Расчет ректификационной колонны
Работа из раздела: «
Разное»
1 Конструкция колонны и условие эксплуатации
1.1 Проектируемый аппарат предназначен для ведения тепломассобменных
процессов. Колонный аппарат состоит из цельносварного корпуса и оборудован
внутренними устройствами. В качестве внутренних устройств для ведения
технологического процесса используют 40 колпачковых тарелок. Расстояние
между тарелками 500 мм. Кроме этого в аппарате имеются штуцера,
предназначенные для подвода сырья, вывода продукта, замера температуры и
давления. Аппарат оборудован люками-лазами для ремонта и обслуживания.
1.2 Внешние условия работы
Аппарат установлен в 3 ветровом районе, фундамент на грунтах средней
плотности. Минимальная температура холодной десятидневки минус 36 (С.
Аппарат теплоизолирован минеральной ватой, толщина изоляции sиз=80 мм
и покрыта алюминиевой фольгой. Район не сейсмичный.
2 Основные расчетные параметры
2.1 Техническая характеристика
Аппарат работает под давлением. Избыточное давление в аппарате 10
МПа, диаметр аппарата 1200 мм, рабочая температура 250 (С. Среда горячие
светлые нефтепродукты.
2.2 Группа аппарата
Условие работы аппарата [1] - взрывоопасная среда и внутреннее
давление. По условиям работы аппарат относится к I группе, поэтому процент
контроля сварных швов принимается равным 100 % по ГОСТ 6996-86.
2.3 Рабочая и расчетная температура
Расчетная температура TR – это температура для определения физико-
механических характеристик конструкционного материала и допускаемых
напряжений. Она определяется на основании теплового расчета или результатов
испытаний. Если при эксплуатации температура элемента аппарата может
повысится до температуры соприкасающейся с ним среды, расчетная температура
принимается равной рабочей, но не менее 20 (С. Проектируемый аппарат
снабжен изоляцией препятствующей охлаждению или нагреванию элементов
аппаратов внешней средой.
Рабочая температура аппарата Т=250 (С.
Расчетная температура ТР =250 (С.
2.4 Рабочее, расчетное и условное давление
Рабочее давление P – максимальное избыточное давление среды в
аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета
допускаемого кратковременного повышения давления во время действия
предохранительного устройства P=1,4 МПа.
Расчетное давление PR – максимальное допускаемое рабочее давление,
на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов
аппарата при максимальной их температуре. Как правило, расчетное давление
может равняться рабочему давлению.
Расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях:
если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате
может повыситься более чем на 10% от рабочего, то расчетное давление должно
быть равно 90% давления в аппарате при полном открытии предохранительного
устройства; если на элемент действует гидростатическое давление от столба
жидкости в аппарате, значение которого свыше 5% расчетного, то расчетное
давление для этого элемента соответственно повышается на значение
гидростатического давления.
Поскольку аппарат снабжен предохранительным клапанном и рабочее
давление P>0,07 МПа
РR1=1,1(P, (1)
где P – рабочее давление, P=10 МПа;
PR1=1,1(10=11 МПа.
Пробное давление для испытания аппарата определим по формуле
[pic], (2)
где [(]20 – допускаемое напряжение материала при 20 (С, [(]20=196
МПа;
[(]tR – допускаемое напряжение материала при расчетной температуре
t=250 (С, [(]250=145 МПа.
[pic]МПа.
Условное давление для выбора узлов и фланцевых соединений определим
по формуле
[pic], (3)
[pic]МПа.
2.5 Выбор материала
По условиям работы аппарата, как в рабочих условиях так и в условиях
монтажа, ремонта, нагрузок от веса и ветровых нагрузок, для этих условий
выбираем сталь 16ГС область применения от –40 (С до +475 (С, по давлению не
ограничена.
Выбрали по ОСТ 26-291-94, ГОСТ 14249-89 сталь 16ГС.
2.6 Допускаемые напряжения
Определим допускаемые напряжение для стали 16ГС с толщиной стенки
свыше 32 мм при ТР=250 (С.
По ГОСТ 14249-89 [(]=145 МПа.
2.7 Модуль продольной упругости
Выбираем расчетное значение модуля продольной упругости
Е=1,75(105 МПа.
2.8 Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов
Прибавка на коррозию металла принимаем
С1=2 мм.
Прибавка на минусовое значение по толщине листа принимаем 5% и далее
не учитываем
С2=0 мм.
2.9 Коэффициенты прочности сварных швов
Корпус имеет продольные и кольцевые сварные швы. Применим
автоматическую сварку род слоем флюса со сплошным проваром. Для корпуса
аппарата выбираем стыковые швы.
Значение коэффициента прочности сварных швов принимаем
(=1.
Приварка штуцеров будет выполняться в ручную с подваркой корня шва и
значение коэффициента прочности сварных швов принимаем
(=1.
3 Расчет на прочность и устойчивость корпуса аппарата от расчетного
давления
3.1 Расчет обечайки нагруженной внутренним избыточным давлением
Цель расчета: расчет на прочность, определение толщины стенки
аппарата удовлетворяющая условиям прочности.
Расчетная схема аппарата приведена на рисунке 1.
Исходные данные для расчета:
- расчетное давление PR = 11МПа;
- диаметр колонны D=1200 мм;
- допускаемое напряжение при T=250 (С, [(]=145 МПа;
- коэффициент прочности сварного шва (=1;
- общая прибавка к толщине металла С=2 мм.
[pic]
Рисунок 1 – Расчетная схема аппарата
Толщина стенки аппарата определяется по формулам
[pic] (4)
[pic], (5)
где s - исполнительная толщина стенки, мм;
D- внутренний диаметр аппарата, мм.
[pic] м.
s ( 47,31 + 2 = 49,31 мм.
Принимается исполнительная толщина стенки сосуда s=50 мм.
Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа
[pic], (6)
[pic] МПа.
Условия применения расчетных формул
[pic], (7)
тогда
[pic]
0,04000 < 0,1.
Условие по формуле (7) выполняется.
3.2 Расчет днищ
Цель расчета: расчет на прочность, определение толщины
эллиптического днища удовлетворяющего условию прочности.
Расчетная схема эллиптического днища приведена на рисунке 2.
