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 s_из=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 T_R – 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 Т_Р =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 P_R – 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

Р_R1=1,1P, (0)

где P – рабочее давление, P=10 МПа;

P_R1=1,110=11 МПа.

Пробное давление для испытания аппарата определим по формуле

, (0)

где []²⁰ – допускаемое напряжение материала при 20 °С, []²⁰=196 МПа;

[]^tR – допускаемое напряжение материала при расчетной температуре t=250 °С, []²⁵⁰=145 МПа.

МПа.

Условное давление для выбора узлов и фланцевых соединений определим по формуле

, (0)

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 Т_Р=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 P_R = 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.

Рисунок 1 – Расчетная схема аппарата

Толщина стенки аппарата определяется по формулам

(0)

, (0)

где s - исполнительная толщина стенки, мм;

D- внутренний диаметр аппарата, мм.

м.

s  47,31 + 2 = 49,31 мм.

Принимается исполнительная толщина стенки сосуда s=50 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа

, (0)

МПа.

Условия применения расчетных формул

, (0)

тогда

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 P_R = 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.

Рисунок 2 - Днище эллиптическое

Для данной обечайки выбираются эклиптические отбортованные днища.

Толщина стенки днища определяется по формулам

, (0)

s_д  s + c (0)

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,

мм,

s_д = 46,39+2 = 48,39 мм.

Принимаем толщину днищ стандартного значения s_д=50 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа определяется по формуле

. (0)

МПа.

Условия применения расчетных формул для эллиптических днищ

, (0)

Условие выполняется.

Определим длину цилиндрической отбортованной части днища

, (0)

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

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, МПа	Sт, мм	Hт, мм
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 P_R = 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.