В.М. Бердник, Б.Е. Владимиров, Р.В. Коломиец РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ, ХИМИЧЕСКИХ И НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 1 Министерство образования и науки Российской Федерации Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) В.М. Бердник, Б.Е. Владимиров, Р.В. Коломиец РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ, ХИМИЧЕСКИХ И НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ Учебное пособие Рекомендовано Ученым советом Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в качестве учебного пособия Новочеркасск ЮРГТУ (НПИ) 2013 2 УДК 66.023:62-11:[661+664+665.7](075.8) ББК 34.7 я73 Б48 Рецензенты: профессор, доктор технических наук В.А. Кирсанов (ЮРГТУ (НПИ)) профессор, кандидат технических наук Н.И. Бабец (ЮРГТУ (НПИ)) Бердник В.М., Владимиров Б.Е., Коломиец Р.В. Б48 Расчет и конструирование тонкостенных аппаратов пищевых, химических и нефтехимических производств: учебное пособие / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2013. – 212 с. ISBN В пособии в краткой форме изложены теоретические и инженерные аспекты конструирования и расчета элементов тонкостенных сосудов и аппаратов химических, нефтехимических и пищевых производств, приведены примеры расчета. Приложения к пособию включают справочные данные по механическим свойствам стали, которые необходимы при расчете элементов оборудования, а также справочные материалы по конструированию тонкостенных сосудов и аппаратов. Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению 151000 Технологические машины и оборудование. УДК 66.023:62-11:[661+664+665.7](075.8) ББК 34.7 я73 ISBN 978-5-9997-0224-1 © Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), 2013 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................... 6 1. ТОНКОСТЕННЫЕ СОСУДЫ И АППАРАТЫ ........................ 7 1.1. Основные положения....................................................................... 7 1.2. Расчет элементов аппаратов, нагруженных внутренним давлением (безмоментная теория) ....................................................... 10 1.3. Элементы аппаратов, нагруженные наружным давлением, осевой сжимающей силой и изгибающим моментом ........................ 17 1.4. Расчет цилиндрических обечаек. Устойчивость круговых цилиндрических оболочек .................................................................... 18 Вопросы для самоконтроля ................................................................... 23 2. ОБЩИЕ ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СОСУДОВ И АППАРАТОВ И ИХ РАСЧЕТ ................................ 25 2.1. Обечайки цилиндрические ............................................................ 25 2.1.1. Конструкция ........................................................................... 25 2.1.2. Расчет гладких цилиндрических обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением ................................................. 27 2.1.3. Расчет цилиндрических обечаек, нагруженных наружным давлением ............................................................................................. 28 2.2. Днища и крышки приварные ........................................................ 32 2.2.1. Конструкция ........................................................................... 32 2.2.2. Расчет конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек .................................................................................................. 37 2.3. Рубашки........................................................................................... 49 2.4. Штуцера .......................................................................................... 52 2.5. Пример расчета аппаратов, работающих под внутренним и внешним избыточным давлением ........................................................ 54 Вопросы для самоконтроля ................................................................... 62 3. ИЗГИБ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ПРИ СИММЕТРИЧНОМ НАГРУЖЕНИИ (МОМЕНТНАЯ ТЕОРИЯ) 63 Вопросы для самоконтроля ................................................................... 65 4. УЗЛЫ СОПРЯЖЕНИЯ ОБОЛОЧЕК ....................................... 66 4.1. Основные причины возникновения краевых сил и моментов .. 66 4.2. Основные уравнения совместности деформаций взаимосвязанных оболочек различной формы ................................... 67 4.3. Сопряжение цилиндрических корпусов аппаратов с днищами .................................................................................................. 72 4 4.3.1. Цилиндрический корпус – плоское днище ......................... 72 4.3.2. Цилиндрический корпус – коническое днище ................... 72 4.3.3. Цилиндрическая обечайка с эллиптическим днищем........ 73 4.3.4. Цилиндрическая обечайка со сферической крышкой........ 74 4.3.5. Расчет прочности в месте сопряжения элементов ............. 75 4.4. Пример расчета узла сопряжения элементов цилиндрического аппарата.................................................................... 77 Вопросы для самоконтроля ................................................................... 80 5. УКРЕПЛЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ В ОБОЛОЧКАХ .................... 81 5.1. Геометрический критерий расчета укрепления и методы компенсации ослабления ....................................................................... 81 5.2. Основные расчетные размеры ...................................................... 83 5.3. Условия укрепления одиночных отверстий ................................ 86 5.4. Условия укрепления взаимовлияющих отверстий ..................... 87 5.5. Пример расчета укрепления отверстий в аппарате .................... 88 Вопросы для самоконтроля ................................................................... 92 6. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛОТНОПРОЧНЫХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ....................................................... 93 6.1. Основные типы фланцев и их применение ................................. 93 6.2. Расчет фланцевого соединения, работающего под внутренним давлением .......................................................................... 97 6.3. Пример расчета фланцевого соединения на прочность и герметичность ....................................................................................... 107 Вопросы для самоконтроля ................................................................. 113 7. ОПОРЫ АППАРАТОВ ........................................................... 114 7.1. Конструкции опор ........................................................................ 114 7.2. Расчет опор-лап для вертикальных аппаратов.......................... 120 7.3. Расчет опорных пластинчатых стоек для вертикальных аппаратов ............................................................................................... 125 7.4. Расчет горизонтальных аппаратов, установленных на седловых опорах................................................................................... 129 7.5. Расчет опор для колонных аппаратов ........................................ 134 7.6. Расчет днищ аппаратов в месте установки опорных стоек ..... 144 7.7. Примеры расчета опорных конструкций аппаратов ................ 147 Вопросы для самоконтроля ................................................................. 160 8. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ.......................................................... 161 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................... 169 ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................... 174 КЛЮЧИ К ТЕСТОВЫМ ЗАДАНИЯМ ......................................... 212 5 ВВЕДЕНИЕ Современное промышленное предприятие – это сложный комплекс машин и оборудования, в который входят сосуды и аппараты, предназначенные для проведения технологических процессов, и емкостное оборудование для хранения жидкостей, газов и т.п. Рациональная конструкция машины и аппарата должна удовлетворять производственным, конструктивным и техникоэкономическим требованиям, а также технике безопасности. Удовлетворить всем этим требованиям в максимальной степени не всегда возможно, поэтому задача заключается в том, чтобы создать наиболее приемлемую конструкцию, которая в максимальной мере отвечала бы техническим условиям. К этим требованиям относятся: 1. Простота, компактность, надежность и технологичность конструкции с точки зрения удобства и дешевизны изготовления, монтажа, эксплуатации и ремонта; стандартизация узлов и деталей; правильный выбор допусков. 2. Механическая надежность: прочность, жесткость, устойчивость, герметичность и долговечность. 3. Обеспечение требуемого технологического режима: непрерывность процесса; соблюдение требуемых параметров; получение продукта требуемого качества; устойчивость работы при небольших колебаниях в производстве; наиболее длительная работа между остановками на очистку и ремонт; удобство обслуживания; хорошая регулировка и возможность контроля работы; механизация и автоматизация процесса; высокий КПД. 4. Интенсификация процесса, малый вес, малый расход мощности, невысокая стоимость, возможность изготовления аппарата из недефицитных материалов, стойкость против коррозии. 5. Безопасность обслуживания, наличие оградительных устройств и предохранительных клапанов в аппаратах, работающих под давлением, безопасность операций по загрузке и разгрузке. 6. Минимальная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации, удобство перевозки. 7. Соответствие конструкции аппаратов и машин требованиям Ростехнадзора. 6 1. ТОНКОСТЕННЫЕ СОСУДЫ И АППАРАТЫ 1.1. Основные положения Сосуды и аппараты, применяемые в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, газовой, пищевой и смежных отраслях промышленности, принято считать тонкостенными, если толщина их стенки не превышает 10 % внутреннего диаметра. Такие сосуды и аппараты эксплуатируются обычно при давлении не более 10 МПа. Основным узлом сосуда и аппарата является корпус, который определяет его форму, размеры, объем, производительность и стоимость. Корпус изолирует обрабатываемую среду, подвергаясь ее химическому воздействию и воспринимая при этом механические и тепловые нагрузки. Следовательно, надежность работы аппарата во многом зависит от надежности его корпуса. Корпуса аппаратов состоят из пластинок и оболочек различной конфигурации, соединенных друг с другом как неразъемными (сварными, паяными), так и разъемными (фланцевыми и др.) соединениями. Корпуса работают чаще всего в условиях статических нагрузок под избыточным внутренним давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением, а также при действии осевых или поперечных усилий и изгибающих моментов. Рабочее давление р – избыточное максимальное внутреннее или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или другого предохранительного устройства. Расчетное давление рр определяется по формуле pð p pã , где рг – гидростатическое давление среды. Если (pг/р)100 % < 5 %, то рр = р. Для литых стальных сосудов и аппаратов, работающих при давлении, не превышающем 0,2 МПа, расчетное давление следует принимать равным 0,2 МПа. Пробное давление ри – избыточное максимальное давление, создаваемое при гидравлических (пневматических) испытаниях. Его ве7 личина регламентирована Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) и указана в табл. 1.1. При этом для сосудов и их элементов, работающих при отрицательной температуре, ри принимается таким же, как при температуре 20 °С, а для сосудов, работающих при температуре стенки от 200 до 400 °С, ри не должно превышать р более чем в 1,5 раза, а при температуре свыше 400 °С – более чем в 2 раза. Для сосудов высотой более 8 м пробное давление следует принимать с учетом гидростатического давления в рабочих условиях, т. е. ри определяют по табл. 1.1, где вместо р принимают рр. Таблица 1.1 Условия проведения гидравлических испытаний Сосуды Рабочее давление р, МПа < 0,5 max1,5 pσ20 /σ; 0,2 ≥ 0,5 max1,25 pσ20 /σ; ( p 0,3) Независимо от давления max1,5 pσ20 /σ; 0,3 Все, кроме литых Литые Пробное давление ри, МПа Примечание: [σ]20,[σ] – допускаемые напряжения для материалов сосудов или его элементов соответственно при температуре 20 °С и при рабочей температуре. Аппараты, работающие под вакуумом, обычно испытывают избыточным внутренним давлением на 0,2 МПа. Расчетная температура стенки t определяется на основании тепловых расчетов или результатов испытания. В случае невозможности проведения расчетов и испытаний: при положительных температурах t = max {tс; 20 °С}, где tс – наибольшая температура среды; при отрицательных температурах t = 20 °С. Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках: для рабочего состояния [σ]=η · σ*, где σ* – нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре; η – поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки. при испытаниях гидравлических – [σ]и = σТ20/1,1; пневматических – [σ]и = σТ20/1,2, где σТ20 – минимальное значение предела текучести при температуре +20 °С (табл. П5, П6). 8 Допускаемое напряжение для углеродистых и низколегированных сталей приведено в табл. П1, для теплостойких и кислотостойких сталей – в табл. П2, П3. Для марок сталей, не указанных в табл. П1 – П3, нормативное допускаемое напряжение определяют по формуле σ min (σ ò / nò ); (σ â / nâ ); (σ ä105 / nä ); (σ1% 105 / nï ) , где σт – минимальное значение предела текучести при расчетной температуре; σв – минимальное значение временного сопротивления (предела прочности) при расчетной температуре; σ ä105 – среднее значение предела длительной прочности за 105 ч при расчетной температуре; σ1% 105 – средний 1 %-ный предел ползучести за 105 ч при расчетной температуре; nт, nв, nд, nп – коэффициенты запаса прочности по пределам соответственно текучести, прочности, длительной прочности и ползучести, nт = 1,5; пв =2,4; пд = 1,5; пп = 1. Значения поправочного коэффициента η в зависимости от вида заготовки следующие: Листовой прокат . . . . . . . 1,0 Отливки, подвергающиеся индивидуальному контролю неразрушающими методами . . . . . 0,8 Отливки, не подвергающиеся индивидуальному контролю . . . . . 0,7 Расчетные значения модуля продольной упругости Е в зависимости от температуры для углеродистых и легированных сталей приведены в табл. П4. Коэффициент прочности сварных и паяных соединений υ характеризует прочность соединения в сравнении с прочностью основного металла. Значения υ выбираются в зависимости от конструкции и способа соединения элементов аппаратов. Исполнительную толщину s стенки элементов сосудов и аппаратов определяют с учетом прибавки с. Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле c c1 c2 c3 , где с1 – прибавка для компенсации коррозии и эрозии; с2 – прибавка для компенсации минусового допуска проката; с3 – технологическая прибавка. 9 Прибавка для компенсации коррозии и эрозии c1 Ï τ â ñý , где сэ – прибавка для компенсации эрозии; П – проницаемость среды в материал (скорость коррозии); τв – срок службы аппарата. При двустороннем контакте с коррозионной (эрозионной) средой прибавка с1 соответственно увеличивается. Так как корпуса аппаратов и сосудов изготавливают, как правило, из листового проката, толщина стенки элемента аппарата округляется до большей стандартной толщины проката. 1.2. Расчет элементов аппаратов, нагруженных внутренним давлением (безмоментная теория) Расчет элементов тонкостенных сосудов и аппаратов из углеродистых и легированных сталей, работающих при однократных и многократных статических нагрузках под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным давлением и под действием осевых и поперечных усилий и изгибающих моментов, производится по ГОСТ 14249–89. При проектном расчете определяют исполнительную толщину стенки по максимальному значению расчетной толщины для рабочих условий или условий испытаний. При поверочном расчете для рабочих условий и условий испытаний определяются допускаемые давления, которые должны быть не менее расчетного и пробного давлений соответственно. Безмоментная теория расчета тонкостенных оболочек предполагает следующие допущения: 1. Толщина оболочки должна быть достаточно малой по сравнению с ее другими геометрическими размерами. s Например, для цилиндра 0,1, где D – внутренний диаметр D оболочки. Вследствие малой толщины нормальные напряжения растяжения или сжатия по толщине оболочки не изменяются, величина их в D/s раз больше изгибных, что и определяет безмоментное состояние. 2. По форме сосуд обязательно должен представлять оболочку вращения. 3. Нагрузка (давление на стенки) должна быть симметричной относительно оси вращения. 10 Давление на стенки может изменяться вдоль оси вращения, например, при наличии жидкости в вертикальном аппарате. Такой аппарат можно считать по мембранной теории, однако если его положить горизонтально, то нагрузка станет несимметрична оси, и использование теории будет невозможно. От действия внутреннего давления в материале тонкостенных оболочек (рис. 1.1) возникают нормальные усилия U и Т, поперечные силы Q, а также изгибающие моменты Мт и Mt. Причем по мере удаления от так называемой линии искажения (т.е. места, где резко меняется хотя бы один из основных параметров нагруженной оболочки: форма или направление меридиана, толщина стенки, нагрузка, свойства материала и т. п.) моменты Мт, Mt и силы Q быстро уменьшаются и становятся ничтожно малыми, усилия же U и Т остаются наиболее существенными. Рис. 1.1. Схема действия нагрузок на элемент стенки осесимметричной оболочки На рис. 1.2 представлена схема действия усилий на элемент, выделенный из осесимметричной оболочки. Внешняя нагрузка, отнесенная к единице площади срединной поверхности с главными радиусами кривизны R1, R2 и распределенная симметрично относительно оси, разложена на составляющие рп и рt соответственно по нормали и касательной к дуге меридиана. К граням выделенного элемента приложены внутренние нормальные усилия U, расположенные в плоскости кривизны меридиана и отнесенные к единице дуги соответствующего нормального сечения, а также нормальные усилия Т, лежащие во второй главной плоскости кривизны. Изгибающие моменты и поперечные силы в сечениях равны нулю. Напряжения по толщине стенки распределены равномерно, т. е. 11 U σm s è T σ t s, (1.1) где σ m и σ t – соответственно меридиональные и кольцевые (тангенциальные) напряжения. Рис. 1.2. Схема к определению меридиональных и кольцевых (тангенциальных) напряжений в тонкостенной оболочке: а – элемент стенки; б – отсеченная часть оболочки Уравнение равновесия действующих на элемент сил d' dθ pn dl1dl2 2Tdl1 sin Udl2 sin 2 2 dθ Udl2 d Udl2 sin 0. 2 Учитывая, что dl1=R1dθ; dl2=R2dυ′ и заменяя ввиду малости синусы их аргументами, получим (пренебрегая бесконечно малыми высшего порядка) так называемое уравнение Лапласа: σ m σt p n. R1 R2 s (1.2) Рассмотрев действие сил на часть оболочки (см. рис. 1.2, б), отсеченной нормальным коническим сечением, можно написать выражение 2π rñð U sin θ π r 2 pn , откуда с учетом (1.1) и соотношения r rñð R2 sin θ σm pn R2 . 2s 12 (1.3) Выражения (1.2) и (1.3) являются основными уравнениями безмоментной теории оболочек, исходя из которых с учетом рп=pр, pt=0, а также условия прочности σ maxσ m ; σt σ и соответствующих значений главных радиусов кривизны R1 и R2 получают основные расчетные зависимости для цилиндрических, конических, сферических и эллиптических оболочек. Тонкостенная цилиндрическая оболочка, нагруженная внутренним газовым давлением р (рис. 1.3). Радиусы меридионального и кольцевого сечений равны соответственно R1=∞; R2=R, где R – радиус цилиндра. R+ΔR R R p A A′ T Mt B Тогда по уравнению Лапласа (равновесия элемента σ σ p оболочки) m t . R1 R2 s Из уравнения равновесия зоны оболочки (без учета веса среды и оболочки) получим: B′ p R; 2s p σ t R. s σm T Mt Рис. 1.3. Расчетная схема оболочки (1.4) В действительности в результате действия нормальных напряжений в стенке тонкостенного сосуда все же возникают изгибающие моменты, изменяющие кривизну оболочки. Для оценки их значения рассмотрим определение кольцевых моментов в цилиндрической оболочке (см. рис. 1.3). В результате упругой деформации от давления р дуга АВ принимает размер А′В′. Это происходит за счет растягивающих сил Т. Кривизна дуги уменьшается за счет действия кольцевых моментов Mt, лежащих в плоскости кольца. Относительное удлинение элемента цилиндра определяется по формуле σ ε t, E где Е – модуль упругости материала цилиндра. 13 Для цилиндрической обечайки ε pR . 2sE Под влиянием момента Mt изменяется кривизна элемента, т. е. радиус R получает приращение ΔR: p R2 R R R ε R R . 2s E Величину изменения кривизны элемента под влиянием момента Mt можно выразить так: 1 1 M t. R R R EJ Откуда 1 1 M t EJ . R R R Преобразуя выражение в круглых скобках, и учитывая, что R2>>R+ΔR, получим p pR2 M t ; R . Js sE Относя кольцевой момент к единице длины стенки, т. е. к прямоугольнику длиной l и шириной s, находим l s3 J . 12 Таким образом, величина напряжения от изгиба в цилиндрической обечайке равна примерно p/2, что в R/s раз меньше σt. Тонкостенная сферическая оболочка, нагруженная внутренним газовым давлением р (рис. 1.4). Радиусы R меридионального и кольцевого сечений равны радиусу шара: R1=R2=R. По уравнению равновесия зоны оболочки (без учета веса среды и оболочки) получим 2U sin β pR sin β 0; Рис. 1.4. Расчетная схема сферической оболочки 14 U pR pR ; σm . 2 2s Из уравнения Лапласа получим Отсюда σ t σ m σ m σt p . R R s pR , и тогда мембранные напряжения s σ m σt pR . 2s (1.5) Тонкостенная коническая оболочка, нагруженная внутренним газовым давлением р (рис. 1.5). Для возможного применения уравнения равновесия зоны оболочки R выразим текущий радиус и угол β чеβ r рез известные величины: p α r x sin α; β π α; sin β cos α. 2 Тогда (без учета веса среды и оболочки) получим Рис. 1.5. Расчетная схема конической оболочки σm p x tgα . 2s По уравнению Лапласа ( R1 ; R2 R( x) xtgα ) σt p x tgα . s Мембранные напряжения в конической оболочке у основания конуса равны: σm pR pR , σt . 2s cosα s cosα (1.6) Определим напряжения в эллиптическом днище. Пусть полуоси эллипса будут равны D/2 и Н. Радиусы кривизны эллипсоида в произвольной точке характеризуются уравнениями R1 R0 1 sin 2 θ 3 ; R2 15 R0 1 sin θ 2 , где θ – угол между нормалью и осью вращения; R0 D 1 γ – ради2 D / 22 H 2 ус кривизны в вершине (при θ = 0); γ – параметр, опH2 ределяющий форму эллипса. Подставляя значения R1 и R2 в уравнения безмоментной теории оболочек, получаем σm 1 γ pD ; 4s 1 γ sin θ pD 1 γ (1 γ sin 2 θ) σt . 