм/Н
Определение величины затяжки
Напряжение затяжки выбирается из условия плотности стыка. Запас прочности по пределу текучести ns = 1.7-2.5
Величина напряжения затяжки при монтаже рассчитывается по формуле:
σs(0) = k * P/F1BH*(1 – x), Н/мм2; (41)
Т.к. для данного соединения коэффициент основной нагрузки Х = 0, то формула приобретает следующий вид:
σs(0) = k * P/F1BH, Н/мм2; (42)
Где k – запас по плотности стыка или коэффициент затяжки для переменных нагрузок. Обычное значение k = 2.5-4. Коэффициент k выбирается с таким учётом, чтобы остаточная затяжка составляла Qc= (1.5-2)P;
F1BH — площадь сечения резьбы по внутреннему диаметру, мм2.
σs(0) = 3*43273/1133.5 = 114 Н/мм2
Усилие затяжки при ремонте рассчитывается по формуле:
Qs(0)= σs(0)* FBH= k* Pmax.раст= 3*43273 = 129819H; (44)    продолжение
--PAGE_BREAK--
Минимальное усилие на стыке рассчитывается по формуле:
Qс = (k — 1) * Pmax.раст; (45)
Qс = (3 — 1) * 43273 = 86546H
Необходимое условие
Qс = (1,5 — 2) * Pmax.раст;
Qс = 2*43273 = 86546Н.
Условие выполняется.
Удельное давление между буртом штока и поршнем рассчитывается по формуле:
qсм = Qs(0)/0,785*(d62 – dшт2), Н/мм2; (46)
qсм = 129819/0.785*(652 -502) = 89,78 Н/мм2
Допускаемое удельное давление равно:
Для поршней из чугуна [qсм] = 800 — 1000 Н/мм2.
Так как коэффициент основной нагрузки х = 0, то данное резьбовое соединение на усталость работает мало.
Определение напряжения затяжки при работе компрессора
В процессе сжатия газа происходит нагрев поршня со штоком. Усилие затяжки резьбового соединения поршня со штоком в рабочих условиях уменьшается в следствии возможных температурных измерений, возникающих в результате разных коэффициентов линейного расширения чугунного поршня и стального штока.
Уменьшение силы затяжки рассчитывается по формуле:
Qt = (αшт -αn)*∆t * Ln /(δn + δшт); (47)
Где αшт – коэффициент линейного расширения для стального штока,
αшт = 12,2*10-6;
αn – коэффициент линейного расширения для чугунного поршня,
αn = 11,1*10-6;
∆t = t2 – t1; (48)
Где t1 – температура поршня и штока при сборке, t1 = 22°С;
t2 – температура поршня и штока при работе, t2 = 55°С;
∆t = 55 – 22 = 33°С;
Qt = (12,2*10-6 – 11,1*10-6)*168*40/(11200+250000) = 3*10-7Н.
Усилие затяжки резьбового соединения в рабочем состоянии рассчитывается по формуле:
QР = QS(0) – Qt; (49)
QР = 129819-2*10-6 = 129819H
Напряжение затяжки при работе рассчитывается по формуле:
σs = QР/ F1BH; (50)
σs = 129819/1133,5 = 114 Н/мм2
Полное усилие в штоке рассчитывается по формуле:
Qшт = QР + х * Pmax.раст = QР; т.к. х=0 (51)
Qшт = 74182,5 Н.
Максимальные нормальные напряжения в поперечном сечении штока рассчитываются по формулам:
В нарезанной части:
σ1 = Qшт / F1BH = QР / F1BH, Н/мм2; (52)
σ1 = 129819/1133,5 = 114 Н/мм2
В гладкой части:
σ = Qшт / Fгл = QР / Fгл, Н/мм2 (53)
σ = 74182,5/1962,5 = 37,8 Н/мм2
Максимальные приведённые напряжения рассчитываются по формуле:
σ1прив = 1,25 * σ1, Н/мм2; (54)
σ1прив = 1,25 * 65,4 = 81,25 Н/мм2
В гладкой части:
σприв = 1,25 * σ, Н/мм2; (55)
где 1,25 – коэффициент учитывающий наличие касательных напряжений.
σприв = 1,25 * 37,8 = 47,25 Н/мм2
Запас статической прочности.
По пластическим деформациям:
Для нарезанной части:
ns1= σs/ σ1прив= 1.15* σs/ σ1прив; (56)
где σs – предел текучести при растяжении. Для стали 45 σs = 360 Н/мм2.
ns1 = 1,15*360/200,9 = 2,06.
Для гладкой части:
ns = σs/ σприв; (57)
ns = 360/168,5 = 2,13.
Допускаемое значение [n] = 1,2÷ 2,5.
По пределу прочности:
Для резьбовой части:
nВ1= σВ/ σ1прив= 1,15 * σВ/ σ1прив; (58)    продолжение
--PAGE_BREAK--
где σВ – предел прочности при растяжении. Для стали σВ = 610 Н/мм2;
nВ1 = 1,15*610/200,9 = 3,39
Для гладкой части:
nВ = σВ / σприв; (59)
nВ = 610/168,5 = 3,62.
Допускаемые значения [nB] = 1.5 ÷ 4.
Момент закручивающий шток при затяжке рассчитывается по формуле:
Мкр= α * Qs(0)*d0; (60)
Где α – коэффициент, α = 0,12;
Мкр = 0,12 * 264651,3*59 = 1873731,2 Н*мм;
Расчёт штока на выносливость
Переменное напряжение в резьбовой части штока, сечение F1 рассчитывается по формуле:
συ = (х * Pmax.раст )/2* F1BH, Н/мм2; (61)
Для данного резьбового соединения х=0, значит συ= 0. Таким образом в резьбе крепления поршня со штоком переменных напряжений не будет и среднее напряжение будет равно напряжению затяжки, σs= σ1.
σm= συ + σs, Н/мм2 (62)
σm = 160.72 Н/мм2
Следовательно резьбовое соединение шток-поршень на усталость работает мало.
Определение напряжения и запаса прочности в сечении F2 – F2 (соединение штока с крейцкопфом).
