Основы проектирования химических производств

РАСЧЕТ ТОЛСТОСТЕННЫХ АППАРАТОВ

В зависимости от назначения, условий и технологических особен­ностей изготовления используют различные конструкции толстостен­ных аппаратов — сосудов высокого давления (СВД).

Кованые СВД имеют монолитный корпус, изготовленный из одной поковки. Это определяет их небольшие размеры (диаметр 600...800 мм, длина — до 6 м). Их применяют чаше всего при повышенных давлени­ях (более 32 МПа), высоких температурах и в малотоннажных и опыт­ных производствах.

Кованосварные СВД имеют корпус из нескольких механически об­работанных кованых частей, соединенных между собой кольцевыми сварными швами. Максимальные размеры определяются технологи­ческими возможностями за вода-изготовителя.

Штампосварные и вальцованосварные СВД —сосуды, корпус ко­торых выполнен из нескольких штампованных или вальцованных обе­чаек (или полуобечаек), соединенных продольными и кольцевыми сварными швами.

Многослойные СВД с концентрически расположенными слоями выполняют из нескольких обечаек, состоящих из относительно боль­шого числа слоев. Обечайки сварены между собой и с концевыми элементами корпуса кольцевыми швами.

Рулонированный СВД имеет корпус из одной или нескольких мно­гослойных рулонированных обечаек, сваренных между собой и конце­выми элементами корпуса кольцевыми сварными швами.

Спирально-рулонный СВД — это сосуд, цилиндрическая часть кор­пуса которого получена навивкой на остов одной или нескольких полос по спирали под углом к оси сосуда. Каждый последующий слой нави­вают в противоположную сторону по отношению к предыдущему, кромки витков сваривают между собой.

Витой СВД — это один из вариантов многослойной конструкции. Корпус сосуда выполнен из специального проката узкой стальной высокопрочной калиброванной профильной ленты, навитой на цент­ральную обечайку с проточкой на наружной поверхности под профиль
ленты. Для увеличения плотности слоя ленту в процессе навивки на­гревают.

При расчете на прочность сосудов высокого давления (СВД) по ОСТ 26 1046—87 принимают запасы прочности: пТ= 1,5 и п„ = 2,5. Для крепежных шпилек — только пт= 1,5. При испытании сосудов пробным давлением принимают коэффициент запаса прочности по пределу текучести пх = 1,1 при температуре испытания. Пробное дав­ление определяется аналогично табл. 11.1.

При расчете элементов сосудов для углеродистых, низко - и средне­легированных сталей допускаемые напряжения определяют из условия

От ИЛИ 0() 2

П, ’

Для многослойных СВД толщину стенки рассчитывают по средне­му допускаемому напряжению

Где [<Т], и з — относятся к /'-тому слою.

Определение толщины стенки цилиндрических корпусов СВД. Обо­значим отношение наружного диаметра (радиуса) аппарата к внутрен­нему через р, т. е.

Тогда

Плоские отбортованные и слабовыпуклые дниша и горловины рассчитываются по формуле

Где |/ — коэффициент ослабления дниша отверстиями; Л, —диаметр /-того отверстия.

В расчете принимается максимальная сумма диаметров отверстий на данном диаметре.

Для выпуклых днищ используется формула

При конструировании кованых фланцев, сваренных с однослойной или многослойной цилиндриче­ской обечайкой, принимают сле­дующие соотношения (рис. 11.6).

Диаметр окружности центра шпилек определяется формулой

D + 2dp,

Д > max 2,2dp

Sin (180 / z),

Ности; с/р — диаметр резьбы шпиль­ки; I — число шпилек.

Наружный диаметр флан. чя Г)

Глубина отверстия под резьбу /р определяется из расчета усилия, действующего на шпильки в рабочем состоянии.

Исполнительная толщина 5стенки цилиндрической части фланца, стыкуемой с обечайкой корпуса, должна быть не менее толщины стыкуемой с фланцем обечайки.

Более точный расчет корпусов и концевых элементов СВД предпо­лагает учет температурных напряжений в стенках элементов аппарата, Его можно найти в соответствующей литературе.

Расчет уплотнений затворов сосудов высокого давления. Разнооб­разие требований определяет большое число уплотнений затворов высокого давления. Их основные виды представлены на рис. 11.7 и 11.8.

