Диссертация (Особенности прочностного расчета и конструирования сосудов и аппаратов сернокислотного производства), страница 10

Были рассмотрены стандартизованные горизонтальные резервуарыобъемом 5, 10, 25, 50, 75 и 100 м3.64Рисунок 3.1.3 – Изменение отношения расстояния от краяцилиндрической обечайки до оси седловой опоры к длине корпуса e/L отобъема резервуара VР (5, 10, 25, 50, 75 и 100 м3):1 – кривая аппроксимации по уравнению (3.1.7).Кривая,представленнаянарисунке3.1.3,можетбытьаппроксимирована уравнением вида:= 0,4 ∙ −0.13 (3.1.7)Так, используя приведенные данные на рисунке 3.1.3 или поуравнению (3.1.7) мы можем определить рациональное место установкиседловых опор в горизонтальных резервуарах различного объема, чтообеспечит минимальные значения изгибающего момента в обечайке ирасчетного значения толщины стенки.

Проведенные расчеты показали, чтопри правильном выборе места установки опор расчетная толщина стенкирезервуаров для сред с плотностью не более 1300 кг/м3 и выше меньшеминимальной конструктивной толщины стенки корпуса равной 4 ммустанавливаемой «ГОСТ 17032-2010» [18].65Несмотря на это, необходима проверка несущей способностиобечайки в месте установки опор (рисунок 3.1.4) в соответствии с«ГОСТ Р 52857.5-2007» [37].Рисунок 3.1.4 – Расчетная схема несущей способности обечайки в местеустановки опор по «ГОСТ Р 52857.5 – 2007»В данном случае необходима проверка несущей способностиобечайки в нижних точках 2 и 3.

Оказалось, условия устойчивости ипрочности обечайки без подкладного листа от действия опорных нагрузок вбольшинстве случаев с толщиной стенки обечайки равной 4 мм невыполняются. Таким образом, как правило, горизонтальные резервуары вместе установки седловых опор должны снабжаться подкладными листами.3.2. Расчет и конструирование днищ горизонтальных резервуаровРяд заводов-изготовителей выпускает в настоящее время резервуары сплоскими не оребренными днищами с толщиной стенки равной от 4 до 8 мм.Прочностной расчет таких днищ по «ГОСТ Р 52857.2 – 2007» [34] резервуарадиаметром 3200 мм при плотности среды 1480 кг/м3 показал, что ихрасчетная толщина составляет 26.8 мм. Тем не менее, такие резервуары притолщине стенки всего лишь 4 мм работают по многу лет.

Объясняется этотем, что при нагружении гидростатическим давлением тонкостенное плоскоеднище деформируется, переходит в область пластических деформаций истановится в результате выпуклым, при этом напряжения становятся меньше66предела текучести. При повторной загрузке среды в горизонтальныйрезервуар днище, будучи уже немного выпуклым, будет работать в областиупругих деформаций [57]. Тем не менее, выполняя расчет таких днищ напрочность[17,34],соответствующийдействующимнормативнымдокументам, возникающие в днищах напряжения превышают допускаемыезначения,поэтомуврассматриваемыхгоризонтальныхрезервуарахприменять их не следует.В случае укрепления днища ребрами жесткости условия прочностибудут выполняться при толщине стенки несколько меньше – 21 мм, но приэтом потребуется установка центральной втулки диаметром 325 мм (толщинастенки 20 мм) и восьми радиальных ребер толщиной равной 20 мм и высотой80 мм.

Металлоемкость днища в результате уменьшится не на много посравнению с не оребренным днищем.Такимобразом,установкаплоскихднищвгоризонтальныхрезервуарах не целесообразна. Что касается любых выпуклых иликонических днищ (они дешевле в изготовлении), то их расчетная толщина по«ГОСТ Р 52857.2 – 2007» [34] составляет для рассматриваемых резервуаровменее 1 мм.3.2.1. Расчет и конструирование днищ с радиальными ребрамижесткостиНесмотря на то, что материалоемкость плоских днищ с радиальнымиребрами жесткости на много больше, чем у выпуклых, они довольно широкоиспользуютсявпромышленности.химической,нефтехимическойЧащеонивсегоииспользуютсядругихвотрасляхгоризонтальныхрезервуарах для сред, отличающихся, как по агрессивным свойствам, так ипо плотности.Расчет плоских круглых днищ, как гладких, так и с ребрамижесткости, регламентируется «ГОСТ Р 52857.2-2007» [34].67Рисунок 3.2.1.1 – Расчетная схема плоского круглого днища сребрами жесткости по «ГОСТ Р 52857.2-2007»Расчет по [34] носит поверочный характер, то есть задаются всеразмеры днища: внутренний диаметр сосуда или аппарата D, мм; расчетныйдиаметр днища Dр=D, мм; s1 – исполнительная толщина стенки днища, мм;h – высота ребра, мм; H1 – высота втулки, мм; d0 – наружный диаметрцентральной втулки, мм; tв – толщина втулки, мм; h3 – расстояние от нижнеготорца втулки до нижней поверхности днища, мм.