Напряжение в резьбе от растягивающего его усилия рассчитывается по формуле:
σ = Pmax.раст / F2BH; (63)
где F2BH – площадь сечения по внутреннему диаметру резьбы;
F2BH= π * d2 /4 = 3.14 * 45.82/4 = 1646.65 мм2; (64)
σ = 88217,1/1646,65 = 53,6 Н/мм2
Напряжение затяжки рассчитывается по формуле:
σs(0) = k*(1 — x) * σ, Н/мм2 (65)
где k – коэффициент затяжки, k = 2,5 – 4;
х – коэффициент основной нагрузки, зависит от податливости объединяемых деталей, х = 0,42-0,48, принимаем х = 0,46.
σs(0) = 3*(1 – 0,46) * 53,6 = 86,8 Н/мм2
Усилие затяжки рассчитывается по формуле:
Q s(0)= σs(0)* F2BH, H; (66)
Q s(0)= 86.8*1646.65 = 142929.22 H.
Полное усилие действующее на резьбу, т.е. от затяжки и от давления газа поршень рассчитывается по формуле:
Q = Q s(0)+ x * Pmax.раст, H; (67)
Q = 142929.22 + 0.46*88217.1 = 183509.1 H.
Максимальное нормальное напряжение в резьбовой части рассчитывается по формуле:
σ = Q/ F2BH, Н/мм2 (68)
σ = 183509.1/1646.65 = 111.44 Н/мм2
Максимальное приведённое напряжение рассчитывается по формуле:
σприв = 1,25* σ, Н/мм2 (69)
σ = 1,25*111,44 = 139,3 Н/мм2
Запас статической прочности по пределу прочности рассчитывается по формуле:
nВ = 1,15* σВ/ σприв; (70)
где σВ – предел прочности материала штока. Для стали 45 σВ = 610 Н/мм2
nВ = 1,15*610/139,3 = 5,03.
Нормативный коэффициент запаса прочности [n] = 1,5 ÷ 2,5.
Запас статической прочности – по пределу текучести рассчитывается по формуле:
nm = 1.15 * σm/ σрив, Н/мм2 (71)
где σm — предел текучести материала штока. Для стали 45 σm= 360 Н/мм2.
nm = 1,15*360/139,3 = 2,09 Н/мм2
Нормативный коэффициент запаса прочности по пределу текучести
nm
[nm] = 1.2 ÷ 2.5.
Условие прочности выполняется.
2.1.3.9 Расчёт штока на выносливость
Переменное напряжение в резьбовой части штока в сечении F2 рассчитывается по формуле:
συ = x * Pmax.раст/2 * F2BH, Н/мм2 (72)
συ = 0.46*88217.1/2*1646.65 = 12.32 Н/мм2.
Среднее напряжение рассчитывается по формуле:
σm = συ + σs(0), Н/мм2; (73)    продолжение
--PAGE_BREAK--
σm= 12.32 + 86.8 = 99.12 Н/мм2.
Предел усталости резьбовой части штока рассчитывается по формуле:
σ-1х = Еg/Kg* σ-1, Н/мм2; (74)
где Еg – коэффициент учитывающий масштабный фактор зависимости от dшт, Еg = 0,689;
Kg – коэффициент концентрации напряжений для резьбы штока:
Для углеродистых сталей Kg= 3,5 ÷ 4,5. Для резьбовых соединений типа, «стяжки» значение Kg – снижают на 20%.
σ-1 – предел усталости при изгибе. Для стали 45 σ-1= 250 ÷ 340 Н/мм2
Kg = 4,5 – 20*45/100 = 3,6;
σ-1х = 0,689/3,6*270 = 51,6 Н/мм2;
Запас усталостной прочности по переменным напряжениям рассчитываются по формуле:
nu= σ-1k*(1 — σm/1.15* σВ)/ συ; (75)
Где σВ – предел прочности материала штока. Для стали 45 σВ = 610 Н/мм2.
nu = 51,6*(1-99,12/1,15*610)/12,32 = 3,6.
Нормативный коэффициент запаса прочности по переменным напряжениям:
[nu]> nu.
[nu] = 2.5 ÷ 4.
Условие прочности выполняется.
2.1.4 Расчёт на прочность шатунного болта
2.1.4.1 Задача расчёта
Задачей расчёта является проверка на статическую прочность и на выносливость шатунного болта. Расчёт является проверочным.
Расчёт произведён в соответствии с [1]
/>
Рисунок 4 – Расчётная схема шатунного болта
2.1.4.2 Данные для расчёта
Материал сталь 20Х3А
Диаметр болта 30 мм
Число двойных ходов 500 об/мин
Вес крейцкопфа 28,8 кг
Вес шатуна 24 кг
Вес штока 14,45 кг
Длина болта 258 мм
Радиус кривошипа 110 мм
Диаметр цилиндра 400 мм
Давление в цилиндре 0,35 Мпа
Длина рабочей части болта 210 мм
Диаметр стержня 26 мм
2.1.4.3 Расчёт усилий действующих на болт
Полное усилие действующее на болт рассчитывается по формуле:
Q= T+ x*P, H=4636,4+0,25*2472,75=5254,6 Н (76)
Где T– усилие предварительной затяжки болта;
T= k* P* (1 — x)=2,5*2472,75*(1 – 0,25) = 4636,4 Н (77)
Где k– коэффициент затяжки для переменных нагрузок, k= 2.5 ÷4 принимаем k= 3;
X– коэффициент основной нагрузки, x= 0.25 ÷ 0.3, принимаем x= 0.27;
P– внешняя сила, выбирается наибольшая из двух сил, сила растягивающая при работе компрессора под номинальной нагрузкой или сила инерции.
Сила инерции рассчитывается по формуле:
Pu= R * ω2* [mn* (1 + λ) + (mв– mпр)], Н; (79)
Pu= 0,1*52,332*[107,25*(1+0,2)+(16,8-3)] = 39022,6 Н.