Расчет усилий, действующих на крепежные детали затворов высо­кого давления.

Уплотнительное соединение с двухконусным кольцом (рис. 11.8, а). Расчетная сила, действующая на крепежные элементы в рабочих усло-

Где 0Л — равнодействующая внутреннего давления на крышку; 0В — осевая составляющая равнодействующей внутреннего давления на уплотнительное кольцо. Эти величины рассчитываются по формулам

Qд = 0,25тгДр рр & = 0,5MAp/icppptgy.

Здесь у~ 30° — угол конуса уплотнительных поверхностей; /с, — коэф-

Фициент, учитывающий влияние силы предварительной затяжки на расчетное усилие (Л, = 4 — 0,102/? при расчетном давлении меньше 29,4 МПа; кх = I при больших давлениях).

Приближенно можно принять <2а = 0,06А, 0Я.

Уплотнительное соединение с кольцом треугольного сечения (рис. 11.8,6). Расчетное усилие

6 - Он + (

Ох = 0,2 5пВ1рр <2в = 0,5И^кйкррЩу,

Где к] - 4 — 0,102/? при расчетном давлении меньше 29,4 МПа; /г, = 1 при больших давлениях; ас„ = 1,2а2т°— герметизирующее напряжение при смятии уплотнительного кольца в условиях эксплуатации; / — ши­рина уплотнительной ловерхности; р = 1Г40' — угол трения в уплот­нительных поверхностях.

Уплотнительное соединение с плоской мягкой металлической про­кладкой (рис. 11.8, г). Расчеты проводятся по формулам

О = <2Л + (?„р, <2д = 0,25 пДр рр; <2пр = тгИер сгш Ь>

Где Ь — расчетная ширина прокладки Ь > Ьр; осм = 1,2оа0т;

0,25рр Д

К) — коэффициент, учитывающий неравномер­ность распределения нагрузки между шпилька­ми (Яз= 1,5); (?— расчетное усилие, действую­щее на все шпильки; і — число шпилек (должно быть кратно четырем); 40 —диаметр централь­ного отверстия в шпильке (назначается конст­руктивно или по ОСТ 2601-139—81); о,.ш — пре­дел текучести материала шпильки.

Расчетную длину / свинчивания резьбы для сопряжения «шпилька—гнездо» корпуса опре­деляют из соотношений

/ = 1,254 при ^-<1,5

Вф

/ = 0,54 1 + ^-

Пример 11.2. Рассчитать толщину стенки кова­ной обечайки колонны синтеза аммиака. Исходные данные к расчету:

— давление в аппарате

— внутренний диаметр аппарата

— материал аппарата

— расчетная температура стенки аппарата

Решение: Определим допускаемое напряжение для стали 12ХМ при рас­четной температуре. Предел прочности и предел текучести для этих условий равны соответственно:

Ст"° * 458 МПа; о?00 = 254 МПа.

Запасы прочности по пределу прочности и пределу текучести равны: пъ = 2,5; пТ = 1,5.

Тогда номинальное допускаемое напряжение выбирается как меньшее из двух:

458 0'°° 254 = 183 МПа; ст =

= уу = 169 МПа.

2,5 1 щ

Номинальное допускаемое напряжение а’ = 169 МПа.

Полагая коэффициенту = 1, получим окончательно [а) = 169 МПа. Толщина стенки обечайки аппарата, работающего под высоким давлени­ем определяется условиями 11191:

SHAPE \* MERGEFORMAT

Ехр

Ря. ф [о]’

Где расчетная толщина стенки; 5 — исполнительная толшина стенки; с — конструктивная прибавка к расчетной толщине стенки; Я — внутренний ради­ус обечайки аппарата; ря — расчетное давление в аппарате; [а] — допускаемое напряжение; ф — коэффициент прочности сварного шва (для кованых обе­чаек ф = 1).

Подставляя известные значения, получим:

1,2

1,2 - {0,25 + 0,12) Ф" Д, " 1,2

Определим расчетную толщину днища

Примем конструктивную прибавку равной 9 мм, тогда окончательно

5 = 0,281 + 0,009 — 0,29 м.

