Цель расчета

Целью расчета является закрепление теоретических знаний, расчетно-практических рекомендаций по курсу "Основы расчета и конструирования химического оборудования" и их приложение к конкретному прочностному расчету отдельных конструктивных элементов тонкостенного аппарата, работающего в условиях нагружения низким давлением (до I МПа).

Данные для расчета

Данные для расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Данные для расчета

Вещество	Концентрация	D1, мм	D2, мм	d1=d2	d3
KNO3	5%
d4	L	α,град	l	P1, МПа	P2, МПа	t1, ^0C
				1,05	1,2

Теплоносителем в рубашке аппарата является насыщенный водяной пар. Срок службы аппарата 10 лет.

Схема аппарат представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема тонкостенного аппарата

Расчеты

3.1 Выбор конструкционного материала

Выбор конструкционного материала осуществляем с учётом температур, агрессивности сред и их концентраций. Для вещества KNO₃ при температуре 60°С и концентрации 7 % выбираем высоколегированную коррозионно-стойкую сталь 12Х18Н10Т с характеристиками, сведёнными в таблицу 2.

Таблица 2 – Характеристики стали

Марка стали	Скорость коррозии П, мм/год.
12Х18Н10Т	0,1

3.2 Выбор коэффициентов запаса прочности и устойчивости, а также модуля упругости

Коэффициенты запаса прочности материала выбираем по [2]. Результаты подбора сведены в таблицу 3.

Таблица 3 – Коэффициенты запаса прочности

Условия нагружения	Коэффициенты запаса прочности
пТ	пВ = пУ	пД	пП
Рабочие условия	1,5	2,4	1,5	1,0
Гидравлические испытания	1.1	-	-	-

где п_Т - коэффициент запаса прочности по пределу текучести;

п_В - коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению;

п_Д - коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности;

п_П - коэффициент запаса прочности по пределу длительной ползучести;

п_У - коэффициент запаса устойчивости.

Модуля продольной упругости выбираем по [2]. Для стали 12Х18Н10Т при температуре 100 °С принимаем Е = 2,15 · 10⁵ МПа.

3.3 Определение коэффициентов прочности сварных швов

Коэффициенты прочности сварных швов выбираем согласно [2]:

1) продольный шов обечайки, стыковой с двухсторонним сплошным проваром: = 1,0;

2) кольцевой шов обечаек, в тавр, с конструкционным зазором свариваемых деталей: = 0,8.

3.4 Определение допускаемых напряжений

Допускаемые напряжения [s] для стали 12Х18Н10Т определяем по [2]:

для аустенитных сталей

где h = 1,0; P_p1,0 = 263 МПа;

Принимаем [s] = 176 МПа;

3.5 Расчёт элементов аппарата

3.5.1 Определение прибавок к расчётным толщинам элементов

(1)

Для компенсации коррозии, эрозии и утонения стенки элемента аппарата вводится прибавка к расчётной толщине стенок аппарата. Она определяется по формуле:

где С₁ – прибавка, учитывающая влияние коррозии и эрозии, мм;

С₂ – прибавка для компенсации минусового допуска, мм;

Сз – прибавка, учитывающая утонение стенки аппарата при

(2)

технологических операциях, мм.

где П – скорость коррозии, мм/год;

t - срок службы аппарата, лет.

С₁ =0,1 ·10 = 1 мм. С₂ = 0 и Сз = 0, так как сумма (С₂ +Сз) не превышает 5% толщины листа. Тогда прибавка С = С₁ = 1 мм.

3.5.2 Расчёт корпуса

Расчет будет произведен по [2]. Расчётная длина цилиндрической обечайки корпуса:

(3)

где L - длина рубашки, мм;

l - длина конуса рубашки, мм;

l₃ - длина отбортованной части эллиптического днища, мм;

l^/₃ - длина отбортованной части конического днища, мм.

Расчётная толщина цилиндрической обечайки под действием внутреннего давления [2]:

(4)

,

где р₁ – давление внутри обечайки, МПа;

D₁ – внутренний диаметр обечайки, мм;

[s] – допускаемое напряжение материала обечайки, МПа;

j_р – коэффициент прочности продольного сварного шва.

Тогда по формуле (4) будем иметь:

Принимаем S= 4 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитываем по (4’):

(4’)

Расчётная толщина цилиндрической обечайки корпуса под действием наружного давления:

(5)

где К₂ – коэффициент, определяемый по номограмме [2, черт.5] при

Воспользуемся формулой (5):

Исходя из самых неблагоприятных условий работы аппарата, выбираем наибольшую расчётную толщину стенки обечайки корпуса – S_R = 16 мм.