Расчётная сила на 1 болт:
Р/2=39022,6/2=19511,3 Н
Где R– радиус кривошипа;
mпр– вес головки шатуна, mпр= 3 кг;
mn– масса возвратно-поступательных движущихся деталей, кг;
mn= mшат+ mш+mпорш+ mкр, кг; (80)
где mшат– вес шатуна, кг;
mш– вес штока, кг;
mпорш– вес поршня, кг;
mкр– вес крейцкопфа, кг;
mn= 24 + 14,45 +40 +28,8 = 107,25 кг.
mв– часть веса шатуна, совершающая возвратно-поступательные движения, кг;
mв= 0,7* mшат= 0,7*24 = 16,8 кг; (81)
ω – угловая скорость, 1/с;
ω = π * n/30 = 3.14 * 500/30 = 52,33c-1; (82)
λ– поправочный коэффициент;
λ = R/L; (83)
где L– длина рабочей части болта, мм.    продолжение
--PAGE_BREAK--
Λ = 100/500 = 0,2;
Где F1– Площадь поперечного сечения шатунного болта;
Q–полное усилие, действующее на болт;
F1= π*d12/4 = 3.14*302/4 = 706.5 мм2
σ1= 5254,6/706,5=7,43 Н/мм2
2.1.4.4 Расчёт шатунного болта на статическую прочность
Нормальное напряжение в нарезанной части болта рассчитывается по формуле:
σ = Q/F, Н/мм2; (85)
где F– площадь поперечного сечения шатунного болта;
F= π* d2/4; (86)
F= 3.14 * 282/4 = 615,44 мм2.
σс= 5254,6/615,44 = 8,53 Н/мм2.
Нормальное напряжение в гладкой части болта рассчитывается по формуле:
σ гл= Q/Fгл, Н/мм2; (87)
где Fгл— площадь поперечного сечения в гладкой части болта;
Fгл= π* dгл2/4; (88)
Fгл= 3,14 * 252/4 = 490,62 мм2;
σ гл= 237719,64/490,62 = 484,53 Н/мм2.
Крутящий момент действующий при растяжке рассчитывается по формуле:
Мк= ξ * T* d, Н*мм; (89)
Где ξ – коэффициент равный 0,08Ж
d– наружный диаметр резьбовой части.
Мк= 0,08 * 4636,4*30 = 11127,36 Н*мм.
Касательное напряжение в нарезанной части рассчитывается по формуле:
τ1= Мк/0,2*d13, Н/мм2; (90)
τ1= 11127,36/0.2*303= 2,06 Н*мм.
Касательное напряжение в гладкой части рассчитывается по формуле:
τс=Мк/0,2*d23, Н/мм2; (91)
τс= 11127,36/0,2*283= 2,53 Н/мм2.
Приведённое напряжение в нарезанной части рассчитывается по формуле:
σпр = √ σ12+ 3*τ12, Н/мм2; (92)
σпр = √7,632+ 3 * 2,062= 4,5 Н/мм2;
Приведённое напряжение в гладкой части рассчитывается по формуле:
σпрс= √ σс2+ 3*τс2, Н/мм2; (93)
σгл= √8,532+ 3*2,532= 3,26 Н/мм2.
Запас прочности по пластической деформации т.е. по пределу текучести рассчитывается по формуле:
ns1= 1.15 * σ1/ σпр1; (94)
где σm– предел текучести материала болта, σm= 700 Н/мм2;
ns1= 1,15*700/4,5 = 155,5;
nsс= 1,15 * σс/ σпрс; (95)
nsс= 1,15*700/5,26 = 159,04
Запас прочности по пределу прочности рассчитывается по формуле:
Запас прочности в нарезанной части болта:
Nр= 1,15* σ1/ σпр1(96)
где σB– предел прочности материала.
nB= 1,15*850/4,5 = 217,22;
Запас прочности в гладкой части болта:
nгл= σB/ σпрс; (97)
nгл= 850/5,26 = 161,6;
Вывод: коэффициенты запаса прочности входят в пределы допустимых, условия прочности по пределу текучести и прочности удовлетворяются.
2.1.4.5 Расчёт на выносливость
Переменное напряжение при пульсирующей нагрузке в нарезанной части болта рассчитывается по формуле:
σu= x*P/2*F, Н/мм2; (98)
где x– коэффициент основной нагрузки, x= 0,27;
Р – расчетная сила на один болт, Н;
F1– площадь поперечного сечения наружной части шатунного болта, F1= 617,68 мм2;
σu= 0,27 * 19511,3/ 2*706,5 = 3,72 Н/мм2    продолжение
--PAGE_BREAK--
Среднее напряжение цикла рассчитывается по формуле:
σm= σз + σu, Н/мм2; (99)
где σз– напряжение затяжки в резьбовой части;
σз= T/F; (100)
σз= 4636,4/706,5 = 6,56 Н/мм2;
σm= 6,56+3,72 = 10,3 Н/мм2
Предел выносливости резьбовой части рассчитывается по формуле:
σ-1g= σ-1/kg, Н/мм2; (101)
где σ-1– предел выносливости гладкого стержня.
kg– коэффициент концентрации напряжения для резьбового соединения.
σ-1g= 340/4,5 = 75,5 Н/мм2.
Запас усталостной прочности по переменным напряжениям в резьбовой части болта рассчитывается по формуле:
nu= σ-1g* (1 –(σm/1.15* σв))/ σu; (102)
nu= 75,5 * (1 – (10,3/1,15*850))/3,72 = 20.
Запас усталостной прочности по максимальным напряжениям с учётом затяжки рассчитывается по формуле:
nв = σ-1g/( σu+ σ-1g/1,15 * σв * σm);
nв= 75,5/3,72 + 75,5/1,15*850 * 10,3 = 16,7.
Нормативные коэффициенты усталостной прочности:
[nu] = 1.3 ÷ 2.5.
[nв] = 1,5 ÷ 4.
Вывод: условия прочности выполняются.
2.2 Расчёт газосепаратора
2.2.1 Расчёт толщин стенок обечайки и днищ сосуда по ГОСТ 14249 – 89
2.2.1.1 Задача расчёта
Задачей расчёта является определение толщин стенок обечайки и эллиптических днищ сосуда, нагруженного внутренним избыточным давлением.
Расчёт произведён в соответствии с [8].
2.2.1.2 Данные для расчёта
Диаметр обечайки внутренней 1600мм;
Давление расчётное 0,35МПа;
Температура расчётная 60°С;
Прибавка для компенсации коррозии 2 мм;
Прибавка для компенсации минусового допуска 0,8 мм;
Прибавка технологическая 1,2мм;
/>
Рисунок 5 — Схема газосепаратора
2.2.1.3 Расчёт толщины стенки обечайки
Толщина стенки обечайки, нагруженная внутренним избыточным давлением рассчитывается по формуле:
S ≥ Sp+ C; (104)
S = P*D/ 2 *[δ]* φр– P; (105)
где S– исполнительная толщина стенки обечайки, мм;
Sp– расчётная толщина стенки обечайки, мм;
С – суммарная прибавка к расчётной толщине стенки;
С = С1+ С2; (106)
Где С1– прибавка для компенсации коррозии, мм;
С2– прибавка для компенсации минусового допуска, мм;
Р – расчётное внутреннее избыточное давление, МПа;
[δ] – допускаемое напряжение при расчётной температуре, Мпа;
Для стали 09Г2С при расчётной температуре 100°С, [δ] = 160Мпа.
