АППАРАТ ЕМКОСТНОЙВКЭ1 – 1 – 5 – 1,0
1.Назначение и описание конструкции аппарата
Аппаратемкостной ВКЭ1–1 – 5 – 1,0 предназначен для приема, хранения и выдачи жидких игазообразных сред при условном давлении в аппарате 1 МПа.
Выдача жидкихсред может осуществляться как самотеком, так и передавливанием среды сжатымвоздухом, технологическим или инертным газом.
Условноеобозначение аппарата [1]:
В-вертикальный;
К – с нижнимконическим днищем;
Э – с верхнимэллиптическим днищем;
1 –цельносварной (без разъема);
1 – безрубашки;
5 –номинальный объем 5 м3;
1,0 –условное давление 1 МПа.
Аппаратпредставляет собой цельносварной цилиндрический сосуд с нижним эллиптическим иверхним коническим отбортованными днищами с технологическими штуцерами иштуцерами для присоединения контрольно-измерительных устройств. Обозначение иназначение штуцеров, их условный проход и условное давление приведены в таблицештуцеров на чертеже общего вида аппарата.
Аппаратоборудован люком для осмотра внутренней поверхности аппарата, его чистки иремонта.
Аппаратустанавливается на опорные лапы. На корпусе аппарата имеются две цапфы длястроповки аппарата. Схема строповки приведена на чертеже общего вида аппарата.
Аппараттеплоизолирован, втулки для крепления теплоизоляции размещаются согласно ГОСТ17314–81.
Конструкциейаппарата предусмотрена возможность заземления его во время эксплуатации.
2. Выборосновных конструкционных материалов
Материалы дляизготовления корпуса аппарата выбираются с учетом свойств рабочей среды ваппарате, давления и температуры [1].Для взрывоопасной, пожароопасной, вредной среды 2 класса опасности при условномдавлении в аппарате 1 МПа и рабочей температуре 220 °Сдля изготовления корпуса аппарата принята сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–72.
Сталь12Х18Н10Т относится к высоколегированным коррозионностойким, жаропрочным ижаростойким сталям аустенитного класса.
Состав стали12Х18Н10Т: 0,12% углерода; 18% хрома; 10% никеля и не более 1,5% титана.
Сталь12Х18Н10Т применяется для изготовления корпусов, днищ, фланцев и других деталейдля сред, не вызывающих межкристаллитной коррозии. Температурные пределыприменения от – 253 °С до + 610 °С без ограничения по давлению.
Материал трубдля изготовления патрубков штуцеров – сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–72 [5],материал трубопроводных фланцев – сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–72 [3].
Обечайка люкаизготавливается из листового проката из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, фланецлюка – 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–72 [3].
Материал крепежныхизделий (болтов и гаек) по рекомендациям [3] для фланцев штуцеров из коррозионностойких сталей – 12Х18Н10Т ГОСТ5632–72.
Материалкрепежных изделий для фланцевого соединения люка по рекомендациям [3]:болтов и гаек – 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–72.
Материалпрокладок – паронит ПОН 2,0 ГОСТ 481–80.
Материалопорных лап и цапф для строповки – сталь Ст3сп5 ДСТУ 2651–94.
3. Расчетына прочность, жесткость и устойчивость
3.1. Исходныеданные
3.1.1. Расчетная температура
Рабочаятемпература в аппарате 220 °С. За расчетнуютемпературу принято наибольшее значение температуры стенки t= 220 °С.
3.1.2Допускаемые напряжения
Допускаемыенапряжения при расчетной температуре />/> и при температуре 20 0С/> для элементов аппаратаприведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Материал
элемента
аппарата Допускаемые напряжения, МПа
/>
/> Сталь 12Х18Н10Т (корпус, фланцы, патрубки) 184 157,5 Сталь 12Х18Н10Т (болты) 110 97
Допускаемыенапряжения определены по пособию [2].
3.1.3Рабочее, расчетное и пробное давления
Рабочеедавление в аппарате при температуре среды 220 °С/>= 0,85 МПа.
Давление приполном открытии предохранительного клапана
/>= 1,15 />, (1)
/> = 1,15 ·0,85 = 0,977 МПа.
Элементыаппарата должны рассчитываться на давление, составляющее 90% давления приполном открытии клапана
0,9/> = 0,9 ·0,977= 0,88 МПа.