Заканчивается расчетопределением допускаемого давления [p] и сравнением его с расчетнымдавлением p: < [] (3.2.1.1)Допускаемоеизбыточноедавление,действующеенаднище,вычисляют по формуле[] = min{[1 ]; [2 ]} (3.2.1.2)где[1 ] =Если12[2 + 0 (1 − 0 )](3.2.1.3)2 (1 − 03 )направлениедополнительногоусилия,действующегонацентральную часть днища 0 , совпадает с направлением действия давления,то в формуле (3.2.1.3) для определения [1 ] перед 0 надо поставить знакминус.12[](1 − )2 (1 + ) (3.2.1.4)[2 ] =2 68В формулах (3.2.1.3) и (3.2.1.4) Мс – суммарный изгибающий момент,Hмм; Q0 – дополнительное усилие, действующее на центральную частьднищас[σ]допускаемое–ребрами,H;ρ0=do/Dpнапряжение–относительныйприрасчетнойрадиусвтулки;температуре,МПа;s1 – исполнительная толщина стенки днища, мм; c – сумма прибавок красчетной толщине стенки днища, мм; Dp – расчетный диаметр днища, мм;n – количество ребер жесткости.Затем можно определить материалоемкость оребренного днища: = 1 + 2 + 3 (3.2.1.5)где, m1 – масса гладкого днища без втулки, кг; m2 – масса ребер, кг;m3 – масса втулки, кг.В рациональной конструкции материалоемкость днища должна бытьминимальной при выполнении условия прочности, то есть → min (3.2.1.6)В работах [54] и [55] рассматривается вопрос проектированияобечайки укрепленной кольцами жесткости.

Показано, что при возможностипотери устойчивости обечайки, в первую очередь при работе подразрежением (наружным давлением), установка колец жесткости можетпозволить снизить материалоемкость до 70%. Однако, при этом возрастаетсебестоимость изготовления обечайки за счет уменьшения расстояния междуребрами жесткости и соответственно увеличения объема сварочных работ. Врезультате даются рекомендации по проектированию обечаек укрепленныхребрамижесткостисучетомихминимальнойсебестоимости,материалоемкость при этом, по сравнению с гладкими обечайками, можетбытьсниженана18%.Анализрациональныхпараметровобечаекукрепленных кольцами жесткости осуществлялся на основе зависимостейприведенных в [34] для проведения поверочного прочностного расчета.Вданнойглавеприведенырезультатыанализавлияниянаматериалоемкость плоского оребренного днища, при выполнении условийпрочности, толщины стенки днища и ребер жесткости, высоты ребер, а также69количества ребер.

Из условия равнотолщинности свариваемых деталейтолщина стенки ребра жесткости принималась равной толщине стенкиднища. Количество ребер жесткости изменялось от четырех до шестнадцати,разница в стоимости сварочных работ в данном случае на много меньшестоимости металла, поэтому определение рациональной конструкции днищаможет проводиться исходя из его материалоемкости.При проведении анализа изменялись габариты ребра жесткости Sp, h, атакже их количество n, таким образом, чтобы выполнялись условия (3.2.1.1)и (3.2.1.6).Ниже приведен конкретный пример днища, работающего подвнутренним избыточным давлением и укрепленного радиальными ребрамижесткости. Расчетная схема представлена на рисунке 3.2.1.1.