φр– коэффициент прочности продольного сварного шва. При стыковом двухстороннем сварном шве, выполняемым автоматической сваркой и длине контролируемого шва от общей длины 100%, φр= 1,0.
Sp= 0,35*1600/2*160*1-0,35 = 8,03 мм.
S= 8,03 +2 +0,8 = 10,83 мм.
Принимаем S= 10мм.
Условие применения формулы:
(S– C)/D≤ 0.1 (107)
(12– 2.8)/0,35 ≤ 0.1
0.026 ≤ 0.1;
Условие формулы выполняется.
Допускаемое внутреннее избыточное давление.
[P] = 2* [δ] * φ*(S — C)/(D + (S — C));(108)
[P] = 2*160*1*(10 – 2.8)/(1600+(10 – 2.8)) = 2,9 МПа.
2,9 > 1,6.
Условие выполняется.
2.2.1.4 Расчёт толщины стенки эллиптического днища
Толщина стенки эллиптического днища нагруженного внутренним избыточным давление рассчитывается по формулам:
S1≥ S1p+ C; (109)
S = P*R/ 2 *[δ]* φ– 0.5*P; (110)
Где S1– исполнительная толщина стенки днища, мм;
S1p– расчётная толщина стенки днища, мм;
С – суммарная прибавка, мм.
С = С1+ С2 +С3; (111)     продолжение
--PAGE_BREAK--
Где С3– прибавка технологическая, мм.
R– радиус кривизны в вершины днища.
Для стандартного днища с Н = 0,25*D, R=D.
S1p= 0,35*1600/(2*1*160-0,5*0,35) = 3,11 мм
S1 = 3,11 + 2 + 0,8 + 1,2 = 7,11мм.
Принимаем S1= 12 мм.
0,002 ≤ (S1– С)/D≤ 0,1; (112)
0,002 ≤ (10 — 4)/1600 ≤ 0,1;
0,004 ≤ 0,026 ≤ 0,1;
Условие применения формулы выполняется.
Допускаемое внутреннее избыточное давление.
[P] = 2* [δ] * φ*(S1— C)/(D + (S1+ C)*0,5); (113)
[P] = 2*160*1*(10 — 4)/(1600 + (10 + 4)*0,5) = 3,12 МПа.
3,12 > 1,6.
Условие выполняется.
2.2.2 Расчёт укрепления отверстий люка ГОСТ 24755 – 81
2.2.2.1 Задача расчёта
Задачей расчёта является определения минимального диаметра отверстия не требующего укрепления и условия укрепления.
Расчёт произведён в соответствии с [8].
2.2.2.2 Данные для расчёта
Внутренний диаметр аппарата 1600 мм;
Расчетное давление 0,35 МПа;
Расчётная температура 60°С;
Исполнительная толщина стенки обечайки 10 мм;
Расчётная толщина стенки обечайки 6,03 мм;
Толщина накладного кольца 10 мм;
Внутренний диаметр штуцера 200 мм;
Исполнительная толщина стенки штуцера 14 мм;
Прибавка к расчётной толщине стенки штуцера 2 мм;
Длина внешней части штуцера 200 мм;
Исполнительная ширина накладного кольца 214 мм;
Прибавка к расчётной толщине стенки обечайки для компенсации минусового допуска 0,8мм;
Материал обечайки и накладного кольца Сталь 09Г2С;
Материал патрубка Сталь 09Г2;
/>
Рисунок 6 – Укрепляющее кольцо
2.2.2.3 Расчёт минимального диаметра, не требующего дополнительного укрепления
Расчёт минимального диаметра, не требующего дополнительного укрепления производится по формуле:
d= 2*((S— C)/SP– 0.8)*√DP* (S— C); (114)
Где S– исполнительная толщина стенки обечайки, мм;
С – прибавка к расчётной толщине стенки обечайки, мм;
С = С1+ С2; (115)
Где С1– прибавка к расчётной толщине стенки обечайки для компенсации коррозии, мм;
С2– прибавка к расчётной толщине стенки обечайки для компенсации минусового допуска, мм;
С = 2 + 0,8 = 2,8 мм;
Следовательно, отверстие диаметром 72,5 мм и менее при толщине корпуса аппарата 10 мм дополнительного укрепления не требует.
2.2.2.4 Расчёт укрепления отверстия ДУ 200 мм
При укреплении отверстия утолщением стенки сосуда или штуцера накладным кольцом, должно выполнятся условие укрепления.
l1R*(S1– S1R– CS)*X1*l2R*S2*X1+ l3R*(S3– 2*CS)*X1+ l3*(S –SR–C)≥0.5*(dR– d0R)*SR; (116)
где S1R– расчётная длина внешней части штуцера;
l1R= 1,25 * √(d+2* CS)│ * (S1 -CS), (117)
где l1– длина внешней части штуцера, мм;
d– внутренний диаметр штуцера, мм;
CS– прибавка к расчётной толщине стенки для компенсации коррозии, мм;
S1– исполнительная толщина стенки штуцера, мм;
l1R= 1,25 * √(200+2*2) * (14 — 2) = 61,8 мм.
Принимаем l1R= 62 мм;
l3R= 0;
S1R– расчетная толщина стенки штуцера, мм;
S1R= P*(d+2*CS)/(2 *[δ]1* φ1-P); (118)
Где [δ]1– допускаемое напряжение для материала патрубка стали марки 09Г2С при расчётной температуре 100°С, [δ]1= 160МПа.
S1R= 1,6*(200+2*2)/(2*1*160-1,6) = 1,02 мм.
X1– отношение допускаемых напряжений для внешней части штуцера;
X1= min{1,0; [δ]1/ [δ] }; (119)    продолжение
--PAGE_BREAK--
X1= 160/160 = 1;
X2– отношение допускаемых напряжений для накладного кольца;
X1= min{1,0; [δ]2/ [δ] }; (120)
Где [δ] – допускаемое напряжение для материала патрубка стали марки 09Г2С при расчётной температуре 100°С, [δ] = 160МПа.
