ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

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 чаще 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 завода-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 - 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 - 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: /?т= 1,5 и /7И = 2,5. Для крепежных шпилек - только пт= 1,5. При испытании сосудов пробным давлением принимают коэффициент запаса прочности по пределу теку­чести /7у = 1,1 при температуре испытания. Пробное давление определя­ется аналогично указанному в и. 11.1.1.

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

СТ'р ИЛИ Oq 2

Для многослойных СВД толщину стенки рассчитывают по сред­нему допускаемому напряжению

2>»

где [а], и Sj относятся к /-му слою.

Определение толщины стенки і}илиндрических корпусов СВД Обозначим отношение наружного диаметра (радиуса) аппарата к внутреннему через Р, т. е.

DK _R + sr _sR P D R R

Тогда

s = SR + c.

Плоские отбортованные и слабовыпуклые днища и горловины рассчитываются по формуле

v = i-—;

Mv v D

sd=sR+c,

где v|/ - коэффициент ослабления днища отверстиями; <7, - диаметр /-го отверстия.

Принимается максимальная сумма диаметров отверстий на данном диаметре.

Для выпуклых днищ используется формула

PvR

2[а]ср-0,5/^

При конструировании кованых фланцев, сваренных с однослойной или многослойной цилиндрической обечайкой, принимают соотноше­ния, представленные на рис. 11.6.

Диаметр окружности центра шпилек определяется формулой

D0 >шах

sin(l SO/ z)'

где D0 - диаметр болтовой окружности; dv - диаметр резьбы шпильки; z - число шпилек.

Наружный диаметр фланца

D$>D0 + 2dv.

Рекомендуемый угол наклона образующей конической части фланца а < 30°; допускается

30° < а <45°.

Размеры /?з и /?6 находятся из следующих условий: при а < 30°: /?з > 1Р + 0,25dp и /?6 > 0,7Sr, при 30°< а < 45° hз>1р + 0,75dp и /?6 > sR.

Глубина отверстия под резьбу 1Р определяется из расчета усилия, действующего на шпильки в рабо­чем состоянии.

Исполнительная толщина s стенки 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 [121, 131].

Расчет уплотнений затворов сосудов высокого давления

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

Расчет усилий, действующих на крепежные детали затворов

высокого давления

Уплотнительное соединение с двухконусным кольцом (рис. 11.7, а) Расчетная сила, действующая на крепежные элементы в рабочих условиях,

£? = £?д + £?в >

где Од - равнодействующая внутреннего давления на крышку; Ов - осе­вая составляющая равнодействующей внутреннего давления на уплот­нительное кольцо. Эти величины рассчитываются по формулам Од = 0,25тг/7ср/7р; Ов= 0,5k1nDcphcppptgy.

Здесь у = 30° - угол конуса уплотнительных поверхностей; к - коэффици­ент, учитывающий влияние силы предварительной затяжки на расчетное усилие (к = 4 - 0,102/?р при расчетном давлении меньше 29,4 МПа; к = 1 при больших давлениях).

Приближенно можно принять Ов = 0,06кіОд.

Уплотнительное соединение с кольцом треугольного сечения (рис. 11.7, б). Расчетное усилие

0 = 0д+0ъ’

причем

Од = 0,25тiDlpv; Ов = 0,5/707rDKpptgy,

где у = 47° - угол конуса уплотнительной поверхности крышки и фланца; DK - диаметр контакта уплотнительных поверхностей.

Приближенно можно принять Ов = 0,050д.

Уплотнительное соединение с кольцом восьмиугольного сечения (рис. 11.7, в). Общее усилие

Q-Qa+Qb’

Од = 0,25тО, = 0,5^,т+

где к = А - 0,102/7р при расчетном давлении меньше 29,4 МПа; к = 1 при больших давлениях; асм=1,2а20т - герметизирующее напряжение при смятии уплотнительного кольца в условиях эксплуатации; / - ширина уплотнительной поверхности; р = 11°40’ - угол трения в уплотнитель­ных поверхностях.

Уплотнительное соединение с плоской прокчадкой (рис. 11.7, г). Расчеты проводятся по формулам

Q ~ Од + Ощ,,

Од ~ 0,2571/JcpP^, О up ~ к1)с^смЬ,

20

где b - расчетная ширина прокладки b Ьр; асм = 1,2 а т;

0,25 РрРу

М -ъсм-Ъ,25рр

0,25 ppDx

М2°-^см. пр -0,25^’

где [a]f и [а]20 - допускаемое контактное напряжение на уплотнитель­ных поверхностях при температуре, соответственно, расчетной и 20 °С; асм и асмпр - напряжение смятия материала прокладки при давлении, со­ответственно, рабочем и пробном гидравлическом; рр - пробное гидрав­лическое давление.