Пример 11.4. Рассчитать толшину стенки катализагорной коробки ко - лонны синтеза аммиака, Исходные данные к расчету:

— расчетное наружное давление 2 М Па;

— расчетная температура 550 иС;

— внутренний диаметр обечайки 1,06 м;

— материал (сталь) 12Х18Н1 ОТ;

— номинальное допускаемое напряжение материала 101 МПа;

— его модуль упругости 1,6 ■ М1 МПа;

— расстояние между кольцами жесткости 2 м.

Решение: Примем коэффициент 1, тогда расчетное допускаемое на­пряжение будет равно номинальному. Определим толщину обечайки. Рассчи­таем коэффициенты /Г, И Ку

П„рк 1,6-2

К' 2,4-102,4 • 10 ^ 1,6 • 10? г, I* 2

Кз = 0""Ш = 1>89'

= 8,3;

Из номограммы на рис. 11.1 определим коэффициент К2. Он равен 1,35. Тогда толщина обечайки будет определяться соотношением

X2DB, UpRD%

Sa = шах

100 1 2[ст1

= шах{0,014; 0,012}.

(1,35-1,06. 1,1 2-1,06) Шах| 100 * 2-101 }

Пример 11.5. Рассчитать обтюрацию ко­лонны синтеза аммиака с двухконусным у плот - нигедьным кольцом по размерам, приведенным на рис. U. U.

Исходные данные к расчету: диаметр /)в = 1200 мм;

Высота кольца Н= 100 мм;

Высота зазора h = 50 мм;

Величина 8 = 0,6 мм;

Угол трения на уплотнитель­ной поверхности рг= 15°.

Решение: Ширина кольца определяется по формуле f 119]

2,42^-Д,+(Я-А)

ЬT

Где Д, — средний диаметр уплотнительной поверхности,

=/)в+0,5(Я-А)18У,

У—угол конусности прокладки, равный 30°; а = 0,16 м; = 68,6 МПа (для алюминия); о*0 = 343 МПа (для материала кольца).

0„ =1,2+0,5(0,1-0,05^30°=],214 м.

2,42 ^11,214 + (0,1"0,05) =°’035 м-

Примем = 0,04 м. Тогда наружный диаметр кольца будет равен

1,214 + 0,07 = 1,22 м. Внутренний диаметр кольца

До = 1,22 +2-0,04 = 1,14 м.

Расчетная сила, действующая на крепежные элементы в рабочих услови­ях, равна

Где (?,, — равнодействующая внутреннего давления р на крышку; £)в — осевая составляющая равнодействующей внутреннего давления на уплотнительное кольцо.

При этом:

0Л = 0,25 %Опр = 0,5 киО„ й^р Р Ъ Ъ

Где к — коэффициент, учитывающий влияние силы предварительной затяжки (прир>29,4 МПа — к - 1); /^=0,5(Н + И).

Тогда

С? д = 0,25-3,1416-1,214-32 = 30,51 МН;

0, = 0,5 • 1 • 3,1416 • 1,214 • 0,5 (0,1 + 0,05) • 32 ^ 30° = 2,642 М Н; О = 30,51 + 2,642 = 33,142 МН.

Расчетный диаметр стержня шпильки по ГОСТ 26303—84

Где К, — коэффициент, учитывающий тангенциальные напряжения при ее за­тяжке (для плоских прокладок — К2 — 1,1; для остальных — 1,0); АТ, — коэффи­циент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между шпиль­ками (Ку~ 1,5); 0— расчетное усилие, действующее на все шпильки; і — число шпилек (должно быть кратно четырем); с({) — диаметр центрального отверстия в шпильке (назначается конструктивно или по ОСТ 2601-139—81); атш — пре­дел текучести материала шпильки.

Примем 24 шпильки. Определим диаметр шпильки:

Примем диаметр шпильки 150 мм. Определим диаметр болтовой окружности:

Примем />3 —2,1 м. Длина болтовой окружности = лД = 3,1416 • 2,1 = 6,6 м.

Шаг шпилек

/1 6,6 п

I ~~ = ~г =0,275 м.

I 24

Отношение шага к диаметру шпилек 0,275/0,15 = 1,8. Такое отношение допустимо для аппаратов высокого давления.

Расчетную длину I свинчивания резьбы для сопряжения «шпилька—гнез­до* корпуса определяют из соотношений

/ = 1,25с/, при ^-<1,5;

^□ф

/ = 1,25</| = 1,25 *0,15 = 0,19 м.