X2= 160/160 = 1;
lR– расчётная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера, мм;
lR= √ DR( S– C), мм; (121)
lR– исполнительная ширина накладного кольца, мм;
lR= √1600*(10- 2,8) = 94,95 мм;
Принимаем lR= 92,95 мм;
l2R–ширина расчётная накладного кольца, мм;
l2R= √ DR(S2+ S– C), мм; (122)
l2R— исполнительная ширина накладного кольца, мм;
l2R= √1600*(10+10-2,8) = 145,7 мм;
l2R= 145,7 мм
Принимаем l2= 140 мм.
dR– расчётный диаметр отверстия, мм;
dR= d+ 2* CS; (123)
dR= 200+2*2=204 мм.
dR– наибольший расчётный диаметр отверстия, не требует дополнительного укрепления, при отсутствии избыточной толщины стенки сосуда;
d0R= 0,4*√ DR( S – C), мм; (124)
d0R= 0,4*√1600*(10 – 2,8) = 40,2;
Условие укрепления:
61,8*(14-1,02-2)*1+140*10*1+92,95*(10-2*2)*1+0*(10-6,03-2,8)≥0,5*(204-40,2)*6,03;
2637,5 ≥ 502,9.
Условие укрепления выполняется.
2.2.3 Расчёт крышки люка по РД 26 – 15 – 88 и ГОСТ 14246 – 89
2.2.3.1 Задача расчёта.
Задачей расчёта является проверка прочности болтов, шпилек, фланца в опасных сечениях, прокладки, герметичности фланцевого соединения, и толщин плоской крышки.
Расчёт произведён в соответствии с [8].
2.2.3.2 Данные для расчёта
Внутренний диаметр фланца 450 мм;
Расчетное давление 0,35 МПа;
Диаметр окружности расположения шпилек 550 мм;
Средний диаметр прокладки 510 мм;
Ширина прокладки 12 мм;
Толщина фланца 25 мм;
Толщина прокладки 2 мм;
Расчётная температура фланца 60°С;
Прибавка для компенсации коррозии 2 мм;
Модуль продольной упругости материала фланца по ГОСТ 1424 при температуре 20°С: 1,99* 105МПа;
Расчётной температуре 1,91*105МПа;
Модуль продольной упругости материала шпилек по ГОСТ 14249 при температуре 20°С 2,1 * 105МПа;
Расчётной температуре 2,01*105МПа;
Температурный коэффициент линейного расширения материала:
Шпилек 11,65*10-61/°С
Фланца 11,65*10-61/°С
Материал фланцев Сталь 09Г2С;
Материал шпилек Сталь 09Г2;
Материал прокладки паронит ПОН;
Число шпилек 20 шт;
/>
Рисунок 7 – Конструкция плоского приварного фланца
2.3.3.3 Расчёт нагрузок
Равнодействующая внутреннего давления:
Qg= 0.785 * DСП2*P; (125)
Где P– расчётное давление, МПа;
DСП– средний диаметр прокладки, мм.
Qg= 0,785 * 5102* 0,35 = 71462,5 Н.
Реакция прокладки в рабочих условиях:
Rn= π* DСП*bn*m*p; (126)
Где m= 2,5 – прокладочный коэффициент;
bn– ширина прокладки, мм.
Rn= 3,14*510*12*2,5*0,35 = 16814,7Н.
Нагрузка возникшая от температурных деформаций:
Qt= 1/nt*(2*αф*h*tф– α6*lф*tф); (127)
Где αф, α6– температурный коэффициент линейного расширения материала, соответственно фланцев и болтов;
tф, tф– расчётная температура соответственно фланцев и болтов;    продолжение
--PAGE_BREAK--
η1– безразмерный коэффициент.
η1= Уn+ У6* Е6/Е620* 2Уф* Еф/Еф20*В2; (128)
где Е6;Е620– модуль продольной упругости материала болтов при температуре 20°С и расчётной в МПа;
Еф, Еф20— модуль продольной упругости материала болтов при температуре 20°С и расчётной в МПа;
Уn– линейная податливость прокладки, мм/Н;
У6 – линейная податливость болтов, мм/Н;
Уф – линейная податливость фланца, мм/Н;
В – плечо момента, мм.
Уn = h0* k/En * π * DСП * bn; (129)
Где h0– толщина прокладки, мм;
K – 0.9 – коэффициент обжатия;
En = 2*103 – условный модуль сжатия, МПа.
Уn = 2*0,9/2*103*3,14*510*12 = 0,468 * 10-7 мм/Н.
У6 = L6/E620 – f6*n; (130)
Где f6 = 225 мм – площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы;
N – число болтов;
L6 – расчётная блина болтов, мм.
L6 = L60 + 0,28*d; (131)
Где L60 – расстояние между опорными поверхностями гайки и болтами; L60 = 62 мм.
D – наружный диаметр болта, мм.
L6 = 62+0,28+20 = 67,6 мм;
У6 = 67,6/2,1*105*225*20 = 0,717*10-7 мм/Н;
Уф= (1 — ω(1 + 0,9*λ))*ψ2/(Е20 – h3); (132)
Где ψ2 = 6,9 – определяется по графику;
ω – безмерный параметр;
λ – безразмерный коэффициент.
λ = h/√D * SЭ; (133)
Где D – внутренний диаметр фланца, мм;
SЭ = 6 мм – эквивалентная толщина втулки.
λ = 25/√450*6 = 0,48;
ω = 1/(1+0,9* λ*(1+ ψ1*j2)); (134)
где ψ1 = 0,16 – определяется по графику;
j – безразмерный коэффициент.
j = h/S3; (135)
j = 25/6 = 4,17;
ω = 1/(1+0,9*0,48(1+0,16*4,172)) = 0,36;
Уф = (1-0,37(1+0,9*0,48))*6,9/(1,99*105-253) = 1,014*10-9мм/Н.
В = 0,5*(D6 – DСП); (136)
Где D6 – диаметр окружности расположения болтов, мм.
В = 0,5(550-510) = 29 мм.
η1 = 0,468*10-7+0,171*10-7*2,01*105/2,1*105*2*1,014*1,81*105/1,99*105*20 = 8,046*10-7.
