Диссертация (Особенности прочностного расчета и конструирования сосудов и аппаратов сернокислотного производства), страница 13

То есть,максимальная деформация при давлении 1.0 МПа составит 22.4+17.3=39.7ммпри измеренных деформациях днищ экспериментального сосуда 29.00.1 мми 38.00.1 мм (таблица 3.2.3.4). При давлении 2.0 МПа расчетная деформация– 39.7+13.1=52.8 мм, измеренная – 49.00.1 мм и 61.00.1 мм (таблица3.2.3.5).95абРисунок 3.2.3.10 – Остаточные деформации (учитывая предыдущиедеформаци) при внутреннем избыточным давлении:а – 1.0 МПа; б – 2.0 МПа.На расчетные значения напряжений и остаточных деформацийсущественное влияние оказывают параметры шва, закладываемые врасчетную модель, что объясняет различие в измеренных деформациях днищ(таблица 3.2.3.3 – 3.2.3.5).

На рисунке 3.2.3.11 показаны деформации днищапри различных параметрах сварного шва, закладываемого в расчетнуюмодель.Рисунок 3.2.3.11 – Деформации днища при внутреннем избыточномдавлении 0.5 МПа и различных параметрах сварного шва96Исследования деформации днища реального сосуда подтвердилидостоверностьприведенныхвдиссертациирезультатоврасчетанапряженного состояния элементов сосудов с использование программногокомплекса SolidWorks Simulation.Полученные экспериментальные данные интересны не только с точкизрения исследования деформации и разрушения тонкостенного плоскогокруглого днища при нагружении внутренним избыточным давлением, онидают так же косвенную информацию о допускаемых нагрузках на обечайку.Рассмотрим, какие напряжения должны возникать в исследуемойцилиндрической обечайке согласно «ГОСТ Р 52857.2-2007» [34] принагружении внутренним избыточным давлением 2.1 МПа, при которомпроизошло разрушение днища №1 (рисунок 3.2.3.8).В «ГОСТ Р 52857.2» [34] приведена зависимость (преобразованноеуравнение Лапласа для расчета толщины стенки обечайки, нагруженнойвнутренним избыточным давлением:, (3.2.3.1)где р=2.1 МПа (в рассматриваемом эксперименте) – расчетноевнутреннее избыточное давление; D=700 мм – внутренний диаметр обечайки;[σ] – допускаемое напряжение, МПа; φр =1 (для исследуемого сосуда) –коэффициент прочности продольного сварного шва.Из уравнения (3.2.3.1) получим привычный вид уравнения Лапласадля определения напряжения, возникающего в цилиндрической оболочке:=р(+)2р, (3.2.3.2)где s=6.46 мм – средняя исполнительная толщина стенки обечайки.Тогдаизуравнения(3.2.3.2)получимзначениенапряжения(кольцевого), которое должно возникать в ней при давлении разрушенияднища (сварного шва) 2.1 МПа – σ=114.8 МПа, что на много меньшестандартногозначенияпределатекучестидлясталимарки2097при 20 оС – 220 МПа [33] и приведенным в таблице 3.2.3.2 - 216 МПа, а такжеменьше допускаемого давления – 147 МПа [33].Расчетная толщина стенки согласно формуле (3.2.3.2) [34] составляет5.04 мм (средняя измеренная толщина стенки обечайки 6.46 мм)Таким образом, условия прочности обечайка при давлении 2.1 МПа,когда произошло разрушение днища, выполнялись.98Глава 4.

Особенности расчета и конструирования вертикальныхрезервуаров для хранения серной кислотыСерная кислота нашла самое широкое применение в химическойпромышленности, прежде всего, при производстве минеральных удобрений[3, 51]. К примеру, при производстве 1 т сульфата аммония требуетсяколичество серной кислоты порядка 750 кг. В связи с большойпроизводительностью цеха контактного производства серной кислоты,которая в cутки может достигать до 1000 т, требуется наличие многотонныхрезервуаров для ее хранения.На складах серной кислоты обычно применяются вертикальныерезервуары с плоским днищем (рисунок 4.1.1) [3, 62].

Резервуарыустанавливают на каркас из поперечных и продольных балок. В свою очередьих размещают на ленточном фундаменте в специальных облицованныхкислотоупорной плиткой и на поддонах, снабженными насосами дляликвидации возможных последствий протечек кислоты.4.1.Анализнормативнойдокументациипорасчетуобечаеквертикальных резервуаров и аппаратовЕсли для расчета на прочность вертикальных резервуаров для хранениянефтепродуктов и нефти существует нормативная база [68, 71, 99], то длявертикальных резервуаров для хранения агрессивных сред, включая сернуюкислоту, она отсутствует. В общем случае расчет обечаек сосудов иаппаратов может производиться по «ГОСТ Р 52857.2-2007» [34].