Гидростатическоедавление среды с учетом высоты штуцера перелива, МПа
/>, (2)
где rс – плотность среды, кг/м3;
g – ускорение свободногопадения, м/с2;
Нс – высота столба жидкостив аппарате, м.
Н = h+ h ш+ К3, (3)
где h– высота цилиндрической части аппарата, м [1];
h ш – высота штуцераперелива, м;
К3 — высота конического днища со штуцером выхода среды, м.
Н = 1,8 +0,05 + 1,035 = 2,885 м.
/> = 2000 ·9,81·2,885×/> = 0,057 МПa.
Гидростатическоедавление в аппарате составляет более 5% от рабочего давления
0,057 МПа> 0,05 · 0,85 = 0,0425 МПа,
поэтому придальнейших расчетах учитывается.
Расчетноедавление
Р = 0,88 +0,057 = 0,937МПа.
Принимаемрасчетное давление Р = 0,94 МПа.
Пробноедавление, при котором проводится испытание аппарата
Рпр =1,25×Р×/>. (4)
Рпр=1,25·0,99·/> = 1,37 МПа.
Расчетноедавление при испытании Ри равно пробному давлению, так как гидростатическоедавление воды при испытании составляет менее 5% от пробного давления
/>, (5)
где Нв– высота столба воды в аппарате при испытании, м.
Определяемвысоту от фланцевого разъема штуцера выхода среды до фланцевого разъема люкакак общую высоту аппарата за вычетом высоты крышки с ручкой и болтов
/> м.
/> МПа.
0,037 МПа
Расчетноедавление при испытании Ри равно пробному давлению, так какгидростатическое давление воды при испытании составляет менее 5% от пробногодавления. При выполнении условия
Ри£ 1,35×Р×/>, (6)
расчетаппарата на прочность в условиях испытания проводить не требуется.
1,37 =1,48;
1,37 МПа
Условие (6)выполняется, следовательно, расчет на прочность производим только для рабочихусловий.
3.1.4Коэффициент прочности сварных швов
Коэффициентпрочности сварных швов jР определяется в зависимости от группы аппарата попособию [2].
При расчетномдавлении 0,94 МПа и расчетной температуре 220 °С для взрывобезопасной,пожаробезопасной, вредной рабочей среды 2 класса опасности по пособию [2] определяем группуаппарата – 1.
Для аппаратов1 группы длина контролируемых швов составляет 100% от общей длины швов.
Для стыковыхшвов с двусторонним сплошным проваром, выполняемых автоматической иполуавтоматической сваркой коэффициент прочности сварных швов jР = 1.
3.1.5Прибавки к расчетным величинам конструктивных элементов
Прибавка длякомпенсации коррозии С1 принята исходя из максимально допускаемойскорости проникновения коррозии со стороны рабочей среды П = 0,05 мм/год.
Для элементовкорпуса, подверженных коррозии со стороны рабочей среды, прибавка на коррозиюсоставит
С1 =П ×t = 0,05× 20 = 1 мм.
Прибавки С2для компенсации минусового допуска принимаются в зависимости от толщинылистового проката [2].Прибавку С2 учитываем в том случае, когда ее значение превышает 5%от номинальной толщины листа. Общую прибавку к расчетным толщинам определяем поформуле
С = С1+ С2. (7)
3.2 Расчетцилиндрической обечайки
Расчеттолщины стенки обечайки от действия внутреннего давления
Расчетнаятолщина стенки />, мм
/>, (8)
где P – расчетное внутреннееизбыточное давление, МПа;
D –внутренний диаметр обечайки, мм.
/> мм.
Исполнительнаятолщина стенки
S ³ SР + С, (9)
где
С = С1+ С2 = 1 + 0,8 = 1,8 мм.
S ³ 4,79 + 1,8 = 5,63 мм.
С учетомстандартной толщины листа принимаем исполнительную толщину стенки обечайки S =8 мм.
Допускаемоевнутреннее давление
/>, (10)
/> МПа.
Проверкаусловия прочности по внутреннему давлению
/>, (11)
0,94 МПа
Условиепрочности выполняется.
3.2.2Проверка условийприменения расчетных формул
Полученное врезультате расчетов значение S должно удовлетворять условию
/>, (12)
/>
Условие (12)выполняется.
3.3Расчетэллиптического днища
3.3.1Расчеттолщины стенки днища
Расчетнаятолщина днища />, мм
/>, (13)
где R –радиус кривизны в вершине днища, мм.
R = D = 1000 мм.
/> мм.