Исходныеданные для расчета: D = 3200 мм, p = 4.509·104 Па (высота налива при этомH=3.1 м, плотность среды ρ=1483 кг/м3); σдоп = 147.4 МПа [2]; S1 = Sp мм(принимаем, что толщина стенки днища равна толщине ребра жесткости);прибавка к расчетной толщине днища с = 1,6 мм.Расчетноеизбыточноедавлениеравнодопускаемомуиматериалоемкость днища минимальна и равна mp=1.413·103 кг приколичестве ребер n=5, высота ребра при этом равна h=80 мм, а толщинаSp=21 мм. Для сравнения, материалоемкость гладкого днища при тех жеусловиях равна mg=1.694·103 кг.

Отношение материалоемкости оребренногоднища к материалоемкости гладкого днища равно 0.834, следовательно,укрепление плоского круглого днища радиальными ребрами жесткости вданном случае целесообразно для снижения материалоемкости днища. Длядиаметра днища D=600 мм, отношение материалоемкости оребренногоднища к материалоемкости гладкого днища равно 1.992. Это значит, чтооребрение днищ данного диаметра нецелесообразно. Таким образом,укрепление плоских днищ радиальными ребрами не всегда целесообразно иприводит к снижению их материалоемкости, по сравнению с гладкимиплоскими днищами.70Несмотрянакажущуюсяпростотупредложенногоалгоритмаопределения рациональных параметров оребренных плоских днищ, длярешенияпоставленнойколичествозависимости,расчетовзадачивпотребовалосьсистемепроанализироватьMathCad,полученныепровестизначительноепостроитьграфическиерезультаты.Вцелом,конструктивные параметры плоского оребренного днища зависят от егодиаметра, давления (плотности среды для резервуаров, работающих подналив).Целесообразноукреплятьднищарезервуаровсдиаметромот 1200 мм.В качестве примера обработки данных на рисунке 3.2.1.2 приведенызависимости отношения массы оребренного днища к массе гладкогоплоского днища от количества ребер жесткости.Рисунок 3.2.1.2 – Зависимость отношения массы оребренного днища кмассе гладкого плоского днища от количества ребер жесткости приразличных диаметрах днищ резервуаров, плотность среды 1483 кг/м3,высота ребра h=80 мм:1 – диаметр днища D=3200 мм; 2 – диаметр днища D=2600 мм;3 – диаметр днища D=1800 мм; 4 – диаметр днища D=1200 мм.71На рисунке 3.2.1.3 представлены аналогичные зависимости, но отвысоты ребра жесткости при оптимальных значениях количества ребержесткости, определенных из зависимостей на рисунке 3.2.1.2.Рисунок 3.2.1.3 – Зависимость отношения массы оребренного днища кмассе гладкого плоского днища от высоты ребер жесткости приразличных диаметрах днищ резервуаров, плотность среды 1483 кг/м3:1 – диаметр днища D=3200 мм; 2 – диаметр днища D=2600 мм;3 – диаметр днища D=1800 мм; 4 – диаметр днища D=1200 мм.На рисунке 3.2.1.4 представлены зависимости отношения массыоребренного днища к массе гладкого плоского днища от количества ребержесткости при различных плотностях продукта.72Рисунок 3.2.1.4 – Зависимость отношения массы оребренного днища кмассе гладкого плоского днища от количества ребер жесткости приразличных плотностях среды, диаметр днища резервуара 3200 мм,высота ребра h=80 мм:1 – плотность среды =900 кг/м3; 2 – плотность среды =1200 кг/м3;3 – плотность среды =1483 кг/м3; 4 – плотность среды =1600 кг/м3;5 – плотность среды =1800 кг/м3.Результаты расчетов по определению рационального количестваребер, высоты и толщины ребра для днищ резервуаров диаметром 1200, 1800,2600и3200ммприплотностирабочихсред900,1200,1483(концентрированная серная кислота), 1600 и 1800 кг/м3 приведены в таблице3.2.1.1.73Таблица 3.2.1.1 – Сводная таблица рациональных значений количества,высоты и толщины ребер жесткости в зависимости от диаметрарезервуара и плотности средыРекомендуемыеD,количество,ммвысота иρ, кг/м39001200148316001800n48558h, мм5050805050S, мм66777n10165166h, мм6050806090S, мм7710810n1610586h, мм7080808090S, мм911161517n86554h, мм9090808080S, мм1418212224толщина ребер1200180026003200Приведенныевтаблицеконструктивныепараметрыплоскогооребренного днища обеспечивают его минимальную материалоемкость.