Исходные данные для расчета:
- расчетное давление PR = 11МПа;
- диаметр колонны D=1200 мм;
- допускаемое напряжение при T=250 (С, [(]=145 МПа;
- коэффициент прочности сварного шва (=1;
- общая прибавка к толщине металла С=2 мм.
[pic]
Рисунок 2 - Днище эллиптическое
Для данной обечайки выбираются эклиптические отбортованные днища.
Толщина стенки днища определяется по формулам
[pic], (8)
sд ( s + c (9)
где R — радиус кривизны в вершине днища, м;
R = D — для эллиптических днищ с H=0,25(D.
H=0,25(1200=300 мм,
R=1,2 м,
[pic] мм,
sд = 46,39+2 = 48,39 мм.
Принимаем толщину днищ стандартного значения sд=50 мм.
Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа
определяется по формуле
[pic]. (10)
[pic] МПа.
Условия применения расчетных формул для эллиптических днищ
[pic], (11)
[pic]
Условие выполняется.
Определим длину цилиндрической отбортованной части днища
[pic], (12)
[pic]
h1>192 мм.
Принимаем h1=200 мм.
3.3 Выбор стандартных штуцеров.
По технологии производства или эксплуатационным требованиям в
стенках аппаратов, днищах и крышках делают отверстия для люков—лазов,
загрузочных приспособлений, штуцеров и т. д. Схема штуцера с приварным
фланцем встык и тонкостенным патрубком приведем на рисунке
[pic]
Рисунок 3 – Схема штуцера с приварным фланцем встык и патрубком
Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых
тонкостенных штуцеров приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых
тонкостенных штуцеров по ОСТ 26-1404-76, ОСТ 26-1410-76
|Обозначение |Ду, мм |dт, мм |давление условное Pу, |Sт, мм |Hт, мм |
| | | |МПа | | |
|А |250 |273 |16 |20 |335 |
|Б, Д |100 |108 |16 |10 |220 |
|В, Е |150 |159 |16 |16 |260 |
|Г |200 |219 |16 |20 |315 |
|И |50 |57 |4 |6 |230 |
|К, Р, С |50 |57 |2,5 |6 |165 |
|М |50 |57 |1,6 |6 |165 |
3.4 Сопряжение узлов
Цель расчета: определить напряжение в сопряжение цилиндрической
оболочки с эллиптическим днищем в условиях нагружения внутренним давлением.
Расчетная схема к определению краевых сил и моментов приведена на
рисунке 4.
Исходные данные для расчета:
- расчетное давление PR = 11МПа;
- диаметр колонны D=1200 мм;
- допускаемое напряжение при T=250 (С, [(]=145 МПа;
- коэффициент прочности сварного шва (=1;
- общая прибавка к толщине металла С=2 мм.
- соединение цилиндрической оболочки с эллиптическим днищем; 2 –
расчетная схема.
[pic]
Рисунок 4 – Схема к определению краевых сил и моментов
Определим краевые силы и моменты из уравнения совместимости
деформацией для места стыка обечайки с эллиптическим днищем
[pic] (13)
где [pic]- соответственно радиальные и угловые перемещения края
цилиндрической оболочки под действием нагрузок P, Q0, и М0;
[pic] - соответственно радиальные и угловые перемещения края
эллиптической оболочки под действием нагрузок P, Q0 и М0.
Подставляем в уравнение (13) соответствующие значения деформаций
[pic](14)
где (=(Э, R=a=600 мм, b=300 мм.
[pic], (15)
где ( - коэффициент Пуассона, (=0,3.
[pic]
[pic],
[pic],
[pic],
[pic].
Определим суммарные напряжения на краю эллиптического днища,
меридиальное и кольцевое соответственно по формулам
[pic] (16)
[pic] (17)
где [pic] - соответственно меридиальные напряжения действующие от нагрузок
Р, Q0, М0;
[pic] - соответственно кольцевые напряжения действующие от нагрузок P,
Q0, M0.
Подставим соответствующие значения нагрузок в уравнение (16), (17)
[pic], (18)
[pic], (19)
[pic] МПа,
[pic]
Определим суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки,
меридиальное и кольцевые соответственно
[pic], (20)
[pic],[pic] (21)
где [pic]- соответственно меридиальные и кольцевые напряжения, действующие
от нагрузок P, Q0, M0.
Подставим соответствующие значения погрузок в уравнение (20), (21)
[pic], (22)
[pic], (23)
[pic] МПа,
[pic]
Определим максимальное напряжение на краю эллиптического днища и
цилиндрической обечайке соответственно
[pic],
[pic],
[pic], (24)
139,29 МПа < 145 МПа,
[pic]
139,36 МПа < 145 МПа.
Таким образом, напряжения на краю соединяемых эллиптической и
цилиндрической оболочек (maxЭ=139,29 МПа и (max=139,36 МПа меньше
критического допускаемого напряжения [(]кр=145 МПа, т.е. условие прочности
в месте сопряжения элементов выполняется.
4 Расчет укрепления отверстий
Цель расчета: определение размеров укрепляющих элементов.
Расчетные схемы штуцеров приведена на рисунке 5.
Исходные данные для расчета:
- расчетное давление в колонне PR = 11 МПа;
- внутренний диаметр колонны D=1200 мм;
- исполнительная толщина обечайки и днища s=50 мм;
- допускаемое напряжение при T=250 (С и s=50 мм, [(]=145 МПа;
- допускаемое напряжение при T=250 (С и s<50 мм, [(]=162 МПа;
- коэффициент прочности сварного шва (=1;
- общая прибавка к толщине металла для корпуса колонны с=2 мм;
- общая прибавка к толщине металла для штуцера cs=1 мм.
[pic]
Рисунок 5— Основная расчетная схема соединения штуцера со стенкой сосуда
4.1 Выбор материала
Удаление материала стенки в вырезе эквивалентно удалению каких ( то
связей в системе и для сохранения ее равновесия необходима их компенсация.
Для изготовления штуцеров применяется сталь 16ГС допускаемое
напряжение для которого при tR=250 (C равно [(]250=162 МПа.
Для условного давления Ру=11 МПа выбираются тонкостенные штуцера с
фланцами по ОСТ 26-1410-76. Все размеры штуцеров заносятся в таблицу 2.