4s 1 γ sin θ Из формул (1.4)–(1.6) видно, что при одинаковом давлении, диаметрах сосудов и толщине стенки максимальное нормальное напряжение цилиндрической оболочки в 2 раза больше нормального напряжения сферической и в (1/cosα) раз меньше конической. Согласно безмоментной теории расчета на прочность в каждом элементе тонкостенного сосуда действует два напряжения – меридиональное σm и кольцевое σt, причем всегда σt≥σm. Мембранная теория не учитывает радиальных (σr) и изгибающих (σ) напряжений (в принципе σr=р, σ=p/2) вследствие их малости по сравнению с кольцевыми и меридиональными. Поэтому для расчета толщины стенки тонкостенных оболочек применяют третью теорию прочности: σэкв = σmax − σmin, где σэкв – эквивалентное напряжение; σmax – максимальное напряжение; σmin – минимальное напряжение. Условие прочности имеет вид σэкв ≤ [σ]. В случае мембранной теории σmax = σt; σmin = σr ≈ 0. Тогда σэкв = σt, или σt ≤ [σ]. Если принять, что σt = [σ], то для случая тонкостенного цилиндра можно получить расчетную формулу для толщины стенки: 16 sp pDñð 2σ , где Dср – срединный диаметр цилиндрической обечайки. Учитывая наличие сварных швов, исполнительная толщина стенки цилиндра будет s pDñð 2σ c c0 , (1.7) где υ – коэффициент прочности продольного сварного шва. Подставляя в уравнение (1.7) вместо диаметра Dср срединной поверхности внутренний диаметр обечайки D = Dср − s , получим для цилиндра s pD c c0 . 2σ p (1.8) Аналогичным образом можно получить выражения для других оболочек. 1.3. Элементы аппаратов, нагруженные наружным давлением, осевой сжимающей силой и изгибающим моментом При работе обечаек под внутренним давлением в их стенках возникают нормальные растягивающие напряжения, а при их работе под наружным давлением – сжимающие напряжения. Поэтому при расчете на прочность обечаек, работающих под наружным давлением, можно использовать формулы, выведенные для обечаек, работающих под внутренним давлением. Однако наличие наружного давления может привести к потере устойчивости формы оболочки. Из теории расчета на устойчивость упругих стержней следует, что стержень легко выдерживает растягивающую нагрузку и не выдерживает определенной, т.н. критической, нагрузки при сжатии. При постепенном нагружении стержня сжимающей нагрузкой сохраняется одна и та же форма устойчивого равновесия. По достижении критической величины нагрузки скачком теряется первоначальная форма стержня и появляется новая форма устойчивого равновесия. Это относится и к другим конструкциям, где возникают деформации сжатия. Так, тонкостенные сосуды, работающие под наружным давлением, должны иметь более прочную конструкцию, чем такие же аппараты, работающие под внутренним давлением. 17 Давление, при котором тонкостенные сосуды теряют устойчивость формы, называется критическим. Под действием такого давления поперечное сечение первоначально круглой обечайки приобретает волнообразную форму, причем напряжения сжатия в ее стенках могут быть меньше предела текучести материала элемента аппарата. Потеря устойчивости формы цилиндрической оболочки может произойти и при давлении ниже критического в случае овальности ее поперечного сечения, которое ограничивается нормами. Овальность стальных сварных сосудов при нагружении их наружным давлением не должна быть менее 0,005D, но не более 20 мм, а для корпусов теплообменников – не более 7 мм. Величина критического давления зависит от геометрической формы, размеров аппарата и от механических свойств материала его стенок. 1.4. Расчет цилиндрических обечаек. Устойчивость круговых цилиндрических оболочек Нарушение работоспособности тонкостенных элементов химического оборудования, находящихся под действием сжимающих нагрузок, может произойти в результате резкого качественного изменения ими первоначальной геометрической формы. Это явление, называемое потерей устойчивости, происходит при достижении сжимающими нагрузками некоторого критического значения; оно аналогично, по физической сущности, потере устойчивости стержней, нагруженных осевой сжимающей силой. Причинами потери устойчивости тонкостенных оболочек являются действие изгибающего момента М, осевой сжимающей силы F или наружного давления среды рH. При совместном их действии условие устойчивости имеет вид: pí.ð pí F M 1, F M (1.9) где [F] – допускаемое значение осевой сжимающей силы; [M] – допускаемый изгибающий момент; pн.p, [pн] – соответственно расчетное и допускаемое наружные давления. При отсутствии наружного давления, осевой сжимающей силы или изгибающего момента в выражении (1.9) принимают соответственно рн = 0, F = 0 или М = 0. 18 Допускаемые наружное давление [pн], осевую сжимающую силу [F] и изгибающий момент [М] следует определять по формулам: pí pí σ ; 2 1 ( pí σ / pí E ) F σ ; 2 1 F σ /F E M σ M , 2 1 M σ /M E F (1.10) (1.11) (1.12) где [рн]σ, [pн]Е – допускаемое наружное давление соответственно из условий прочности и устойчивости в пределах упругости; [F]σ, [F]E – допускаемая осевая сжимающая сила соответственно из условий прочности и устойчивости в пределах упругости; [M]σ, [М]Е – допускаемый изгибающий момент соответственно из условий прочности и устойчивости в пределах упругости. Коэффициент запаса устойчивости пу при расчете [рн]σ, [F]E и [М]Е составляет: 2,4 – для рабочих условий; 1,8 – для условий испытания и монтажа. При проверке устойчивости обечаек вертикальных сосудов и аппаратов за расчетное принимают сечение в зоне опор. Если толщина стенки обечайки по высоте аппарата меняется, то проверку устойчивости обечайки производят в каждом месте изменения толщины. Наружное давление является основной нагрузкой для тех элементов конструкции аппаратов, которые находятся под «рубашкой» (рис. 1.6, а) или работают под вакуумом. При расчете аппаратов с «рубашкой» за расчетное наружное давление рн.р следует принимать давление, которое может возникнуть при самых неблагоприятных условиях эксплуатации. Так, для аппарата, изображенного на рис. 1.6, а, в связи с возможностью сброса внутреннего давления pí.ð pð.ð pðóá pã.ð , где рр.р и рруб – соответственно расчетное и рабочее давления в рубашке; рг.р – гидростатическое давление в рубашке, учитываемое при условии рг.р/pруб > 0,05. 19 Если внутри аппарата вакуум, то в этом случае pí.ð pð.ð ( pà pîñò ), где ра – атмосферное давление (ра = 0,1 МПа); рост – остаточное давление в аппарате. Если «рубашки» нет, то рн.р = ра – рост. При конструировании аппаратуры наиболее часто приходится выполнять расчеты на устойчивость колец жесткости, цилиндрических и конических обечаек, сферических и эллиптических днищ. Кольца жесткости применяются для повышения несущей способности корпусов тонкостенных аппаратов, сжимаемых наружным давлением (рис. 1.6, б). Рис. 1.6. Корпус аппарата: а – с «рубашкой»; б – с кольцами жесткости Цилиндрические обечайки, работающие под наружным давлением, принято делить на «длинные» и короткие. Длинные цилиндрические обечайки и трубы теряют устойчивость с образованием двух волн смятия, т.е. они сплющиваются. Короткие цилиндрические оболочки, закрепленные по торцам, теряют устойчивость с образованием трех, четырех и более волн смятия. Длина, разделяющая цилиндрические оболочки на длинные и короткие, определяется по формуле l0 8,15 D D . 100 ( s c) (1.13) Если расчетная длина гладкой (неподкрепленной кольцами) обечайки lр > l0, то оболочка является длинной, а при lр l0 – короткой. Для сосудов и аппаратов с выпуклыми днищами (рис. 1.7) lð l h0 H 3, 20 (1.14) где l – длина обечайки, находящейся под действием наружного давления; h0 – высота цилиндрической части (отбортовки) днища; Н – внутренняя высота выпуклой части днища. Рис. 1.7. Схемы к определению расчетной длины цилиндрической обечайки: а – волны смятия; б – корпус аппарата с эллиптическим днищем и рубашкой; в – корпус аппарата с коническим днищем Для аппаратов c коническими днищами (см. рис.1.7) lð l h0 h1; (1.15) h1 maxr0 sin α; D (3tgα), где r0 – внутренний радиус отбортовки; α – половина угла при вершине конуса. Для аппаратов с плоскими днищами за расчетную принимают только длину неукрепленной обечайки. Для обечайки, подкрепленной кольцами жесткости (см. рис. 1.6, б), в качестве расчетной длины lр принимают максимальное расстояние между ними. Так, если l2 > l1 и l2 > l3, то lр = l2. При осевом сжатии и изгибе кольца жесткости не оказывают существенного влияния на устойчивость обечаек, а поэтому в расчете не учитываются и могут устанавливаться исходя из особенности конструкции, технологии изготовления. Первоначальная круговая цилиндрическая форма равновесия оболочки может стать неустойчивой, если действующие в ней нормальные сжимающие или касательные напряжения достигают своих критических значений. Эти напряжения возникают, например, когда на оболочку действуют осевая сжимающая сила, внешнее давление, крутящие моменты и др. Процесс потери устойчивости, или выпучивания, часто протекает весьма быстро: в сотые и даже в тысячные доли секунды. 21 В общем случае, как в окружном, так и в осевом направлениях образуется несколько чередующихся регулярных выпучин и впадин, благодаря которым оболочки приобретают волнистые очертания. Поэтому совокупность выпучин и впадин называют также волнами. Случай образования двух и четырех волн показан на рис. 1.7. Значения критических напряжений и число волн зависят от характера нагрузок, геометрических параметров оболочки, механических свойств материала и условий на краях. Цилиндрические оболочки в отношении расчета на действие наружного давления условно делят на «длинные» и «короткие». Если длина оболочки значительная, то крышки и кольца жесткости на краях оболочки не оказывают укрепляющего действия на среднюю часть, и расчетная толщина стенки не зависит от длины оболочки. «Длинные» оболочки рассчитываются по формуле Бресса: 2 2E s pêð . 2 D 1 μ Если оболочка «короткая», то укрепляющее действие крышек и колец жесткости необходимо учитывать, и расчет ведется следующим образом. Для цилиндра без днищ. При отсутствии осевого давления критическое внешнее равномерное давление, при котором возможно вмятие цилиндрической стенки, может быть определено по формуле Мизеса: E s 2n 2 1,3 s 3 2 pêð 0,73 E n 1 . 2 2 3 R nl 2 nl 8R 2 1 n 1 1 πR πR Здесь п – число волн, образующихся при смятии; l – длина неподкрепленной оболочки (или расстояние между кольцами жесткости). Число волн должно быть подобрано так, чтобы критическое давление ркр было наименьшим. Обычно число волн подбирают, начиная с п = 2, постепенно увеличивая его и давая последовательно значения п = 3, п = 4, п = 5 и т. д., и подставляют эти значения в формулу для определения соответствующих значений ркр. 22 При этом целесообразно одновременно построить кривую зависимости ркр от п, что позволяет наглядно выявить изменение ркр как функции значений п. В большинстве случаев при расчете аппаратов, применяемых в пищевой и химической промышленности, количество волн находится в пределах от 6 до 20. Найденное значение критического внешнего давления ркр должно быть в nу раз больше допускаемого внешнего рабочего давления рр, т. е. nó pêð pð , где nу – коэффициент запаса устойчивости. Для цилиндра с днищами. Если аппарат закрыт по концам днищами и подвержен действию внешнего давления, т. е. испытывает не только равномерное поперечное давление, но и осевое сжатие, котoрое несколько уменьшает критическое значение поперечного давления, то критическое внешнее давление определяется по формуле С.П. Тимошенко: 2 2 Es 1 1 s 2 2 πR pêð n . 2 2 11R R 2 2 l πR n 0,5 n 2 l 1 l πl Вопросы для самоконтроля 1. Как образуется осесимметричная оболочка, и что такое меридиан, параллельный круг и сечение, нормальное к меридиану? 2. Что такое первый и второй главные радиусы кривизны и их особенности? 3. Какие силы и моменты действуют на элемент оболочки? 4. При каких условиях существует безмоментное состояние оболочки конечной толщины? 5. Что такое «безмоментная» теория оболочек, и какие нагрузки учитываются при этом в расчетах? 23 6. Почему напряжения в тонкостенных оболочках называются – «мембранные»? 7. Как распределяются напряжения по толщине тонкостенных оболочек? 8. Какие напряжения в тонкостенной оболочке имеют наибольшие значения? 9. Какая геометрическая форма оболочки вращения является наиболее прочной и почему? 10. Что такое «коэффициент формы» эллиптического днища? Чему он равен у стандартных эллиптических днищ? 11. Что такое расчетная и исполнительная толщина оболочки? 12. Что характеризует коэффициент прочности сварных и паяных соединений φ? 13. Как рассчитывается добавка на коррозию? 14. Как разрушится оболочка в случае потери прочности? 15. Какие аппараты, кроме расчета на прочность, необходимо проверять на устойчивость? 16. Чем отличаются напряжения, возникающие при действии внутреннего и наружного давления? 17. Для чего вводится коэффициент запаса устойчивости пу? 18. По какой формуле определяется длина, разделяющая цилиндрические оболочки на «длинные» и «короткие»? 19. Как определяется расчетная длина для сосудов и аппаратов с выпуклыми днищами? 20. Как определяется расчетная длина для аппарата с плоскими днищами и для обечайки, подкрепленной кольцами жесткости? 21. Что такое – «число волн деформации» при потере устойчивости аппарата? 22. Как рассчитывается критическое давление для «длинных» аппаратов (формула Бресса)? 23. Как рассчитывается критическое давление для «коротких» аппаратов? Объясните, в каких случаях применяются формулы Мизеса и Тимошенко и как ими пользоваться (не запоминая их)? 24. Какое давление следует принимать за расчетное наружное давление рн.р при расчете аппаратов с «рубашкой»? 25. Как определяется расчетное наружное давление рн.р при расчете вакуумных аппаратов без «рубашки»? 24 2. ОБЩИЕ ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СОСУДОВ И АППАРАТОВ И ИХ РАСЧЕТ Тонкостенные сосуды и аппараты обычно состоят из цилиндрической обечайки (корпуса), крышки и днища (рис. 2.1). Обечайки изготавливаются вальцовкой из листового проката или из сварных труб большого диаметра. Крышки чаще всего делают эллиптическими или сферическими, а днища – плоскими, коническими, эллиптическими или сферическими. Для увеличения жесткости конструкции обечайки иногда укрепляются специальными кольцами жесткости. 1 7 2 3 6 5 4 2.1. Обечайки цилиндрические Рис. 2.1. Реакционный аппарат с мешалкой: 1 – привод мешалки; 2 – фланцевое соединение; 3 – опора–лапа; 4 – сферическое днище; 5 – цилиндрическая обечайка; 6 – штуцер; 7 – эллиптическая крышка 2.1.1. Конструкция Цилиндрические обечайки являются одним из основных элементов химических аппаратов. Расчетные схемы цилиндрических обечаек приведены на рис. 2.2–2.5. Из одной или нескольких обечаек образуется цилиндрический корпус аппарата. Они входят составной частью в различные внутренние и наружные устройства аппаратов. Обечайки большей частью изготовляются вальцовкой из листового проката, реже из сварных труб большого диаметра или поковок. ГОСТ 9617–76 «Сосуды и аппараты. Ряды диаметров» устанавливает ряды внутренних диаметров (в мм) сосудов и аппаратов, изготовленных из стальных листов или поковок: 400, (450), 500, (550), 600, (650), 700, 800, 900, 1000, (1100), 1200, (1300), 1400, (1500), 1600, (1700), 1800, (1900), 2000, 2200, 2400, 2500, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000, 4500, 5000, (5500), 5600, (6000), 6300, (6400), 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000. 25 Значения, указанные в скобках, применяют только для рубашек сосудов и аппаратов. Рис. 2.3. Гладкие обечайки с выпуклыми или коническими днищами: а – обечайка с отбортованными днищами; б – обечайка с неотбортованными днищами Рис. 2.2. Гладкие цилиндрические обечайки: а – обечайка с фланцем или с плоским днищем; б – обечайка с жесткими перегородками Рис. 2.4. Гладкие обечайки с рубашкой Рис. 2.5. Цилиндрическая обечайка, подкрепленная кольцами жесткости Исполнительную (принятую) толщину стенки вальцованных обечаек по ГОСТ 19903–74 «Сталь листовая горячекатаная» из ряда: 0,5; 0,55; 0,6; 0,65; 0,7; 0,75; 0,8; 0,9; 1,0; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,0; 3,2; 3,5; 3,8; 3,9; 4,0; 4,5; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21; 22; 25; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50; 55; 60; 65; 70; 75; 80; 85; 90; 100; 105; 120; 125; 130; 140; 150; 160 – при толщине стенки 6…42 мм следует применять только четных размеров. Кромки обечаек, образующие корпус аппарата, соединяются между собой преимущественно встык. Вальцованные обечайки должны иметь, возможно, меньше сварных швов, особенно продольных. Поэтому листы для изготовления обечаек желательно выбирать больших размеров, сообразуясь с рациональным раскроем (малыми отходами). Обечайки могут вальцеваться как по длинной, так и по короткой стороне листа. 26 Обечайки диаметром до 1000 мм должны изготовляться не более чем с двумя продольными швами, а диаметром свыше 1000 мм допускается изготовлять из нескольких листов максимально возможной длины. В корпусе аппарата допускается замыкающая обечайкавставка длиной не менее 400 мм. Допускается изготовлять обечайки путем вальцовки карт, сваренных встык в плоском состоянии из небольших листов. В этом случае ширина листов в карте должна быть не менее 800 мм. Продольные швы в листах смежных обечаек должны быть смещены по отношению друг друга на значение не менее трехкратной толщины стенки обечайки, но не менее чем на 100 мм между осями швов. В обечайках, выполняемых из карт, допускаются перекрещивающиеся швы в листах толщиной до 30 мм (при автоматической или электрошлаковой сварке и 100%-м просвечивании швов) для корпусов аппаратов, работающих под избыточным давлением до 1,6 МПа и при температуре до 400 °С. Допускается изготовление корпусов аппаратов из полуобечаек. 2.1.2. Расчет гладких цилиндрических обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением Исполнительную толщину стенки s определяют по формулам: pð D /( 2 σ pð ) sð max ; p D /( 2 σ p ) è è è s sð c c0 , где sр – расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки; D – внутренний диаметр обечайки; с0 – прибавка на округление размера до стандартного значения. Допускаемое давление: в рабочем состоянии p 2 σ s c /D s c; при испытаниях pè 2 σè s c /D s c. 27 2.1.3. Расчет цилиндрических обечаек, нагруженных наружным давлением Расчет оболочек ведется одновременно на прочность и устойчивость. Теоретической базой стандартных расчетных зависимостей являются формулы Мизеса, Тимошенко и Бресса. Расчетная и исполнительная толщина стенки приближенно определяется по следующим формулам с последующей проверкой по формуле (1.9): sð max K 2 D 10 2 ; 1,1 pí.ð D /(2σ) ; s sð c c0 , где K2 – коэффициент, определяемый по номограмме, приведенной на рис. 2.6. Допускаемое наружное давление для гладких обечаек определяют по формуле (1.10), где допускаемое давление из условия прочности pí σ 2σ s c /D s c, а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости: для коротких обечаек (lр < l0) 18 10 6 E D 100 s c pí E nó lð D 2,5 ; для длинных обечаек (lр > l0) 2,21 10 6 E 100 s c pí E , nó D 3 где lр и l0 – расчетные параметры, определяемые по формулам (1.13)–(1.15). Допускаемое осевое сжимающее усилие рассчитывается по формуле (1.11), где допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности: F σ πD s c s c σ, а допускаемое осевое сжимающее усилие из условия устойчивости в пределах упругости 28 F E min F E1; F E 2, åñëè lð / D 10, . F E F E1, åñëè lð / d 10. Рис. 2.6. Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости обечаек, работающих под наружным давлением Допускаемое осевое сжимающее усилие [F]E1 определяется из условия местной устойчивости в пределах упругости 6 F E1 310 10 E D 2 100 s c nó D 2,5 , а допускаемое осевое сжимающее усилие [F]Е2 – из условия общей устойчивости в пределах упругости 29 F E 2 πD s c s c E nó π λ ã 2 . Приведенная гибкость центрально-сжатой тонкостенной обечайки λ ã 2,83lïð / D s c , где lпр – приведенная расчетная длина центрально-сжатой обечайки. Допускаемый изгибающий момент следует рассчитывать по формуле (1.12), где допускаемый изгибающий момент из условия прочности M σ 0,25π D D s c s c σ 0,25D F σ , а допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости 89 10 6 E 3 100 s c M E D nó D 2,5 D F E1 . 3,5 Если изгибающий момент создается действием поперечной нагрузки Q (например, силами тяжести от собственной массы конструкции; массы среды, заполняющей горизонтальный цилиндрический сосуд, и т. п.), то для такой цилиндрической обечайки при совместном действии нагрузок условие устойчивости примет вид 2 F M Q 1, pí F M Q pí.ð где Q – поперечное усилие; [Q] – допускаемое поперечное усилие. Допускаемое поперечное усилие Q Qσ , 2 1 Qσ QE где [Q]σ – допускаемое поперечное усилие из условия прочности, Qσ 0,25 D s c σ, а допускаемое поперечное усилие из условия устойчивости в пределах упругости 2,4 E s c 2 D s c 0,18 3,3 . QE nó lð2 30 Обечайки, подкрепленные кольцами жесткости. Допускаемое наружное давление для обечаек, подкрепленных кольцами жесткости, следует определять из условия pí min pí 1; pí 2, (2.1) где [pн]1 – допускаемое давление для участка обечайки между кольцами жесткости, определяемое по формуле (1.10); [рн]2 – допускаемое давление для обечайки с кольцами жесткости в целом, рассчитываемое по формуле (1.10) при значениях pí σ pí 2σ и pí Å pí 2 Å . Допускаемое наружное давление для цилиндрической обечайки с кольцами жесткости в целом из условия прочности и условия устойчивости вычисляют соответственно по формулам: pí 2σ 2 σ (s c) σ ê Aê / l1 ; D sc 2 18 10 6 Å D 100 k ( s c) 100 k ( s c) pí 2 Å , k nó L D D D åñëè L 8,15 D 100 k ( s c) 3 6 2,21 10 Å 100 k ( s c) èëè pí 2 Å , k nó D D åñëè L 8,15 D , 100 k ( s c) (2.2) (2.3) где [σ]к – допускаемое напряжение для кольца жесткости при расчетной температуре; Aк – площадь поперечного сечения кольца жесткости; k – коэффициент жесткости обечайки с кольцами жесткости, рассчитываемый по формуле: k 10,9 I ýô l1( s c)3 . (2.4) Эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца жесткости следует определять по формуле 2 l1( s c) 3 e Aê lýô ( s c) I ýô I ê ; 10,9 Aê lýô ( s c) 31 (2.5) lэф min l1; b 1,1 D ( s c) , h e где lэф – эффективная длина стенки обечайки, учитываемая при определении эффективного момента инерции; l1 – расстояние между двумя соседними кольцами жесткости по lэф их осям; b – ширина поперечного сечеb ния кольца жесткости в месте его приварки к обечайке; е – расстояние между центром поперечного сечения кольца жесткости и срединной поверхностью x x обечайки; Iк – момент инерции поперечного сечения кольца жесткости отl1 l1 носительно собственной центральной Рис. 2.7. Расчетное поперечное оси х – х (рис. 2.7). сечение кольца жесткости Формулы (2.1)–(2.5) применимы при выполнении условия h/D < 0,2 и при равномерном расположении колец жесткости. 