Исполнительнаятолщина днища
/>, (14)
где
С = С1 +С2 = 1 + 0,8 = 1,8 мм.
/>мм.
Принимаем /> = 8 мм.
3.3.2Определениедопускаемого давления
Допускаемоедавление для принятого значения S1
/>, (15)
/>МПа.
Проверкаусловия прочности по формуле (11)
0,94 МПа
3.3.3Проверка условий применения расчетных формул
Полученное врезультате расчета значение толщины S1 должно удовлетворять условию
/>, (16)
/> />
0,002
Условие (16)выполняется.
3.4 Расчетконического днища
3.4.1Расчет толщины стенки днища
По пособию [2] для коническогоотбортованного днища внутренним диаметром D = 1600 мм и углом при вершинеконуса 2a = 90° радиус отбортовки составляетr = 200 мм.
Расчетныйдиаметр гладкой конической обечайки
/>, (17)
где а1– расчетная длина переходной части, мм.
/>. (18)
Исполнительнаятолщина стенки тороидального перехода SТ для предварительногорасчета принята равной исполнительной толщине стенки цилиндрической обечайки S.
SТ= S = 8 мм.
/> мм.
/> мм.
Расчетнаятолщина стенки />, мм
/>, (19)
где /> – расчетный коэффициентпрочности сварных швов.
Длясоединения с тороидальным переходом
/>, (20)
где /> — коэффициент прочностикольцевого сварного шва.
/>
/>
/> мм./>
Исполнительнаятолщина конического днища
/>, (21)
/> мм.
/> = 8 мм.
Полученное врезультате расчета значение /> совпадает со значением />, принятым дляпредварительного расчета.
Окончательно,исполнительная толщина конического днища, нагруженного внутренним избыточнымдавлением, /> = 8 мм.
Допускаемоевнутреннее давление
/>, (22)
/>МПа.
Проверкаусловия прочности по формуле (11)
0,94 МПа
3.4 Расчетсоединения обечаек с тороидальным переходом
Длястандартного конического днища [2] толщина стенкитороидального перехода
/> 8 мм.
Допускаемоевнутреннее или наружное давление из условия прочности переходной части
/>, (23)
где /> – коэффициент формы.
/>, (24)
где
/>; (25)
/>, (26)
Вычисляемкоэффициенты формы:
/>
/>
/>.
Допускаемоевнутреннее и наружное давление по формуле (23)
/> МПа.
Проверкаусловия прочности по формуле (11)
0,94 МПа
Условие прочностивыполняется.
Расчетсоединения штуцера с конической обечайкой
Расчетнаятолщина стенки штуцера
/>, (27)
где /> – коэффициент формы;
/> — коэффициент прочностисварного шва, для штуцера /> = 1;
d – внутренний диаметрштуцера, мм.
Внутреннийдиаметр штуцера определяем по наружному диаметру и толщине стенки патрубкаштуцера.
/>, (28)
где /> – наружный диаметр трубы.
Для трубы Æ 159´6
d = 159 – 2 × 6 = 147 мм.
Коэффициентформы
/>. (29)
Коэффициент /> определяется в зависимостиот отношения
/>, (30)
где c – отношение допускаемыхнапряжений при расчетной температуре материала днища и штуцера
/>. (31)
Для штуцераиз стали 12Х18Н10Т /> МПа.
/>,
/>
тогда
/>. (32)
Коэффициент /> определяется по формуле
/> (33)
/>
Коэффициент /> определяем по формуле(32), а /> – по формуле (29):
/>
/>
Расчетнаятолщина стенки штуцера по формуле (44)
/> мм.
Толщинастенки штуцера с учетом прибавки к расчетной толщине
/>мм
Выбраннаяпредварительно труба Æ 159´6 удовлетворяет условиюпрочности.
Допускаемоевнутреннее избыточное давление из условия прочности
/>, (34)
/> МПа.
Проверкаусловия прочности по формуле (16)
0,94 МПа
Условиепрочности выполняется.
3.5 Расчетукрепления отверстий
3.5.1Расчетдиаметра одиночного отверстия, не требующего укрепления
Расчетныйдиаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления, при наличии избыточнойтолщины стенки сосуда
/>, (35)
где /> – расчетная толщинаукрепляемого элемента, мм;
где /> – расчетная толщинаукрепляемого элемента, мм;
S –исполнительная толщина укрепляемого элемента, мм;
С – суммаприбавок к расчетной толщине, мм;
/> – расчетный диаметрукрепляемого элемента, мм.