Таблица 2 — Таблица штуцеров
| |Условный |Внутренний |Толщина |Длина |Условное |
| |проход |диаметр |стенки |штуцера |давление Ру, |
|штуцер |Ду, мм |штуцера |s1, мм |Hт, мм |МПа |
| | |dт, мм | | | |
|А |250 |273 |20 |335 |16 |
|Б, Д |100 |108 |10 |220 |16 |
|В, Е |150 |159 |16 |260 |16 |
|Г |200 |219 |20 |315 |16 |
|И |50 |57 |6 |230 |4 |
|К1, К2,|50 |57 |6 |165 |2,5 |
|Р, С | | | | | |
|М1, М2 |50 |57 |6 |165 |1,6 |
|Ж1, Ж2,|450 |450 |28 |200 |16 |
|Жn | | | | | |
4.2 Расчетные диаметры
4.2.1 Расчетные диаметры укрепляемых элементов определяются по
формулам
- для цилиндрической обечайки
DR = D (25)
Для штуцеров A1, В1, В2, И, К1, К2, Р, С, М1, М2, Ж1, Ж2, Жn
DR = 1200 мм.
- для эллиптических днищ при высоте днища H = 0,25(D
[pic], (26)
где x — расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического
днища.
Для штуцера Д1, С
[pic]мм.
Для штуцера Е1, Г
[pic] мм.
4.2.2 Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайке, ось которого
совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия определим по формуле
dр=d+2(cs, (27)
Для штуцеров A1, В1, В2, И, К1, К2, Р, С, М1, М2, Ж1, Ж2, Жn
при d = 273 мм, dР = 273 + 2(1 = 275 мм,
при d = 108 мм, dР = 108 + 2(1 = 110 мм,
при d = 159 мм, dР = 159 + 2(1 = 161 мм,
при d = 57 мм, dР = 57 + 2(1 = 59 мм,
при d = 450 мм, dР = 450 + 2(1 = 452 мм.
Расчетный диаметр отверстия для смещенного штуцера на эллиптическом
днище определяют по формуле
[pic], (28)
Для штуцера Д1
[pic]мм,
Для штуцера С
[pic]мм.
Для штуцера Е1
[pic]мм
Для штуцера Г
[pic] мм.
Выбранные диаметры удовлетворяют расчет.
4.3 Расчетные толщины
Расчетная толщина стенки штуцера нагруженного как внутренним так и
внешним давлением определяется по формуле
[pic], (29)
где (1 — коэффициент прочности продольного сварного соединения штуцера, (1
= 1, [(1]=162 МПа
при Ду=50 мм, [pic] мм,
при Ду=100 мм, [pic] мм,
при Ду=150 мм, [pic] мм,
при Ду=200 мм, [pic] мм,
при Ду=250 мм, [pic] мм,
при Ду=450 мм, [pic] мм.
Расчетные толщины удовлетворяю принятым толщинам.
4.4 Расчетные длины штуцеров
Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера,
показано на рисунке 6, участвующие в укреплении отверстий и учитываемые при
расчете, определяют по формулам
[pic], (30)
[pic], (31)
Длину внешней части l3 принимаем равной нулю.
[pic]
Рисунок 6 – Схема укрепления отверстий в обечайке
при Ду=50 мм, [pic] мм,
при Ду=100 мм, [pic] мм,
при Ду=150 мм, [pic] мм,
при Ду=200 мм, [pic] мм,
при Ду=250 мм, [pic] мм,
при Ду=450 мм, [pic] мм.
Принятые длины штуцеров удовлетворяют расчетным длинам.
4.5 Одиночные отверстия
4.5.1 Отверстие считается одиночным, если ближайшее к нему отверстие
не оказывает на него влияния, что имеет место, когда расстояние между
наружными поверхностями соответствующих штуцеров удовлетворяют условию
[pic], (32)
где [pic] - расчетные внутренние диаметры укрепляемого элемента, мм.
Для отверстий находящихся на обечайке
[pic]мм.
На цилиндрической части корпуса колонны отсутствуют отверстия,
расстояние между которыми меньше 480 мм.
На днищах
[pic]мм.
На днищах отверстия считать взаимовлияющие, т.к.
bисп=320-108/2-10-159/2-16=160,5 мм.
660 мм > 160,5 мм.
4.5.2 Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего
дополнительного укрепления при наличии избыточной толщины стенки сосуда
вычисляется по формуле
[pic], (33)
[pic] мм.
Для штуцеров В1, К1, К2, К, Р и М укрепление отверстий не требуется.
Для штуцеров А1, В2 и Жn требуется укрепление отверстий.
4.5.3 Расчет укрепления одиночных отверстий
При укреплении отверстия должно выполняться условие
l1R((s1 - s1R - cs)(x1 + l2R(s2(x2 + l3R((s3 - 2cs)(x3 +
+ lR((s - sR - c) ( 0,5((dR - d0R)(sR,
(34)
где s1, s2, s3 — исполнительные толщины стенок штуцера, накладного кольца,
внутренней части штуцера соответственно, мм.;
l2R — исполнительная толщина накладного кольца, мм.;
x1, x2, x3 — отношение дополнительных напряжений для внешней
части штуцера, накладного кольца, внутренней части штуцера
соответственно;
cs — сумма прибавок к расчетной толщине стенок штуцера, мм.;
lR — расчетная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера или
торообразной вставки, мм.;
d0R — наибольший расчетный диаметр отверстия, не требующего
дополнительного укрепления при отсутствии избыточной
толщины стенки сосуда, мм.
4.5.3.1 Расчет укрепления штуцера В2
Ширина зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах
[pic]. (35)
Обечайка s=50 мм
[pic] мм.
Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки
lR=L0, (36)
lR=240 мм.
Расчетная ширина накладного кольца определяется по формуле
[pic], (37)
где s2 – исполнительная ширина накладного кольца, мм;
s – исполнительная ширина стенки обечайки, мм;
DR – расчетный внутренний диаметр укрепляемого элемента, мм.
Обечайка s=50 мм.
[pic] мм.
Отношения допускаемых напряжений
x1 = min{1; [(1]/[(]}, (38)
x1=min{1;162/162}=1.