2.2. Днища и крышки приварные 2.2.1. Конструкция Днища, так же как и обечайки, являются одним из основных элементов химических аппаратов. Цилиндрические цельносварные корпусы как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами. Форма днищ, применяемая в отечественном аппаратостроении, бывает эллиптическая, полушаровая, в виде сферического сегмента, коническая и цилиндрическая (рис. 2.8). Конические и плоские днища бывают с отбортовкой на цилиндр и без отбортовки, а эллиптические – только с отбортовкой. Наиболее распространенной формой днищ в сварных химических аппаратах, особенно подведомственных Госгортехнадзору, является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр. Полушаровые днища целесообразно применять в крупногабаритных аппаратах, подведомственных Госгортехнадзору, имеющих D > 4 м, Стальные полушаровые днища изготовляются D = (3,6…12) м с толщиной стенок 10…36 мм. Сферические неотбортованные днища (в виде сферического сегмента) применяются главным образом в аппаратах, работающих 32 под наливом, а также в виде составных частей отъемных крышек в аппаратах, работающих под избыточным давлением до 1,6 МПа. Dн Dн D Rб R sд Hд Hд sд Hд R hц hц hц D Dн D R sд а б в Dн D Dн D D hц Dн Rб α sд 2α Hд Hд Hд R sд 2α Sд Dн е D Dн hц Rб 2α sд sд d ж DБ s h1 D д Dн hц г з и Рис. 2.8. Конструкции днищ для стальных сварных аппаратов: а – эллиптическое отбортованное; б – полусферическое отбортованное; в – торообразное отбортованное; г – сферическое неотбортованное; д – коническое отбортованное; е – коническое неотбортованное; ж – плоское отбортованное; з – коническое неотбортованное с плоским диском; и – плоское неотбортованное Конические днища (табл. П9, П10) применяются в основном в вертикальных аппаратах снизу, в которых требуется полное удаление жидкого, сыпучего или кускового продукта. Выбор угла в вершине конуса определяется технологическими соображениями: для жидких веществ их вязкостью, а для сыпучих и кусковых веществ – их углом естественного откоса. 33 В горизонтальных аппаратах, работающих под наливом или под избыточным давлением до 0,07 МПа, могут применяться неотбортованные конические днища с углом при вершине конуса 2α < 140°, а в вертикальных аппаратах, не подведомственных Гостехнадзору РФ, – 2α < 60°. В аппаратах, подведомственных Гостехнадзору, допускаются отбортованные конические днища с углом в вершине конуса 2α < 45° и неотбортованные конические днища с углом при вершине 2α < 60°. Наряду с коническими днищами в аппаратах часто применяются переходы, соединяющие цилиндрические обечайки разных диаметров, типовые конструкции которых показаны на рис. 2.9. D0 D0 D0 α≤22,5° α≤22,5° s s s α≥22,5° Rб D D а б D в Рис. 2.9. Конструкции переходов для стальных сварных аппаратов: а – конический концентрический без отбортовки; б – конический эксцентрический без отбортовки; в – конический с отбортовками с обеих сторон Отбортованные конические днища с углом в вершине конуса 2α > 60°, а также неотбортованные конические днища применяются большей частью в аппаратах, работающих под избыточным давлением до 0,07 МПа и под наливом. Днища с наружными базовыми диаметрами применяются для корпусов из труб, а с внутренними базовыми диаметрами – для корпусов, свальцованных из листов. Одним из ответственных узлов в аппаратах является соединение днищ с корпусом. Соединение полушаровых, отбортованных эллиптических, конических и плоских днищ с цилиндрическими обечайками производится только встык. Типовые конструкции соединений конических частей с цилиндрическими показаны на рис. 2.10. 34 Рис. 2.10. Соединение обечаек: а – конической и цилиндрической; б – конической и цилиндрической обечаек с укрепляющим кольцом; в – конической и цилиндрической обечаек с тороидальным переходом; г – по меньшему диаметру Эллиптические днища (рис. 2.11, табл. П8) изготавливаются по ГОСТ Р 52630–2006. По обозначению имеют два вида: c наружными базовыми размерами; с внутренними базовыми размерами. Рис. 2.11. Эллиптическое днище: а – без отверстия; б – с отверстием Рис. 2.12. Торосферическое днище: а – без отверстия; б – с отверстием Торосферические днища (рис. 2.12) являются одним из наиболее востребованных днищ на рынке. В зависимости от диаметра торосферическое днище может производиться как методом штамповки, так и методом фланжирования. Методом холодной штамповки изготавливаются торосферические днища диаметром от 320 до 2000 мм. Все 35 торосферические днища, диаметр которых превышает 2000 мм, производятся методом холодного фланжирования. При фланжировании для достижения нужного диаметра могут применяться и сварочные работы. Торосферические днища также могут быть отбортованы или неотбортованы. Отбортованное днище имеет ровные края, тем самым облегчая производство емкости, сосуда и аппарата. Отношение номинальной высоты выпуклой части торосферических и тарельчатых крышек и днищ, измеренной от их внутренней поверхности, к номинальному внутреннему диаметру цилиндрической части H/D должно быть не менее 0,25, а отношение номинального диаметра центрального отверстия, если таковое имеется, к номинальному внутреннему диаметру крышки или днища d/D – не более 0,6. Отношение номинальных радиусов R и r, определяющих форму сферического сегмента и тора, к номинальному внутреннему диаметру цилиндрической части крышки или днища должны составлять соответственно не более 1,0 и не менее 0,1. Отношение номинальной высоты эллиптических крышек и днищ, измеренной от внутренней поверхности, к номинальному внутреннему диаметру цилиндрической части Н/D должно быть не менее 0,2, а отношение номинального диаметра центрального отверстия, если таковое имеется, к номинальному внутреннему диаметру крышки для днища d/D – не более 0,6. Плоские днища (табл. П11) по сравнению с эллиптическими и сферическими днищами являются менее рациональными с точки зрения воспринятая давления, поскольку при прочих равных условиях толщина стенки плоских днищ, подверженных давлению, исходя из прочности, получается большей, чем у соответствующих эллиптических и сферических днищ. Поэтому плоские днища в аппаратах диаметром 400 мм и выше, на которые имеются стандартизованные эллиптические отбортованные днища, как правило, применять при работе аппаратов, работающих при избыточном давлении, не следует. Плоские днища применяются в подверженных избыточному давлению вертикальных и горизонтальных сварных аппаратах малого диаметра, на которые отсутствуют стандартизованные эллиптические днища, а также в тех случаях (независимо от диаметра), когда по каким-либо соображениям нельзя применить отбортованные эллиптические, сферические и конические днища. Такие днища должны быть отбортованными, их целесообразно укреплять ребрами. 36 На рис. 2.13. показаны основные типовые конструкции плоских днищ, применяемых в аппаратах. Рис. 2.13. Типы плоских днищ (крышек): а – привариваемое с одной стороны (тип 1); б – кованное днище с цилиндрическим участком (тип 2); в – днище с отбортованными краями (тип 3); г – приварное штампованное (тип 4); д – крышка, присоединяемая к обечайке с обеих сторон по всей толщине (тип 5); е – плоское днище, зажатое между фланцами (тип 6); ж – днище, привариваемое к обечайке с обеих сторон по всей толщине (тип 7); з – днище, привариваемое к обечайке с одной стороны (тип 8); и – днище, присоединяемое на болтах к фланцу (тип 9) 2.2.2. Расчет конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек Расчет днищ и крышек выполняется по ГОСТ Р 52857.2–2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек». 2.2.2.1. Конические оболочки с углом при вершине 2α < 120°, нагруженные внутренним избыточным давлением Исполнительную толщину стенки sк вычисляют по формулам: pð D /( 2σ pð ) cos α sê.ð max ; p D /( 2 σ p ) cos α è è è sê sê.ð c c0 , где sк.р – расчетная толщина стенки конической обечайки. Допускаемое давление: 37 в рабочем состоянии p 2σsê ccos α /D (sê c) cos α; при испытаниях pè 2σè sê ccos α /D (sê c) cos α. 2.2.2.2. Конические днища, нагруженные наружным давлением Расчетная и исполнительная толщина стенки в первом приближении определяется по формулам (2.24) и (2.25) с последующей проверкой по формуле (1.9): sê.ð max K 2 DE 10 2 ; 1,1 pí.ð DÅ /( 2σ) ; (2.6) sê sê.ð c c0 . (2.7) где К2 – коэффициент, определяемый по номограмме (см. рис. 2.6) при l = lЕ и D = DE. Эффективные длину lЕ и диаметр DE конической обечайки следует определять по формулам: lE D D0 ; 2 sin α D D0 ; 2 cos α DE max , ( D D ) D 0 tgα 0,31( D D0 ) 2 cos α 100 ( sê c) (2.8) (2.9) где D0 – диаметр меньшего основания конической обечайки. Допускаемое наружное давление следует рассчитывать по формуле (1.10), где допускаемое давление из условия прочности pí σ 2[σ]( sê c) , D / cos α ( sê c) (2.10) а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости 38 2 100 ( sê c) 18 10 6 Å DE 100 ( sê c) pí Å , k nó lE DE DE DE åñëè l E 8,15 DE 100 ( sê c) 3 6 2,21 10 Å 100 ( sê c) èëè pí Å , nó DE DE åñëè l E 8,15 DE . 100 ( sê c) (2.11) Допускаемая осевая сжимающая сила рассчитывается по формуле (1.11), где допускаемая осевая сила из условия прочности F σ π DF (sê c) cos α [σ], (2.12) а допускаемая осевая сила из условия устойчивости в пределах упругости 100 ( sê c) 310 10 6 Å 2 100 ( sê c) F Å DF cos 2 α. (2.13) nó DF DF 2 Эффективный диаметр DF конической обечайки при осевом сжатии следует определять по формуле 0,9 D 0,1D0 . (2.14) cos α Формулы (2.6)–(2.11) применимы при α < 75°, а формулы (2.12)– (2.14) – при α < 60°. DF 2.2.2.3. Эллиптические и полусферические днища, нагруженные внутренним избыточным давлением Толщину стенки эллиптических и полусферических днищ (рис. 2.14, а, б) вычисляют по формуле s1ð pð R 2 σ 0,5 pð s1 s1ð c c0 , 39 ; где s1р – расчетная толщина стенки эллиптического или полусферического днища. s1 D H s1 R r1 h1 R R h1 H=R h1 H s1 D D1 D D1 D1 а б в Рис. 2.14. Расчетные схемы выпуклых днищ: а – эллиптическое днище; б – полусферическое днище; в – торосферическое днище Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитывают по формуле p 2σs1 c /R 0,5(s1 ñ). D2 Радиус кривизны в вершине днища равен: R , 4H где R = D – для эллиптических днищ с Н, равным 0,25D; R = 0,5D – для полусферических днищ с Н, равным 0,5D. Если длина цилиндрической отбортованной части днища h1 0,8 D (s1 c) – для эллиптического днища или h1 0,3 D (s1 c) – для полусферического днища, то толщина днища должна быть не меньше толщины цилиндрической обечайки. 2.2.2.4. Эллиптические и полусферические днища, нагруженные наружным давлением. Толщину стенки предварительно вычисляют по следующим формулам с обязательной последующей проверкой по формуле (1.9) K ý R nó ðp 1,2 pp R s1p max ; ; 5 161 2 [ σ ] 10 Å s1 s1ð c c0 . Для предварительного расчета Кэ принимают равным 0,9 для эллиптических днищ и 1,0 – для полусферических днищ. Допускаемое наружное давление вычисляют по формуле 40 [ p ]σ [ p] [ p ]σ 1 [ p ] E 2 , где допускаемое давление из условия прочности [ p]σ 2[σ] ( s1 c) , R 0,5( s1 c) а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости 2,6 10 5 E 100 ( s1 c) [ p] E K R . ny ý 2 Коэффициент Кэ определяют по графику, приведенному на рис. 2.15, или по формуле в зависимости от отношений D/(s1 – c) и H/D: Ký 1 (2,4 8 x) x ; 1 (3 10 x) x s c D 2H x 10 1 . D 2H D Рис. 2.15. График для определения коэффициента Кэ 41 2.2.2.5. Торосферические днища, нагруженные внутренним избыточным давлением Толщину стенки в краевой зоне торосферического днища (рис. 2.14, в) вычисляют по формуле s1 pp D1 β1 2 [σ] c c0 . Допускаемое избыточное давление из условия прочности краевой зоны определяют по формуле [ p] 2( s1 c) [] . D1 β 2 Коэффициент β1 определяют по графику, приведенному на рис 2.16, а β2 – по графику, приведенному на рис. 2.17. Формулы применимы при выполнении условий: s c 0,002 1 0,100 , D 0,2 H 0,5 . D Рис. 2.16. График для определения коэффициента β1 42 Рис. 2.17. График для определения коэффициента β2 2.2.2.6. Торосферические днища, нагруженные наружным давлением Торосферические днища, нагруженные наружным давлением, следует рассчитывать по тем же формулам, что и эллиптические и полусферические днища, при Кэ = 1. Формулы применимы для торосферических днищ при выполнении условий s c 0,002 1 0,100 . D Для торосферических днищ в зависимости от соотношения параметров R, D1, r1 приняты следующие типы днищ: r1 0,095 D1 ; Тип А – R D1 , Тип B – R 0,9D1 , r1 0,170 D1 ; Тип C – R 0,8D1 , r1 0,150 D1. 2.2.2.7. Сферические неотбортованные днища и крышки, нагруженные внутренним избыточным давлением Толщину стенок сферических неотбортованных крышек и днищ (рис. 2.18) определяют методом последовательных приближений. 43 а б Рис. 2.18. Сферические неотбортованные днища без укрепляющего кольца (а), сферическая неотбортованная крышка (б) Предварительно толщину стенки вычисляют по формуле s1p pp R 2 σ1 p p (2.15) , а затем по формуле s1p где β pp D β 2 σ1 pp (2.16) , tgψ 4 Aê s1 c 1 M χê 1 3 D ( s1 c) [M ] D cos ψ 3 , sc χ s1 c 2 D 2R cos ψ , tgψ ñ 1. 2 Rñ D Отношение допускаемых напряжений вычисляют по формулам: χê [σ]ê [σ ] ; χ , [σ]1 [σ]1 где [σ] , [σ]1 , [σ]ê – допускаемые напряжения материала цилиндрической обечайки, крышки и кольца соответственно. Величины Ак, М, [M] определяют по формулам, приведенным в табл. 2.1. 44 Расчет проводят до тех пор, пока разница между полученным значением s1p и принятым s1, при определении коэффициента β, не будет превышать 5 %. Таблица 2.1 Формулы для определения Ак, М, [M] Расчетная модель М [M] Aк Рис. 2.18, а – – – π D2 e2 e1 tgψ Rï e3 4 π [σ]ê (a d á ) h 2 2 (a d á ) h Рис. 2.18, б p В качестве расчетной толщины стенки днища или крышки принимают большее из двух значений s1p или s1p . Исполнительная толщина стенки s1 s1p c c0 . Допускаемое избыточное давление [ p] min [ p1]; [ p2 ], где [p1] – допускаемое избыточное давление из условия прочности краевой зоны, [ p1 ] 2( s1 c) ò [σ]1 , D β ( s1 c) [p2] – допускаемое избыточное давление из условия прочности центральной зоны, [ p2 ] 2( s1 c) ò [σ]1 . Rñ ( s1 c) 2.2.2.8. Сферические неотбортованные днища и крышки, нагруженные наружным давлением. Толщину стенки сферического сегмента днища или крышки предварительно вычисляют по формулам (2.15), (2.16) с последующей проверкой по формуле 45 [ p ]σ [ p] [ p ]σ 1 [ p ] E 2 , где [p]σ – допускаемое наружное давление из условия прочности в центральной зоне, [ p]σ 2[σ]1 ( s1 c) ; Rñ ( s1 c) [p]Е – допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругости: 2 s c K . [ p] E ñ Å 1 nó Rñ Коэффициент Кс определяют по табл. 2.2 в зависимости от параметра Rс/(s1 – c). Таблица 2.2 Значения коэффициента Кс при отношении Rс/(s1 – c) Расчетные модели Отношение Rс/(s1 – c) 25 50 75 100 150 200 250 300 ≥350 Днище (рис. 2.18, а) 0,33 0,19 0,17 0,15 0,13 0,12 0,12 0,11 0,11 Крышка (рис. 2.18, б) 0,46 0,30 0,25 0,22 0,19 0,17 0,16 0,13 0,12 2.2.2.9. Плоские днища и крышки Исполнительную толщину sп вычисляют по приближенным формулам: K K 0 Dð pp /( σ) sï.ð max ; K K 0 Dð pÈ /( σè ) (2.17) sï sï.ð ñ ñ0 , (2.18) где sп.р – расчетная толщина плоского днища (крышки). Допускаемое давление: в рабочем состоянии 46 p (sï ñ) /( K K0 Dð )2 σ ; (2.19) pè (sï ñ) /( K K 0 Dð )2 σè . (2.20) при испытании Расчетный диаметр Dр и коэффициент К, учитывающий тип закрепления днища или крышки, принимают в соответствии с табл. 2.3. Таблица 2.3 Коэффициент К и расчетный диаметр Dр плоских днищ (крышек) Тип Рисунок 1 2 Условие укрепления днищ и крышек 3 К 4 a 1,7 s; 1 2 3 Dp D a 0,85s; Dp D sc 0,25; s1 c sc 0,25; s1 c 0,53 0,50 0,45 0,41 Dp D 4 sc 0,5; s1 c sc 0,5; s1 c 0,41 0,38 Dp D 5 sc 0,25; s1 c sc 0,25; s1 c Dp D 47 0,45 0,41 Продолжение табл. 3.2 6 7 a 0,85s; Dp D 0,5 sc 0,5; s1 c sc 0,5; s1 c 0,41 0,38 Dp D 8 sc 0,5; s1 c sc 0,5; s1 c 0,41 0,38 Dp D Ïðè hï Ds c max s; 0,25s1 r min s1; 0,1D; 9 h1 r; Dp D 2r K max{ 0,41[1 0,23s c / sï c ];0,35}; ïðè hï Ds c K max{ 0,45[1 0,23s c / sï c ];0,40} 10 sc 0,5; s1 c 0,41 sc 0,5; s1 c 0,38 Dp D; 0,25s1 r s1 s2 ; 30 γ 90 11 Dp D3 0,40 12 Dp Dñ.ï 0,41 48 Коэффициент ослабления К0 определяют в зависимости от характера расположения отверстий в днище (крышке): для одиночного отверстия диаметром d 2 d d K0 1 ; Dð Dð для случая, когда отверстий несколько (рис. 2.19) K0 , 1 di Dð 3 1 (di Dð ) где di maxd1 d3 ; b2 b3 . d2 II d3 b2 I I d1 b3 II Рис. 2.19. Схема для определения максимальной суммы длин хорд отверстий в наиболее ослабленном сечении: I-I и II-II – диаметральные сечения; d1 – d3 – диаметры отверстий; b2, b3 – хорды отверстий Формулы (2.17) – (2.20) применимы при условии (s – c)/Dр 0,1. 2.3. Рубашки Рубашки в аппаратах предназначаются для наружного нагревания или охлаждения обрабатываемых или хранящихся в аппарате главным образом жидких продуктов. По конструкции рубашки бывают неразъемные и отъемные. Первые применяются преимущественно в сварной и паяной аппаратуре (привариваются или припаиваются к корпусу аппарата), вторые – в сварной, литой и кованой аппаратуре (присоединяются к корпусу 49 аппарата при помощи фланцев). На рис. 2.20 приведены конструкции стандартных неразъемных рубашек для вертикальных стальных сварных аппаратов, основные данные которых приведены в табл. П12, П13. Исполнение 1 Исполнение 2 б а в г Рис. 2.20. Конструкции стандартных неразъемных рубашек для вертикальных стальных сварных аппаратов: а – тип 1, с эллиптическим днищем и верхним (исполнение 1) и нижним (исполнение 2) выпуском продукта; б – тип 2, с коническим днищем с углом при вершине конуса 2α = 90° и тип 3, с коническим днищем с углом при вершине конуса 2α = 60°; в – тип 4, рубашки из полутруб; г – тип 5, рубашки с вмятинами 50 Рубашки могут устанавливаться на цилиндрических вертикальных и горизонтальных аппаратах. Наибольшее применение они имеют на вертикальных цилиндрических аппаратах. В сварной и паяной аппаратуре предпочтительно применять неразъемные рубашки. Отъемные (рис. 2.21) рекомендуется применять в тех случаях, когда по условиям эксплуатации требуется периодическая чистка корпуса, закрытого рубашкой, или это вызывается какими-либо другими соображениями, например невозможностью приварки рубашек к корпусу (в чугунных аппаратах), необходимостью периодического осмотра корпуса и внутренней поверхности рубашек и др. Рис. 2.21. Конструкции отъемных рубашек: а – с эллипсоидальным днищем с нижним выпуском продукта (исполнение 1) и с верхним выпуском продукта (исполнение 2); б – с коническим днищем и с нижним выпуском продукта В табл. П12, П13 приведены основные данные о нормализованных неразъемных рубашках из углеродистой стали, применяемых в сварной вертикальной цилиндрической аппаратуре для избыточных давлений в рубашке до 6,4 МПа и рабочих температур от минус 40 до плюс 350 °С. Кольцевые и продольные сварные швы на цилиндрических обечайках аппарата и рубашки с вмятинами располагаются между вмятинами и не должны пересекать их сварные швы. В табл. П14, П15 приведены основные данные об отъемных рубашках из углеродистой и легированной сталей, применяемых в сварной, кованой и литой цилиндрической вертикальной аппаратуре для избыточных давлений в рубашке до 1 МПа и рабочих температур от минус 40 до плюс 360° С. Решение и взаимное расположение нормалями не регламентируется и устанавливается при конструировании 51 аппарата применительно к его конкретным техническим данным. В частности, опоры для указанных аппаратов большей частью устанавливаются на рубашке (на цилиндрической обечайке – в виде лап или на днище – в виде стоек). Вместе с тем, возможно предусматривать опоры аппарата и вне рубашки, например, в верхней его части, особенно при отъемных рубашках, если это связано с удобством разборки и чистки корпуса аппарата. При конструировании рубашек для горизонтальных цилиндрических аппаратов диаметры рубашек следует выбирать в соответствии с нормалями на рубашки вертикальных аппаратов. Горизонтальные аппараты при размещении их в рубашке должны иметь внутри ее соответствующие опоры (жесткие и скользящие) для воспринятия силы тяжести аппарата и его содержимого, а также иметь свободу перемещения относительно рубашки при температурных расширениях. Это обеспечивается при жестком закреплении аппарата в рубашке только с одной стороны или посередине. Горизонтальные аппараты с рубашками, как правило, имеют опоры на рубашках. Конструкция нижнего спуска из горизонтального аппарата с рубашкой может быть аналогичной конструкции спуска в вертикальных аппаратах. По конструкции рубашки бывают неразъемные (приварные к корпусу аппарата) и отъемные. Более простыми и надежными в работе являются неразъемные рубашки, которые стандартизованы для сварной аппаратуры. Отъемные рубашки применяются в тех случаях, когда по условиям эксплуатации требуется периодическая чистка корпуса, закрытого рубашкой с обязательным его вскрытием. При температуре стенки аппарата t < 100 °С допускается приварка рубашки из углеродистой стали или низколегированных сталей к корпусу аппарата из аустенитных сталей. 2.4. Штуцера Присоединение трубной арматуры к аппарату, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких или газообразных продуктов производится с помощью штуцеров или вводных труб, которые могут быть разъемными и неразъемными. По условиям ремонтоспособности чаще применяются разъемные соединения (фланцевые штуцера). Неразъемные соединения (на сварке) применяются при блочной компоновке аппаратов в кожухе, запол- 52 ненном тепловой изоляцией, где длительное время не требуется осмотра соединений. Стальные фланцевые штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки из труб с приваренными к ним фланцами или кованые заодно с фланцами. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров бывают тонкостенные и толстостенные, что вызывается необходимостью укрепления отверстия в стенке аппарата патрубком с разной толщиной его стенки. На рис. 2.22 показаны конструкции стандартных стальных приварных фланцевых штуцеров, в табл. П18 приведены типы штуцеров и пределы их применения, в табл. П19, П20 – их основные размеры. а) б) в) г) д) Рис. 2.22. Конструкции стандартных стальных приварных фланцевых штуцеров: а – с приварным плоским фланцем и тонкостенным патрубком; б – с приварным фланцем встык и тонкостенным патрубком; в – кованый толстостенный; г – с приварным фланцем встык и толстостенным патрубком; д – вариант конструкции сварного толстостенного штуцера Присоединение фланцевых штуцеров к цилиндрическому корпусу, днищу или крышке производится с определенным вылетом, который зависит от ру, Dy, а также от толщины изоляции аппарата, если аппарат подлежит тепловой изоляции. Рекомендуемые вылеты фланцевых штуцеров регламентированы ОСТ 26-02-2070-83 «Штуцера для сосудов и аппаратов стальных сварных. Технические требования». Вылеты безфланцевых штуцеров не стандартизованы, их можно принимать по соответствующим длинам патрубков фланцевых штуцеров. При фланцевых соединениях на штуцерах с уплотнением выступ-впадина и шип-паз штуцера на аппарате рекомендуется устанавливать с впадиной и пазом. В этом случае присоединяемые части (трубная арматура, труба) должны иметь соответствующие фланцы с выступом и шипом. 53 2.5. Пример расчета аппаратов, работающих под внутренним и внешним избыточным давлением Рассчитать аппарат с рубашкой (рис. 2.23), работающий под давлением. Исходные данные: внутренний диаметр обечайки аппарата D = 1,3 м; высота цилиндрической обечайки аппарата Н = 2,4 м; избыточное давление пара в рубашке р = 0,25 МПа; температура пара в рубашке t = 138,2 °С; материал обечайки – сталь 12Х18Н10Т; материал паровой рубашки – сталь ВСт3пс; избыточное давление в аппарате ра = 0,1 МПа; температура продукта tп = 100 °С; толщина паровой рубашки b = 0,04 м. Гидростатическое давление жидкости в аппарате не учитывать. b H pp lэ H0 lp Dр H D D Рис. 2.23. Аппарат с рубашкой и сферическим днищем Рис. 2.24. Расчетная схема аппарата Расчет: 1. Расчет паровой рубашки Обечайка паровой рубашки рассчитывается как тонкостенная оболочка, работающая под внутренним избыточным давлением. 54 Расчетная температура t, °С принимается равной температуре греющего пара t = 138,2 °С. Допускаемые напряжения: – в рабочем состоянии σ η σ* 1132 132 ÌÏà, где η – коэффициент, учитывающий вид заготовки (для стального проката η = 1); σ* = 132 МПа – допускаемое напряжение стали ВСт3пс при рабочей температуре (табл. П1); – при гидравлическом испытании [σ]и = σТ20/1,1 = 210/1,1 = 190,9 МПа, где σТ20 = 210 МПа – предел текучести стали ВСт3пс при 20 °С (табл. П5). Расчетное давление рр равно избыточному давлению пара в рубашке рр = 0,25 МПа. Пробное давление при гидравлическом испытании ри при рр < 0,5 МПа 1,5 pp σ20 /σ; 1,5 0,25 140 / 132; 0,4 pè max max 0,4 ÌÏà, 0 , 2 0 , 2 где [σ]20 = 140 МПа – допускаемое напряжение стали ВСт3пс при 20 °С (табл. П1). Внутренний диаметр обечайки паровой рубашки Dð D 2b 1,3 2 0,04 1,38 ì. Расчетная толщина обечайки паровой рубашки pp Dp /( 2σ pp ); sp max pè Dp /( 2σè pè ) 0,25 1,38 /( 2 0,95 132 0,25) 1,37 10 3 ; max 1,52 ìì , 3 0,4 1,38 /( 2 0,95 190 ,9 0,4) 1,52 10 где υ – коэффициент прочности сварного шва (υ = 0,95). Исполнительная толщина стенки паровой рубашки в соответствии с формулой (1.8) s = sp + с + с0 = 1,52 +1 + с0 = 4 мм, 55 где с – конструктивная прибавка на коррозию. Примем с = 0,001 м; с0 – прибавка из условия округления толщины стенки до ближайшей (большей) стандартной величины (ГОСТ 19903–74). Проверим применимость формул по условию s c (4 1) 10 3 0,0022 0,1, Dp 1,38 условие выполняется. 2. Расчет стенки цилиндрической обечайки Стенка обечайки аппарата находится под действием наружного избыточного давления (рис. 2.24). При определении расчетной длины обечайки lр длина примыкающего элемента lэ определяется по формуле для выпуклых днищ: lý H 0 0,65 0,216 ì, 3 3 где H0 – внутренняя высота выпуклой (Н0 = R = 0,65 м). Тогда расчетная длина обечайки части днища, м lp H lý 2,4 0,216 2,616 ì. Расчетную температуру tp, °C, примем равной температуре греющего пара t (tp = t = 138,2 °С); расчетное наружное давление рн.р – равным давлению пара в паровой рубашке р (рн.р = р = 0,25 МПа). Модуль упругости для стали 12X18Н10Т при температуре 20 °С Е20=2,0·105 МПа; при рабочей температуре Е = 1,98·105 МПа (табл. П4). Допускаемое напряжение – в рабочем состоянии σ η σ* 147,4 ÌÏà, где σ* = 147,4 МПа – допускаемое напряжение стали 12X18Н10Т при рабочей температуре; – при гидравлическом испытании 56 [σ]и = σТ20/1,1 = 240/1,1 = 218,2 МПа, где σТ20 = 240 МПа – предел текучести стали 12Х18Н10Т при 20 °С (табл. П6). Коэффициент запаса устойчивости: – в рабочем состоянии пу = 2,4; – при испытании nуи = 1,8. Определим расчетные коэффициенты: K3 nó ðí.ð 2,4 10 -6 Å Ê1 2,4 0,25 2,4 10 -6 1,98 10 5 lp D 1,26, 2,616 2; 1,3 K2 = 0,65 – находится по номограмме (см. рис. 2.6). Расчетная толщина обечайки корпуса в первом приближении K 2 D 10 2 ; sp max 1,1 pí.ð D 2σ 0,65 1,3 10 2 8,45 10 2 8,45 10 3 3 max 1,1 0,25 1,3 8 , 45 10 ì; 3 1 , 21 10 2 147 ,4 s = sp + c + c0 = 8,45 + l + c0 = 10 мм. Критическая длина, разделяющая обечайки на «длинные» и «короткие», l0 8,15 D D 1,3 8,15 1,3 12,7 ì. 100 ( s c) 100 (0,01 0,001) Определим, к какому типу обечаек относится рассчитываемая из следующего условия: – если расчетная длина lр > l0, то обечайка является длинной; – если lр < l0 – короткой. Так как 2,616 < 12,7, следовательно, обечайка короткая. Такие обечайки теряют устойчивость с образованием трех, четырех и более волн смятия. 57 Допускаемое наружное давление из условия прочности: – при рабочих условиях pí σ 2σ s c / D s c 2 147 ,4 (10 1) /(1300 10 1) 2,03 ÌÏà ; – при испытании pí σè 2σè s c / D s c 2 218,2 (10 1) /(1300 10 1) 3,0 ÌÏà. Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости: – для коротких обечаек в рабочих условиях 18 10 6 E D 100 s c pí E nó lð D 2, 5 18 10 6 1,98 10 5 1,3 100 (10 1) 10 3 2,4 2,616 1,3 2, 5 0,34 ÌÏà; – для коротких обечаек при испытаниях 18 10 6 E20 D 100 s c pí Eè n óè lð D 18 10 6 2,0 10 5 1,3 100 (10 1) 10 3 1,8 2,616 1,3 2,5 2, 5 0,46 ÌÏà. Допускаемое наружное давление с учетом условий прочности и устойчивости: – в рабочем состоянии pí pí σ 2,03 0,33 ÌÏà 2 2 1 ( pí σ / pí E ) 1 (2,03 / 0,34) ; – при испытаниях pí è pí σè 3 0,45 ÌÏà 2 2 1 ( pí σè / pí E ) 1 (3 / 0,46) Рассчитаем давление при гидравлических испытаниях 58 . 1,5 pí.ð σ20 /σ; pè max 0,2 1,5 0,25 160 / 147 ,4 0,41 max 0,41 ÌÏà, 0 , 2 где [σ]20 = 160 МПа – допускаемое напряжение для стали 12Х18Н10Т при 20 °С (табл. П3). Проверим условия устойчивости обечайки: – в рабочих условиях рн.р < [рн] (0,25 < 0,33); – при испытаниях ри < [рн]и (0,41 < 0,45). Таким образом, условия устойчивости обечайки выполняются. 3. Расчет днища аппарата Расчетная температура tрд днища равна температуре греющего пара t, °С (tрд = 138,2 °С). Расчетное давление рр равно давлению пара в паровой рубашке рр (рр = 0,25 МПа), а расчетный диаметр Dp равен диаметру паровой рубашки Dp (Dp = 1,38 м). Материал – сталь ВСт3пс. Давление гидравлического испытания ри рассчитано выше (ри = 0,41 МПа). Расчет производим для сферического днища. Расчетная толщина днища pð Dñ /( 4 σ pð ) sñ.ð max p D /( 4 σ p ) è è ñ è 3 0,25 1,38 /( 4 0,95 132 0,25) 0,68 10 max 0,78 10 3 ì ; 3 0,41 1,38 /( 4 0,95 190 ,9 0,41) 0,78 10 sñ sñ.ð c c0 0,78 1 c0 2,5 ìì . Допускаемое давление: – в рабочем состоянии p 4 σ sñ c / D ñ sñ c 4 0,95 132 2,5 1 /(1380 2,5 1) 0,54 ÌÏà – при испытаниях 59 ; pè 4 σè sñ c / D ñ sñ c 4 0,95 190 ,9 2,5 1 /(1380 2,5 1) 0,79 ÌÏà . Условия прочности рр < [р] и ри < [р]и в рабочих условиях и при испытаниях выполняются: 0,25 < 0,54; 0,41 < 0,79. 4. Расчет толщины стенки плоской крышки (рис. 2.25) Исходные данные: внутренний диаметр обечайки аппарата D = 1,3 м; высота цилиндрической обечайки аппарата Н = 2,4 м; избыточное давление в аппарате ра = 0,1 МПа; температура крышки tп = 100 °С; материал обечайки – сталь 12Х18Н10Т; материал крышки – листовой прокат из стали 12Х18Н10Т; прибавка к расчетной толщине стенки с = 1 мм, плотность среды ρс = 1000 кг/м3; диаметр болтовой окружности Dб = 1400 мм, средний диаметр прокладки Dс.п = 1350 мм, отношение реакции прокладки к равнодействующей внутреннего давления Rп/Fд = 1,1, диаметр штуцера d = 100 мм. Расчет: Допускаемое напряжение: – в рабочем состоянии [σ] = 147,4 МПа для стали 12Х18Н10Т при 100 °С; – при гидравлических испытаниях [σ]и=σТ20/1,1=240/1,1 = 218,2 МПа, где σТ20 = 240 МПа – предел текучести стали 12Х18Н10Т при 20 °С (табл. П6). Рис. 2.25. Распределительная камера кожухотрубчатого конденсатора (а) и расчетная схема ее плоской крышки (б) 60 Расчетное давление рр = р = 0,1 МПа, так как рг = ρc·g·D = = 9,81·1000·0,8 = 0,0086 МПа, что меньше 5 %·р = 0,05·0,1 = = 0,005 МПа. Пробное давление при гидравлическом испытании (см. табл. 1.1) 1,5 pí.ð σ20 /σ; pè max 0 , 2 1,5 0,1 160 / 147 ,4 0,164 max 0,2 ÌÏà, 0,2 где [σ]20 = 160 МПа – допускаемое напряжение для стали 12Х18Н10Т при 20 °С (табл. П3). Расчетная толщина крышки K K 0 Dð pp /( σ) sï.ð max K K 0 Dð pè /( σè ) 0,49 1,05 1,35 0,1 / 147 ,4 56,3; 96,5 ìì ; 0,49 1,05 1,35 0,2 / 218,2 66,5. где К – коэффициент, учитывающий тип закрепления крышки (см. табл. 2.3 и рис. 2.13). K 0,41 где 1 3ψ Dá / Dñ.ï 1 1 3 2,1(1400 / 1350 1) 0,41 0,49, Dá / Dñ.ï 1400 / 1350 ψ 1 Rï / Fä 1 1,1 2,1; К0 – коэффициент ослабления (для одиночного отверстия диаметром d), 2 2 d d 100 100 K0 1 1 1,04. Dð Dð 1350 1350 Исполнительная толщина плоской крышки sï sï.ð ñ ñ0 66,5 1 3,2 70 ìì , где с0 = 2,8 мм из условия округления толщины до ближайшего большего стандартного значения (ГОСТ 19303–74). 61 Вопросы для самоконтроля 1. Почему вальцованные обечайки должны иметь возможно меньше сварных швов? 2. Какое смещение должны иметь продольные швы в листах смежных обечаек по отношению друг к другу? 3. Что произойдет с цилиндрической оболочкой при потере устойчивости? 4. Написать формулу Муштари и пояснить ее сущность. 5. Как записывается условие устойчивости, если изгибающий момент создается действием поперечной нагрузки Q (например, силами тяжести от собственной массы конструкции; массы среды, заполняющей горизонтальный цилиндрический сосуд, и т. п.)? 6. Почему сосуды при расчете на устойчивость делятся на «длинные» и «короткие»? 7. Зачем используются кольца жесткости на оболочке, работающей под наружным давлением? 8. Какие параметры колец жесткости определяются при расчете оболочки на устойчивость? 9. Какой конус более прочен – острый или тупой и почему? 10. Зачем эллиптические и конические днища часто снабжаются цилиндрическим поясом – отбортовкой? 11. Напишите формулу для определения допускаемого наружного давления? 12. Как определяют коэффициент ослабления К0 для одиночного отверстия диаметром d? 13. Для чего предназначаются рубашки в аппаратах? 14. Какие конструктивные типы стандартных неразъемных рубашек для вертикальных стальных сварных аппаратов Вы знаете? 15. Что представляют собой стальные стандартизованные фланцевые штуцера? 62 3. ИЗГИБ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ПРИ СИММЕТРИЧНОМ НАГРУЖЕНИИ (МОМЕНТНАЯ ТЕОРИЯ) Рассмотрим работу длинной круговой цилиндрической оболочки (рис. 3.1), к краю которой приложены равномерно распределенные изгибающие моменты M0 и поперечные силы Q0, приходящиеся на единицу длины окружности срединной поверхности цилиндра. Выделим из цилиндра полоску единичной ширины (рис. 3.1, б). а б в г Рис. 3.1. Цилиндрическая оболочка, нагруженная распределенным изгибающим моментом и поперечной силой: a – схема нагружения края оболочки; б – полоска, выделенная из цилиндра; в – диаметральное сечение деформированной оболочки; г – схема действия усилий на сечение полоски Обозначим через y радиальное перемещение полоски и найдем относительную деформацию растяжения полоски в окружном направлении: ε y r. Окружное напряжение в срединной поверхности σ εE E y r, где Е – модуль упругости при растяжении материала оболочки. 63 Окружные растягивающие усилия Tυ, приходящиеся на единицу длины полоски, имеют составляющую Ò E y s / r и составляющую, обусловленную наличием растягивающей осевой силы Тx, T μ Tx . Равнодействующая этих усилий, направленная по радиусу, равна R E y s / r μ Tx . (3.1) 1 Следует отметить, что υ·r = 1, следовательно, . r Из (3.1) видно, что усилие R противодействует прогибу полоски и пропорционально этому прогибу. Относительное удлинение полоски при ее изгибе в направлении x оси цилиндра, согласно обобщенному закону Гука, σ μ σt 0 ε m0 m0 , E (3.2) а в окружном направлении σ μ σ m0 εt0 t0 0, E (3.3) где индекс “0” указывает, что рассматриваются напряжения и относительные деформации, обусловленные только изгибом. Так как εt0 = 0 (перемещение в окружном направлении исключено из-за наличия соседних полосок), то уравнение (3.3) примет вид σ t 0 μ σ m0 , и, следовательно, уравнение (3.2) равно σ ε m0 m0 1 μ 2 . E Из курса сопротивления материалов известно, что дифференциальное уравнение, связывающее прогиб балки и распределенную нагрузку, равно EJ d4y dx4 q( x). 64 1 Для нашего случая (вместо ) r E J d4y Eys μTx R p 2 , 4 r r dx (3.4) где p – давление внутри оболочки. Знак (–) в уравнении (3.4) указывает, что направление силы сопротивления R противоположно направлению прогиба полоски. Подставляя в (3.4) значения R и E E /(1 μ 2 ) из уравнения s3 Es 3 (3.1) и учитывая, что J ; D – цилиндрическая же2 12 12 (1 μ ) сткость оболочки при изгибе, получаем где β d4y Tx dx rD 4 4 β y 4 p , D (3.5) 4 3(1 μ 2 ) . Rs Решение уравнения (3.5) для длинных цилиндрических оболочек имеет вид y M0 2 Dβ βx cos βx sin βx e 2 Q0 2 Dβ βx e cos βx y , 3 μT 1 μTx p r 2 где y 4 p x . r 4β Dr D Es Вопросы для самоконтроля 1. Как определяется окружное напряжение в серединной поверхности круговой цилиндрической оболочки? 2. Напишите дифференциальное уравнение изгиба цилиндрической оболочки при симметричном нагружении. 3. Какие усилия действуют на сечение полоски, выделенной из цилиндра? 4. По какой формуле определяется цилиндрическая жесткость оболочки при изгибе? 65 4. УЗЛЫ СОПРЯЖЕНИЯ ОБОЛОЧЕК 4.1. Основные причины возникновения краевых сил и моментов Полученные выше расчетные формулы (см. разделы 1 и 2) выведены для случая нагружения оболочек, равномерно распределенными по поверхности, статическими нагрузками и справедливы для оболочек, у которых не закреплены края, а также для участков, удаленных от закрепленных краев оболочек, и мест приложения сосредоточенных нагрузок. В реальных конструкциях машин и аппаратов края оболочек прикрепляются к другим оболочкам (часто иных профиля и толщины) или к соответствующим деталям (фланцы, трубные решетки и т. п.). В таких узлах сопряжения возникают дополнительные, так называемые краевые, нагрузки, вызывающие местные напряжения изгиба в материале сопрягаемых элементов. Краевая сила Q0 и краевой момент М0 являются реакциями заделки края оболочки, которому мешает свободно деформироваться сопрягаемая деталь с иными возможностями для перемещений под действием внешних нагрузок. а) в) б) г) Рис. 4.1. Примеры соединения края оболочки: а – с толстым (недеформируемым) плоским днищем; б – с трубной решеткой теплообменника; в – с фланцем; г – с кольцом жесткости Различные возможности для деформаций у сопрягаемых элементов, являющиеся причиной появления краевых нагрузок по конту- 66 ру сопряжения, могут быть вызваны: 1) заделкой края оболочки (рис. 4.1); 2) изменением геометрических размеров (формы) оболочки при переходе от одного сечения к другому (рис. 4.2); 3) изменением нагрузки при переходе от одного сечения к другому (рис. 4.3); 4) изменением свойств материала (модуля упругости, коэффициента линейного расширения, коэффициента Пуассона μ и др.) при переходе от одного сечения к другому. а) б) в) г) Рис. 4.2. Примеры изменения геометрических размеров оболочек: а – соединение цилиндрических обечаек разной толщины; б, в – соединение обечаек одинаковой толщины разной формы; г – соединение оболочки с пластинкой, имеющей одинаковую толщину а) б) Рис. 4.3. Примеры изменения нагрузок, действующих на оболочки: а – соединение корпуса аппарата с его рубашкой; б – соединение оболочки с опорными устройствами 4.2. Основные уравнения совместности деформаций взаимосвязанных оболочек различной формы Рассматривая расчет сосудов и корпусов аппаратов, мы до сих пор предполагали, что каждая из оболочек, образующих сосуд или 67 корпус аппарата, работает самостоятельно и независимо от других связанных с ней оболочек или других частей аппарата. Во многих практических случаях так считать допустимо, и получаемые приближения оказываются вполне достаточными для инженерных целей. Однако в некоторых случаях такое упрощение может привести к совершенно неверным результатам. Возьмем в качестве примера сосуд, состоящий из цилиндрического корпуса и конического днища, подверженный изнутри действию газового давления (рис. 4.4, а). Мысленно отделим днище от корпуса (рис. 4.4, б), оставив их под действием приложенных нагрузок (в нашем случае равномерно распределенного давления p). s R а) б) p Δц θк 2α Δк Рис. 4.4. Цилиндр с коническим днищем Согласно формулам мембранной теории радиальное перемещение края цилиндра будет равно ðö а поворот его pR 1 , Es 2 ðö 0. Для края конуса, замкнутого у вершины, согласно формулам мембранной теории, линейное перемещение края Δpк и поворот края θрк будут, соответственно, иметь следующие значения 68 ðê pR 1 ; E s sin 2 ðê p R cos 2 E s sin 2 . Как видно, ни линейные перемещения, ни угловые повороты краев цилиндрической и конической частей не равны между собой. Если бы оболочки были просто приложены краями друг к другу, то в результате деформаций, вызванных воздействием газового давления, между обоими краями образовался бы линейный зазор и зазор, обязанный разности угловых деформаций. Эти зазоры, однако, без разрушения сосуда образоваться не могут, потому что обе оболочки или изготовляются как одно целое, например, отливаются из чугуна, или неразъемно соединяются между собой, например, сваркой. Благодаря взаимному влиянию оболочек, каждая из которых мешает свободно деформироваться другой, линейные и угловые перемещения обоих краев становятся равными и сосуд принимает новую форму. Учитывая симметричность деформаций относительно оси, можно заключить, что они вызываются равномерно распределенными по окружностям радиальными краевыми силами и меридиональными краевыми моментами, отнесенными к единице длины окружности и возникающими в сечении стыка оболочек. Любые причины, препятствующие свободной деформации соединенных оболочек, вызывают появление краевых сил и краевых моментов. Такими причинами, оказываются: во-первых, разная жесткость соединяемых частей, заделка края обечайки, например, соединение ее с трубной доской или массивным фланцем, насаживание на обечайку бандажа и т.д. Во-вторых, сопряжение оболочек в стыковом сечении под углом. Величина краевых сил, называемых в этом случае распорными силами, равна проекции меридиональных сил на плоскость, проходящую через стыковое сечение, взятых с обратным знаком. В-третьих, внезапное изменение по меридиану какого-нибудь силового или физического параметра: давления, температуры, прочностных характеристик конструкционного материала, например, в месте соединения обечаек, сделанных из разных материалов. Приведенные выше расчетные формулы безмоментной теории оболочек выведены для случая нагружения равномерно распределен- 69 ными по поверхности статическими нагрузками и справедливы для оболочек, у которых не закреплены края, а также для участков, удаленных от закрепленных краев оболочек и мест приложения сосредоточенных нагрузок. В реальных конструкциях машин и аппаратов края оболочек прикрепляются к другим оболочкам (часто иного профиля и толщины) или к соответствующим деталям (фланцы, трубные решетки и т. п.). В таких узлах сопряжения возникают дополнительные, так называемые краевые нагрузки, вызывающие местные напряжения изгиба в материале сопрягаемых элементов. Краевая сила Q0 и краевой момент М0 являются реакциями заделки края оболочки, которому мешает свободно деформироваться сопрягаемая деталь с иными возможностями для перемещений под действием внешних нагрузок. Действие на обособленные, ни с чем не связанные оболочки приложенных к их свободному краю и равномерно по нему распределенных краевых сил Q0 и моментов М0 вызывает появление в стенках оболочки меридиональных сил U, кольцевых сил T и поперечных (радиальных) сил Q, а также появление меридиональных моментов Mm и кольцевых моментов Mt, как это показано на рис. 4.5. Q0 M0 Q0 M 0 M0 Q0 M0 Q0 M0 Q0 M0 Q M0 M0 M M0 Q0 U 0 M0 Q T Mt 0 Q0 Q0 Q0 Q0 Mm Q0 Mt Mm T Q U Рис. 4.5. Силы и моменты, возникающие в элементе оболочки: U – меридиональные силы; Т – кольцевые силы; Q – поперечные силы Особенностью напряженного состояния материала стенок оболочек, вызванного краевыми моментами и силами, является изменение значений вызываемых ими сил, моментов, напряжений и деформаций по мере удаления от края по быстрозатухающей знакопеременной кривой (рис. 4.6), характеризуемой уравнением вида 70 y À e x sin x cos x , A c длиной волны 2 весьма малой по сравнению с радиусом оболочки. В этом уравнении А – величина соответствующей нагрузки, 4 3(1 2 ) R( s ñ) – функция, характеризующая скорость затухания, а x х – расстояние от края до исследуемого сечеРис. 4.6. Эпюра краения. вых напряжений Для определения Q0 и М0 составляются так называемые уравнения совместности радиальных и угловых деформаций. Сущность этих уравнений заключается в том, что для нормальной работы машины или аппарата в узле сопряжения не должно быть никаких относительных перемещений сопрягаемых деталей. Другими словами, необходимо выполнение условий, когда суммы радиальных и угловых деформаций края одной детали от действующих внешних и краевых нагрузок равны соответствующим суммам радиальных и угловых деформаций края другой детали от действующих на нее активных и реактивных нагрузок. Составим эти уравнения для произвольного узла сопряжения, находящегося под внутренним давлением. Мысленно рассечем узел плоскостью, нормальной к оси симметрии оболочек. Так что образуемая вследствие этого статически определимая система представляется состоящей из двух оболочек (корпуса и днища). К сопрягаемым оболочкам прикладывается внешняя нагрузка (внутреннее давление р), распорная сила Q, действующая на край днища, а также искомые неизвестные краевые нагрузки Q0 и M0. Уравнения совместности радиальных и угловых деформаций (без учета правила знаков) будут иметь вид: äð äQ Q äM ; 0 0 0 0 ê ê ê ä ä ä ð Q M ð Q Q M , 0 0 0 0 êð êQ êÌ где ê , êM êð , êQ0 , êM 0 , êð , Q 0 0 (4.1) – соответственно радиальные и уг- ловые деформации края корпуса под действием нагрузок р, Q0 и М0; 71 äð , äQ Q , äM , äð , äQ Q , äM – соответственно радиальные 0 0 0 0 и угловые деформации днища под действием нагрузок р, Q, Q0 и М0. Деформации, а следовательно, и напряжения изгиба от действия краевых нагрузок носят локальный характер и имеют существенную величину лишь в окрестности непосредственного действия нагрузок. Решения уравнений совместности деформаций позволяют вычислить искомые значения краевых нагрузок Q0 и M0. 