Дляцилиндрической обечайки корпуса /> = D =1600 мм,
/>мм.
Для верхнегоэллиптического днища аппарата
/>, (36)
где х –расстояние между осями днища и штуцера, мм.
Для штуцеровБ, Д, Е, Ж, И, К, Л при х = 580 мм
/> мм.
Расчетнаятолщина эллиптического днища в месте расположения штуцеров
/>. (37)
/>мм.
/>мм.
Для люка Апри х = 360 мм
/>/>мм.
Расчетная толщинаэллиптического днища в месте расположения люка
/> мм.
/> мм.
3.5.2Проверканеобходимости укрепления отверстий
Отверстие нетребует укрепления, если выполняется условие
/>, (38)
где /> – расчетный диаметротверстия.
Для штуцераперелива Г и штуцера выхода среды В2 (dУ = 150 мм), расположенныхна цилиндрической обечайке, ось которых совпадает с нормалью к поверхности,расчетный диаметр
/>, (39)
где d –внутренний диаметр штуцера, мм;
СS – сумма прибавок красчетной толщине стенки штуцера, мм.
Расчетнаятолщина стенки штуцера
/>, (40)
где Р –внутреннее избыточное давление, МПа;
СS- сумма прибавок красчетной толщине стенки штуцера, мм;
/> – допускаемое напряжениематериала штуцера при расчетной
температуре,МПа;
/> – коэффициент прочностисварных швов (для труб />= 1).
Для стали12Х18Н10Т /> = 157,5 МПа [2].
Для штуцеровГ и В2 принята труба Æ 159´6 [5].
/> мм.
Исполнительнаятолщина стенки нагруженной части штуцера
/>, (41)
где
СS = CS1 + CS2. (42)
При расчететолщины стенки штуцера прибавка для компенсации коррозии СS1 принимается равнойприбавке С1, используемой в предыдущих расчетах.
Прибавка длякомпенсации минусового допуска СS2 для труб принимается равной 15% от толщиныстенки трубы.
СS = 21+ 0,15×6 = 1,9 мм.
S1 ³ 0,45 + 1,9 = 2,35 мм.
Расчетныйдиаметр
/> = 147 + 2×1,9 = 150,8 мм.
150,8 мм
Штуцера Г и В2требуют укрепления, т. к. не выполняется условие (38).
Для смещенныхштуцеров входа среды Б и передавливания среды Д(dУ = 80 мм), расположенныхна верхнем эллиптическом днище, принята труба Æ 89´4.
Расчетныйдиаметр для смещенных штуцеров на эллиптическом днище
/>, (43)
/>
95,15 мм
Условиевыполняется, т.е. штуцера не требуют укрепления.
Для штуцеровЕ, Ж, И, К, Л (dУ = 50 мм). расположенных на верхнем эллиптическомднище аппарата принимаем трубу Æ 57´3.
/> мм.
Толщинастенки наружной части штуцера
S1³ 0,16 + 1,45 = 1,61 мм.
/>мм.
Условие (20)выполняется:
60,9 мм
т.е. штуцераЕ, Ж, И, К, Л не требуют укрепления.
Для люка А,расположенного на верхнем эллиптическом днище аппарата, расчетная толщинастенки обечайки люка по формуле (40)
/> мм,
S1 ³ 1,5 +1,8 = 3,3 мм
Для люков наусловное давление 1,0 МПа рекомендуется толщина стенки обечайки S1 =8 мм [6].
Расчетныйдиаметр для люка, как смещенного штуцера на эллиптическом днище
/>мм.
Люк А требуетукрепления, т. к. условие (20) не выполняется:
519,3 мм>164,3 мм.
3.5.3Расчет укрепления люкаУсловиеукрепления одиночного отверстия
/> (44)
Расчетныевеличины, входящие в условие укрепления определяем по приведенным нижеформулам.
Расчетнаядлина внешней части люка
/>, (45)
где /> – высота обечайки люка надднищем, мм.
/>мм.Расчетная длина внутренней части люка /> = 0.
Расчетнаяширина зоны укрепления
/>, (46)
где
/>, (47)
/>мм;
Расчетныйдиаметр
/>, (48)
/>мм;
Отношениядопускаемых напряжений:
для внешнейчасти люка
/>; (49)
длянакладного кольца
/>; (50)
длявнутренней части люка
/>, (51)
где /> — допускаемое напряжениематериала внешней части люка при расчетной температуре, МПа;
/> — допускаемое напряжениематериала накладного кольца при расчетной температуре, МПа;
/> — допускаемое напряжениематериала внутренней части люка при расчетной температуре, МПа.