Qt = 1/8,046*10-7*(2*12,6*10-6*25*200-11,9*10-6*67,6*194) = -4788,6 Н
Болтовая нагрузка в условиях монтажа, принимается большей из следующих значений:
Р61= α * Qg+ Rn – Qt; (137)
Р62 = 0.5*π*DСП*b*qобж; (138)
Р63 = 0 ,4 * [δ]620*n*f6; (139)
Где α – коэффициент жесткости фланцевого соединения.
α = 1 – (Уn– 2* Уф*b*l)/η; (140)
где l — плечо момента, мм.
L = 0.5(DСП – D — SЭ); (141)
L = 0.5(510 – 450 – 6) = 27 мм.
η – безразмерный коэффициент.
η = Уn + У6 * 2Уф *В2; (142)
η = 0,468*10-7+0,717*10-7+2*1,014*10-9*202 = 8,728 * 10-7;
α = 1-(0,468*10-7-2*1,014*10-9*202*27)/8,728*10-7 = 1,509;
В0= В = 12мм – эффективная ширина прокладки;
qобж – удельное давление обжатия прокладки, для плоской прокладки из паронита; qобж – 20МПа;
[δ]6 – допускаемое напряжение материала болтов при температуре 20°С, [δ]6 = 130МПа.
Р61 = 1,509*326685,6+76867,2+(-4788,6)=565047,17 Н;
Р62 = 0,5*3,14*510*12*20=192168 Н;
Р63 = 0,4*130*20*225=234000Н.
Принимаем болтовую нагрузку 565047,17 Н.
2.2.3.4 Расчёт крышки люка
Толщина крышки с дополнительным краевым моментом рассчитывается по формуле:
S1≥ S1P+ C; (143)
S1P= K* K6*DP*√P/φ[δ]; (144)    продолжение
--PAGE_BREAK--
Где S1 – исполнительная толщина крышки, мм;
С – суммарная прибавка к расчётной толщине стенки, мм;
С= С1 +С2; (145)
Где С1 – прибавка к расчётной толщине для компенсации коррозии, мм;
С2 – прибавка для компенсации минусового допуска, мм.
С = 2 + 0,8 = 2,8 мм
S1P – расчётная толщина стенки крышки, мм;
K0 – коэффициент ослабления плоских днищ отверстиями, т.к. отверстия отсутствуют, K0=1;
K6 – безразмерный коэффициент.
Значение коэффициента K6 определяется по формуле:
K6 = 0,41√1+3φ(D6/DСП -1)/( D6/DСП); (146)
Где ψ = 0,16 – коэффициент.
K6 = 0,41√1+3*0,16(550/510-1)/(550/510) = 0,403;
DР – расчётный диаметр днища, мм.
DР = DСП
[σ] – допускаемое напряжение материала крышки для стали 09Г2С при расчётной температуре 100°С, [σ] = 160 МПа.
φ – коэффициент прочности сварного шва, φ = 1.
S1P = 1*0,4*510*√1,6/1*160 = 20,4;
S1 ≥ 20,4+2,8 = 23,2 мм.
Принимаем толщину стенки S1 = 23мм.
Допускаемое давление для плоской круглой крышки с дополнительным краевым моментом определяется по формуле:
[P] = ((S1– C)/ K* K6*DP)2*[δ]*φ;(147)
[P] = ((23-2.8)/1*0.4*510)2*160*1 = 1.57 МПа;
[P] > P;
1.57 > 1 МПа
Условие выполняется.
Толщина плоской крышки с дополнительным краевым моментом в месте уплотнения определяют по формуле:
S2≥max {K2*√φ; 0.6/ DСП * φ }+C; (148)
Гдеφ = max{P6/[σ]P; P6М/[σ]М}; (149)
К2 – коэффициент, значение которого определяется по формуле:
К2 = 0,8*√ D6/ DСП – 1; (150)
К2 = 0,8*√550/510 – 1 = 0,22;
[σ]P – допускаемое напряжение для материала крышки в рабочем состоянии, [σ]P = 160МПа;
[σ]М – допускаемое напряжение для материала крышки в состоянии монтажа, при температуре — 20°С, [σ]М = 180МПа;
φ = 565047,17 = 3139,23 Н;
φ = 565047,17/160 = 3531,54 Н;
Принимаем φ = 3531,54 Н
S2 = 0.22*√3531.54│+2.8 = 15.87 мм;
S2 = 0,6/510*3531,54+2,8 = 6,95 мм.
Принимаем S2 = 16 мм.
3. Монтаж и эксплуатация оборудования
3.1 Требования к монтажу оборудования
3.1.1 Монтаж и эксплуатация компрессора
3.1.1.1 Подготовка фундамента.
До установки компрессора на фундамент поверхность бетона должна быть насечена зубилом для улучшения схватывания подливаемого цементного раствора с массивом фундамента. Колодцы для фундаментных болтов необ­ходимо очистить от мусора, а стенки колодцев — от грязи и пыли. Масляные пятна на фундаменте недопустимы, так как масло разрушает бетон и препятствует сцеплению цемента с бетоном. До установки компрессора необходимо завести фундаментные болты в колодцы фундамента, на деревянных брусьях поместить компрессор на фундамент так, чтобы было удобно направить фундаментные болты в отверстия рамы, и лишь после этого вынуть брусья из-под машины.
3.1.1.2 Установка компрессора.
С помощью установочных винтов компрессор монтируют строго в горизонтальной плоскости, выверив по уровню в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Выверку производят при помощи точного металлического уровня, показания которого проверяют установкой его на одно и то же место с поворотом на 180°. В обоих случаях исправный уровень должен дать одни и те же показания.
При монтаже компрессора (одноступенчатые машины) уровень располагается на месте клапанной крышки вертикального цилиндра. Место под установку уровня необходимо тщательно очистить.
Допуск на отклонение от горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях равен 0,02 мм на длине 1 м.
Зазор между рамой и фундаментом, определяющий толщину цементной заливки, должен быть не менее 30—40 мм, так как при меньшей толщине даже после непродолжительной работы могут появиться трещины и скалывания.
Фундаментные болты затягивают после полного затвердения цемента. При заливке колодцев с установленными фундаментными болтами жидким раствором цемента с содержанием 2—3 частей песка затяжка производится через четверо суток.
3.1.1.3 Изготовление и установка опалубки для заливки рамы.