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса в первом приближении

Принимаем большее стандартное ближайшее значение S₁=18 мм.

Произведём проверку устойчивости аппарата.

Допускаемое внутреннее давление:

(6)

Условие устойчивости обечайки:

(7)

Таким образом, условие (7) выполняется.

Допускаемое наружное давление:

(8)

Из условия прочности

Из условия устойчивости в пределах упругости при lр < l_o,

где lр = 2710,3 мм,

(9)

С учётом обоих условий

(10)

Условие устойчивости обечайки корпуса:

(11)

Таким образом, условие устойчивости выполняется.

3.5.3 Расчёт днища

Используем коническое отбортованное стальное днище с внутренним базовым диаметром D₁ по ГОСТ 12619-78.

Толщина стенки днища:

(12)

Принимаем S₈ = 6 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

(13)

Условие [р₁] > р₁ выполняется (1,51 > 1,05 МПа).

3.5.4 Расчёт крышки

В качестве крышки используем отбортованное эллиптическое днище с внутренним базовым диаметром D₁, изготовленное по ГОСТ 6533-78.

Толщину стенки рассчитываем из условия действия внутреннего избыточного давления Р₁.

(14)

Принимаем S₇ = 4 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

(15)

Условие устойчивости р₁ < [р₁] выполняется (1,05< 1,58 МПа).

3.5.5 Расчёт рубашки

Расчёт толщины стенки рубашки проводим из условия действия внутреннего давления р₂.

(16)

Исходя из конструктивных соображений, принимаем S₂ = 6 мм.

Допускаемое внутреннее давление

(17)

Условие устойчивости р₂< [р₂] выполняется (1,2 < 1,46 МПа).

3.5.6 Расчёт патрубков

Толщины стенок патрубков рассчитываем из условия действия избыточного внутреннего давления.

Толщины стенок рассчитываются по формуле:

(18)

Для патрубков с толщиной стенок S₃ и S₄ – давление р₁, а для патрубков с толщиной стенок S₅ и S₆ – давление р₂.

Выбираем патрубок с толщиной стенки S₃=2 мм, выполненный из трубы 180х2 из стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 9941-81.

S₃= S₄= 2 мм.

Выбираем патрубок с толщиной стенки S₅=2 мм, выполненный из трубы 60х2 из стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 9941-81.

S₆=2 мм.

Выбираем патрубок с толщиной стенки S₆= 2 мм, выполненный из трубы 32х2 из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 9941-81.

3.6 Расчёт напряжений

3.6.1 Соединение днища и корпуса аппарата

Расчетная схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Соединение днища и корпуса аппарата

Система уравнений совместности деформаций

(19)

где - cсоответственно радиальные и угловые деформации края цилиндрической обечайки под действием нагрузок Р, Q₀ и М₀;

- соответственно радиальные и угловые деформации края конической обечайки под действием нагрузок Р, Q₀ и М₀.

Подставляя соответствующие значения деформаций в систему (19), получим:

(20)

(21)

где

Подставляя в уравнения (21) известные значения геометрических размеров аппарата и физических свойств материала согласно заданию, получим =0,0138мм¹,_К=0,0118мм^-1, Q=320,4МН/мм; откуда Q₀=-6,98·10^-6 МН/мм;

М₀=14,25 · 10^{-6 М Н · мм./мм}

Суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки следующие:

Меридиональные

(22)

Кольцевые

(31)

Суммарные напряжения на краю конического днища следующие:

Меридиональные

(32)

Кольцевые

(33)

Максимальные напряжения на краю:

цилиндрической обечайки

конического днища

Условие прочности в месте сопряжения элементов выполняется.

Окончательно принимаем:

толщину стенки цилиндрической обечайки S₁= 18 мм;

толщину стенки конической обечайки S₈= 6 мм;

3.7 Проверка необходимости применения колец жёсткости

Для установления необходимости применения колец жёсткости необходимо найти коэффициент и оценить его величину.

Коэффициент [2, с 11]

, (34)

Так как то применение колец жёсткости не требуется [2, с 11].

3.9 Проверка необходимости применения укрепления отверстий

Проверка осуществляется по ГОСТ 24755-89 [5].

Дата добавления: 2015-07-08