ЛЕКЦИЯ № 6

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТЫ ДЛЯ ВЫБОРА

КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И РАСЧЕТ

ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ

Сосуды и аппараты, применяемые в промышленности принято считать тонкостенными, если толщина их стенки не 10% внутреннего диаметра. Такие аппараты и сосуды эксплуатируются обычно до давления не более 10 МПа.

Основным узлом сосуда и аппарата является корпус, который определяет его форму, размеры , производительность и стоимость. Корпус изолирует обрабатываемую среду, подвергаясь ее химическому воздействию и воспринимая при этом механические и тепловые нагрузки. Таким образом, надежность работы аппарата во многом зависит от надежности его корпуса.

Корпуса аппаратов состоят из оболочек (обечаек) различной конфигурации, соединенные друг с другом как неразрывными ( сварными) , так и разъемными ( фланцевыми) соединениями. Корпус чаще всего работает в условиях статических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением, а также под воздействием осевых, поперечных сил и изгибающих моментов.

Основные расчетные параметры для выбора конструкционного материала и расчет оборудования на прочность содержится в ГОСТ 14249-89

«Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность».

К основным расчетным параметрам относятся:

1.ТЕМПЕРАТУРА.

1. Рабочая температура – это температура среды содержащаяся в аппарате или перерабатываемая в нем при нормальном протекании в нем технологического процесса.

2. Расчетная температура – наибольшее значение температуры стенки. Ее определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний. Если температура стенки ниже 20^о С , то за расчетную принимают 20^оС.

2.ДАВЛЕНИЕ.

2.1 Рабочее давление – максимальное внутреннее избыточное или наружное

давление возникающее в сосуде или аппарате при нормальном протекании

в нем рабочего процесса .

При этом не учитываются:

А).гидравлическое давление среды,

Б).допустимое кратковременное повышение давления во время действия

предохранительного клапана. ( при срабатывании клапана).

2.2.Расчетное давление ( в рабочих условиях) – давление, при котором

производится расчет на прочность элементов сосудов и аппаратов. Как

правило, расчетное давление равно рабочему или выше его:

р_р=р + р_г,

где р_г – гидростатическое давление среды. Если (р_г/р)х100% 5% , то р_р=р

-если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате повышается больше, чем на 10% по сравнению с рабочим, расчет должен -производиться на давление, равное 90% давления при полном открытии предохранительного устройства

• при расчете элементов, разделяющих пространство с разными давлениями за расчетное принимают либо каждое давление в отдельности, либо то, которое

требует большей толщины стенки; если давление с разных сторон дейс-

твует одновременно, то производится расчет на разность давлений.

р₁0,1МПа

вакуум(р₂- межстенное пр-во

При расчете берется разность давлений, если данные о вакууме отсутствуют , то р₂=0

-аппараты, работающие под вакуумом, обычно испытывают внутренним давлением на 0,2 МПа

• если действует гидростатическое давление, которое превышает рабочее на 5%,

то расчетное давление повышается на ту же величину.

1. Пробное давление – максимальное давление, при котором производится испытание сосуда.. Испытание бывает гидравлическим или пневманическим.

Величина давления регламентируется ГОСГОРТЕХНАДЗОРОМ и указана в таблице .

Различают испытание на заводе-изготовителе и испытание при периодическом освидетельствовании аппарата. Испытание аппарата проводят гидравлически на пробное давление , указанное в таблице .

При этом для сосудов и их элементов , работающих при отрицательной температуре, р_и принимается таким же, как при Т=20⁰С. Для сосудов, работающих при температуре стенки +200⁰С до +400⁰С р_и не должно превышать р более чем в 1,5 раза, а при температуру свыше +400⁰С – не более чем в 2 раза.

Для сосудов высотой более 8 м пробное давление следует принимать с учетом гидростатического давления в рабочих условиях, т.е. в таблице вместо р принимают р_р.

Расчетное давление в условиях испытаний – давление, которому подвергаются сосуды во время пробного испытания, если гидростатическое давление повышается более 5%, то оно прибавляется.

Величину пробного давления при испытаниях измеряют в верхней точке аппарата, где установлен манометр. Пробное давление выдерживают в течение 5 мин., после чего давление снижают до рабочего, и при рабочем давлении проводят осмотр и обстукивание сварных швов.

При заполнении аппарата необходимо следить за тем, чтобы в нем не остался воздух, наличие которого можно видеть по неустойчивому положению стрелки манометра. При спуске воды из аппарата следует открыть воздушник, чтобы предотвратить нежелательное действие на аппарата внешнего давления.

В тех случаях, когда провести гидравлическое испытание невозможно из-за больших напряжений в стенках или фундаменте аппарата, или при трудностях удаления воды после испытания аппарата разрешается проводить пневматическое испытание на такое же пробное давление. При этом ввиду повышенной опасности пневматического испытания люди должны находиться в безопасных местах. После снижения давления до рабочего проводят осмотр и проверку плотности швов мыльной пеной. Обстукивание швов под давлением при пневматическом испытании запрещается.