Расчетколонных аппаратов регламентирует «ГОСТ Р 51274-99» [31].99Рисунок 4.1.1 – Резервуар серной кислоты:1– обечайка; 2 – кровля; 3 – днище; 4 – продольные опорные балки;5 – поперечные балки; 6 – ленточный фундамент.Согласно [68, 71, 99] расчет обечайки проводится из условийпрочности и устойчивости. Для определения минимальной расчетнойтолщины стенки при условиях эксплуатации в «ПБ 03-605-03» [68] приведенаследующая зависимость:в = [( − )/( )] (4.1.1)где g – ускорение свободного падения в районе строительства; – плотность продукта; Н – высота налива продукта; z – расстояние от днадо нижней кромки пояса; r – радиус срединной поверхности пояса стенкирезервуара; Ry - расчетное сопротивление материала (принимается равным100пределу текучести); с – коэффициент условий работы, равный 0.7 длянижнего пояса, равный 0.8 для всех остальных поясов.Зависимость для расчетной толщины стенки от действия внутреннегоизбыточного давления, приведенная в «ГОСТ Р 52857.2-2007» [34], имеетнесколько иной вид: =2[] − (4.1.2)где p – расчетное внутреннее избыточное давление; D – внутреннийдиаметр сосуда или аппарата; [] – допускаемое напряжение при расчетнойтемпературе; р – коэффициент прочности продольного сварного шва.Формулу (4.1.2) можно представить в виде: =[](4.1.3)Формулы (4.1.1) и (4.1.3) получены из уравнения Лапласа, но имеютотличающиеся коэффициенты запаса прочности, поэтому в практическихрасчетах формула (4.1.1) дает заниженные результаты расчетной толщиныстенки по сравнению с формулой (4.1.3).

Рассмотрим, почему получаетсятакой результат. В формуле (4.1.1) g (Н-z) – это гидростатическое давлениестолба жидкости (рабочей среды), то есть аналог p, внутреннего избыточногодавления в формуле (4.1.2) и (4.1.3).Допускаемое напряжение [], согласно [33], определяется какминимальное значение из ряда величин, в том числе отношения пределатекучести к коэффициенту запаса прочности по пределу текучести, равному1.5 для рабочих условий. Таким образом, формулу (4.1.3) применительно квертикальным резервуарам можно записать, как:( − )(4.1.4)1.5 Коэффициент прочности продольного сварного шва в зависимости от =вида сварного шва, длины контролируемых швов от общей длины всоответствии с [33] может изменяться от 0.65 до 1.0.

В общем случае для101сернокислотных резервуаров его обычно принимают равным 0.8 - 0.9. В этомслучае отношение р к коэффициенту запаса прочности по пределу текучестибудет равно 0.533 – 0.667, что меньше коэффициента условий работы вформуле (4.1.1) с .

Соответственно, формула (4.1.1) дает расчетные значениятолщины стенки резервуара от действия гидростатического давления средыменьшие, чем формула (4.1.2), для первого пояса на 14.2%, а дляпоследующих поясов на 25.0%.Поскольку у серной кислоты второй класс опасности [10], а нефть инефтепродукты, как правило, к 3-му и 4-му, представляется целесообразнымтолщину стенки вертикальных резервуаров для хранения серной кислотырассчитывать по «ГОСТ Р 52857.2-2007» [34], который обеспечиваетбольший коэффициент запаса прочности.Расчетная толщина стенки от действия внутреннего избыточногодавления определяется из условия, что в данном случае кольцевыенапряжения в два раза больше продольных напряжений, что следует изуравнения Лапласа.

Однако на вертикальные резервуары еще действуетизгибающий момент от ветровой нагрузки. Следовательно, следует провестипроверку прочности по продольным напряжениям согласно п. 6.2.1«ГОСТ Р 51274-99» [31].Проверка на прочность резервуаров для нефти и нефтепродуктовпредусматривается и «ПБ 03-605-03» [68]. В обоих этих документахсравниваются напряжения с допускаемыми значениями. В [31] при этомдопускаемое напряжение еще умножается на коэффициент прочностисварных швов. В [68] в качестве допускаемого напряжения берется R yγcγn, гдеn – коэффициент надежности по назначению, для резервуаров: n =1.1(I класс), n =1.05 (II класс), n =1.0 (III класс).Отсюда следует, что по [34] допускаемое напряжение, с которымсравниваются напряжения в обечайке - это предел текучести деленный накоэффициент запаса прочности по пределу текучести равный 1.5 и102умноженный на коэффициент прочности сварного шва, который, как ужеотмечалось, обычно равен 0.9.