Так как люк,накладное кольцо и укрепляемый элемент (эллиптическое днище) выполнены изодного материала, то
/>
Рекомендуемымвариантом укрепления является укрепление без использования накладного кольца. Вэтом случае толщина накладного кольца S2 принимается равной нулю.
Условиеукрепления люка без использования накладного кольца
69,8×(8 – 1,5 – 1,8)×1 + 0 + 0 + 135,2×(8 – 4,4 – 1,8) ³ 0,5×(519,3 – 54,1)×4,4;
571
Условиеукрепления (44) не выполняется.
Прииспользовании для укрепления накладного кольца площадь сечения накладногокольца приближенно определяется как разность:
1024 – 571 =453 мм2.
При толщиненакладного кольца S2 = 8 мм минимальная ширина накладного кольца/> мм, принимаем /> = 60 мм.
Расчетнаяширина накладного кольца
/>, (52)
/>мм.
Условиеукрепления с учетом накладного кольца выполняется
571 + 8×60×1 ³ 1051 (мм2),
1051 >1024 (мм2).
Допускаемоевнутреннее избыточное давление определяем при значении коэффициента/>для эллиптического днища.Коэффициент понижения прочности определяем по формуле
/>
/>МПа.
Проверяемусловие прочности
/>,
/>(МПа).
Условиепрочности выполняется.
Расчетукрепления штуцеров Г и В2
Расчетнаядлина внешней части штуцеров
/>мм.Расчетная длина внутренней части штуцера /> = 0.
Расчетнаяширина зоны укрепления
/>мм;
Расчетныйдиаметр
/>мм;
Отношениядопускаемых напряжений:
/>
Условиеукрепления штуцеров без использования накладного кольца
31,1×(6 – 0,45 – 1,9)×1 + 0 + 0 + 99,6×(8 – 4,78 – 1,8) ³ 0,5×(150,8 – 39,8)×4,78;
254
Условиеукрепления (44) не выполняется.
Прииспользовании для укрепления накладного кольца площадь сечения накладногокольца приближенно определяется как разность:
266 – 254 =12 мм2.
Приминимальной толщине накладного кольца S2 = 6 мм принимаемширину накладного кольца /> = 40 мм.
Расчетнаяширина накладного кольца
/>мм.
Условиеукрепления с учетом накладного кольца выполняется
254 + 6×40×1 ³ 494 (мм2),
494 > 266(мм2).
Допускаемоевнутреннее избыточное давление определяем при значении коэффициента /> для эллиптического днища.Коэффициент понижения прочности определяем по формуле
/>
/>МПа.
Проверяемусловие прочности
/>,
/>(МПа).
Условиепрочности выполняется.
3.5.4 Учетвзаимного влияния отверстий
Отверстие считаетсяодиночным, если расстояние между наружными поверхностями близлежащих штуцеровудовлетворяет условию
/>, (53)
где b –фактическое расстояние между наружными поверхностями близлежащих
штуцеров, мм;
/> и /> – расчетные диаметрыукрепляемого элемента по центрам укрепляемых отверстий, мм;
S – толщинаукрепляемого элемента, мм;
С – суммаприбавок к толщине укрепляемого элемента, мм.
Расстояниемежду двумя близлежащими штуцерами Б и Ж (Д и К) на верхнем эллиптическом днищеаппарата (рис. 1) определяем по теореме косинусов:
/> (54)
/>мм.
Расчетныедиаметры
/> = /> = 2491 мм.
Проверяемусловие (53)
/> мм.
Условие (53)не выполняется:
227,2 мм
следовательно,отверстия являются взаимовлияющими.
Расстояниемежду штуцерами Е и Ж
/>мм.
Условие (53)не выполняется:
243,2 мм
/>мм.
Проверяемусловие (53):
для штуцера Б
/> = 2491 мм;
для люка А
/> = 2947 мм;
/>;
380,1 мм> 259 мм.
Условие (53)выполняется, т.е. отверстия не являются взаимовлияющими.
Расчетперемычки между штуцерами
Допускаемоедавление для перемычки
/>, (55)
где /> = 2 – для выпуклых днищ;
V –коэффициент понижения прочности.