Для накладного кольца принимаем x2=1; для внутренней части штуцера
x3=0.
Расчетный диаметр отверстия не требующего укрепления при отсутствии
избыточной толщины стенки сосуда
[pic], (39)
Обечайка s=50 мм.
[pic]мм.
Все найденные значения подставляем в формулу (34):
Обечайка s=50 мм. штуцер Ду 150 мм.
61,42((16-5,65)(1+140(6(1+240((50-47,3-2)(0,5((161-96)(47,3
1643,7 мм2 ( 1537,01 мм2.
Допускаемое внутренне избыточное давление определяется по формуле
[pic], (40)
где к1=1 — для цилиндрических обечаек и конических переходов;
к1=2 — для выпуклых днищ;
[pic], (41)
где (1 — коэффициент прочности продольного сварного соединения штуцера.
[pic],
[pic] МПа.
4.5.3.2 Расчет укрепления штуцеров Ж1, Ж2, Жn.
Расчет проведем аналогично п. 4.5.3.1 и результаты расчета сведем в
таблицу 3.
Таблица 3
|Наименование параметров |Обозначение |Укрепляемый элемент |
| | |люк-лаз |
| | |Условный проход штуцера |
| | |Ж1, Ж2, Жn (450) |
|Внутренний диаметр |D |1200 |
|цилиндрической обечайки днища, | | |
|мм | | |
|Расчетный внутренний диаметр |DR |1200 |
|укрепляемого элемента, мм | | |
|Расчетное давление, МПа |P |11,00 |
|Допускаемые напряжения для |[(] |145 |
|материала укрепляемого элемента,| | |
|МПа | | |
|Допускаемые напряжения для |[(1] |162,00 |
|материала внешней части штуцера,| | |
|МПа | | |
|Коэффициент прочности сварного | | |
| | | |
|шва: | | |
| |( |1 |
|- укрепляемого элемента | | |
| |(1 |1 |
|- штуцера | | |
|Исполнительная толщина стенки |s |50 |
|укрепляемого элемента, мм | | |
|Исполнительная толщина стенки |s1 |28 |
|внешней части штуцера, мм | | |
|Исполнительная толщина стенки |s3 |0 |
|внутренней части штуцера, мм | | |
|Расчетная толщина стенки |sR |47,31 |
|укрепляемого элемента, мм | | |
|Расчетная толщина стенки |s1R |15,8 |
|укрепляемого штуцера, мм | | |
|Сумма прибавок к расчетной |с |2 |
|толщине стенки укрепл. элемента,| | |
|мм | | |
|Сумма прибавок к расчетной |сs |1 |
|толщине стенки штуцера (общая), | | |
|мм | | |
|Внутренний диаметр штуцера, мм |d |450 |
|Исполнительная длина внешней |l1 |200 |
|части штуцера, мм | | |
|Исполнительная длина внутренней |l3 |0 |
|части штуцера, мм | | |
|Расчетная длина внешней части |l1r |143,11 |
|штуцера, мм | | |
|Расчетная длина внутренней части|l3r |0 |
|штуцера, мм | | |
|Расчетный диаметр отверстия, мм |dr |452,0 |
|Расчетный диаметр одиночного |d0 |103,0 |
|отверстия, не требующего | | |
|дополнительного укрепления, мм | | |
|Расчетная ширина зоны укрепления|lr |240,0 |
|в окрестности штуцера, мм | | |
|Расчетный диаметр, мм |d0r |96,0 |
|Исполнительная толщина |s2 |24,00 |
|накладного кольца, мм | | |
|Исполнительная ширина накладного|l2 |270,0 |
|кольца, мм | | |
|Расчетная ширина накладного |l2r |270,0 |
|кольца, мм | | |
|Отношение допускаемых напряжений|x1 |1,0 |
| |x2 |1,0 |
| |x3 |- |
|Условие укрепления одиночного | |8522>8422 |
|отверстия A1+A2+A3+A0 > A | | |
|Коэф. снижения допуск. давления |V |0,9779 |
|Допускаемое внутреннее |[P] |10,92 |
|избыточное давление, МПа | | |
4.6 Учет взаимного влияния отверстий днищ
Расчетная схема показана на рисунке 7
[pic]
Рисунок 7 – Расчетная схема взаимовлияющих отверстий
Определим допускаемое давление для перемычек по формулам
[pic], (42)
где V находится по формуле
[pic], (43)
где [pic] - исполнительная ширина накладного кольца, мм;
[pic] - длина внутренней части штуцеров, [pic]мм;
[pic]- отношения допускаемых напряжений, [pic].
Определим расчетную ширину накладного кольца
[pic]
[pic]
[pic]
Допускаемое напряжение удовлетворяет принятым размерам кольца.
5 Расчет люка(лаза
Цель расчета: определение напряжений фланцевого соединения.
Схема фланцевого соединения показана на рисунке 8.
Исходные данные для расчета:
- Расчетное давление PR=11 МПа;
- Внутренний диаметр фланца D=450 мм;
- Внутренний диаметр отверстия под шпильку d=46 мм;
- Диаметр фланца Dф=775 мм;
- Число отверстий n=20;
- Материал фланца – сталь 16ГС;
- Диаметр болтовой окружности Dб=690 мм;
- Средний диаметр прокладки Dп.с.=525 мм.
Рисунок 8 – Расчетная схема фланцевого соединения
По ГОСТ 28759.4-90 для данного аппарата выбираются размеры люка—лаза
при Ру =16 МПа и Ду = 450 мм.
5.1 Расчет прокладки
Схема прокладки показана на рисунке 9
Рисунок 9 – Расчетная схема прокладки
Наружный диаметр прокладки
DП = Dб - е, (44)
где е - размер, определяемый по таблице ОСТ 26–2003–77, е=78.
DП=690(78=612 мм.
Средний диаметр прокладки
D п.ср=Dп(bп, (45)
где bп — ширина прокладки, bп=12 мм;
Dп.ср =612(12=600 мм.
Эффективная ширина прокладки
bE = 0,125(bП, (46)
bE=0,125(12=1,5 мм.
Ориентировочное число шпилек
zб=((Dб /tб, (47)
где tБ ( шаг болтов;
tб=(2,3…3)(dб, (48)
где dб – диаметр шпильки, мм;
tБ=3(42=126,
zБ = 3,14(690/126=18 шт.