При установке опалубки нельзя нарушать выверку компрессора. Опалубку нужно делать так, чтобы устранить всякую возможность утечки жидкого цементного раствора при заливке рамы. Для этого доски опалубки необходимо плотно пригнать к массиву фундамента и друг к другу. Заливка рамы жидким цементным раствором. Жидким раствором цемента, содержащим 2—3 части песка, сначала заливают колодцы под фундаментные болты, а затем раму. Густой раствор цемента для этой цели неприемлем, так как он не обеспечивает надежного сцепления с массивом фундамента, вследствие чего во время работы компрессора подливка может отстать от массива фундамента, дробиться и выкрашиваться. В цемент для заливки колодцев под фундаментные болты можно добавлять мелкий гравий (размером примерно 40X40 мм), который нужно смочить и хорошо перемешать в растворе. Для хорошей связи раствора поверхность фундамента и нижняя опорная поверхность рамы компрессора должны быть чистыми и не замасленными. В целях равномерного распределения раствора под рамой компрессора необходимо следить за тем, чтобы все пространство под рамой было заполнено раствором, для чего во время подливки нужно проталкивать цементный раствор во всех направлениях. Проталкивать и перемешивать раствор следует железными прутьями (из проволоки диаметром 5—6 мм) с крючками на концах. Заливке цементным раствором должно быть уделено, самое серьезное внимание, так как от ее качества зависит исправная и бесперебойная работа машины. Плохо выполненная заливка может стать причиной крупных неполадок и даже аварий. После окончания заливки необходимо вновь проверить правильность установки рамы с помощью, уровня. Если будет обнаружено, что компрессор установлен с отклонениями от требований инструкции, необходимо снять его с фундамента, удалить подлитый цементный раствор и подготовить фундамент для повторной установки компрессора. Чтобы обеспечить хорошее схватывание раствора с цементом фундамента и ускорить отвердение цемента, необходимо все работы на залитой раме прекратить на 5—в дней (в зависимости от качества цемента), и цемент 2—3 раза в день обильно поливать водой. Не разрешается окончательно затягивать фундаментные болты до полного отвердения цемента. Для предохранения фундамента от разъедания маслом, неизбежно попадающим на него во время эксплуатации, необходимо сразу же после снятия опалубки, т. е. через 5—8 дней, оштукатурить и окрасить фундамент масляной краской. При этом нужно предусмотреть наклон поверхности фундамента для стока масла. Все острые углы и грани фундамента необходимо закруглить во избежание скалывания.    продолжение
--PAGE_BREAK--
3.1.1.4 Установка холодильников и их соединение в компрессоре холодильники, устанавливаемые на фундаменты, должны быть соединены с цилиндрами компрессора и предварительно гидравлически испытанными газопроводами. Только после окончания сборки газопроводов можно приступить к подливке холодильников цементом. Иначе вследствие неточной пригонки во время работы машины могут возникнуть сильные вибрации холодильника и газопроводов.
Для предотвращения вибрации все трубопроводы должны быть подогнаны так, чтобы они свободно устанавливались на свои места, без каких-либо перекосов. При этом не следует отказываться от повторной сварки и даже от замены фланцев.
После пригонки и сборки газопроводов холодильники следует подлить цементом. Предварительно холодильник необходимо укрепить клином, чтобы он не висел на трубах, и сделать в нём выводы для продувки и спуска конденсата. Перед присоединением к компрессору всасывающего и нагнетательного трубопроводов нужно убедиться в отсутствии в газопроводах окалины, песка, различных металлических и шлаковых частиц от сварки и т.п. В случае загрязнения газопроводы следует продуть сильной струёй воздуха или очистить, протаскивая через них крепко связанную ветошь
3.1.1.5 Установка сливной воронки и подводка к ней трубопроводов.
Водосливные трубы легко разбираются и имеют уклон в сторону слива не менее 1:100. Трубы в траншеях следует закреплять на кронштейнах; расстояние между трубами должно обеспечивать легкую разборку любого участка трубопровода, что особенно важно при прочистке труб от засорений. Плотность соединений трубопровода проверяется до испытания компрессора.
3.1.1.6 Промывка лубрикатора.
Снять с лубрикатора верхнюю крышку, промыть его резервуар изнутри керосином и протереть. Промыть снаружи весь механизм насоса, залить лубрикатор чистым фильтрованным маслом.
Прокачивание трубок маслопровода в системе смазки высокого давления маслом из лубрикатора. Отсоединить трубки от обратных клапанов и прокачать их маслом из лубрикатора. Прокачивание маслом, наряду с проверкой герметичности трубой маслопровода обеспечивает их очистку. Кроме того, трубки, заполненные маслом, немедленно после пуска машины начинают питать маслом все смазываемые точки. После сборки маслопроводов необходимо залить масло в раму компрессора, до верхней риски маслоуказателя. Заливать следует только хорошо профильтрованное масло, так как загрязненное масло может служить причиной возникновения различных неполадок.
Проверка клапанов. Произвести внешний осмотр каждого клапана в соответствии с инструкцией завода-изготовителя.
Монтаж прочего оборудования. Проверить, установлены ли ограждения и закрыты ли колодцы и траншеи соответствующими перекрытиями.
Установить на компрессор вспомогательное оборудование (манометры, вентили, краны, предохранительные клапаны, реле давления и пр.) и сделать необходимые подводки. На всасывающем трубопроводе обязательно установить чистые воздушные фильтры.