/>, (56)
где />= 1 для выпуклых днищ.
Расчетныевеличины для определения коэффициента понижения прочности определяем поприведенным ниже формулам.
Для штуцеровЕ и Ж:
Расчетнуюдлину внешней части штуцеров определяем по формуле (45)
/>мм.
Расчетнаяширина укрепляющего кольца
/>. (57)
Отношениядопускаемых напряжений
/>=1.
Расчетнаядлина внутренней части штуцера
/>. (58)
Расчетныедиаметры отверстий
/> = 60,9 мм.
Расчетныедиаметры укрепляемого элемента
/> 2491 мм.
Коэффициентпонижения давления для перемычки
/>
Допускаемоедавление для перемычки
/>МПа.
Проверяемусловие прочности
0,94 МПа
Условиепрочности выполняется. Перемычка не требует дополнительного укрепления.
Для штуцеровЖ и Б:
Расчетнуюдлину внешней части штуцеров определяем по формуле (45)
/> мм; />мм.
Расчетнаяширина укрепляющего кольца
/>. (59)
Отношениядопускаемых напряжений
/>=1.
Расчетнаядлина внутренней части штуцера
/>. (60)
Расчетныедиаметры отверстий
Расчетныедиаметры отверстий
/>60,9 мм, />мм.
Расчетныедиаметры укрепляемого элемента
/> 2491 мм.
Расчетперемычки между люком и штуцером
Коэффициентпонижения давления для перемычки
/>
Допускаемоедавление для перемычки
/>МПа.
Проверяемусловие прочности
0,94 МПа
Условиепрочности выполняется. Перемычка не требует дополнительного укрепления.
3.6Расчетфланцевого соединения люка
3.6.1Определение расчетных параметров
По расчетномудавлению 0,94 МПа и расчетной температуре 220 °С для аппарата 1 группыпринимаем плоский приварной фланец из стали 12Х18Н10Т с уплотнительной поверхностьютипа шип-паз на условное давление 1,0 МПа [3].
Расчетнаятемпература изолированного фланца [3]:
tф= t = 220 °С.
Расчетнаятемпература болтов
tб=0,97×t, (61)
tб = 0,97×220 = 213,4°C.
Допускаемоенапряжение для материала болтов (Сталь 12Х18Н10Т) при расчетной температуреопределяем по методическим указаниям [3]:
/> МПа.
Допускаемыенапряжения для материала фланца в сечении S0:
в рабочихусловиях
/>, (62)
где /> — минимальное значениепредела текучести и временного
сопротивления(предела прочности) материала фланца при
расчетнойтемпературе,
/> МПа;
в условияхзатяжки
/>, (63)
где /> — минимальное значениепредела текучести и временного
сопротивления(предела прочности) материала фланца при
температуре20°С,
/> МПа.
Расчетфланцевого соединения для условий испытаний не производится,
так каквыполняется условие (6)
1,37 МПа.
3.6.2. Определениевспомогательных величин
Эффективнаяширина прокладки
b0 = /> при /> £ 15 мм, (64)
где /> – исполнительная ширинапрокладки.
Во фланцевомсоединении применяется прокладка из паронита исполнения 1 по стандарту [3]:
/> мм,
b0= 12,5 мм.
Линейнаяподатливость неметаллической прокладки, мм/Н
/>, (65)
где /> – толщина прокладки, мм [3];
/> – коэффициент обжатияпрокладки [3];
/> – условный модуль сжатияпрокладки, МПа [3];
/> — средний диаметрпрокладки, мм.
/> мм.
/>мм/Н.
Податливостьболтов, мм/Н
/>, (66)
где /> – расчетная длина болта,мм;
/> — модуль продольнойупругости материала болта при температуре
20 °С, МПа;
fб — площадь поперечногосечения болта по внутреннему диаметру резь-
бы, мм2;
n –количество болтов;
/> – расстояние междуопорными поверхностями гайки и головки болта, мм;
d – наружный диаметр болта,мм.
/> МПа; d = 20 мм; n = 24; fб = 225 мм2;
/>мм;
/> мм.
/> 1/Н×мм.
Эквивалентнаятолщина плоского приварного фланца
SЭ= S0= 8 мм.
Угловаяподатливость фланца
/>,
где
/>; (67)
/>; (68)
/>; (69)
/>; (70)
/>. (71)
/>
/>
/>
/>;
/>
/>1/Н×мм.