Определим вспомогательные величины
а) коэффициент (
[pic], (49)
где ( - отношение большей толщины втулки фланца к меньшей, (=2.
х найдем по формуле
[pic], (50)
где l – длина втулки, l=125 мм;
s0 – толщина втулки, s0=34 мм.
[pic]
[pic]
б) эквивалентная толщина втулки фланца
sE=((so, (51)
sE=1,57(34=53,6 мм.
в) ориентировочная толщина фланца
[pic], (52)
где ( — коэффициент, из таблицы [3] (=0,5 ;
[pic]мм
г) безразмерный параметр
(=[1+0,9((((1+(1(j2)]-1 , ( 53)
где
j=h/sE, (54)
j=77,6/53,6=1,45,
k=Dф/D, (55)
k=775/450=1,72,
(1=0,3, из таблица [3]
( = [1+0,9(0,5((1+0,3(1,452)]-1=0,6
д) безразмерные параметры возьмем из графиков [3]
Т=1,58,
(2=3,8,
(3=1.
Угловая податливость фланца
[pic], (56)
где Еф ( модуль продольной упругости материала фланца, Eф=1,75(105 МПа;
hкр – толщина фланцевой части крышки, hкр=110 мм
[pic] 1/(МН(м).
Угловую податливость плоской фланцевой крышки найдем по формуле
[pic], (57)
где
[pic], (58)
где (кр – толщина плоской крышки, (кр=235 мм;
hкр – толщина фланцевой части крышки, hкр=110 мм.
[pic], (59)
[pic],
[pic],
[pic].
Линейная податливость прокладки
yп=sп/(((Dп.ср(bп(Eп), (60)
где Еп ( модуль продольной упругости прокладки, для металлической
прокладки yп=0.
5.2 Расчет болтового соединения
Расчетная длина шпилек
lБ = lБО + 0,28(d, (61)
где lБО ( длина шпильки между опорными поверхностями головки болта и
гайки, lБО=220 мм.;
d ( диаметр отверстия под болт, d=46 мм.
lБ=220+0,28(46=232,88 мм.
Линейная податливость шпилек
yБ=lБ/(EБ(fБ(zБ), (62)
где fБ ( расчетная площадь поперечного сечения болта по внутреннему
диаметру резьбы, fБ=10,9(10-4 м2;
ЕБ ( модуль продольной упругости материала болта, ЕБ=1,85(105 МПа.
yБ= 232,88(10-3/(1,85(105(10,9(10-4 (18)=6,4(10-5 м/Н.
Коэффициент жесткости для фланцев с овальными прокладками
(=1. (63)
Найдем безразмерный коэффициент ( по формуле
(=A(yБ, (64)
где
A=[yп+yБ+0,25((yФ1 + yФ2)((DБ - Dп.ср)2]-1, (65)
при стыковки фланца с плоской крышкой
yф1=[1-(((1+0,9(()]((2/(h13(E), (66)
yФ2=yкр , (67)
По формулам (63)…(67) определяется безразмерный коэффициент
yф1=[1(0,6((1+0,9(0,5)](3,8/(0,0133(1,75(105)=2,27 м/МН,
yф2=0,001,
A=[0+6,4(10-5+0,25((2,27+0,001)((0,69-0,525)2]-1=10,67,
(=10,67(6,4(10-5=0,0007.
5.3 Расчет фланцевого соединения работающего под внутренним
давлением.
Нагрузка действующая на фланцевое соединение от внутреннего
избыточного давления найдем по формуле
[pic], (68)
Qд=0,785(0,5252(11=2,38 МН.
Реакция прокладки в рабочих условиях
Rп=2(((Dп.ср(bE(m(pR , (69)
где m ( коэффициент, по ОСТ 26-426-79 m=5,5
Rп=2(3,14(0,525(1,5(5,5(11=299,2 МН.
Усилия, возникающие от температурных деформаций
Qt=((zБ(fБ(EБ(((ф(tф ( (Б(tБ), (70)
где (ф, (Б ( коэффициенты температурного линейного расширения фланца и
болтов, (Б = 12,36(10-6 1/(C, (ф = 17,3(10-6 1/(C;
fБ, tф, tБ ( коэффициенты, fБ=5,4(10-4 м2, tф=240, tб=37,5.
Qt=0,0007(18(5,4(10-4(1,85(105((17,3(10-6(240(12,36(10-6(237,5)=0,0015 МН.
Болтовая нагрузка в условиях монтажа (до подачи внутреннего
давления) при p>0,6 МПа
PБ1=max{((Qд+Rп; ((Dп.ср(bE(q}, (71)
где q ( параметр, q=125;
( ( коэффициент жесткости фланцевого соединения, (=1;
[(Б]20 – допускаемое напряжение при температуре 20 (С, [(Б]20=230 МПа.
РБ1 = max{1(2,38+0,525/2; 3,14(510(1,5(125}=max{2,65;309}=309 МН.
Болтовая нагрузка в рабочих условиях
PБ2=РБ1+(1 - ()(QД+Qt, (72)
PБ2=309+(1(1)(2,38+0,0015=309,0015 МН.
Найдем приведенные изгибающие моменты диаметральном сечении фланца
по формулам
M01=0,5(PБ1((Dб-Dп.с.),
(73)
[pic], (74)
М01=0,5(309((0,69-0,525)=25,5 МН(м,
[pic]МН(м.
Принимаем за расчетное МR=26,67 МН(м.
Условия прочности шпилек
[pic], (75)
[pic], (76)
[pic] МПа(230 МПа,
[pic] МПа(220 МПа.
Условия прочности выполняется.
Критический момент на ключе при затяжки определим из графика [3]
Мкр=2,2(103 МН(м.
5.3 Расчет приварных встык фланцев и буртов
Максимальное напряжение в сечении s1 фланца в месте соединения
втулки с плоскостью фланца определим по формуле
[pic], (77)
D*=D+s1, (78)
D*=450+34=484
[pic]
Максимальное напряжение в сечение s0 фланца наблюдается в месте
соединения втулки с обечайкой
(0=(3((1, (79)
(0=1(49,18=49,18 МПа.