Расчет основных размеров шпилек. Расчетный диаметр стержня шпильки по ГОСТ 26303-84

V 7Г2СТШ

где К2 - коэффициент, учитывающий тангенциальные напряжения при ее затяжке (для плоских прокладок К2= 1,1; для остальных - 1,0; К3 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между шпильками (К3 = 1,5); О - расчетное усилие, действующее на все шпильки; z - число шпилек (должно быть кратно четырем); d0 - диаметр центрального отверстия в шпильке (назначается конструктивно или по ОСТ 26 01-139-81); атш - предел текучести материала шпильки.

Запасы прочности по пределу прочности и пределу текучести равны:

Тогда номинальное допускаемое напряжение выбирается как

Номинальное допускаемое напряжение с =169 МПа.

Полагая коэффициент rj = 1, получим: [с] = 169 МПа.

Толщина стенки обечайки аппарата, работающего под высоким давлением, определяется условиями [119]:

Р = -^ + 1

R

s = SR+с,

где Sr - расчетная толщина стенки; s - исполнительная толщина стенки; с - конструктивная прибавка к расчетной толщине стенки; R - внутрен­ний радиус обечайки аппарата; pR - расчетное давление в аппарате; м - допускаемое напряжение; ср - коэффициент прочности сварного тттва (для кованых обечаек ср = 1).

Пример 11.4. Рассчитать толщину стенки катализаторной коробки колонны синтеза аммиака.

Исходные данные к расчету

Расчетное наружное давление...................................................... 2 МПа

Расчетная температура.................................................................. 550 °С

Внутренний диаметр обечайки..................................................... 1,06 м

Материал...................................................................... сталь 12Х18Н10Т

Номинальное допускаемое напряжение материала.................. 101 МПа

Его модуль упругости......................................................... 1,6-10ьМПа

Расстояние между кольцами жесткости............................................. 2 м

Решение. Примем коэффициент |/ = 1, тогда расчетное допускае­мое напряжение будет равно номинальному. Определим толі пину обе­чайки. Рассчитаем коэффициенты К и К у.

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

Примем S = 0,04 m. Тогда наружный диаметр кольца будет равен: 1,214 + 0,07 = 1,22 м. Внутренний диаметр кольца

D0 = 1,22 + 2 • 0,04 = 1,14 м.

Расчетная сила, действующая на крепежные элементы в рабочих условиях,

Q = Од + QB >

где Од - равнодействующая внутреннего давления р на крышку; О,. - осевая составляющая равнодействующей внутреннего давления на уплотнительное кольцо.

При этом

Од = 0,25я£>п/?;

QB = 0,5kTzDuhcpptg'y,

где к - коэффициент, учитывающий влияние силы предварительной за­тяжки (при р > 29,4 МПа к = 1); hcp= 0,5(Н + h).

Тогда

Од = 0,25 • 3,1416 • 1,214 • 32 = 30,51 МН;

Ое = 0,5 • 1 • 3,1416 ■ 1,214 • 0,5(0,1 + 0,05) • 32tg30° = 2,642 МН;

О = 30,51 + 2,642 = 33,142 МН.

Расчетный диаметр стержня шпиль­ки по ГОСТ 26303-84

тш

где К2 - коэффициент, учитывающий тан­генциальные напряжения при ее затяжке (для плоских прокладок К2 = 1,1; для ос­тальных - 1,0; К3 - коэффициент, учиты­вающий неравномерность распределения нагрузки между шпильками (К3 = 1,5);

О - расчетное усилие, действующее на все шпильки; z - число шпилек (должно быть кратно четырем); do - диаметр центрального отверстия в шпильке (на­значается конструктивно или по ОСТ 26 01-139-81); атш - предел теку­чести материала шпильки.

Примем 24 шпильки. Определим диаметр шпильки:

24-3,1416-220 Примем диаметр шпильки 150 мм. Определим диаметр болтовой окружности:

Примем/Д = 2,1 м. Длина болтовой окружности /3 = 7iD3 = 3,1416 • 2,1 =6,6 м.

Шаг шпилек

/3 6,6

t = — =--- = 0,275 м.

z 24

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

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

/ = l,25flfj при -^^<1,5;

Свф

l = ,25dx =1,25-0,15 =0,19 м.