Угловаяподатливость плоской крышки
/>, (72)
где
/>, (73)
где /> – толщина плоской крышкисоответственно в зоне уплотнения и на наружном диаметре, мм [7].
/>; (74)
/>;
/>;
/> 1/Н×мм.
Плечимоментов сил, мм
/>, (75)
/> мм;
/>, (76)
/> мм.
Коэффициентжесткости фланцевого соединения с плоской крышкой
/>, (77)
где
/>. (78)
/>,
/>.
3.6.3Расчет нагрузок
Равнодействующаявнутреннего избыточного давления, Н
/>, (79)
/>Н.
Реакцияпрокладки в рабочих условиях, Н
/>, (80)
где m –коэффициент, определяемый по пособию [3].
/> Н.
Нагрузка,возникающая от температурных деформаций фланцевого соединения, Н
/>, (81)
Qt=/>, (81)
где
/>, (82)
/> – коэффициенты линейногорасширения материала фланца, крышки и болтов соответственно, 1/ °С [3].
/> 17,2 × 10-6 1/ °С;
/> = 17,14 × 10-6 1/ °С.
/>
/>
Болтоваянагрузка в условиях монтажа
Рб= max {Рб1; Рб2;Рб3}, (83)
где Рб1– болтовая нагрузка от совместного действия давления, осевой
сжимающейсилы и изгибающего момента, Н;
Рб2– болтовая нагрузка, необходимая для начального смятия прокладки, Н;
Рб3 — болтовая нагрузка из условия обеспечения прочности болтов, Н.
Рб1/>/>,(84)
где F –внешнее осевое усилие, Н;
М – внешнийизгибающий момент, Н×мм.
Рб1= 1,667 ×(2,236·105 + 0) + 5,08·104 = 4,248·105Н.
Рб2=/>, (85)
Рб2= 0,5×3,14×550,5×12,5×20 = 2,162·105Н.
Рб3= />, (86)
Рб3= 0,4 ×110 ×24 ×225 = 2,376·105Н.
Рб= Рб1 = 4,248·105 Н.
3.6.4Расчет болтов
Условиепрочности болтов:
в условияхмонтажа
/>, (87)
/> МПа
в рабочихусловиях
/>, (88)
где
/> – (89)
приращениенагрузки на болты в рабочих условиях,
DРб= (1 – 1,667)×(2,236·105 + 0) +1080= – 1,503·105 Н.
/> МПА
3.6.5Расчет прокладки
Условиепрочности мягких прокладок
/>/>, (90)
где /> – допускаемое удельноедавление на прокладку, МПа [3].
/> МПа
3.6.6Расчет фланца на прочность
Угол поворотафланца при затяжке соединения, рад.
/>, (91)
где /> – изгибающий момент отболтовой нагрузки, Н×мм.
/> H×мм,
/> рад.
Приращениеугла поворота фланца в рабочих условиях, рад.
/> , (92)
где
/>. (93)
/> Н×мм,
/> рад.
Меридиональныенапряжения в цилиндрической обечайке при затяжке фланцевого соединения дляплоских приварных фланцев, МПа:
на наружнойповерхности втулки
/> (94)
на внутреннейповерхности втулки
/> (95)
где
/>. (96)
/>, (97)
/>
/> МПа.
Приращениемеридиональных напряжений в цилиндрической обечайке в рабочих условиях дляплоских приварных фланцев, МПа:
на наружнойповерхности обечайки
/>, (98)
на внутреннейповерхности
/>, (99)
где
/>, (100)
/> МПа;
/>, (101)
/> МПа,
/> МПа,
/> МПа.
Окружныенапряжения в цилиндрической обечайке при затяжке соединения для плоскихприварных фланцев, МПа:
на наружнойповерхности обечайки
/>, (102)
на внутреннейповерхности
/>. (103)
/> МПа,
/> МПа.
Приращенияокружных напряжений в цилиндрической обечайке в рабочих условиях для плоскихприварных фланцев, МПа:
на наружнойповерхности обечайки
/>, (104)
на внутреннейповерхности
/>. (105)
/> МПа,
/> МПа.
Условиестатической прочности фланца:
при затяжкесоединения
/>, (106)
/> МПа,
в рабочихусловиях
/>, (107)
/>
442,4 МПа
Условиястатической прочности фланцевого соединения выполняются.
3.6.8Требованияк жесткости фланцевого соединения
Условиежесткости (герметичности) фланцевого соединения
/>, (108)
где /> – допускаемый уголповорота фланца, рад.