Напряжения в кольце фланца от действия M0 найдем по формуле
[pic], (80)
[pic] МПа.
Напряжение во втулки фланца от внутреннего давления найдем по
формулам
[pic], (81)
[pic], (82)
[pic] МПа
[pic]МПа.
Условие прочности фланца
в сечение s1
[pic], (83)
[pic]
d сечение s0
[pic], (84)
[pic],
[pic].
Условия прочности выполняется
Угол поворота фланца найдем по формуле
[pic], (85)
[pic]
[pic].
Условие выполняется.
5.4 Расчет крышки
5.4.1 Расчетная схема для крышки люка показана на рисунке 10.
Рисунок 10 – Расчетная схема для крышки люка
Определим толщину плоской крышки люка по формулам
s1(s1p+c, (86)
где
[pic], (87)
где К – коэффициент, определяется по таблице [2], К=0,4;
Dp – расчетный диаметр, Dр=D3=Dб=690 мм;
( – коэффициент прочности сварного шва, (=1;
[(] – допускаемое напряжение при расчетной температуре, [(]=145 МПа;
p – расчетное давление, p=10 МПа;
К0 – коэффициент ослабления крышки отверстиями, K0=1.
[pic].
s1(76+1=77 мм.
5.4.2 Допускаемое давление на крышку определим по формуле
[pic],
[pic]МПа
5.4.1 Область применения расчетных формул
Расчетная схема для крышки люка показана на рисунке 10. Формулы
применимы для расчета крышки при условии
[pic], (88)
где s1 – исполнительная толщина крышки, примем s1=200 мм;
Dр – расчетный диаметр, Dр=Dб=690 мм.
[pic],
0,109(0,11.
Условие соблюдается.
6 Расчет весовых характеристик аппарата
6.1 Расчет веса аппарата
Вес аппарата при рабочих условиях рассчитывается по формуле
GA = GK + GИЗ + GН.У + GВ.У + GЖ,
(89)
где GK ( вес корпуса, кН;
GИЗ ( вес изоляции, кН;
GН.У ( вес наружных устройств, кН;
GВ.У ( вес внутренних устройств, кН;
GЖ ( вес жидкости, кН.
GК = (GЦ + (GД, (90)
где GЦ ( вес цилиндрической части корпуса, кН;
GД ( вес днища, кН.
GЦ = (((DВ + s)(s(HЦ((м(g, ( 91)
где HЦ ( высота цилиндрической части корпуса, м;
(м ( плотность металла, кг/м3, (м=7850 кг/м3.
GД=SД(s((м(g, (92)
где SД ( площадь днища, м2;
sд ( толщина днища, м.
GЦ=3,14((1,2 + 0,05)(0,05(25,9(7850(9,81=391,424 кН,
GД=2,31(0,05(7850(9,81=9,673 кН.
По формуле (90)
GK=391,424+2(9,673=410,77 кН
Найдем вес изоляции цилиндрической части корпуса
Gиз.ц=(((DB+2(s+sиз.)(sиз(HЦ((из.(g, (93)
где sиз. – толщина изоляции, м;
(из. – плотность изоляции, кг/м3.
[pic], (94)
где sм.в., sAl ( толщина минеральной ваты и фольги, sм.в.=0,08 м,
sAl=0,8(10-3 м;
(м.в., (Аl ( плотность минеральной ваты и фольги, (м.в.=250 кг/м3,
(Al=2500 кг/м3.
[pic]кг/м3.
Gиз.ц=3,14((1,2+2(0,05+0,0808)(0,0808(25,9(272,3(9,81=24,237 кН.
Найдем вес изоляции днищ
GИЗд=Fд(sиз((из(g, (95)
GИЗд=2,31(0,808(272,3(9,81=4,985 кН,
GИЗ=GИЗц+2(GИЗд, (96)
GИЗ=24,237+2(4,985=34,207 кН.
Вес внутренних устройств определяется по формуле
GВН=nт(Мт(g+Gот, (97)
где nт ( число тарелок, nт=40 шт.;
Мт ( масса тарелки, Мт=70 кг по ОСТ 26-01-1488-83;
Gот – вес сетчатого отбойника, Gот=830,9 Н.
GВН = 40(70(9,81+830,9=28,3 кН.
Вес жидкости в рабочих условиях определяется по формуле
GЖ=((((DB)2/4)(HЖ((ж(g+Vg((ж(g, (98)
где HЖ ( высота слоя жидкости, HЖ=1,95 м;
(ж ( плотность жидкости, (ж=900 кг/м3;
Vд ( объем днища, Vд=0,45 м3.
GЖ=(3,14(1,22/4)(1,95(900(9,81+0,45(900(9,81=23,434 кН.
Найдем вес наружных устройств по формуле
Gн.у.=0,1(GК, (99)
Gн.у.=0,1(410,77=41,077 кН.
По формуле (89)
GA=410,77+34,207+28,3+23,434+41,077=537,788 кН.
Найдем вес аппарата при монтаже
GА.М. = GK + GИЗ + GН.У + GВ.У,
(100)
GA.М=410,77+34,207+28,3+41,077=514,354 кН
Максимальный вес аппарата определяется по формуле
GAmax = GK+GНУ+GВУ+Gиз.+GВ, (101)
где GВ ( вес воды.
GВ=(((((DB)2/4)(HЦ+2(Vд)(((воды)20(g, (102)
GB = ((3,14(1,22/4)(25,9+2(0,45)(1000(9,81=296,039 кН,
Gmax=410,77+34,207+41,077+28,3+296,039=810,393 кН.
6.2 Выбор опоры
С учетом минимального веса аппарата GА=810,393 кН по ОСТ 26-467-78
выбирается опора 3 типа с кольцевым опорным поясом, показан на рисунке , со
следующими основными размерами:
высота опоры H1=2000 мм;
наружный диаметр кольца D1=1480 мм;
диаметр D2=1150 мм;
диаметр Dб=1360 мм;
толщина стенки опоры s1=10 мм;
толщина стенки опоры s2=20 мм;
толщина стенки опоры s3=20 мм;
число болтов zб=16 шт.;
диаметр отверстия под болт d2=35 мм;
диаметр болтов dб=М30.