При проведении испытания воздухом следует предварительно провести продувку аппарата водяным паром до полной очистки его от взрывоопасных продуктов, если такие продукты там содержались.

Аппараты , работающие под вакуумом , испытывают гидравлически давлением 2 атм или пневматически на давление 1,1 атм.

3.Допускаемые напряжения. Коэффициенты запаса.

Допускаемые напряжения – это напряжения, обеспечивающие надежную работу оборудования без перерасхода конструкционных материалов.

Если аппарат работает при статической однократной нагрузке, то допускаемые напряжения определяются следующим образом (отметим, что если аппарат работает при многократной статической нагрузке и количество циклов нагружения  или

 1000 , то такая нагрузка считается однократной) :

1. Для углеродистых и низколегированных сталей

1. Для аустенитных сталей

1. Для условий испытаний

А). Для углеродистых сталей

или

Б). Для аустенитных сталей

или

Предел ползучести используется для определения , когда отсутствуют данные по пределу длительной прочности или необходимо ограничивать величину деформации.

Обозначения:

Re – предел текучести ( его минимальное значение при расчетной температуре)-_т

в МПа;

Re²⁰- минимальное значение предела текучести при температуре 20^оС;

R_p0,2 – минимальное значение условного предела текучести при расчетной температуре

(напряжение, при котором остаточное удлинение 0,2%)-_0,2,МПа;

R²⁰_p0,2- минимальное значение условного предела текучести при температуре 20^оС;

R_m - минимальное значение временного сопротивления ( предела прочности) при

расчетной температуре, _в,МПа;

R_m/10⁵ - среднее значение предела длительной прочности за 10⁵ часов при расчетной

температуре,_{д 10}⁵ ,МПа;

R_p1,0/10⁵- средний 1% предел ползучести за 10⁵ часов при расчетной температуре,_1%/10⁵;

R_p1,0 - минимальное значение условного предела текучести при расчетной темпера-

туре, _1,0( напряжение, при котором остаточное удлинение 1%).

 - поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям. Как правило, =1.Исключения- =0,8 для отливок, подвергающихся индивидуальному контролю неразрушающими методами; =0,7 для остальных отливок.

n_t – коэффициент запаса прочности по пределу текучести;

n_в – коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению;

n_д- коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности;

n_п – коэффициент запаса прочности по пределу ползучести

Условия нагружения	nт	nв	nд	nп
1.Рабочие условия	1,5	2,4	1,5	1,0
2.Условия испытаний 2.1Гидравлические 2.2Пневманические
	1,1	-	-	-
	1,2	-	-	-
3.Условия монтажа	1,1	-	-	-

Механические характеристики сталей берутся из ГОСТа.

Для элементов аппаратов, работающих в условиях ползучести при разных за весь период эксплуатации расчетных температур, в качестве допускаемого напряжения разрешается принимать эквивалентное напряжение

где - допускаемое напряжение для расчетного срока эксплуатации для -й температуры;

Т_ - длительность этапов эксплуатации элементов с температурой стенки t_ ( час)

- общий расчетный срок эксплуатации.

m - показатель степени в уравнениях длительной прочности сталей ( для легированной стали m=8);

n_д - коэффициент запаса устойчивости; при расчете на устойчивость по нижним критическим напряжениям в пределах упругости следует принимать:

• для рабочих условий n_д=2,4;

• для условий монтажа и испытаний n_д=1,8.

4.Коэффициенты прочности сварных швов -  .

При расчете на прочность сварных элементов аппаратов в расчетные формулы следует вводить коэффициент прочности сварных соединений.

Если контролируется вся длина сварного шва -=0,8-1;

Для стыкового или таврового шва с двусторонним сплошным проваром, выполненного автоматической или полуавтоматической сваркой =1,0.

Если длина контролируемого шва составляет 10-50% - =0,65-0,9.

Для стыкового шва, выполненного с одной стороны вручную - =0,65

5.Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов.

Исполнительная толщина стенки аппарата определяется как

где S - исполнительная толщина;

S_p – расчетная толщина стенки элемента аппарата;

С - прибавки:

С₁ – прибавка для компенсации коррозии или эрозии,

С₂ – прибавка на минусовой допуск листа,

С₃- технологическая прибавка, компенсация утонения стенки элемента аппарат при технологических операциях вытяжки,штамповки,гибки труб;

С₂ и С₃ учитываются, если  (С₂+ С₃) превышает 5% номинальной толщины листа.

С=С₁ + С₂ + С₃

С₁ = П х_в + С_э,

где – С_э – прибавка для компенсации эрозии ; П – проницаемость среды в материал ( скорость коррозии); _в – срок службы аппарата.

При изготовлении химического оборудования применяются материалы, у которых скорость коррозии П  0,1 мм/год.