4.3. Сопряжение цилиндрических корпусов аппаратов с днищами Расчет краевых напряжений для наиболее распространенных случаев сопряжения производят по формулам, представленным ниже. 4.3.1. Цилиндрический корпус – плоское днище Подставляя соответствующие значения деформаций в уравнения (4.1), получим1 для обечайки с плоским днищем (рис. 4.7): 2 R 2 p 2 R 2 Q 2 2 R 2 M ð 0 0 2 E s c E s c E s c 1 R Q 0; 0 0 E s ï c 2 2 3 2 2 R 4 R 0 Q0 M0 E s c E s c 31 R 3 61 R 121 R p Q M , ð 0 0 2 E sï c 3 E sï c 2 E sï c 3 где 4 3 1 2 ; R D / 2. R s c 4.3.2. Цилиндрический корпус – коническое днище Система уравнений совместности деформаций имеет вид для цилиндрической обечайки с коническим днищем (рис. 4.8, a): 1 Положительные направления деформаций показаны на рис 4.7, 4.8. 72 2 ê2 R 2 M 0; E sê c cos 2 2 R 2 43 R 2 3R sin 0 Q0 M0 pð 2 E s c E s c 2 E sê c cos 2 2 3 2 2 ê R 4 ê R (Q0 Q) M , 0 E sê c cos E sê c cos 2 2 R 2 p 2 R 2 Q 2 2 R 2 M ð 0 0 2 E s c E s c E s c 2 ê R 2 2 R 2 pð (Q0 Q) 2 E sê c cos E s ê c где 4 3 1 2 ; ê 4 3 1 2 R s c R sê c / cos ; Q pð R 2ñtg . 4.3.3. Цилиндрическая обечайка с эллиптическим днищем Уравнение совместности деформаций для корпуса с эллиптическим днищем (рис. 4.8, б): 2 R 2 p 2 R 2 Q 2 2 R 2 M ð 0 0 2 E s c E s c E s c 2 2 2 a a ý 2 2 Q0 2 E sý c E s c b ý pð a 2 2 2ý a 2 M 0; E sý ñ 2 2 R 2 43 R 2 0 Q0 M0 E s c E s c 2 2ý a 2 4 2ý a 2 0 Q0 M0, E s ý c E s ý c где 4 3 1 2 ; 31 ; R = D/2; a = D/2; b = D/4. R s c 4 ý 2 a s ý c 73 (4.2) Рис. 4.7. Расчетная схема соединения цилиндрической обечайки с круглым днищем б) а) Рис. 4.8. Расчетные схемы соединения цилиндрической и конической обечаек (а); цилиндрической обечайки с эллиптическим днищем (б) 4.3.4. Цилиндрическая обечайка со сферической крышкой Уравнение совместности деформаций для корпуса со сферической крышкой (рис. 4.9): Q Q0 M0 U Q0 M0 pp Rс R sс s U pp φ Рис. 4.9. Расчетная схема соединения цилиндрической обечайки со сферической крышкой 74 2 R 2 p 2 R 2 Q 2 2 R 2 M ð 0 0 2 E s c E s c E s c (1 ) Rñ2 sin ñ Rñ2 sin 2 (1 k10 k 20 ) pp (Q0 Q) 2 E ( sñ c ) 2 E ( sñ c) k10 2 2 2 sin Rñ ñ M 0; E ( sñ c) k10 2 2 R 2 43 R 2 0 Q0 M0 E s c E s c 2 ñ2 sin Rñ2 4 ñ2 Rñ2 0 (Q0 Q) M 0. E ( sñ c) k10 E ( sñ c) k10 где k 20 1 4 3(1 2 ) R ( s c) ñ ; 4 3(1 2 ) Rñ ( sñ c) k10 1 ; 1 2 ctg; 2ñ Rñ pp Rñ 1 2 ctg; Q cos . 2ñ Rñ 2 4.3.5. Расчет прочности в месте сопряжения элементов Выражения для вычисления краевых напряжений сопрягаемых элементов приведены ниже. Суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки с учетом напряжений от внутреннего давления pр, краевых сил Q0 и моментов M0 следующие: – меридиональное напряжение Q M 0 0 m0 pm m0 m 0 0 pð R 2s c 0 6M 0 s c 2 ; – кольцевое напряжение Q M 0 0 t0 tp t 0 t 0 0 pð R s c (Q0 M 0 ) 2 R 6 M 0 ; 2 sc s c – максимальное напряжение max max max , tmax . m 0 0 Суммарные напряжения по краю конической обечайки (днища): – меридиональное напряжение 75 ( Q Q ) mê pm m 0 ê pð R ê 2sê c cos M m 0 ê Q0 Q sin sê c 6M 0 sê c 2 ; – кольцевое напряжение ( Q Q ) tê tp t 0 ê ê M t 0 ê pð R (Q0 Q) 2 ê R 2 ê2 R M 0 6 M 0 ; sê c cos sê c cos sê c 2 sê c – максимальное напряжение днища max ê max max , tmax . m ê ê Суммарные напряжения на краю эллиптического днища следующие: – меридиональное напряжение Q pð à M mý ðm m0 m 0 ý ý 2sý c ý 0 6M 0 sý c 2 ; – кольцевое напряжение Q M ý ý tý tp t 0 t 0 ý pð a 2 a 2 b 2 2sý c 2Q0 ý a 2M 0 2ý a 6 M 0 ; sý c s c 2 sý ñ – максимальное напряжение max ý max max , tmax . m ý ý Суммарное напряжение на краю сферической крышки – меридиональное напряжение M Q ñ ñ mñ ðm m 0 m0 ñ pð Rñ 2( sñ c) (Q0 Q) cos 6M 0 ; 2 ( sñ c ) ( sñ c ) – кольцевое напряжение M Q ñ ñ tñ tp t 0 t 0 ñ pp Rñ 2 ñ Rñ (Q0 Q) cos 2 ñ2 Rñ M 0 6 M 0 . 2( sñ c) ( sñ c ) ( sñ c ) ( sñ c ) 2 76 max – максимальное напряжение днища max ý max max . , m t ý ý Условие прочности в месте сопряжения элементов выполняется, если max []êð . Допускаемое напряжение на краю обечайки êð 1,3. 4.4. Пример расчета узла сопряжения элементов цилиндрического аппарата Определить напряжения в месте сопряжения цилиндрической обечайки и эллиптического днища (рис. 4.10, а). Рис. 4.10. Горизонтальный аппарат (а), работающий под давлением, и расчетная схема (б) соединения его цилиндрической обечайки с эллиптическим днищем Исходные данные: внутреннее давление р = 0,9 МПа; внутренний диаметр аппарата D = 1900 мм; марка стали – 12Х18Н10Т; прибавка к расчетной толщине стенки с = 1,0 мм; коэффициент прочно- 77 сти сварных швов υ = 1,0; рабочая температура t = 120 °С; сопрягаемые элементы: цилиндрическая оболочка толщиной s = 8 мм и эллиптическое днище толщиной sэ = 8 мм. Расчет: Подставляя в систему уравнений (4.2) значения геометрических параметров аппарата (R = D/2 = 1900/2 = 950 мм; a = D/2 = 950 мм; b =D/4 = 475 мм) и физических свойств материала (коэффициент Пуассона μ=0,3; модуль продольной упругости Е = 1,99·105 МПа (табл. П4)), получаем систему из двух уравнений с двумя неизвестными Q0 и М0 2 0,3 0,95 2 2 15,76 0,95 2 0 , 9 Q 0 2 1,99 10 5 0,008 0,001 1,99 10 5 0,008 0,001 0,95 2 2 0,9 0,95 2 0,3 2 2 0,475 2 15,76 0,95 M0 5 5 1,99 10 0,008 0,001 2 1,99 10 0,008 0,001 2 15,76 0,95 2 2 15,76 2 0,95 2 Q M ; 0 0 1,99 10 5 0,008 0,001 1,99 10 5 0,008 0,001 2 15,76 2 0,95 2 4 15,76 3 0,95 2 0 Q0 M0 5 5 1,99 10 0,008 0,001 1,99 10 0,008 0,001 2 2 3 2 2 15,76 0,95 4 15,76 0,95 0 Q M , 0 0 1,99 10 5 0,008 0,001 1,99 10 5 0,008 0,001 где 4 3 1 2 R s c 4 3 1 0,32 0,950,008 0,001 15,76 1 / ì ; 4 3 1 2 3 1 0,32 ý 15,76 1 / ì . a sý c 0,950,008 0,001 После упрощения имеем 4 4,96 10 4 0,02Q0 0,32 M 0 6,7 10 4 0,02Q0 0,32 M 0 ; 0,32Q0 10,14 M 0 0,32Q0 10,14 M 0 , откуда Q0 = 0,029 МН/м; М0 = 0. Суммарные напряжения на краю эллиптического днища: – меридиональное 78 Q pð à M mý pm m0 m 0 ý ý 2sý c ý 0 6M 0 s ý c 2 0,9 0,95 0 0 61,07 ÌÏà ; 2(0,008 0,001) – кольцевое Q M ý ý tý tp t 0 t 0 ý pð a 2 a 2 b 2 2sý c 2Q0 ý a 2M 0 2ý a 6 M 0 sý c s c 2 sý ñ 2 0 , 95 0,9 0,95 2 2 0,475 2 0,029 15,76 0,95 0 0 1,91 ÌÏà. 2(0,008 0,001) (0,008 0,001) Суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки: – меридиональное Q M 0 0 m0 pm m0 m 0 0 pð R 2s c 0 6M 0 s c 2 0,9 0,95 0 0 61,07 ÌÏà ; 2(0,008 0,001) – кольцевое Q M 0 0 t0 tp t 0 t 0 0 pð R s c (Q0 M 0 ) 2 R 6 M 0 sc s c 2 0,9 0,95 2 0,029 15,76 0,95 0 0 1,91 ÌÏà. 2(0,008 0,001) (0,008 0,001) Максимальное напряжение на краю: – эллиптического днища max ý max max , tmax max61,07, 1,91 61,07 ÌÏà; m ý ý – цилиндрической обечайки max 0 max max , tmax max61,07, 1,91 61,07 ÌÏà. m 0 0 79 Затем необходимо проверить, выполняются ли условия прочности в месте сопряжения эллиптического днища и цилиндрической обечайки max []êð 61,07 ÌÏà 194,5 ÌÏà, где допускаемое напряжение на краю элементов êð 1,3 1,3 149,6 194,5 ÌÏà, [σ] = 149,6 МПа – допускаемое напряжение стали 12Х18Н10Т при рабочей температуре t = 120 °С (табл. П3). Таким образом, условие прочности в месте сопряжения элементов выполняется. Вопросы для самоконтроля 1. Почему в местах сопряжения элементов конструкции аппаратов возникают дополнительные напряжения? 2. Что является причиной появления краевых нагрузок по контуру сопряжения оболочек? 3. Написать уравнения совместности деформаций оболочек в общем виде и пояснить их сущность. 4. Что такое распорная сила, действующая на край днища? 5. Какие величины вычисляются в результате решения уравнений совместности деформаций? 6. В чем особенность краевых напряжений, и почему они считаются менее существенными, чем мембранные? 7. Поясните на примере правило знаков в уравнениях совместности деформаций. 8. В формуле меридиональных краевых напряжений есть сла6 M гаемое m2 . Пояснить его сущность. ( s c) 9. Какой физический смысл величины в формулах соответствующих краевых нагрузок y Àe x sin x cos x . 10. Нарисовать типовую эпюру краевых напряжений. 11. Как определяется опускаемое напряжение на краю обечайки? 12. Как записывается условие прочности в краевой зоне? 80 5. УКРЕПЛЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ В ОБОЛОЧКАХ 5.1. Геометрический критерий расчета укрепления и методы компенсации ослабления Корпус аппарата снабжается необходимым количеством штуцеров для подключения его к технологическим линиям, лазами – люками для осмотра и ремонта аппарата, смотровыми окнами для наблюдения за процессом и т. д. Отверстия не только уменьшают несущую площадь материала корпуса, механически ослабляя конструкцию, но и вызывают высокую концентрацию напряжений вблизи края отверстия. Как показывают эксперименты, максимальные напряжения быстро уменьшаются по мере удаления от края отверстия, т. е. прирост напряжений носит локальный характер. Таким образом, при проектировании аппаратуры необходимо решать задачу о снижении повышенных напряжений в области отверстий до допускаемых значений за счет компенсации ослабления, вызванного наличием выреза. Компенсация ослабления может производиться двумя способами: 1) увеличением толщины стенки всей оболочки исходя из максимальных напряжений у края отверстия; 2) укреплением края отверстия добавочным материалом, вводимым по возможности ближе к месту распределения максимальных напряжений. Первый способ применяется очень редко и не может быть признан рациональным, так как область повышенных напряжений незначительна и ограничивается диаметром dí d 2 Dð s c , где d – диаметр отверстия; Dр – расчетный диаметр оболочки. На рис. 5.1 представлено несколько вариантов укрепления отверстий по второму способу. В расчетной практике широкое распространение получил так называемый геометрический критерий укрепления, предусматривающий компенсацию площади продольного сечения выреза с помощью дополнительных укрепляющих элементов (дополнительной толщиной 81 стенки штуцера, накладного кольца и т. д.), расположенных в зоне укрепления. Зоной укрепления отверстия (рис. 5.2) считается прямоугольник BCDE со сторонами: EB l1ð l2ð s só.ð; BC D 2sø 2L0 , где l1р и l2р – соответственно расчетная длина внешней и внутренней частей штуцера; d – диаметр отверстия штуцера; sш – толщина стенки штуцера; sу.р – расчетная толщина усиливающего обечайку элемента (накладного кольца); L0 – расчетная длина образующей оболочки в зоне укрепления. а) г) б) в) д) е) Рис. 5.1. Схемы для различных конструкций укрепления отверстий в стенках аппаратов, работающих при статических нагрузках: а – укрепление односторонним штуцером; б – двусторонним штуцером; в – односторонним штуцером и накладкой; г – двусторонним штуцером и двумя накладками; д – отбортовкой и штуцером; е – бобышкой Условие укрепления имеет вид À1Í À1 1 À2 2 À0 À, где А – площадь продольного сечения выреза, подлежащая компенсации; А0 – площадь продольного сечения оболочки, участвующая в укреплении; А2 – площадь продольного сечения усиливающего обечайку элемента в зоне укрепления; А1Н и А1В – площади продольного сечения соответственно наружной и внутренней частей штуцера, участвующие в укреплении; 1 ø и 2 ó – соответственно 82 отношение допускаемого напряжения материала штуцера и усиливающего элемента к допускаемому напряжению материала укрепляемой оболочки. Учитывая, что исполнительная толщина стенок обечайки s и штуцера sш всегда больше их расчетных значений sр + c, sш.р + сш, имеющийся «излишек» материала участвует в укреплении отверстия. Относительно небольшая площадь сечения сварных швов обычно при расчете укрепления отверстий не учитывается и идет в запас прочности. В случае если аппарат работает в условиях одновременного воздействия внутреннего и наружного давлений, расчет укрепления отверстий выполняется для обоих режимов работы. Рис. 5.2. Схема к расчету укрепления отверстия В необходимых случаях в расчет может быть включена площадь сечения металла любого конструктивного элемента, находящаяся в зоне укрепления. 5.2. Основные расчетные размеры Расчетный диаметр укрепляемого элемента: – цилиндрической оболочки Dр = D; – конического днища или перехода Dр = Dк/cosα, где Dк – внутренний диаметр днища (перехода) по центру укрепляемого отверстия; 83 – стандартного эллиптического днища (крышки) Dð 2 D 1 3r / D 2 , где r < 0,4D – 0,5(d + 2sш) – расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища; – сферической оболочки Dр = Dс, где Dс – внутренний диаметр сферической оболочки. Расчетный диаметр круглого отверстия штуцеров (рис. 5.3): в цилиндрических или конических обечайках, если ось отверстия нормальна к их оси или наклонена (рис. 5.3, б, г) в плоскости поперечного сечения обечайки, а также для нормального штуцера сферической и эллиптической оболочек dр = d + 2cш; для смещенного штуцера на эллиптическом днище (рис. 5.3, д) dð d 2ñø 1 (2r Dð )2 ; в цилиндрической или конической обечайке, а также сферическом днище, если ось отверстия лежит в плоскости продольного сечения оболочки (рис. 5.3, а), d ð d 2cø cos 2 , где γ – угол наклона оси штуцера относительно нормали, γ = 45º; Расчетная длина внешней и внутренней частей штуцера, участвующих в укреплении отверстия: l2ð min l2 ; 0,5 d 2cø sø ñø , l1ð min l1; 1,25 d 2cø sø ñø ; где l1 и l2 – фактическая длина соответственно внешней и внутренней частей штуцера. Расчетная длина образующей оболочки в зоне укрепления (см. рис. 5.2) L0 Dð só.ð s ñ . 84 Рис. 5.3. Примеры укрепления отверстия штуцера: а – наклонного (γ = 45°); б – лежащего в плоскости поперечного сечения; в – близкорасположенного к несущей конструкции; г – тангенциально расположенного; д – смещенного на эллиптическом днище (крышке) Расчетная и исполнительная толщины стенки укрепляемой оболочки sр и s, расчетная и исполнительная толщины стенки штуцера sшр и sш определяются в соответствии с формулами раздела 2, учитывая, что s > sp + c и sш > sшр + сш. Расчетный диаметр отверстия, не требующего укрепления, при отсутствии избыточной толщины стенки укрепляемого элемента 85 d0ð 0,4 Dð s c . 5.3. Условия укрепления одиночных отверстий Наибольший диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, d 0 2 s c / sð 0,8 Dð s c cø Минимальное расстояние между наружными поверхностями двух соседних штуцеров, когда их можно считать одиночными (рис. 5.4), sc , Dp só.ð s c Dp só.ð (5.1) где Dp и Dp – расчетные внутренние диаметры укрепляемой оболочки в месте расположения штуцеров соответственно диаметром d′ и d′′; – расчетные толщины укрепляющих накладных колец. só.ð и só.ð Рис. 5.4. Укрепление взаимовлияющих отверстий При Dp = Dp и só.ð = só.ð 2 Dp só.ð s c . Условие укрепления отверстия утолщением стенки аппарата, штуцером, накладным кольцом или комбинированным укреплением (см. рис. 5.3, а): 86 l1ð só.ð s sð c sø søð ñø l2ð sø 2ñø 1 Dð s ó.ð s c 2 s ó.ð s sð c 0,5d ð d 0ð sð . Расчетная толщина накладного кольца sу.р определяется методом последовательных приближений из условия укрепления отверстия. Исполнительная толщина накладного кольца принимается по конструктивным соображениям: sy sу.р, если L > L0, или sу sу.р·L0/L, если L < L0. 5.4. Условия укрепления взаимовлияющих отверстий Если оболочка ослаблена несколькими отверстиями (см. рис. 5.4) и расстояние между наружными поверхностями соседних штуцеров не удовлетворяет условию (5.1), то вначале рассчитывают укрепления для каждого из этих отверстий отдельно по выше приведенным формулам, а затем определяют допускаемое давление для перемычки между отверстиями с целью проверки достаточности ее укрепления. Допускаемое внутреннее давление для перемычки pï 2k1 [] (s c) ï , 0,5( Dp Dp ) s c (5.2) l1p ( sø cø ) l2 p ( sø cø ) 1 L0 s ó.ð 2 l ( s c ) l ( s c ) L s 1p ø ø 2p ø ø 1 0 ó.ð 2 1 ï min , ( s c) 1,0; d 2cø l1p d 2cø l1p dp dp k 1 0 , 5 k 2 1 Dp Dp где k2 = 0,5(1 + cos2γ2) – для цилиндрических и конических обечаек (см. рис. 5.4); k2 = 1 – для выпуклых днищ (крышек). Допускаемое наружное давление для перемычки pí pí ï , 2 1 ( pí ï / pí E ) 87 где [рн]пσ – допускаемое наружное давление для перемычки в пределах пластичности, определяемое по формуле (5.2) при υ = 1. При укреплении двух близкорасположенных отверстий другими способами половина площади, необходимой для укрепления в продольном сечении, должна находиться между этими отверстиями. Пределы применения расчетных формул ограничиваются условиями, приведенными в табл. 5.1. Таблица 5.1 Условия применения формул для расчета укрепления отверстий Отношение диаметров Отношение толщины стенки обечайки или днища к диаметру Цилиндрические dp/D ≤ 1,0; S/D ≤ 0,1; Конические dp/Dк ≤ 1,0 s/Dк ≤ 0,1/cosα dp/D ≤ 0,5 s/D ≤ 0,1 Обечайки или днища Эллиптические Сферические Приведенные рекомендации справедливы для элементов, выполненных из пластичных материалов, работающих в условиях статических нагрузок и допускающих в зоне укрепления отверстий величину напряжения, близкую к пределу текучести. В случае, когда аппараты изготовлены из хрупких материалов или защищены от коррозии хрупкими покрытиями, а также при условии, что аппараты из пластичных материалов находятся под воздействием циклических нагрузок или работают при отрицательных температурах, необходимо использовать методы расчета, основанные на недопустимости пластических деформаций материала оболочек, находящегося вблизи отверстия. 5.5. Пример расчета укрепления отверстий в аппарате Рассчитать укрепление отверстия в цилиндрической обечайке (рис. 5.5). Исходные данные: внутренний диаметр оболочки D = 2500 мм; расчетное давление рp = 0,8 МПа; расчетная температура t = 200 °С; длина неукрепленной части оболочки l = 2900 мм; диаметр отверстия d = 300 мм; длина внешней части штуцера l1 = 200 мм; длина внут88 d d sш lук ренней части штуцера l2 = 5 мм; l1 бавка к расчетной толщине стенки l2 с = 1,0 мм; тип оболочки – цилиндрическая; марка стали, из которой изготовлены оболочка, штуцер, укрепляющий элемент, – ВСт3; вид нагружения – наружное давление; тип укрепления отверстия – накладное кольцо; D sук коэффициент прочности сварных швов υ = 1,0. s Расчет: Определение основных расчетных размеров. Расчетный диаРис. 5.5. Конструкция укрепления метр, укрепляемого элемента опреде- отверстия накладным кольцом и ляется по формуле для цилиндриче- утолщением стенки штуцера ской обечайки Dp = D = 2500 мм. Расчетный диаметр круглого отверстия штуцеров: – так как для цилиндрической обечайки ось отверстия нормальна (см. рис. 5.5) к ее оси, расчетный диаметр отверстия dp =d + 2cш =300 + 2 · 1 = 302 мм, где сш = 1,0 мм – прибавка на коррозию к расчетной толщине стенки штуцера. Исполнительную s и расчетную sp толщину укрепляемой оболочки определяют по формулам K 2 D 10 2 ; 0,85 2500 10 2 21,25 3 sp max 1,1 pí.ð D max 1,1 0,8 2500 21,25 10 ì; 8,73 2 126 2 s = sp + с + с0 = 21,25 +1 + с0 = 25 мм, где [σ]=126 МПа – допускаемое напряжение; К2 = 0,85 – коэффициент, находится по номограмме (см. рис. 2.6) при известных расчетных коэффициентах 89 K3 nó ðí.ð 2,4 10 -6 Å Ê1 lp D 2,4 0,8 2,4 10 -6 1,81 105 4,42; 2900 1,16, 2500 здесь пу = 2,4 – коэффициент запаса устойчивости в рабочих условиях; Е = 1,81·105 МПа – модуль упругости для стали ВСт3 при рабочей температуре t = 200 °С (табл. П4); lр – расчетная длина обечайки, принимается равной длине неукрепленной части оболочки (lр = l = 2900 мм). Расчетную sш.р и исполнительную sщ толщину стенки штуцера находят по формулам K 2 d p 10 2 ; 0,73 302 10 2 2,2 3 spø max 1,1 p d p max 1,1 0,8 302 2,2 10 ì; 1,05 2 126 2 sш = spш + c + c0 = 2,2 + l + c0 = 4,0 мм, где К2=0,73 – коэффициент, находится по номограмме при известных расчетных коэффициентах (см. рис. 2.6): K3 nó ð 2,4 10 -6 Å Ê1 2,4 0,8 2,4 10 -6 1,81 105 lpø dp 4,42; 240 0,8, 302 здесь lшр = 240 мм – расчетная длина штуцера, lшр = l1 + l2 + s + sy = = 200 + 5 + 25 + 10 = 240 мм. В расчетах по формуле sш = sшp + c + c0 необходимо добиться (для обеспечения удобства сваривания) выполнения условия sш = s, поэтому sш = 25 мм. Расчетная длина внешней l1p и внутренней l2р частей штуцера, участвующих в укреплении отверстия, 90 l1ð min l1; 1,25 d 2cø sø ñø l2ð min l2 ; 0,5 d 2cø sø ñø min 5; 0,5 302 (25 1) 41,7 41,7 ìì . min 200 ; 1,25 302 (25 1) 106 ,4 106 ,4 ìì ; Расчетная длина образующей оболочки в зоне укрепления (см. рис. 5.2) L0 Dр sу.р s с 2500 (10 25 1) 291,5 мм, где sy.p = 10 мм – расчетная толщина накладного кольца, определяется методом последовательных приближений из условия укрепления отверстия. Как правило, sy.p <sy < s, поэтому принимаем sy = sy.p = 10 мм (здесь sy – исполнительная толщина накладного кольца). Расчетный диаметр отверстия, не требующего укрепления, при отсутствии избыточной толщины стенки укрепляемой оболочки d 0ð 0,4 Dð s c 0,4 2500 (25 1) 98 ìì. Так как d > d0p (300 > 98 мм), то отверстие необходимо укреплять. Наибольший диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, d 0 2 s c / sð 0,8 Dð s c cø 2 25 1 / 21,25 0,8 2500 25 1 1 159 ,7 ìì . Так как d0 < d (159,7 мм < 300), следовательно, требуется укрепление отверстия. Условие укрепления отверстия штуцером и накладным кольцом l1ð s ó.ð s sð c sø søð ñø l2ð sø 2ñø 1 Dð s ó.ð s c 2 s ó.ð s sð c 0,5d ð d 0ð sð 106 ,4 10 25 21,25 1 25 2,2 1 5 25 2 1 2500 10 25 1 10 25 21,25 1 0,5 302 98 21,25; 6429,7 мм2 > 2167,5 мм2, 91 следовательно, условие укрепления отверстия накладным кольцом выполняется (здесь 1 ø 1, 2 ó 1 – соответственно отношение допускаемого напряжения материала штуцера и усиливающего элемента к допускаемому напряжению материала укрепляемой оболочки; так как все элементы выполнены из одной марки стали, 1 2 1. Вопросы для самоконтроля 1. Почему при проектировании аппаратов необходимо учитывать наличие отверстий? 2. В чем сущность геометрического критерия укрепления отверстия? 3. Что такое «избыточная толщина стенки» в расчетах укрепления отверстий. 4. Какие способы конструктивной компенсации ослабления стенки от отверстий Вы знаете? 5. Почему штуцер имеет, как правило, большой избыток толщины стенки по сравнению с корпусом сосуда? 