Рисунок 11 – Конструкция цилиндрической опоры 3 типа
7 Расчет на ветровую нагрузку
Цель расчета: определение расчетных усилий для колонны от ветровых
нагрузок.
Исходные данные для расчета:
– высота колонны H=30,3 м;
– коэффициент неравномерности сжатия грунта CF=2(108 H/м3;
– скоростной напор ветра 0,0005 МН/м2;
– модуль продольной упругости Е=1,75(105 МПа;
7.1 Определение периода собственных колебаний колонны
Колонну разбиваем по высоте на три участка. Расчетная схема показана
на рисунке 12. Вес участка аппарата принимают сосредоточенным в его
середине. Нагрузку от веса аппарата прикладывают вертикально, а ветровую
горизонтально.
Рисунок 12 – Расчетная схема колонны
Период основного тона собственных колебаний аппарата переменного
сечения следует определим по формуле
T=2(H[pic] , (103)
где (i ( относительное перемещение центров тяжести участков
рассчитываемое по формуле
[pic] , (104)
где (i ( коэффициент, определяемый по формуле
[pic], (105)
( ( коэффициент, определяемый по формуле
[pic], (106)
[pic] ( , ( , ( ( определяют по формулам:
[pic][pic], (107)
[pic], (108)
[pic], ( 109)
Момент инерции сечения аппарата найдем по формуле
[pic], (110)
[pic]м4;
[pic]м4;
[pic]м4.
Момент сечения подошвы фундамента
[pic], (111)
[pic]м4.
Проведем расчет по формулам (102)…(108)
[pic],
[pic],
[pic],
[pic].
[pic],
[pic],
[pic]
[pic],
[pic],
[pic],
[pic]
7.2 Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки
При расчете ветровая нагрузка, распределенная непрерывно по высоте
аппарата, заменяется сосредоточенными горизонтальными силами Pi,
приложенными в серединах участков, как показано на рисунке 12.
Изгибающий момент в расчетном сечении на высоте [pic] следует
определять по формуле
[pic], (112)
где MvJ ( ветровой момент от действия ветра на площадки обслуживания,
Н(м.
Ветровая нагрузка на i ( м участке
[pic], (113)
Статическая составляющая ветровой нагрузки на i ( м участке
[pic],
(114)
Динамическая составляющая ветровой нагрузки на i ( м участке
[pic]
(115)
Нормативное значение статической составляющей ветровой нагрузки
на середине i ( го участка аппарата
[pic],
(116)
где q 0 ( определяется по ГОСТ Р 51273-99, q0=230 H/м2;
[pic], (117)
для аппаратов круглого сечения K = 0,7.
Коэффициент динамичности ( находится в зависимости от параметра
[pic]. (118)
Коэффициент динамичности ( определяется по формуле
[pic]. (119)
Коэффициент пространственной корреляции пульсации ветра ( определяют
по формуле
[pic]. (120)
Приведенное относительное ускорение центра тяжести i ( го
участка
[pic] , (121)
где ( i , ( n ( относительное перемещение i ( го и n ( го
участка при основном колебании
Если X ( 10, то
[pic], (122)
Если X ( 10, то m n = 0,6.
Изгибающий момент в расчетном сечении на высоте [pic] от действия
ветровой нагрузки на обслуживающую площадку следует определять по формуле
[pic], (123)
где АJ ( общая площадь, включенная в контур площадки, м2.
Коэффициент (J по формуле
[pic] (124)
Проведем расчет по формулам (111)…(123).
[pic]
[pic]
[pic],
[pic],
[pic]
[pic],
[pic],
[pic],
[pic]
[pic]
m2=0,6,
[pic]
[pic]
[pic]
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic]м2,
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],[pic]
[pic]
8 Расчёт корпуса аппарата от совместного действия всех нагрузок (5(
Цель расчёта: Проверка аппарата на прочность и устойчивость в
результате совместного действия всех нагрузок
Исходные данные:
p – расчётное давление, PR=11 МПа;
D – внутренний диаметр аппарата, D=1200 мм;
s – толщина стенки аппарата, S=50 мм;
c – сумма прибавок к толщине стенки, С=2 мм;
F – расчётное осевое сжимающее усилие в сечении У-У , F = 0,81 МН ;
М – расчётный изгибающий момент в сечении У-У , М = 0,206 МН(м ;
(т – коэффициент прочности кольцевого сварного шва , (т =1;
(p – коэффициент прочности продольного сварного шва , (p=1.
Рисунок 13 – Расчётная схема аппарата
8.1 Проверка корпуса аппарата на прочность
8.1.1 Проведем расчет для рабочего условия
Рассчитываем продольные напряжения на наветренной стороне по формуле
[pic], (125)
где F – осевое сжимающие усилие при рабочих условиях, F=0,537 МН;
[pic]
Рассчитываем продольные напряжения на подветренной стороне по
формуле
[pic] , (126)
[pic].
Кольцевые напряжения рассчитываем по формуле
[pic], (127)
[pic]МПа.
Рассчитываем эквивалентные напряжения на наветренной стороне по
формуле
[pic], (128)
[pic] МПа.
Рассчитываем эквивалентные напряжения на подветренной стороне по
формуле
[pic] , ( 129)
[pic].
Проверяем условие прочности по следующим условиям
- на наветренной стороне
[pic] , (130)
124,04 МПа < 145(1 МПа.
- на подветренной стороне
[pic], (131)
124,31 МПа<145 МПа.
Условие прочности выполняются.
8.1.2 Проведем расчет при условии монтажа
Рассчитываем продольные напряжения на наветренной стороне по формуле
[pic], (132)
где F – осевое сжимающие условие при монтаже, F=0,514 МН;
По ГОСТ Р 51274 – 99 при условии монтажа p=0 МПа.
[pic].
Рассчитываем продольные напряжения на подветренной стороне по
формуле
[pic] , (133)
[pic].
Кольцевые напряжения рассчитываем по формуле
[pic], (134)
[pic]МПа.
Рассчитываем эквивалентные напряжения на наветренной стороне по
формуле
[pic], (135)
[pic] МПа.
Рассчитываем эквивалентные напряжения на подветренной стороне по
формуле
[pic] , ( 136)
[pic].