3.1.2 Монтаж и эксплуатация газосепаратора
При приёмке аппарата в монтаж он должен быть подвергнут наружному осмотру без разработки аппарата, при этом проверяются:
— комплектность аппарата по ведомости комплектности поставки или заводским спецификациям;
соответствие аппарата рабочим чертежам, требованиям ПБ 10-115-96 и ОСТ 26 291-94;
— отсутствие повреждений или поломок, трещин и других видимых дефектов;
наличие ответных фланцев, рабочих прокладок и крепежных деталей;
наличие заглушек у штуцеров, пробок и бобышек, предохраняющих аппарат от загрязнений, а уплотнительные поверхности фланцев от повреждений:
качество лакокрасочных покрытий, наличие маркировки и консервации (для аппаратов из углеродистых и низколегированных марганцовистых и марганцевокремнистых сталей);
наличие на вертикальном аппарате по две контрольных метки (риски) вверху и внизу обечайки под углом 90° на аппарате, не подлежащем теплоизоляции, а на аппарате, подлежащем теплоизоляции;
— специальных приспособлений по ОСТ 36-18 для выверки вертикальности его на фундаменте;
— наличие на вертикальном аппарате на нижней части корпуса монтажных меток (рисок), фиксирующих в плане главные оси аппарата, для выверки проектного положения его на фундаменте;
— наличие на вертикальном или горизонтальном аппарате отметок (знаков) указывающих положение центра масс;
— наличие на вертикальном аппарате отличительной окраски строповых устройств, а на горизонтальном аппарате отличительной окраски мест расположения строп;
— наличие накладок под площадки обслуживания и деталей для крепления теплоизоляции для аппаратов подлежащих теплоизоляции;
При поставке горизонтального аппарата со снятыми опорами или опорными лапами, вертикального аппарата со снятыми стойками и срезанными сегментами цилиндрической опора приварка их должна производиться на месте монтажа предприятием-изготовителем или привлеченной владельцем аппарата монтажной организацией, имеющей лицензию органов Ростехнадзора России на выполнение этих работ.
Аппарат, поставляемый с временной противокоррозионной защитой внутренней поверхности, перед монтажом должен быть расконсервирован способом, указанным в паспорте аппарата.
Отбраковка аппарата производится в соответствии с «Инструкцией по техническому надзору, методам ревизии и отбраковке трубчатых печей, резервуаров, сосудов и аппаратов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств», ИТН-93.
Монтаж аппарата должен производиться в соответствии с проектом производства монтажных работ, разработанным специализированной монтажной организацией.
При производстве работ по монтажу аппарата и трубопроводов должны выполняться требования СНиП — 3.05.05 «Строительные нормы и правила. Технологическое оборудование и технологические трубопроводы».
При установке вертикального аппарата в проектное положение отклонение от вертикальности должно быть не более 0,1% от высоты аппарата, но не более 10 мм.
Установка аппарата на фундамент должна осуществляться при минимальном выпуске регулировочных винтов.
До окончания затяжки гаек фундаментных болтов не разрешается проводить работы, которые могут вызвать смещение аппарата.
Обвязка аппарата технологическими трубопроводами должна исключать передачу нагрузок на штуцеры аппарата.
Перед сборкой фланцевых соединений аппарата необходимо провести проверку сертификата на крепежные детали и прокладки для установления соответствия материала требованиям чертежей и маркировке завода-изготовителя, а также соответствия шпилек, гаек и прокладок условиям эксплуатации.
Перед установкой шпильки и гайки должны быть тщательно проверены на качество изготовления, при этом резьба должна быть чистой, без задиков, заусенцев, царапин и срывов, а поверхности не нарезанной части шпилек -гладкой.
Гайка, навернутая на резьбу шпильки, не должна иметь слабины (шатаний, качаний) и должна навертываться на всю резьбу вручную с небольшим усилием.
Торцы гаек должны плотно прилегать к опорной поверхности фланцев по всей поверхности.
Перед сборкой фланцевых соединений произвести тщательный осмотр уплотнительной поверхности фланцев. Риски, забоины и другие дефекты не допускаются. Проверить размеры и состояние прокладки, а также соответствие её с размерами уплотнительных поверхностей стыкуемых фланцев. Паронитовые прокладки перед установкой натереть с обеих сторон сухим графитом.
Во избежание прилипания спирально-навитых прокладок при разборке фланцевого соединения на уплотнительные поверхности фланцев нанести порошок графита.
Перед затяжкой шпилек убедиться в правильности установки прокладки, в наличии полного комплекта шпилек в отверстиях фланцев и в том, что выступ фланца вошел во впадину ответного фланца. Перекос фланцев, а также неполный комплект шпилек не допускаются.
Завертывание гаек при сборке фланцевых соединений производить стандартными ключами с контролем усилия затяжки. Пользование удлинителями ключей не допускается.
Затяжка шпилек производится равномерно в 3-4 приема и в последовательности, схематически представленной на эскизе
/>
Рисунок 1 – Последовательность затяжки шпилек
Через 2 часа после затяжки шпилек их дополнительная подтяжка с обеспечением одинакового условия на каждой шпильке.
Подтяжка шпилек во время работы под нагрузкой во время проведения гидравлических испытаний не допускается.
Спирально-навитые прокладки рекомендуется сжимать до толщины на 25-30% меньше первоначальной.
Прокладки толщиной 3,2 мм должны быть сжаты до 2,2-2,5 мм, толщиной 4,5 мм – до 3-3,4 мм.
Затяжка шпилек производить в 3-4 раза приёма с проверкой зазора между фланцами щупом.
Отвертывание гаек при разборке фланцевых соединений производится также равномерно в 3-4 приема и в последовательности схематически представленной на эскизе.
При этом производится осмотр фланцев, прокладки и крепежа с целью выявления дефектов.
Каждая разборка фланцевого соединения, выявленные дефекты и способы их устранении должны быть зарегистрированы в паспорте аппарата. При монтаже аппарата должны выполняться требования безопасности и требования по снабжению аппарата предохранительным клапаном, приборами КИП и А, указателями уровня, уровнемерами и средствами автоматического контроля и регулирования уровня жидкой фазы согласно настоящей инструкции и технологической документации.
По окончании монтажа должно быть составлено удостоверение о качестве монтажа, подписанное руководителями монтажной организации и организации владельца аппарата, и скреплено печатями этих организаций.
Содержание удостоверения о качестве монтажа должно соответствовать «Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.
Перед монтажом аппарат должен быть проверен на герметичность в соответствии с „Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением“, ГОСТ 26291 — 94.
Выверка положения аппарата в пространстве (горизонтальность, вертикальность, уклон) должна производиться с помощью регулировочных устройств или подкладных листов.
Установка аппаратов на фундамент должна осуществляться при минимальном выпуске регулировочных винтов.
Обвязка аппарата технологическими трубопроводами должен исключать передачу нагрузок на штуцера аппарата.
Аппараты подлежат теплоизоляции из условий: теплопотерь требований техники безопасности, предотвращения конденсации влаги.
Толщина и тип теплоизоляции должны приниматься согласно требованиям технической документации проектной организации, осуществляющей привязку аппарата.
Теплоизоляция должна выполняться специализированной организацией в соответствии с утвержденным проектом работ после завершения гидравлических и других испытаний аппарата.