6. Как определяется расчетный диаметр укрепляемого элемента: конического днища или перехода? 7. Как определяется расчетный диаметр укрепляемого элемента: эллиптической крышки? 8. Как определяется расчетный диаметр круглого отверстия штуцеров в цилиндрических или конических обечайках, если ось отверстия нормальна к их оси? 9. Как определяется расчетный диаметр круглого отверстия для нормального штуцера сферической и эллиптической оболочек? 10. Как определяется расчетный диаметр круглого отверстия штуцеров в цилиндрической или конической обечайке, а также сферическом днище, если ось отверстия лежит в плоскости продольного сечения оболочки? 11. Чему равен расчетный диаметр d0p отверстия, не требующего укрепления, при отсутствии избыточной толщины стенки укрепляемого элемента? 12. Чему равен наибольший диаметр d0 одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления? 92 6. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛОТНОПРОЧНЫХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 6.1. Основные типы фланцев и их применение Фланцевые соединения (рис. 6.1) – наиболее широко применяемый вид разъемных соединений в аппаратах, обеспечивающий герметичность и прочность конструкций, а также простоту изготовления, разборки и сборки. Соединение состоит из двух фланцев, болтов и прокладки, которая устанавливается между уплотнительными поверхностями и позволяет обеспечить герметичность при относительно небольшом усилии затяжки болтов. По конструкции фланцы можно разделить на цельные, когда корпус аппарата и фланец работают под нагрузкой совместно, и свободные, когда корпус аппарата разгружен от действия изгибающих моментов, возникающих при затяжке фланцевого соединения. Конструкция фланцев в значительной мере определяется давлением рабочей среды и требованиями минимальных затрат времени на сборку или разборку соединения. По конструкции фланцы можно разделить на цельные, когда корпус аппарата и фланец работают под нагрузкой совместно (рис. 6.2, 6.3), и свободные, когда корпус аппарата разгружен от действия изгибающих моментов, возникающих при затяжке фланцевого соединения (рис. 6.4). Плоские приварные фланцы (см. рис. 6.2, табл. П16) представляют собой плоские кольца, приваренные к краю обечайки по еѐ периметру (рис. 6.2, а). Они также могут делаться с защитным кольцом (рис. 6.2, б) в целях экономии конструкционного материала. Этот тип фланца применяется при Ру = 0,3…1,6 МПа и температуре до 300 °С. Рис. 6.1. Фланцевое соединение: 1 – фланцы; 2 – болтовое соединение; 3 – прокладка 93 а) б) Рис. 6.2. Фланец плоский с шейкой а) б) Рис. 6.3. Фланец с шейкой, приварной встык а) б) в) Рис. 6.4. Свободные фланцы: а – на отбортовке; б – на приварном кольце; в – на приварном бурте 94 Приварные встык фланцы (см. рис. 6.3, табл. П17) имеют конические втулки-шейки (рис. 6.3, а). Втулка фланца приваривается стыковым швом к обечайке и значительно увеличивает прочность фланца. Если аппарат изготовлен из дорогостоящей легированной стали, то такой фланец в целях экономии конструкционного материала делают с защитным кольцом (рис. 6.3, б). Этот тип фланцев применяется при Py = 1,6…6,4 МПа и температуре до 300 °С. Свободные фланцы (см. рис. 6.4) представляют собой кольца, имеющие внутренний диаметр несколько больше наружного диаметра обечайки, на которую их свободно одевают. Фланец на отбортовке (рис. 6.4, а) применяют в аппаратах из цветных металлов, на приварном кольце и бурте – в аппаратах из высоколегированных сталей. Все свободные фланцы экономят дорогостоящие конструкционные материалы и изготавливаются из углеродистой стали обыкновенного качества – стали ВСт3. При затяжке фланец опирается в отбортовку обечайки (рис. 6.4, а), в кольцо, привариваемое к краю обечайки (рис. 6.4, б), или на бурт, привариваемый встык к обечайке (рис. 6.4, в). Свободные фланцы на отбортовке применяются при давлении до 0,6 МПа, на кольце – до 1,6 МПа, на бурте – до 6,4 МПа. Конструктивные формы уплотнительных поверхностей регламентированы ОСТ 26-426–79 и ОСТ 26-427–79 и представлены на рис. 6.5. Плоская уплотнительная поверхность (см. рис. 6.5, а, б) применяется при внутреннем давлении до 0,6 МПа, фланцы с выступомвпадиной (см. рис. 6.5, в) – от 0,6 до 1,6 МПа, с шипом-пазом а) г) б) д) в) е) Рис. 6.5. Форма уплотнительных (привалочных) поверхностей: а – плоская; б – плоская с рисками; в – выступ-впадина; г – шиппаз; д – с овальным металлическим кольцом; е – с линзой 95 (рис. 6.5, г) – от 1,6 до 6,4 МПа. Уплотнительные поверхности под металлическую прокладку с овальным металлическим кольцом и с линзой (рис. 6.5, д, е) рекомендуются для давлений 6,4…16,0 МПа. Прокладка должна отвечать следующим основным требованиям: при сжатии с возможно малым давлением заполнять все микронеровности уплотнительных поверхностей; сохранять герметичность соединения при упругих перемещениях элементов фланцевого соединения (для этого материал прокладки должен обладать упругими свойствами); сохранять герметичность соединения при его длительной эксплуатации в условиях воздействия коррозионных сред при высоких и низких температурах. Различные условия работы прокладок обусловливают и многообразие применяемых прокладочных материалов: металлы – сталь, никель, алюминий, медь, свинец; полимеры – фторопласт, полиэтилен, полихлорвиниловый пластикат, асбест, паронит, резина; комбинированные прокладки – асбест в металлической обкладке из листового металла, полимеры в сочетании с металлами и т. д. Материал прокладок выбирают в зависимости от параметров (давление, температура) и химических свойств среды, воздействующих на прокладку (табл. 6.1). Таблица 6.1 Прокладочные материалы Предельная Рабочее давление, МПа, температура при уплотнительной Материал и t, ºC поверхности конструкция Выступ прокладки гладот до – впади- шип-паз кой на 1 2 3 4 5 6 Резина техническая кисло–30 тощелочная КЩ (7338–77) Резина техническая масло–30 бензостойкая МБ (7338–77) Резина техническая тепло– стойкая Т (7338–77) Паронит общего назначения –35 ПОН (481–80) Среда 7 +50 1,0 – – Вода, воздух, нейтральные растворы солей, нейтральные газы и пары, HSO концентрация до 56 % +50 1,0 – – Тяжѐлые нефтепродукты, керосин, масла, бутанол +140 – – – Водяной пар, сухие нейтральные и инертные газы +90 +250 +450 1,0 2,5 2,5 6,4 6,4 Вакуум Воздух, вода, водяной пар, сухие 50…99% нейтральные и инертные газы 96 Продолжение табл. 6.1 1 2 Паронит маслобензостой–40 кий ПМБ (481–80) 3 +200 +300 +60 +150 +490 Картон асбестовый –15 +450 (2850–75) Фторопласт-4 –269 +250 (10007–80Е) 4 2,5 2,0 1,6 2,5 2,5 5 6 7 5,0 6,4 0,15 – – Углеводороды жидкие и газообразные (мазут, масла, смолы) – – 2,5 Кислоты и щѐлочи любой концентрации, растворители Лѐгкие нефтепродукты. Вакуум Тяжѐлые нефтепродукты Сжи50…99% женные углеводороды Кислород и азот. Коксовый газ 6.2. Расчет фланцевого соединения, работающего под внутренним давлением Комплексный расчет фланцевого соединения состоит из определения геометрических размеров его основных элементов (фланцев, прокладки, болтов), удовлетворяющих условиям герметичности и прочности. Ниже приведен порядок расчета стальных фланцевых соединений аппаратов, работающих под внутренним давлением, как наиболее распространенных в аппаратостроении. Расчетные формулы применимы (см. рис. 6.2 – 6.4) при Dн/D< 2. При работе аппарата в условиях нескольких расчетных режимов по температуре и давлению расчет производится на наиболее тяжелый режим. 1. Расчетная температура элементов фланцевого соединения устанавливается в соответствии с данными табл. 6.2. Таблица 6.2 Расчетная температура элементов фланцевого соединения Изолированные Неизолированные Тип фланцевого соединения tф tc tб tф tc tб Приварные встык Плоские приварные t – 0,97t 0,96t – 0,95t Примечание: tф, tc, tб, t – расчетная температура соответственно фланцев, свободного кольца, болтов и обечайки. 2. Допускаемое напряжение для материала болтов (шпилек) определяется по табл. 6.3; для материала болтов, не указанных в таблице, определяется по формуле á ò nòá , 97 если расчетная температура болтов (шпилек) не превышает для углеродистых сталей 280 °С, низколегированных 420 °С, аустенитных 525 °С. 3. Толщина s0 втулки фланца (см. рис. 6.2, 6.3) в зависимости от его конструкции принимается: для приварного встык s s0 1,3s, но во всех случаях s0 – s 5 мм; для плоских приварных и свободных s0 s, где s – исполнительная толщина обечайки аппарата. Таблица 6.3 Допускаемое напряжение [σ]б (МПа) для стальных болтов (шпилек) Расчетная температура t, ºС 35; 40 Вст5 45Х14Н14В2М 12Х18Н10Т; 10Х17Н13М2Т 35Х; 40Х; 37Х12Н8Г8МФБ; 38ХА; 20ХН3А 25Х2МФА; 25Х1МФ 25Х2М1Ф Марка стали 20 100 200 250 300 350 375 400 425 450 475 500 130 126 120 107 97 86 80 75 68 – – – 160 150 138 132 126 120 117 114 110 107 104 100 110 105 98 95 90 86 85 83 82 80 79 78 230 230 225 222 220 185 175 160 – – – – 230 230 225 220 215 215 210 210 182 156 127 – 230 230 225 220 215 215 210 210 195 180 165 150 4. Толщина s1 у основания втулки приварного встык фланца (см. рис. 6.3): s1 1 s0 , при этом β1 определяется из рис. 6.6. 5. Высота hв втулки фланца: приварного встык 1 hâ s1 s0 , i где i – уклон втулки (i = 1/3); 98 β1 2,5 βmax=2,5 2,3 βmax=2,2 2,1 βmax=2,2 βmax=2,0 1,9 1,7 1,5 20 40 60 80 100 D/s0 Рис. 6.6 График для определения коэффициента β1: 2,5<pу≤4,0 МПа; 4,0<pу≤6,4 МПа; 1,6<pу≤2, МПа; 0,6<pу≤1,6 МПа плоского приварного или свободного hâ 0,5 D s0 c . 6. Диаметр Dб болтовой окружности фланцев: приварных встык Dá D 2s1 dá u , где и – нормативный зазор между гайкой и втулкой (и = 4…6 мм); dб – наружный диаметр болта, выбираемый по табл. 6.4; плоских приварных Dб ≥ D + 2(2s0 + dб + u). Таблица 6.4 Рекомендуемые диаметры болтов (шпилек) dб (мм) в зависимости от давления pp и диаметра аппарата D pp, МПа 0…0,6 0,6…1,0 1,0…1,6 1,6…2,5 2,5…4,0 4,0…6,4 6,4…8,0 8,0…10,0 800 1000 1200 D, мм 1400 1600 20 20 20 20 30 30 30…36 36…42 20 20 20 20 30 42 42 48 20 20 24…30 24…30 36 42 48 52…56 20 20 24…30 24…30 36 48 52…56 56…64 20 24…30 24…30 24…30 36 48 52…56 56…64 1800 2000 2200 20 24…30 24…30 30 42 52 – – 24 30 30 30 42 52 – – 24…30 30 30 – – – – – 7. Наружный диаметр фланцев всех рассматриваемых типов Dн ≥ Dб + a, 99 где а – конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, принимаемая по табл. 6.5. 8. Наружный диаметр прокладки приварных встык и плоских приварных фланцев Dнп = Dб – e, где е – нормативный параметр, зависящий от типа прокладки и принимаемый по табл. 6.5. Таблица 6.5 Вспомогательные величины для определения размеров фланца Диаметр болта dб, мм Диаметр отверстия под болт d, мм 20 22 24 27 30 36 42 48 52 56 60 64 23 25 27 30 33 40 46 52 58 60 66 70 Конструктивная добавка а, мм для гаек шесдля гаек тигранных с шестигранных уменьшенным (обычных) размером под ключ 40 42 47 52 58 60 80 92 97 110 115 120 36 40 42 47 52 63 69 80 86 – – – Нормативный параметр е, мм для прокладок для овального и плоских восьмиугольного прокладок сечения 30 32 34 37 41 48 55 61 65 – – – 50 52 57 60 64 71 78 84 88 195 240 240 9. Средний диаметр прокладки Dñï Díï b, где b – ширина прокладки, принимаемая по табл. 6.6. Размеры прокладок Прокладки Плоские неметаллические Плоские металлические Плоские в металлической оболочке и зубчатые металлические Овального и восьмиугольного сечения для р > 6,4 МПа 100 Диаметр аппарата D, мм D ≤ 1000 1000 < D ≤ 2000 D > 2000 D ≤ 1000 D > 1000 D ≤ 1600 D > 1600 D ≤ 600 600 < D ≤ 800 800 < D ≤ 1000 1000 < D ≤ 1600 Таблица 6.6 Ширина прокладки b, мм 12…15 15…25 25 10…12 12…15 12…18 13…25 12…13 16…22 18…28 22…42 10. Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения, ná Dá / tø , где tш – рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый в зависимости от давления по табл. 6.7. Таблица 6.7 Рекомендуемый шаг расположения болтов (2,1…2,8)dБ (2,3…3,0)dБ (2,7…3,5)dБ (3,0…3,8)dБ (3,5…4,2)dБ (3,8…4,8)dБ Шаг расположения болтов tш До 0,3 0,3…0,6 0,6…1,0 1,0…1,6 1,6…2,5 2,5…4,0 4,0…10,0 (4,2…5,0)dБ Давление в аппарате рр, МПа 11. Высота (толщина) фланца ориентировочно hô ô D sýê , где λф – принимается согласно рис. 6.7; sэк – эквивалентная толщина втулки, hâ 1 1 sýê s0 1 . h 0 , 25 1 D s â 1 0 Рис. 6.7. График для определения коэффициента λф: 1 – плоские фланцы; 2 – фланцы, приварные встык 12. Болтовая нагрузка, необходимая для обеспечения герметичности соединения, определяется исходя из схемы нагружения (рис. 6.8). 101 Расчет сводится к определению нагрузок для двух различных состояний: при монтаже – Fб1 и в рабочих условиях – Fб2. Рис. 6.8. Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях Болтовая нагрузка в условиях монтажа k æ Fä F Rï 4 M Dñï Fá1 max 0,5 Dñï b0 pïð 0,4á 20 ná f á ïðè pð 0,6 ÌÏà , где F – внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая (–) сила; М – внешний изгибающий момент; [σ]б20 – допускаемое напряжение для материала болтов при 20 °С (см. табл. 6.3); pпр – минимальное давление обжатия прокладки (табл. 6.8); fб – расчетная площадь поперечного сечения болта; Fд – равнодействующая внутреннего давления; Rп – реакция прокладки; kж – коэффициент жесткости фланцевого соединения; b0 – эффективная ширина прокладки; при b < 15 мм b0 = b, при b > 15 мм b0 0,12 b . В данном выражении b и b0 измеряются в метрах. Равнодействующая внутреннего давления Fд и реакция прокладки Rп определяются по формулам: 2 Fä Pð Dñï / 4; 102 Rï Dñï b0 kïð pp , где kпр – коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки (табл. 6.8). Таблица 6.8 Характеристика плоских неметаллических прокладок Материал прокладки Давление обжатия прокладки, Модуль МПа Коэффициент Минимальное Допускаемое упругости Eп, kпр МПа pпр [pпр] Резина с твердостью по прибору ТШР от 0,76 до 0,5 2 18 3[1+b/(2hП)] 1,2 МПа Резина с твердостью по прибору ТШР свыше 1 3 20 4[1+b/(2hП)] 1,2 МПа Картон асбестовый тол2,5 20 130 2000 щиной 3 мм Паронит толщиной более 2,5 20* 130 2000 1 мм Фторопласт – 4 2,5 10 40 2000 толщиной 1…3 мм * Для сред с высокой проникающей способностью (водород, гелий, легкие нефтепродукты, сжиженные газы и т. п.) рпр = 35 МПа. Расчетная площадь поперечного сечения fб болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы принимается из следующих соотношений: dб, мм 20 22 24 27 30 36 42 fб · 10-4, мм2 2,35 2,95 3,4 445 5,4 7,9 10,9 14,4 18,2 19,65 23,3 26,0 48 52 56 60 65 В случае применения шпилек с проточкой стержня до диаметра, меньшего внутреннего диаметра резьбы, значение площади поперечного сечения определяется по диаметру проточки. Коэффициент жесткости соединения kж = 1 для приварных встык фланцев с овальными или восьмигранными металлическими прокладками, а также для фланцев со свободными кольцами. В остальных случаях для определения kж вычисляются предварительно следующие вспомогательные величины: – линейная податливость прокладки (неметаллической) óï kï hï / Eï Dñï b, 103 где hп – высота (толщина) прокладки; kп – коэффициент обжатия прокладки (для прокладок: из резины kп = 0,09; из картона, паронита, фторопласта и т. п. kп = 1); Еп – модуль упругости материала прокладки (см. табл. 6.8); – угловая податливость фланца óô 1 1 0,9ô 2 hô3 Å , где , ô – безразмерные параметры, 1 1 0,9ô 1 1 hô2 2 sýê ; ô hô D sýê ; ψ1 и ψ2 – коэффициенты, определяемые по формулам: 1 1,28 lg Dí / D; 2 Dí D Dí D; Е – модуль упругости материала фланца (см. табл. П4); – линейная податливость болтов óá lá Eá fá ná , где Еб – модуль упругости материала болтов (см. табл. П4); lб – расчетная длина болта, lá láî 0,28d , где lбо – расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки (определяется конструктивно); d – диаметр отверстия под болт. Тогда коэффициент жесткости фланцевого соединения при стыковке фланцев одинаковой конструкции kæ yá 0,5 óô Dá D sýê Dá Dñï óï óá 0,5 óô Dá Dñï 2 . Болтовая нагрузка в рабочих условиях Fá 2 Fá1 1 kæ Fä F Ft , где Ft – усилие, возникающее от температурных деформаций, определяемое по формуле, для плоских приварных и приварных встык фланцев: Ft óá ná f á Åá ô tô á tá óï óá 0,5 óô Dá Dñï 2 104 , где αф, αб – соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланцев, болтов (в табл. П7); tф, tб – соответственно температура фланца, болтов (см. табл. 6.2). При Ft < 0 должно выполняться условие á ná f á Ft Fá 2 , где [σ]б – допускаемое напряжение для материала болтов при расчетной температуре. 13. Условия прочности болтов Fá1 á 20 ; ná f á Fá 2 á , ná f á где [σ]б20 – допускаемое напряжение для материала болтов при 20 °С. 14. Условие прочности неметаллических прокладок Fá max Dñï b pïð , где [pпр] – допускаемое давление на прокладку (см. табл. 6.8); Fá max maxFá1; Fá 2. Условие прочности втулки фланца для сечения, ограниченного размером s1 (см. рис. 6.3): 12 ê2 1 ê 1. Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером s1 : 1 Tô Ì 0 / D * s1 c 2 ; D* = D при D ≥ 20s1; D* = D+s0 при D < 20sl и fф > 1; D* = D+s1 при D < 20sl и fф = 1, где fф, Тф – безразмерные параметры, определяемые соответственно по рис. 6.9 и формуле Òô Dí2 1 8,55 lg Dí D D 2 1,05D 2 1,945 Dí2 105 Dí D 1 ; вия M0 – приведенный изгибающий момент, вычисляемый из усло0,5Dá Dñï Fá1 M 0 max . 0 , 5 D D F D D s F / á ñï á2 ñï ýê ä 20 Рис. 6.9. График для определения коэффициента fф Максимальное напряжение в кольце фланца ê M 0 1 1 0,9ô 2 / D hô2 . Допускаемое напряжение для фланца в сечении s1 принимается равным пределу текучести материала фланца, т. е. [σ]1 = σт (см. табл. П5, П6). 15. Условие прочности втулки фланца для сечения, ограниченного размером s0 (см. рис 6.2, 6.3), имеет вид 0 m 2 t2 0 m t 0 , 106 где σ0 – максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером s0, определяемое по формуле 0 f ô 1; σt и σт – соответственно тангенциальное и меридиональное напряжения во втулке фланца от внутреннего давления, σt = pp · D/[2(s0 – c)]; σm = pp · D/[4(s0 – с)]; [σ]0 – допускаемое напряжение для фланца в сечении s0, принимаемое при количестве нагружений соединения (сборка – разборка) не более 2 · 103 из условий: [σ]0 = 0,003E при рр < 4 МПа; [σ]0 = 0,002E при рр 4 Мпа. 16. Условие герметичности фланцевого соединения определяется углом поворота фланца: ê Å D hô , где [θ] – допускаемый угол поворота фланца, принимаемый для плоских фланцев, [θ] = 0,013 рад; для фланцев, приварных встык, [θ] = 0,009 рад при D < 2000 мм, [θ] = 0,013 рад при D > 2000 мм. 6.3. Пример расчета фланцевого соединения на прочность и герметичность Выбрать конструкцию и рассчитать основные размеры фланцевого соединения аппарата, а также его прочность и герметичность. Исходные данные: внутренний диаметр обечайки аппарата D = 2,5 м; высота цилиндрической обечайки аппарата Н = 2,4 м; температура t = 350 °С; материал фланца – сталь 12ХМ; материал болтов – сталь 35Х; внутреннее давление в аппарате рр = 0,32 МПа; толщина стенки аппарата s = 18 мм. Фланцы неизолированные, плоские приварные (рис. 6.10), имеют уплотнительную поверхРис. 6.10. Плоский ность типа «гладкая с рисками». Внешний изприварной тип фланца гибающий момент и осевая сила отсутствуют. Расчет. Толщину втулки фланца принимаем s0 = 20 мм, что удовлетворяет условию s0 ≥ s (20 мм > 18 мм). 107 Высота втулки hâ 0,5 D s0 ñ 0,5· 2500·(20 1,2) = 108 ìì. Принимаем hв = 110 мм = 0,11 м. Диаметр болтовой окружности Dб D + 2(2s0 + dб + u) = 2500 + 2(2 · 20 + 30 + 6) = 2652 мм, где u – нормативный зазор между гайкой и втулкой (u = 4…6 мм), u = 6 мм; dб – наружный диаметр болта, dб = 30 мм при рр = 0,32 МПа и D = 2500 мм (см. табл. 6.4). Принимаем Dб = 2660 мм = 2,66 м. Наружный диаметр фланца Dн ≥ Dб + a = 2660 + 58 = 2718 мм, где а – конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, а = 58 мм – для шестигранных гаек (см. табл. 6.5). Принимаем Dн = 2720 мм = 2,72 м. Наружный диаметр прокладки Dн.п = Dб – е = 2660 – 41 = 2619 мм, где е – нормативный параметр, е = 41 мм – для плоских (см. табл. 6.5). Средний диаметр прокладки Dс.п = Dн.п – b = 2619 – 25 = 2594 мм = 2,594 м, где b = 25 мм – ширина плоской неметаллической прокладки для диаметра аппарата D = 2500 мм (см. табл. 6.6). Количество болтов nб ≥ π · Dб / tш = 3,14 · 2660 / 120 = 69,6, где tш = 120 мм – шаг расположения болтов при рр = 0,32 МПа (табл. 6,7). Принимаем nб = 72, кратное четырем. Высота (толщина) фланца hô ô D sýê 0,38· 2500·20 = 84,97 ìì, где λф = 0,38 при рр = 0,32 МПа - для плоских приваренных фланцев (см. рис. 6.7); sэк – эквивалентная толщина втулки фланца, sэк = s0 = 20 мм, так как для плоских фланцев β1 = s1/s0 = 1; s1 – толщина втулки. 108 Принимаем hф = 90 мм = 0,09 м. Расчетная длина болта lá lá.î 0,28dá 0,182 + 0,28 0,030 = 0,190 ì, где lб.о ≈ 2hф + hп = 2 · 90 + 2 = 182 мм = 0,182 м – расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки при высоте (толщине) стандартной прокладки hп = 2 мм для фланцевого соединения с уплотнительной поверхностью типа «шип-паз» (ориентировочно). Равнодействующая внутреннего давления 2 Fä ðð Dñ.ï / 4 = 0,32 · 3,14 · 2,5942 / 4 = 1,58 ÌÍ. Реакция прокладки Rï Dñ.ï b0 kïð pp 3,14 · 2,594 · 0,019 · 2,5 · 0,32 = 0,12 ÌÍ , где kпр = 2,5 для паронита (см. табл. 6.8) – коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки; b0 – эффективная ширина прокладки, при b > 15 мм b0 0,12 b 0,12 0,025 19 ìì . Усилие, возникающее от температурных деформаций Ft y á ï á f á Eá ô t ô á t á óï óá 0,5 óô Dá Dñ.ï 2 , где αф = 12,9 · 10-6 1/°С и αб = 14,2 · 10-6 1/°С – соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланцев (12ХМ) и болтов (35Х) (табл. П6); tф = 0,96t = 0,96 · 350 =336 °С и tб = 0,95t = 0,96 · 350 = 332,5 °С – соответственно расчетная температура фланцев и болтов (см. табл. 6.2); Eб = 1,86 · 105 МПа – модуль продольной упругости материала болтов из стали 35Х (табл. П4); fб = 5,4 · 10-4 м2 – расчетная площадь поперечного сечения болтов диаметром dб = 30 мм; yб, уп, уф – податливости болтов, прокладки, фланцев соответственно. óá lá Eá fá ná 019 /(1,86 105 5,4 10 4 72) 26,3 10 6 ì/ÌÍ óï k ï hï / Eï Dñ.ï b 2 ·10 -3 / (2000 · 3,14 · 2,594 ·19 ·10 -3 ) = = 4,91 ·10 -6 ì/ÌÍ, 109 , где kп – коэффициент обжатия прокладки из паронита, kп = 1 (см. стр. 103); Eп = 2000 МПа – модуль упругости материала прокладки из паронита (см. табл. 6.8). óô 1 v 1 0,9 ô 2 / hô3 Å 1 0,59 1 0,9 0,40 23,73 / 0,09 3 1,86 10 5 0,035 1 (ÌÍ · ì) , где ô , v – безразмерные параметры; ψ2 – коэффициент; ô hô / D sýê 0,09 / 2,5 20 10 3 = 0,40; ψ2 = (Dн + D)/(Dн – D) = (2,72 + 2,50)/(2,72 – 2,50) = 23,73; v 1 2 1 0,9 ô 1 1 hô2 / sýê 1 1 0,9 0,40 1 0,047 0,09 / 0,020 2 2 0,59, где ψ1 = 1,28 · lg(Dн / D) = 1,28 · lg(2,72 / 2,50) = 0,047 – коэффициент; Е = 1,86 105 МПа – модуль упругости материала фланца из стали 12ХМ. Тогда Ft 26,3 10 6 72 5,4 10 4 1,86 10 5 12,9 10 6 336 14,2 10 6 332 ,5 4,91 10 6 26,3 10 6 0,5 0,035 2,66 2,594 2 0,682 ÌÍ . Коэффициент жесткости фланцевого соединения kæ óá 0,5 óô Dá D sýê Dá Dñ.