Проверяем условие прочности по следующим условиям
- на наветренной стороне
[pic] , (137)
0,954 МПа < 145(1 МПа.
- на подветренной стороне
[pic], (138)
6,635 МПа<145 МПа.
Условия прочности выполняются.
2. Проверка корпуса аппарата на устойчивость
Проверка устойчивости для рабочего условия и при условии испытания.
Допускаемая сжимающая сила из условия прочности сечения У-У корпуса
аппарата определяется по формуле
[pic] ,
(139)
[pic].
Допускаемая осевая нагрузка из условия местной устойчивости формы
определяется по формуле
[pic], (140)
[pic]MH,
[pic]МН.
Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости формы
определяется по формуле
[pic], (141)
где ( – гибкость аппарата;
[pic] ,
[pic],
[pic]МН,
[pic]
.
Определяем эквивалентную сжимающую осевую силу по формуле
[pic], ( 142)
[pic].,
[pic].
Определяем допускаемый изгибающий момент из условия прочности
[pic], ( 143)
[pic].
Определяем допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости
[pic], (144)
[pic].
[pic].
Определяем допускаемый изгибающий момент по формуле
[pic], (145)
[pic].
[pic].
Проверяем аппарат на устойчивость от совместного действия нагрузок по
условию
[pic] , (146)
При условиях испытания
[pic],
[pic]
Условие выполняется.
При рабочих условиях
[pic]
Условие устойчивости выполняется, следовательно, аппарат сохраняет
прочность и устойчивость под действием совместно действующих нагрузок.
9 Расчет опоры
Цель расчёта: проверка опоры аппарата на прочность и устойчивость.
Исходные данные:
p – расчётное давление, PR=0,11 МПа;
D – внутренний диаметр опоры, D=1200 мм;
s – толщина стенки обечайки опоры, S=8 мм;
c – сумма прибавок к толщине стенки, С=2 мм;
F – расчётное осевое сжимающее усилие в сечениях, F = 0,81 МН ;
М – расчётный изгибающий момент в сечениях, М=0,206 МН(м ;
(т – коэффициент прочности кольцевого сварного шва, (т =1;
(p – коэффициент прочности продольного сварного шва, (p=1.
Рисунок 14 – Расчётная схема цилиндрической опоры
9.1 Проверка обечайки опоры на прочность
9.1.1 Проведем расчет обечайки для рабочего условия
Рассчитываем продольные напряжения на наветренной стороне по формуле
[pic], (147)
где F – осевое сжимающие усилие при рабочих условиях, F=0,537 МН;
[pic]
Рассчитываем продольные напряжения на подветренной стороне по
формуле
[pic] , (148)
[pic].
Кольцевые напряжения рассчитываем по формуле
[pic], (149)
[pic]МПа.
Рассчитываем эквивалентные напряжения на наветренной стороне по
формуле
[pic], (150)
[pic] МПа.
Рассчитываем эквивалентные напряжения на подветренной стороне по
формуле
[pic] , ( 151)
[pic].
Проверяем условие прочности по следующим условиям
- на наветренной стороне
[pic] , (152)
12,1 МПа < 145(1 МПа.
- на подветренной стороне
[pic], (153)
48,61 МПа<145 МПа.
Условие прочности выполняются.
9.1.2 Проведем расчет обечайки при условии монтажа
Рассчитываем продольные напряжения на наветренной стороне по формуле
[pic], (154)
где F – осевое сжимающие условие при монтаже, F=0,514 МН;
По ГОСТ Р 51274 – 99 при условии монтажа p=0 МПа.
[pic].
Рассчитываем продольные напряжения на подветренной стороне по
формуле
[pic] , (155)
[pic].
Кольцевые напряжения рассчитываем по формуле
[pic], (156)
[pic]МПа.
Рассчитываем эквивалентные напряжения на наветренной стороне по
формуле
[pic], (157)
[pic] МПа.
Рассчитываем эквивалентные напряжения на подветренной стороне по
формуле
[pic] , ( 158)
[pic].
Проверяем условие прочности по следующим условиям
- на наветренной стороне
[pic] , (159)
11,5 МПа < 145(1 МПа.
- на подветренной стороне
[pic], (160)
43,8 МПа<145 МПа.
Условия прочности выполняются.
9.1.3 Проверка прочности сварного шва соединяющего корпус аппарата
и опорную обечайку
Проверку прочности проведем по формуле
[pic], (161)
где а – катет сварного шва, а=2 мм;
[(]0 – допускаемое напряжения для материала опоры, [(]0=145 МПа.
[pic],
[pic].
Условие выполняется.
9.1.4 Проверка устойчивости опорной обечайке
Проверку устойчивости в сечение Z-Z проведем по формуле
[pic], ( 162)
где [F] – допускаемое осевое усилие, определяем по ГОСТ 14249, [F]=3,109
МПа;
[M] – допускаемый изгибающий момент, определяем по ГОСТ 14249, [M]=0,867
МН(м;
(1, (2, (3 – коэффициенты , (1=0,99, (2=0,96, (3=0.
[pic]
0,51(1
Условие выполняется.
9.2 Расчет Элементов опорного узла
9.2.1 Рассчитаем толщину нижнего опорного кольца s1 по формуле
[pic], (163)
где (1 – коэффициент, находится по графику [4], (1=0,85;
b2 – расстояние от обечайки до внешнего края нижнего кольца, b2=125 мм;
[(]A – допускаемое напряжение для материала опоры, [(]A=142 МПа;
b1 – ширина нижнего опорного кольца, b1=330 мм;
Dб – диаметр окружности анкерных болтов, Dб=1360 мм;
s0 – исполнительная толщина обечайки опоры, s0=8 мм.
[pic],
[pic][pic].
Принимаем s1=20 мм.
Библиография
1 ОСТ 26-291-94
2 ГОСТ 14249-89. Нормы метода расчета на прочность
3 ГОСТ 24755-89. нормы и методы расчета на прочность укреплений отверстий
4 ГОСТ Р 51274-99. Сосуды и аппараты колонного типа, нормы и методы расчёта
на прочность. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 11 с.
-----------------------
У
У
М
G
Направление ветра
S4
S2
1:5
D
S
2000
y
z
z
y
d1
S3
D2
x
x
Dб
D1