Для плоскихприварных фланцев в рабочих условиях /> = 0,013рад.
Проверкаусловия жесткости:
/>
Условиежесткости выполняется.
3.6.9Расчеткрышки люка
Расчетнаятолщина плоской круглой крышки с дополнительным краевым моментом
/>, (109)
где /> — коэффициент ослаблениякрышки отверстиями;
/> — безразмерныйкоэффициент;
/> — расчетный диаметркрышки, мм.
Расчетныйдиаметр крышки /> равен среднемудиаметру прокладки:
/>мм.
Коэффициентослабления для крышек без отверстий />
Коэффициент /> определяется по формуле:
/>, (110)
где /> – безразмерныйкоэффициент;
/> — диаметр болтовойокружности, мм.
/> мм.
/>, (111)
где /> — реакция прокладки, Н;
/> — болтовая нагрузка, Н;
/> — равнодействующаявнутреннего давления, Н.
/>;
/>;
/>
/>;
/>
Расчетнаятолщина крышки по формуле (109)
/>мм.
Исполнительнаятолщина крышки
/> (112)
где С1 — прибавка на коррозию.
/> мм.
Толщинаплоской крышки по стандарту [7] S1 = 26 мм.
Толщинаплоской крышки в месте уплотнения, мм
/>, (113)
где
/>, (114)
В формуле(114) индекс «р» указывает на то, что величина относится к рабочему состояниюили условиям испытания, индекс «м» – к условиям монтажа.
Болтоваянагрузка в рабочих условиях,
/>, (115)
/>Н,
Допускаемоенапряжение материала крышки в рабочих условиях
/> МПа.
Болтоваянагрузка в условиях монтажа
/> МПа.
Допускаемоенапряжение материала крышки в условиях монтажа
/> МПа.
/>
Коэффициент /> в формуле (93)
/>. (116)
/>
Толщинакрышки в месте уплотнения по формуле (113)
/> мм.
Окончательнотолщина крышки в месте уплотнения принята согласно стандарта [7]
S2 = 23 мм.
Толщинаплоской крышки на краю, мм
/>, (117)
/>мм.
Окончательнотолщина крышки в месте уплотнения принята согласно стандарта [7] S3 = 17 мм.
Допускаемоедавление для плоской крышки с дополнительным краевым моментом
/>, (118)
где С = С1– прибавка на коррозию, мм.
/> МПа.
0,94 МПа
Условиепрочности выполняется.
3.7 Выборопор
Аппаратустановлен на 4 опорных лапах.
Усилие,действующее на опорную лапу при обеспечении равномерного распределения нагрузкимежду всеми опорными лапами, Н
/>, (119)
где G – весаппарата в рабочих условиях, Н.
Массааппарата в рабочих условиях с учетом изоляции [1]:
m= 12150 кг.
Вес аппарата
/>, (120)
где g –ускорение свободного падения, м / с2.
G = 12150 × 9,81 = 1,192× 104 Н,
/>Н.
По пособию[4] принимаем сварные лапы с увеличенным вылетом для изоляции с допускаемой нагрузкойна опорную лапу 40000 Н.
Обозначение:Опорная лапа 3–40000 ГОСТ 26296–84.
Сварнаяопорная лапа с увеличенным вылетом для изоляции
/> = 270 мм; h = 525 мм;
/>= 300 мм; />= 535 мм;
d = 35 мм; /> = 8 мм.
/> = 320 мм;
3.8Выбор строповых устройств
Строповкааппарата осуществляется за две цапфы. Схема строповки приведена на чертежеобщего вида аппарата.
Массааппарата в условиях монтажа
/> кг.
Вес аппаратав условиях монтажа
/>, (121)
/> Н.
Усилие,действующее на одно строповое устройство
/>, (122)
где n – количество строповыхустройств.
/> Н = 10,15 кН.
Принимаемцапфу грузоподъемностью 20 кН из стали марки Ст3сп5 для аппарата с радиусомкривизны R= 750 мм [4]:
Цапфа3–1–20–750 Ст3сп5 ГОСТ 13716–73.
Выводы
Конструкцияаппарата, его основных сборочных единиц и расчеты выполнены в соответствии с действующей вхимическом машиностроении нормативно-технической документацией.
Расчетыаппарата на прочность, жесткость и устойчивость выполнены в полном объеме иподтверждают работоспособность разработанной конструкции аппарата.