ï óï óá 0,5 óô Dá Dñ.ï 2 26,3 10 6 0,5 0,035 2,66 2,50 20 10 3 2,66 2,594 4,91 10 6 26,3 10 6 0,5 0,035 2,66 2,594 2 1,75. Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления k æ Fä Rï 1,75 1,58 0,12 2,89 ÌÍ Fá1 max 3 0 , 5 D b p 0 , 5 3 , 14 2 , 594 19 10 20 1 , 55 ÌÍ ñ.ï 0 ïð = 2,89 МН, 110 где рпр = 20 МПа – минимальное давление обжатия паронитовой прокладки (табл. 6.8) Болтовая нагрузка в рабочих условиях Fб2 = Fб1 + (1 – kж) · Fд + Ft = 2,89 + (1 – 1,75) · 1,58 + (– 0,682) = = 1,02 МН. Приведенный изгибающий момент 0,5 Dá Dñ.ï Fá1 0,5 2,66 2,594 2,89 0,095 ÌÍ ì; 20 Ì 0 max 0,5 Dá Dñ.ï Fá 2 Dñ.ï D sýê Fä 2 , 66 2 , 594 1 , 02 147 0 , 5 0 , 10 ÌÍ ì, 3 2,594 2,50 20 10 1,58 137 max{0,095; 0,10} 0,10 ÌÏà, где [σ]20 = 147 МПа; [σ] = 137 МПа – соответственно для материала фланца при температуре +20 °С и расчетной температуре t = 350 °С (табл. П1). Условия прочности болтов при монтаже фланцевого соединения и в его рабочем состоянии выполняются: Fб1 / (nб · fб) < [σ]б 20 = 2,89 / (72·5,4·10-4) = 74,4 МПа < 155 МПа; Fб2 / (nб · fб) < [σ]б = 1,02 / (72·5,4·10-4) = 26,2 МПа < 142 МПа, где [σ]б 20 = 155 МПа, [σ]б = 142 МПа – допускаемое напряжение для материала болтов при +20 °С и расчетной температуре t = 350 °C (см. табл. 6.3). Условие прочности неметаллической прокладки из паронита выполняется: Fб max / (π · Dс.п · b) < [рпр]; 2,89 / (3,14 · 2,594 · 19 · 10-3) = 14,2 МПа < 130 МПа, где [рпр] = 130 МПа – допускаемое давление обжатия паронитовой прокладки (см. табл. 6.8); Fб max = max {Fб1; Fб2} = max {2,89 МПа; 1,02 МПа} = 2,89 МПа. Максимальное напряжение в сечении фланца, ограниченном размером s0: σ0 = fф · σ1 = fф · Tф · М0 · v / [D* (s1 – c)2] = 111 = 1 · 1,88 · 0,10 · 0,59 / [2,50 · (0,020–0,0012)2] = 123,4 МПа, где s1 = s0 = 20 мм, так как у плоского приварного фланца втулка цилиндрическая; fф = 1, так как s1/s0 = 1; D* = D = 2,50 м при D ≥ 20 s0 (2500 мм > 20 · 20 = 400 мм). Òô Dí2 1 8,55 lg Dí / D D 2 1,05 D2 1,945 Dí2 Dí / D 1 2,72 2 1 8,55 lg 2,72 / 2,50 2,50 2 1,05 2,50 1,945 2,72 2,72 / 2,50 1 2 2 1,88 . Напряжение во втулке от внутреннего давления: тангенциальное σt = pp · D/[2(s0 – c)] = 0,32 · 2,50/[2 · (20 – 1,2) · 10-3] = 19,95 МПа; меридиональное σm = pp · D/[4(s0 – c)] = 0,32 · 2,50/[4 · (20 – 1,2) · 10-3] = 9,97 МПа. Условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером s0 = 20 мм, выполняется: 0 ò 2 t2 0 ò t 0 123,4 9,97 2 19,95 2 123,4 9,97 19,95 0,9 558; 124,6 < 502,2, где [σ]0 = 0,003Е = 0,003 · 1,86 · 105 = 558 МПа – допускаемое напряжение для фланца из стали 12ХМ в сечении s0 при рр < 4 МПа. Окружное напряжение в кольце фланца ê Ì 0 1 v 1 0,9 ô 2 / D hô2 0,10 ·[1 0,59 · (1 + 0,9 · 0,40)] · 23,73 / (2,50 · 0,092) = 23,38 ÌÏà. Условие герметичности, определяемое углом поворота фланца, выполняется: ê Å D hô , θ = (23,38 / 1,86 · 105) (2,50 / 0,09) = 0,003 < 0,013, где θ – угол поворота плоского приварного фланца; [θ] = 0,013 рад – допустимый угол поворота плоского приварного фланца при D = 2500 мм > 2000 мм. 112 Вопросы для самоконтроля 1. Каково назначение фланцевого соединения и из каких элементов оно состоит? 2. Какие типы фланца Вы знаете? 3. В чем преимущества свободных фланцев? 4. Какие параметры аппарата определяют выбор типа фланца? 5. Какой тип фланца наиболее совершенен в отношении прочности? 6. Как называются поверхности фланца, контактирующие с прокладкой? 7. Какие типы «привалочных» поверхностей Вы знаете? 8. Каким требованиям должна соответствовать прокладка? 9. Перечислите основные материалы фланцевых прокладок? 10. В чем заключается комплексный расчет фланцевого соединения? 11. Как определяются допускаемое напряжение для материала болтов? 12. Как устанавливается расчетная температура элементов фланцевого соединения? 13. Как принимается толщина s0 втулки для приварного встык фланца? 14. Как принимается толщина s0 втулки для плоского приварного фланца? 15. Чему равна конусность втулки для приварного встык фланца? 16. По какой формуле определяется количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения? 17. Нарисуйте схему нагружения фланцевого соединения? 18. К определению каких нагрузок сводится расчет фланцевого соединения? 19. От каких характеристик элементов фланцевого соединения зависит его жесткость? 20. Что такое «реакция прокладки»? 21. Какие соображения лежат в основе определения монтажного болтового усилия фланца? 22. Какие две задачи решаются при расчете фланцевого соединения? 23. Что такое коэффициент kпр и давление обжатия прокладок. Что будет, если выйти за допускаемые пределы этих величин? 24. Поясните монтажную и рабочую болтовую нагрузку фланцевого соединения. 25. Как записываются условия прочности болтов и прокладки? 26. Как записываются условие герметичности фланцевого соединения? 113 7. ОПОРЫ АППАРАТОВ 7.1. Конструкции опор Установка аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор. Непосредственно на фундаменты устанавливают лишь аппараты с плоским днищем, предназначенные главным образом для работы под наливом. В зависимости от рабочего положения аппарата различают опоры для вертикальных аппаратов и опоры для горизонтальных аппаратов. Вертикальные аппараты обычно устанавливают или на стойках, когда их размещают внизу в помещении, или на подвесных лапах, когда аппарат размещают между перекрытиями в помещении или на специальных стальных конструкциях. Аппараты с соотношением высоты к диаметру H/D > 5, размещаемые на открытой площадке, устанавливают на так называемых юбочных (цилиндрических и конических) опорах. Горизонтальные аппараты независимо от их размещения (в помещении или на открытой площадке) устанавливают на седловых опорах. Все указанные опоры для стальных сварных аппаратов стандартизованы. Конструкции стандартных опор для вертикальных аппаратов приведены на рис. 7.1, а их основные характеристики – в табл. П21, П22. Тип 1 (лапы) служит для аппаратов без теплоизоляции, тип 2 (лапы) – для аппаратов с теплоизоляцией, тип 3 (стойки) – для аппаратов с эллиптическими и коническими (с углом при вершине конуса 2α < 120°) днищами. В зависимости от толщины стенки корпуса аппарата лапы привариваются или непосредственно к корпусу, или к накладному листу. Материал деталей этих опор выбирается из условий эксплуатации. Накладной лист приваривается к корпусу аппарата сплошным швом. Если опоры выполнены из углеродистой стали, а аппарат – из коррозионностойкой стали, накладные листы должны выполняться из стали той же марки, что и корпус аппарата. Число опор определяется расчетом и конструктивными соображениями: лап должно быть не менее двух, стоек – не менее трех. На рис. 7.2 приведены конструкции седловых опор, а их основные характеристики – в табл. П23, П24. Тип 1 предназначен для аппа114 ратов с наружным диаметром D = 159…630 мм (исполнение 1 – с одним отверстием под фундаментный болт; исполнение 2 – с двумя овальными отверстиями под фундаментные болты), тип 2 – для аппаратов c D = 800…2000 мм (исполнение 1 – с допускаемой нагрузкой на опору Q = 80…250 кН; исполнение 2 – с Q = 160…400 кН); тип 3 – для аппаратов c D = 2200…4000 мм (исполнение 1 – с Q = 250…530 кН; исполнение 2 – с Q = 500…1400 кН). Скольжение опоры от температурных удлинений аппарата, устанавливаемого на бетонном фундаменте, должно происходить по опорному листу (ОСТ 26-1267–75), а для аппарата, устанавливаемого на металлоконструкции, – по листу, предусматриваемому в последней. Рис. 7.1. Конструкции стандартных опор (лап и стоек) для стальных сварных вертикальных цилиндрических аппаратов: а – типы 1 и 2 (лапы); б – тип 3 (стойки); в – схема расположения опор на днище аппарата; г – накладной лист 115 116 Рис. 7.2. Конструкция стандартных седловых опор под стальные горизонтальные цилиндрические аппараты 117 Рис. 7.3. Конструкции стандартных цилиндрических опор для стальных сварных колонных аппаратов: а – тип 1 (с местными косынками); б – тип 2 (с наружными стойками под болты); в – тип 3 (с кольцевым опорным поясом); г – тип 5 (с внутренними стойками под болты) Материал седловых опор выбирается в зависимости от температуры рабочей среды, емкости аппарата и температуры самой холодной пятидневки в месте их установки. Число седловых опор, располагаемых вдоль аппарата, определяется расчетом в зависимости от длины и массы аппарата и может быть равно двум и более. При этом одна опора должна быть неподвижной, остальные подвижными. Расстояние между неподвижной и подвижной опорами выбирается так, чтобы температурные удлинения аппарата между смежными опорами не превышали 35 мм. Регулировочные болты, предусмотренные в стандартных седловых опорах, допускают нагрузку на одну опору (при незаполненном аппарате) не более 160 кН. После выверки аппарата на фундаменте и затвердении бетонной подливки регулировочные болты и болты, предназначенные для крепления подкладного листа к опоре на время установки аппарата на фундамент, удаляются. Сварка деталей седловых опор между собой выполняется сплошными односторонними угловыми или тавровыми швами, а опоры и опорного листа – прерывистым двусторонним угловым швом. Приварка опоры сплошным односторонним угловым швом без опорного листа непосредственно к корпусу аппарата допускается только для опоры типа 1, при этом R = 0,5Dн. Фундаментные болты у подвижной опоры должны быть снабжены контргайками и не затягиваться (устанавливаться с зазором 1…2 мм). Расположение фундаментных болтов в опорах должно обеспечивать свободное перемещение их вследствие температурного удлинения. Конструкции, основные характеристики и размеры стандартных опор колонных аппаратов, области их применения в зависимости от диаметра колонны и минимальной приведенной нагрузки приведены в АТК 24.200.04–90 «Опоры цилиндрические и конические вертикальных аппаратов. Типы и основные размеры». Конструкции стандартных опор для колонных аппаратов приведены на рис. 7.3 и 7.4, пределы применения стандартных опор в зависимости от диаметра колонны и минимальной приведенной нагрузки – в табл. 7.1, а основные размеры – в табл. П25, П26. Высота опор колонных аппаратов должна быть не менее 600 мм и выбираться по условиям эксплуатации аппарата. 118 Рис. 7.4. Конструкция стандартной конической опоры (тип 4) с кольцевым опорным поясом Предел текучести материала должен быть не менее 210 МПа при температуре 20 °С. Необходимое количество отверстий, лазов (люков), их размеры, расположение и форма выбираются из условий эксплуатации и монтажа и должны соответствовать требованиям ОСТ 26-291–94 и ГОСТ Р 51274–99. Для вентиляции внутренней полости опоры в верхней части должно быть предусмотрено не менее двух отверстий диаметром не более 100 мм. При приварке опор из углеродистых сталей к аппаратам из коррозионно-стойких сталей длина переходной обечайки из коррозионно-стойких сталей определяется в соответствии с обязательным приложением 2 ГОСТ Р 51274–99. Конструкция и технические требования для фундаментных болтов должны соответствовать требованиям ГОСТ 24379.0–80 и ГОСТ 24379.1–80. 119 Таблица 7.1 Пределы применения типов опор (см. рис. 7.3) в зависимости от минимальной приведенной нагрузки Диаметр аппарата, мм Минимальная приведенная нагрузка Qmax, МН 0,125 0,2 0,32 0,5 0,8 1,32 2 3,2 5 8 10 400 500 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2500 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4500 5000 5500 5600 6000 6300 Примечание: , , – зоны типов 1, 2, 3 опор соответственно (см. рис. 7.3). 7.2. Расчет опор-лап для вертикальных аппаратов Собственно опоры расчетом не проверяются и выбираются стандартные на требуемую нагрузку. Расчету подлежит обечайка цилинд- 120 рического аппарата, на которую действуют местные нагрузки, вызываемые опорными лапами. Расчетные нагрузки. При определении нагрузки на опору-лапу действующие на аппарат нагрузки приводятся к осевой силе Р и моменту М относительно опорной поверхности лапы. Расчетные нагрузки показаны на рис. 7.5. Нагрузка на одну опору определяется по формуле P M , Q 1 2 z D 2e где е = 0,5 (b + fmax + s0 + sн); fmах, b – значения, принимаемые по табл. П21; s0 = s – с – с1 – толщина стенки аппарата в конце срока службы; s – исполнительная толщина стенки аппарата; с – прибавка для компенсации коррозии; с1 – дополнительная прибавка; sн – толщина накладного листа; λ1, λ2 – коэффициенты, зависящие от числа опор z: z……………….2 3 4 λ1………………1 1 21 λ2………………12 1,3 1 Проверка прочности стенки вертикального цилиндрического аппарата под опорой-лапой без накладного листа. Осевое напряжение от внутреннего давления р и изгибающего момента определяется по формуле m0 x b pD 4M . 4 s 0 D 2 s0 Окружное напряжение от внутреннего давления m0 y Рис. 7.5. Нагрузки, действующие на аппарат 1 pD . 2 s0 Допускается принимать λ1 = 1 в технически обоснованных случаях, обеспечивающих равномерное распределение нагрузки между опорами. 2 Момент передается только в плоскости опор. 121 Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок определяется из соотношения m0 max m0 x ; m0 y . Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опоры определяется по формуле K Q e m m0 1 2 , D s0 где коэффициент К1 принимается по рис. 7.6 в зависимости от параметров γ = D/(2s0) и h/D (h – высота опоры (см. рис. 7.1)). Рис. 7.6. Коэффициент K1: a – для опор-лап типа 1; б – для опор-лап типа 2 Максимальное напряжение изгиба от реакции опоры определяется по формуле è K2 Q e h s02 , где коэффициент К2 принимается по рис. 7.7 в зависимости от тех же параметров γ и h/D. Условие прочности имеет вид 2 m 0,8 è 1, À ò ò 122 где А = 1,0 – для эксплуатационных условий; А = 1,2 – для условий транспортирования, монтажа и гидравлических испытаний. Если условие не выполняется, требуется применить накладной лист. Рис. 7.7. Коэффициент К2: а – для опор-лап типа 1; б – для опор-лап типа 2 Проверка прочности стенки вертикального цилиндрического аппарата под опорой-лапой с накладным листом. Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опоры определяется по формуле m m0 Ê3 Q e D s02 , где коэффициент К3 принимается по рис. 7.8 в зависимости от параметров γ и H/D (Н – высота накладного листа (см. рис. 7.5)). Максимальное напряжение изгиба от реакции опоры определяется по формуле Ê Q e è 4 2 , H s0 где коэффициент К4 принимается по рис. 7.9 в зависимости от параметров γ и H/D. Условие прочности определяется выражением 2 m 0,8 è 1. À ò ò 123 Рис. 7.8. Коэффициент К3: а – для опор-лап типа 1; б – для опор-лап типа 2 Рис. 7.9. Коэффициент K4: а – для опор-лап типа 1; б – для опор-лап типа 2 Толщину накладного листа определяют по формуле sí K5 Q , A ò 124 где коэффициент К5 принимается по рис. 7.10, а коэффициент А – по приведенным выше условиям. Рис. 7.10. Коэффициент К5: а – для опор-лап типа 1; б – для опор-лап типа 2 7.3. Расчет опорных пластинчатых стоек для вертикальных аппаратов Основные размеры опорных пластинчатых стоек приведены на рис. 7.11 и в табл. 7.2. Метод расчета применяют только для эллиптических днищ, работающих под внутренним избыточным давлением. Расчетные усилия. Вертикальное усилие на опорную стойку вычисляют по формуле M G 3 0,75 d 4 F1 G M 2 d 4 ïðè n 3; ïðè n 4. При числе стоек n = 4, обеспечивающих равномерное распределение нагрузки между всеми опорными стойками (точный монтаж, установка прокладок, подливка бетона и т. п.), усилие вычисляют по формуле F1 G M . 2 d4 125 Рис. 7.11. Опорные стойки на эллиптическом днище Таблица 7.2 Опоры (стойки) для вертикальных аппаратов (рис. 7.11, тип 3), АТК 24.200.03–90 Q, кН а, мм а1, мм b, мм b1, мм с, мм c1, bmax, h1, мм мм мм s1 , мм К, мм К1, мм d, мм dб 4,0 75 110 85 120 22 30 220 10 6 6 60 19 M12 10,0 90 125 115 160 22 60 295 14 8 10 80 19 М16 25,0 125 165 140 200 22 80 365 16 10 10 105 24 М20 40,0 150 205 180 240 40 100 440 20 12 12 125 35 М24 63,0 185 245 210 280 40 120 515 24 14 15 150 35 М30 100,0 250 325 250 360 40 160 660 30 18 20 180 42 М36 160,0 300 390 340 480 60 200 875 36 24 25 250 42 – 250,0 360 480 490 680 60 240 1240 40 34 35 350 42 – Примечание. Размеры b1 и K1 в опорах для конических днищ справочные. Пример условного обозначения опоры типа 3 с допускаемой нагрузкой Q = 63 кН: «Опора 3-6300 АТК 24.200.04-90». 126 Меридиональный момент, передаваемый опорой на днище, вычисляют по формуле F (b B K) . M1 1 1max 2 При действии изгибающего момента М необходимо выполнить расчет на прочность фундаментного болта от действия растягивающего усилия: G M ïðè n 3; 0,75 d 3 F M G ïðè n 4. d 4 Расчет на прочность фундаментного болта проводить не следует при выполнении условий M G 0,75 d 3 ïðè n 3; M G d 4 ïðè n 4. Проверка несущей способности эллиптического днища. Несущую способность днища в месте приварки опорной лапы следует проверять по формуле F1 sin 2 M 1 p 1, F 1 [M ]1 [ p] где [р] – допускаемое внутреннее избыточное давление в серединной области выпуклого днища по ГОСТ Р 52857.2–2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек», [ p] 2( sý ñ) [] ; R 0,5( sý ñ) D2 R . 4H Допускаемое нормальное усилие для неподкрепленного эллиптического днища вычисляют по формуле 127 [ F1 ] 0,25 K 20 [] (s1 c) 2 (0,2 d 4 / D), где d4 – диаметр сечения, проходящего через середину линии контакта опоры с днищем, d4 d 2C1 K b1max . Допускаемый меридиональный момент для неподкрепленного эллиптического днища вычисляют по формуле [M ]1 0,25 K 21 [] (s1 c) 2 D (0,2 d 4 / D). Коэффициенты К20 и К21 определяют по графикам, приведенным на рис. 7.12 и 7.13 соответственно, в зависимости от относительной толщины днища (s1 – с)/D и относительной длины линии контакта опоры с днищем l/D. Рис. 7.12. Коэффициент К20 Рис. 7.13. Коэффициент К21 Длину линии контакта опоры с днищем вычисляют по формуле b K l 1max . sin 2 Допускаемое нормальное усилие для подкрепленного подкладным листом эллиптического днища вычисляют по формуле [ F1 ] 0,25 K 20 K 22 [] (s1 c) 2 (0,2 d 4 / D), 128 Допускаемый меридиональный момент для подкрепленного подкладным листом эллиптического днища вычисляют по формуле [M ]1 0,25 K 21 F23 [] (s1 c) 2 D (0,2 d 4 / D). ) Коэффициенты К22 и К23 определяют по графикам, приведенным на рис. 7.14 и 7.15 соответственно. Рис. 7.14. Коэффициент К22 Рис. 7.15. Коэффициент К23 7.4. Расчет горизонтальных аппаратов, установленных на седловых опорах Формулы применимы для расчета на прочность и устойчивость гладких и подкрепленных кольцами жесткости цилиндрических аппаратов, установленных на седловых опорах, работающих под внутренним избыточным давлением, вакуумом или под налив. 129 Расчетные нагрузки. Расчетные нагрузки в горизонтальном аппарате, установленном на двух седловых опорах, показаны на рис. 7.16. Реакция опоры для аппарата, установленного на двух опорах, Q 0,5G , где G – сила тяжести аппарата в рабочем состоянии, МН. Изгибающий момент в середине аппарата M1 Q f1 L a , где f1 – коэффициент, принимаемый по рис. 7.17 в зависимости от параметров L/D и H/D; а ≈ 0,2D для аппаратов без колец жесткости и а ≈ 0,2L для аппаратов, Рис. 7.16. Расчетные нагрузки в горизонтальном подкрепленных кольцами аппарате, установленном на двух седловых опорах жесткости. Изгибающий момент в сечении над опорой Ì 2 Q a a 0,5 f3 D 1 f2 , f2 L a где f2, f3 – коэффициенты, принимаемые по рис. 7.18, 7.19 в зависимости от параметров L/D и H/D. Изгибающий момент в сечении над приварной седловой опорой в случае еѐ скольжения по опорной плите определяется по формуле Ì 2 Ì 2 0,08Q h1 h2 , где hl, h2 – высота ребер опоры (см. рис. 7.2). 130 Рис. 7.17. График для определения коэффициента f1 Рис. 7.18. График для определения коэффициента f2 Перерезывающая сила для аппарата, установленного на двух опорах, Qï f 4 Q , где f4 – коэффициент, определяемый по рис. 7.20. Рис. 7.19. График для определения коэффициента f3 Рис. 7.20. График для определения коэффициента f4 131 Расчет седловой опоры. На опору действуют вертикальная сила Q (реакция опоры), горизонтальная сила Р1 (перпендикулярная к оси аппарата) и горизонтальная сила трения Р2 (параллельная оси аппарата). Реакция опоры определяется по формуле, в которой учитывается максимальная сила тяжести аппарата (в том числе и при гидравлическом испытании): Qmax 0,5Gmax . Горизонтальная сила (перпендикулярная к оси аппарата) P1 K18 Qmax , где K18 – коэффициент, определяемый по рис. 7.21. Горизонтальная сила трения (параллельная оси аппарата) Ð2 fî Qmax , где fo = 0,15 – коэффициент трения между аппаратом и опорой (или между опорой и опорной плитой). Площадь опорной плиты принимается конструктивно и должна удовлетворять условию Fï R Qmax , áåò где [σбет] – допускаемое напряжение сжатия бетона фундамента, принимаемое в зависимости от марки бетона (СНиП 2.03.01–84): Рис. 7.21. График для определения коэффициентов К6, К12 – К15, К18 Марка бетона [σбет], МПа 500 10 300 8 200 6 В случае, если принятая площадь опорной плиты Fп > FпR, напряжение сжатия бетона определяют по формуле F áåò áåò ï R . Fï Расчетная толщина опорной плиты 132 sï R 2,45b Рис. 7.22. График для определения коэффициента К19 K19 áåò , 1,1 ï где К19 – коэффициент, определяемый по рис. 7.22 в зависимости от отношения b/а; b – ширина поперечных ребер; а – расстояние между поперечными ребрами (рис. 7.23); [σп] – допускаемое напряжение для материала опорной плиты. Исполнительная толщина опорной плиты sï sï R c ; во всех случаях sп > 10 мм. 1 2 Рис. 7.23. Конструктивные элементы седловой опоры с поперечными ребрами 2, расположенными симметрично по обе стороны продольного ребра 1 Расчетная толщина ребра 1 (см. рис. 7.23) из условия прочности на изгиб и растяжение определяется по формуле spR 42 P1 . 1,1 D 133 Толщины ребер 1 и 2 (см. рис. 7.23) проверяют на устойчивость от действия сжимающей нагрузки q. Нагрузка на единицу длины ребра Q q 1,2 max . lîáù Здесь lобщ – общая длина всех ребер на опоре: а) для опоры с расположением ребер по схеме 1 (см. рис. 7.2) lîáù à m 1 b m ; б) для опор с расположением ребер по схеме 2 (см. рис. 7.3) lîáù à m 1 2b m , где m – число ребер на опоре. Расчетная толщина ребер из условия устойчивости spR q , êð где [σкр] – допускаемое напряжение на устойчивость, принимаемое из условия êð 3ò . Условие прочности опоры при действии изгибающей силы Р2 Ð2 h1 ; W в случае приварной опоры Ð h h 0,5 2 1 2 , W где W – момент сопротивления горизонтального сечения по ребрам у основания опоры (из рис. 7.23 – заштрихованное сечение ребер); h1 – высота среднего ребра опоры. 7.5. Расчет опор для колонных аппаратов Определение максимальной и минимальной приведенных нагрузок для выбора стандартных опор колонных аппаратов. За 134 максимальную приведенную нагрузку Qmax принимают большее из значений: Qmax 4 M1 P1; D Qmax 4 M2 P2 , D где M1 M2 – расчетные изгибающие моменты в нижнем сечении опорной обечайки соответственно в режимах эксплуатации и гидравлического испытания; P1, P2 – осевые сжимающие силы, действующие в нижнем сечении. Минимальная приведенная нагрузка Qmax 4 M3 P3 , D Н1 Н Н2 где М3 – расчетный изгибающий момент в нижнем сечении опорной обечайки при пустом (без тепловой изоляции и устанавливаемых на месте монтажа внутренних устройств) аппарате; Р3 – осевая сжимающая сила, действующая в нижнем сечении опорной обечайки при пустом аппарате. Определение М1; М2; M3; Р1; Р2 и Р3 производится по ГОСТ Р 51274–99. «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Аппараты колонного типа». D Рис. 7.24. Эскиз к расчету аппаратов на ветровую нагрузку Расчет ветровых нагрузок, действующих на колонные аппараты. Высокие вертикальные аппараты (рис. 7.24), находящиеся вне цехового помещения, проверяются на устойчивость против опрокидывания их ветром. Предполагается, что высота и диаметр аппарата уже определены, предварительные данные о конструкции опоры (обычно опорные обечайки) известны и рабочий эскиз крепления опоры к фундаменту составлен. Ветровая нагрузка на аппарат зависит от его высоты и площади продольного сечения, формы аппарата, района установки и собственной резонансной частоты колебания аппарата. Динамический напор, создаваемый ветром, зависит от высоты над поверх135 ностью земли. Поэтому величину опрокидывающего момента от действия ветра Мв (ветровой момент) определяют различно для аппаратов до 20 м и свыше 20 м. Для аппаратов до 20 м ветровой момент M â Ð1 Í , 2 где Н – высота аппарата (рис. 7.24). Для аппаратов высотой от 20 м до 40 м Í Í M â Ð1 1 Ð2 Í 1 2 , 2 2 где Н1 – высота нижней части аппарата 20 м (см. рис. 7.24); Н2 – высота верхней части аппарата. В этих формулах Р1 и Р2 являются силами, возникшими от действия ветрового давления q на продольное сечение аппарата, P1 k1 k2 q1 H1 D; P2 k1 k2 q2 H 2 D, где k1 – представляет собой аэродинамический коэффициент обтекания, зависящий от формы аппарата. Для цилиндрических аппаратов k1 = 0,7; для аппаратов, ограниченных плоскими стенками, k1 = 1,4; k2 – динамический коэффициент, зависящий от собственной частоты аппарата, определяемый по графику (рис. 7.25) в зависимости от параметра Ò q 260 . k2 2 1 0 0,05 0,1 0,15 ε Рис. 7.25. График для определения коэффициента динамичности k2 Собственную резонансную частоту аппаратов приходится учитывать потому, что в некоторых районах аппаратура может подвергнуться колебаниям, вызванным тектонической деятельностью. Кроме того, колебания весьма низкой частоты могут возникнуть и в результате разности частот колебаний работающих машин или механизмов. Период собственных колебаний определяется по формуле 136 T 1,79 H mmax H , EJ где Е – модуль упругости материала; mmax – масса аппарата; J – момент инерции поперечного сечения аппарата. Динамический коэффициент k2 вводится в расчет только при проверке высоких аппаратов, у которых отношение H/D > 5. Величины скоростного напора принимаются в зависимости от географического района, в котором будет находиться установка, согласно табл. 7.3. Таблица 7.3 Величины скоростного напора Географический район Скоростной напор на высоте над поверхностью земли q, Па до 20 м от 20 до 100 м свыше 100 м Первый район – вся территория РФ, за исключением второго и третьего районов 400 700 1000 Второй район – береговая полоса морей и океанов, за исключением третьего 700 1000 1500 Третий район – береговая полоса Черного моря длиной 100 км с центром в г. Новороссийске 1000 1500 2000 Эти данные, особенно для прибрежных районов, в которых свирепствуют ветры, должны быть дополнительно уточнены. Рекомендуется для всех аппаратов с Н > 12 м и H/D > 5 величину скоростного напора принимать не менее 800 Па. Расчет элементов опоры колонных аппаратов. Конструктивные элементы опор колонных аппаратов показаны на рис. 7.26. Расчет проводится для рабочих условий и для условий гидравлического испытания колонны. Используются расчетные нагрузки в трех сечениях опоры: х–х – в основании опоры; у–у – в месте сварного соединения опоры с корпусом аппарата; z–z – по центрам отверстий в опоре. На опору действуют: Р = G – осевая сжимающая нагрузка от силы тяжести аппарата и среды, вспомогательных устройств, установленных на колонне, изоляции; М – суммарный изгибающий момент от ветровой и сейсмической нагрузок и от эксцентрично приложенных к 137 оси аппарата сил тяжести отдельных внутренних и внешних устройств. исполнение 1 исполнение 4 Г-Г исполнение 2 Д – Д Узел I исполнение 3 a1 a1 s1 Рис. 7.26. Конструктивные элементы опор для колонных аппаратов: исполнение 1 – опорный узел выполнен в форме отдельных столиков под каждый анкерный болт; исполнение 2 – опорный узел выполнен в виде двух горизонтальных колец, подкрепленных ребром в промежутке между двумя смежными анкерными болтами; исполнение 3 – то же, но подкрепленных двумя ребрами у каждого анкерного болта; исполнение 4 – опорный узел облегченной конструкции с одним кольцом. Узел I - конструкция соединения опорной обечайки с корпусом (см. рис. 7.3). Обечайка опоры. Прочность сварного соединения опоры с корпусом определяется условием 138 4M y 1 Pè s min î ; ê , D a1 D где Му – максимальный изгибающий момент в сечении у–у; Ри – осевая сжимающая сила в условиях гидравлического испытания аппарата; а1 – расчетная толщина сварного шва, а 1 ≈ s1 ; [σо] – допускаемое напряжение для материала опоры; [σк] – допускаемое напряжение для материала корпуса аппарата; υs – коэффициент прочности сварного шва. Для сварного шва, показанного на выносном узле 1 (см. рис. 7.26), υs = 0,7. Показанная на выносном узле 1 конструкция соединения опорной обечайки с корпусом недостаточно надежна, так как сварной шов не может быть выполнен двусторонним и качество исполнения не может быть проверено рентгеноскопией из-за малого острого угла между обечайкой и днищем. Для колонных аппаратов с соотношением H/D > 20 рекомендуется конструкция соединения опоры с корпусом с использованием торообразного перехода, при котором угол между днищем и обечайкой должен составлять 60…90°. Это решение обеспечивает возможность качественного выполнения двустороннего сварного шва и его рентгеноскопический контроль. Для такой конструкции υs = 1. Прочность и устойчивость обечайки опоры в сечении z–z, проходящем по центру наибольшего отверстия в опоре, определяется условием M Pzè 3 D Ðzè z 1, 1 P 2 M где Мz – максимальный изгибающий момент в сечении у–у; Pzи – осевая сжимающая сила в том же сечении в условиях гидравлического испытания; ψ1, ψ2, ψ3 – коэффициенты, определяемые по рис. 7.27 (если кольцевой шов находится вне зоны отверстий, то ψ1 = ψ2 = 1 и ψ3 = 0); [Р], [М] – допускаемые осевая сила и изгибающий момент. Если в сечении z–z имеется несколько отверстий, то расчет ведут для наибольшего из них при условии, что для остальных отверстий ψ1 > 0,95 и ψ2 > 0,95. Если для остальных отверстий ψ1 < 0,95 и ψ2 < 0,95, то принимают: 139 1 Fz ; D s1 c 2 4W D 2 s1 c ; 3 Js , D где Fz – площадь наиболее ослабленного поперечного сечения обечайки опоры; W – наименьший момент сопротивления того же сечения; Js – эксцентриситет центра тяжести того же сечения. Если в зоне отверстий обечайки опоры имеется кольцевой сварной шов, то проверяется его прочность по условию 4M z Pz 3 D Pz 1 ò î , D s1 c 2 D 1 где ψт – коэффициент прочности кольцевого сварного шва. ψ1 ψ2 ψ3 Рис. 7.27. Графики для определения ψ1, ψ2, ψ3: _________(s4 – c)/(s1 – c)=2 - - - - - - - - - - - (s4 – c)/(s1 – c)=1; Нижнее опорное кольцо. Ширина кольца b1 = 0,5(D1 – D2) (см. рис. 7.26) устанавливается конструктивно и должна удовлетворять условию b1 b1R 4M z 1 Pz , Dá áåò Dá где Dб – диаметр болтовой окружности анкерных болтов (по табл. П25). 140 Выступающая наружу от обечайки опоры ширина кольца b2 принимается из соотношения 2 2d á 30 ìì b2 b1 , 3 где dб – внутренний диаметр резьбы анкерной шпильки (по табл. П26). Напряжение сжатия в бетоне определяется по формуле áåò áåò b1R / b1. Прочность сварного соединения опорного кольца с обечайкой опоры в исполнении 4 опорного узла (см. рис. 7.26) проверяется по условию 1 4M õ Ðõ 0,6 î , 2 D à 2 D где а2 – расчетный катет сварного шва. Толщина нижнего опорного кольца 3 áåò s2 max 1 b2 ñ; 1,5s1 , где κ1 – коэффициент: для опорного узла исполнения 4 (см. рис. 7.26) κ1 = 1; для опорных узлов исполнений 1, 2 и 3 (см. рис. 7.26) κ1 определяется по рис. 7.28 в зависимости от параметра b2/b7. Рис. 7.28. График для определения коэффициента κ1 Для кольца опорного узла исполнения 4 толщина s2 дополнительно должна быть проверена на условие 4e M s2 4 x Px c, D D где е – значение, определяемое как 0,5b2 (см. рис. 7.26). 141 Если получится s2 > 2s1, то опорный узел исполнения 4 неприменим. Толщина верхнего кольца в опорных узлах исполнений 1, 2 и 3 определяется по формуле F á s3 max 2 á ñ, 1,5s1 , где κ2 – коэффициент, определяемый по рис. 7.29 в зависимости от параметра e1/b6; e1 – диаметр окружности, вписанной в шестигранник гайки анкерной шпильки. Рис. 7.29. График для определения коэффициента κ2 Толщина ребра Fá á s7 max ñ, 0,4s2 , 3 b2 где κ3 = 2 – для опорных узлов исполнений 1 и 3; κ3 = 1 – для опорного узла исполнения 2. Для конструкции ребер с соотношением b2/s7 > 20 их необходимо дополнительно проверять на устойчивость. Напряжение изгиба в обечайке опоры от действия верхнего кольца должно удовлетворять условию 6 4 Fá á å s1 c h1 2 îï , где κ4 – коэффициент, определяемый по рис. 7.30; [σоп] – предельное напряжение изгиба в обечайке опоры, определяемое по формуле 142 îï Ê 20 nò . Ê 21 Рис. 7.30. График для определения коэффициента κ4 (для опорных узлов исполнения 2 (см. рис. 7.26) вместо b4 принимают b6, а исполнения 3 – сумму b6 + b7) Здесь К21=1,2 – для рабочих условий и К21=1,0 – для условий монтажа и гидравлического испытания аппарата; nт – коэффициент запаса прочности по отношению к пределу текучести материала обечайки опоры; K20 – коэффициент, определяемый по рис. 7.31 в зависимости от параметра : 1 4M x Px , D s1 c D где υ – коэффициент прочности сварного шва обечайки, расположенного в области опорного узла. Если будет получено s2 > 2s1, рекомендуется применять конструкции нижнего опорного узла исполнений 2 или 3. 143 К20 1,2 0,8 0,4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 υ Рис. 7.31. График для определения коэффициента K20 Высота нижнего опорного узла исполнений 2 и 3 при b2 = b5 Dá å b1 áåò 1 6,58 Dá h1 , 2s3 c b5 5 zá2 6 b5 s c 7 ; где 5 1 7 ; 6 1 2 7 1 1 b 2 5 7 1,56s1 c D s1 c , b s3 c при этом рекомендуется принимать s2 = s3 = 2s1. Анкерные шпильки. Число анкерных шпилек устанавливается конструктивно и может составлять 4, 6, 8, 12 и далее кратное четырем. Внутренний диаметр резьбы шпильки d á 2,3 Ì õ 0,44 Ðõ Dá ñ, zá á Dá где zб – число анкерных болтов. В зависимости от диаметра аппарата D принимают D, мм <1400 1400…2200 свыше 2200 M24 M30 М36 dб, мм 4 6 ≥12 zб, шт. 7.6. Расчет днищ аппаратов в месте установки опорных стоек Наклонные опорные обечайки рассчитывают, если исключено перемещение стоек по днищу и соблюдается условие d3 ≤ 1,6d2. К эллиптическим днищам опорные стойки должны быть прикреплены в области 0 < х < 0,4D, а к торосферическим – в области сфери144 ческого сегмента. Характерные размеры для расчетных моделей приведены на рис. 7.32. а) б) Рис. 7.32. Характерные размеры для расчетных моделей опорных стоек: а – вертикальная; б – наклонная Вертикальное усилие, действующее на опорную стойку, определяют по формуле G M 2 d 4 F1 G M 3 0,75 d 4 ïðè n 4; ïðè n 3, где G – вес аппарата; M – изгибающий момент. За счет точности монтажа достигается равномерное распределение нагрузки между всеми четырьмя опорными стойками, усилие будет определяться по зависимости F1 G M äëÿ n 4. 3 d4 Действие момента М учитывается только в том случае, если опорные стойки связаны между собой жесткой рамой, препятствующей взаимному перемещению стоек. Несущая способность выпуклого днища должна удовлетворять следующим условиям: 145 d e2 F1 p 4 p 1; F 1 p 1 F1 1, F 1 где [F]1 – допускаемое вертикальное усилие; de – эффективный диаметр опорной стойки; de = d2 – для опорных стоек без подкладного листа; de = d3 – для опорных стоек с подкладным листом; [р]1 – допускаемое внутреннее избыточное давление в серединной области выпуклого днища, по ГОСТ Р 52857.2–2007. Величина допускаемого вертикального усилия определяется по формуле d e2 cos F 1 1,57 (s1 c) 1 5 , cos( 2 ) rm ( s1 c) 2 где rm и α2 определяют по табл. 7.4 Таблица 7.4 Значения rm и α2 в зависимости от формы днища Форма днища Эллиптическое Тип H=0,25D rm 3 d 2D 1 4 4 D 1 1 2 3 d4 4 D А B C D 0,9D 0,8D d4 2D d4 1,8 D d4 1,6 D 2 d4 sin α2 Торосферическое 3d 2D 1 4 4 D 2 Метод расчета применим для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением. 146 7.7. Примеры расчета опорных конструкций аппаратов Пример 1. Выбрать стандартную опору – лапу и рассчитать обечайку цилиндрического аппарата (рис. 7.33), на которую действуют нагрузки, вызванные опорными лапами. Исходные данные. Внутренний диаметр аппарата D = 1000 мм, толщина стенки s = 7 мм, прибавка к расчетной толщине стенки на коррозию с = 1 мм, материал корпуса – листовой прокат из стали 12Х18Н10Т, масса аппарата m = 1000 кг, давление в аппарате Рис. 7.33. Аппарат с опоройр = 1,0 МПа, температура среды лапой, нагруженный внутренним давлением: 1 – крышка; 2 – обе95 °С. Решение. Расчетная нагрузка чайка; 3 – опора; 4 – днище; 5 – штуцер; 6 – люк-лаз на одну опору P M 11000 9,81 Q 1 2 0 3270 Í. z D 2e 3 где е = 0,5 (b + fmax + s0 + sн); fmах, b – значения, принимаемые по табл. П21; s0 – толщина стенки аппарата в конце срока службы, s0 = s – с – с1; с1 – дополнительная прибавка; sн – толщина накладного листа; λ1, λ2 – коэффициенты, зависящие от числа опор z; Р и М – осевая сила и момент соответственно, действующие на опорные поверхности лап. В соответствии с приложением (табл. П21) принимаем опорулапу «Опорная лапа 1-400 ГОСТ 26296–84» на максимальную нагрузку 4,0 кН. Проверка прочности стенки вертикального цилиндрического аппарата под опорой-лапой без накладного листа. Осевое напряжение от внутреннего давления р и изгибающего момента определяется по формуле m0 y pD 4 M 1,0 1000 0 41,7 ÌÏà . 4s0 D 2 s0 4 (7 1) Окружное напряжение от внутреннего давления 147 m0 y p D 1,0 1000 83,4 ÌÏà . 2 s0 2 (7 1) Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок определяется из соотношения m0 max m0 ; m0 x y max41,7;83,4 83,4 ÌÏà . Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опоры определяется по формуле K Q e m m0 1 2 D s0 83,4 2,2 3,270 0,5 (95 25 6 0)10 6 1,0 (6 10 3 2 96 ÌÏà, ) где коэффициент К1 находится из рис. 7.6 в зависимости от параметров γ = D/(2s0) и h/D (h – высота опоры); γ = D/(2s0) = 1000/12 = 83,3; h/D = 95/1000 = 0,095; К1 = 2,2. Максимальное напряжение изгиба от реакции опоры определяется по формуле è K2 Q e h s02 0,85 3,27 10 3 126 10 3 95 10 3 (6 10 3 2 102 ,4 ÌÏà, ) где коэффициент К2 = 0,85 находится из рис. 7.7 в зависимости от тех же параметров γ и h/D. Условие прочности имеет вид 2 2 m 0,8 è 96 0,8 102 ,4 0,536 1, A 228 1 , 0 228 ò ò где А = 1,0 – для эксплуатационных условий. Пример 2. Выбрать стандартную опору – стойку и проверить несущую способность эллиптического днища вертикального аппарата (рис. 7.34). Исходные данные. Внутренний диаметр аппарата D = 1200 мм, рубашки Dруб = 1300 мм; толщина стенки корпуса и рубашки соответственно s = 7 мм, sруб = 5 мм; прибавка к расчетной толщине стенки на коррозию с = 1 мм, материал корпуса и рубашки – листовой прокат 148 5 Н из стали 12Х18Н10Т (Е = 2,0 10 МПа, [σ] = 130 МПа); масса аппарата m = 4000 кг; давление в аппарате р = 1,0 МПа; давление в рубашке рруб = 0,5 МПа; коэффициент прочности сварного шва υ = 0,9; температура среды t = 105 °С. Аппарат установлен в помещении (М = 0). Решение: В соответствии с АТК 24.200.03-90 «Опоры-стойки вертикальных аппаратов. Типы, конструкция и размеры» (см. табл. 7.2) принимаем 4 опоры D (стойки) «Опора 3–1000 АТК 24.200.03–90» Dруб на максимальную нагрузку 10,0 кН. Вертикальное усилие на опорную стойку вычисляют по формуле F1 G M 4000 9,8 0 39,2 êÍ. 2 d4 2 Меридиональный момент, передаваемый опорой на днище, вычисляют по формуле А F (b b K) M1 1 1max 2 39,2(160 115 6) 10 3 1,0 êÍì. 2 Несущую способность днища в месте приварки опорной лапы следует проверять Рис. 7.34. Вертикальный аппарат по формуле pðóá 39,2 10 3 0,486 1,0 10 3 0,5 F1 sin 2 M1 0,69 1, F 1 [M ]1 [ p] 0,78 0,08 0,72 где [р] – допускаемое внутреннее избыточное давление в серединной области выпуклого днища по ГОСТ Р 52857.2–2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек», [ p] 2( sðóá ñ) [] R 0,5( sðóá ñ) R Dðóá 2 4H 2 (5 1) 10 3 0,9 130 1,3 0,5 (5 1) 10 Dðóá 2 4 0,25 Dðóá 149 3 1,3 ì . 0,72 ÌÏà ; Значения rm и α2 определяют по формулам (см. табл. 7.4) rm 3 d 2D 1 4 4 Dðóá 1 sin 2 1 3 d 4 4 Dðóá d4 2 2 2 3 850 2 1300 1 4 1300 419 ,2 ìì ; 1 1 2 3 850 4 1300 3 d 2D 1 4 4 Dðóá 2 850 3 850 2 1300 1 4 1300 2 0,486 . Допускаемое нормальное усилие для неподкрепленного эллиптического днища вычисляют по формуле [ F1 ] 0,25 K 20 [] ( sðóá c) 2 (0,2 d 4 / Dðóá ) 0,25 175 130 4 2 10 6 (0,2 850 / 1300 ) 0,78 ÌÍ. где d4 – диаметр сечения, проходящего через середину линии контакта опоры с днищем, d4 d 2C1 K b1max 900 2 60 10 160 850 ìì. К эллиптическим днищам опорные стойки должны быть прикреплены в области 0 < d < 0,8 Dруб, принимаем d = 900 мм. Допускаемый меридиональный момент для неподкрепленного эллиптического днища вычисляют по формуле [ M ]1 0,25 K 21 [] ( sðóá c) 2 Dðóá (0,2 d 4 / Dðóá ) K 21 14 [ F1 ] Dðóá 1,3 0,78 0,08 ÌÍì. K 20 175 Коэффициенты К20 и К21 определяют по графикам, приведенным на рис. 7.12 и 7.13 соответственно, в зависимости от относительной толщины днища (sруб – с)/Dруб и относительной длины линии контакта опоры с днищем l/Dруб. Длину линии контакта опоры с днищем вычисляют по формуле 150 b K 160 10 l 1 max 308,6 ìì. sin 2 0,486 Следовательно, l/Dруб = 0,24, (sруб – с)/Dруб = 0,003 и К20 = 175. Несущая способность эллиптического днища в месте приварки опорной лапы (стойки) выполняется 0,69 1 . Пример 3. Рассчитать седловую опору горизонтального аппарата. Исходные данные. Объем аппарата V = 3,5 м3; внутренний диаметр D = 1000 мм; длина цилиндрической обечайки L = 2500 мм; толщина стенки s = 10 мм; масса аппарата mа = 5000 кг. Материал – сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72); прибавка к расчетной толщине с = 2 мм; допускаемое напряжение и модуль продольной упругости при рабочей температуре [σ] = 152 МПа, E = 2·105 МПа; плотность обрабатываемой среды ρс = 1200 кг/м3; остаточное давление рост = 0,01 МПа. Материал опоры – сталь Ст3сп. Решение. Расчетные нагрузки в горизонтальном аппарате, установленном на двух седловых опорах, показаны на рис. 7.16. Реакция опоры для аппарата, установленного на двух опорах, Q 0,5G 0,5(ma V ñ ) g 0,5 (500 3,5 1200 ) 9,81 23,5 10 3 ÌÍ, где G – сила тяжести аппарата в рабочем состоянии. Изгибающий момент в середине аппарата M1 Q ( f1 L a) 23,5 10 3 (0,23 2,5 0,16) 11,5 10 3 ÌÍì, где f1 = 0,23 при L/D = 2,5/1,0 = 2,5, H/D = 0,25 (см. рис. 7.17); a = 0,2 мм – для аппарата без колец жесткости. Изгибающий момент в сечении над опорой M2 Q a a 0,5 f3 D f2 1 f2 L a 23,5 10 3 0,16 0,16 0,5 0,08 1,0 1 1,15 117 ,6 10 6 ÌÍì, 1,15 2,5 0,16 где f2 = 1,15, f3 = 0,08 при тех же параметрах L/D = 2,5, H/D = 0,25 (см. рис. 7.18, 7.19 соответственно). 151 Перерезывающая сила для аппарата, установленного на двух опорах, Qï f 4 Q 0,57 23,5 10 3 13,4 10 3 ÌÍ, где f4 – коэффициент, определяемый по рис. 7.20 в зависимости от параметров a/L и H/L; a/L = 0,08, H/L = 0,1, отсюда f4 = 0,57. В соответствии с весом аппарата и его диаметром выбираем опору «Опора 125-514-2-1 ОСТ 26-2091–93» (табл. П23). На опору действуют вертикальная сила Q (реакция опоры), горизонтальная сила Р1 (перпендикулярная к оси аппарата) и горизонтальная сила трения Р2 (параллельная оси аппарата). Реакция опоры определяется по формуле, в которой учитывается максимальная сила тяжести аппарата (в том числе и при гидравлическом испытании): Qmax 0,5Gmax 0,5 23,5 10 3 11,75 10 3 ÌÍ . Горизонтальная сила (перпендикулярная к оси аппарата) P1 K18 Qmax 0,25 23,5 10 3 5,9 10 3 ÌÍ, где K18 – коэффициент, определяемый по рис. 7.21, K18 = 0,25. Горизонтальная сила трения (параллельная оси аппарата) P2 fî Qmax 0,15 23,5 10 3 3,52 10-3 ÌÍ, где fo = 0,15 – коэффициент трения между аппаратом и опорой (или между опорой и опорной плитой). Площадь опорной плиты принимается конструктивно и должна удовлетворять условию Qmax 23,5 10 3 Fï R 2,35 10 3 ì 2 , áåò 10 где [σбет] – допускаемое напряжение сжатия бетона фундамента, принимаемое в зависимости от марки бетона, [σбет]=10 МПа. Принимаем площадь опорной плиты Fп = 3·10-3 м2. В этом случае напряжение сжатия бетона равно Fï R 2,35 10 3 áåò áåò 10 7,8 ÌÏà . Fï 3 10 3 Расчетная толщина опорной плиты 152 sï R 2,45b K19 áåò 0,30 7,8 2,45 250 79,5 ìì, 1,1 ï 1,1140 где К19 – коэффициент, определяемый по рис. 7.22 в зависимости от отношения b/а; b – ширина поперечных ребер, b=250 мм; а – расстояние между поперечными ребрами, а = (L – 20)/2 = = (1000 – 20)/2 = 490 мм (рис. 7.23, табл. П23), К19 = 0,30; [σп] – допускаемое напряжение для материала опорной плиты (сталь Ст3сп), [σп] = 140 МПа. Исполнительная толщина опорной плиты sï sï R c 80 ìì. Расчетная толщина поперечного ребра (см. рис. 7.23) из условия прочности на изгиб и растяжение определяется по формуле 42 P1 42 5,9 10 3 spR 16,1 ìì . 1,1D 1,11,0 140 Толщины ребер (см. рис. 7.23) проверяют на устойчивость от действия сжимающей нагрузки q. Нагрузка на единицу длины ребра Qmax 23,5 10 3 ÌÍ q 1,2 1,2 16,3 10 3 lîáù 1,73 ì , где lобщ – общая длина всех ребер на опоре, lîáù a (m 1) b m 490 (3 1) 250 3 1730 ì, здесь m – число ребер на опоре, m = 3. Расчетная толщина ребер из условия устойчивости q 16,3 10 3 spR 0,23 ìì , êð 70 где [σкр] – допускаемое напряжение на устойчивость, принимаемое из условия êð 3ò 210 70 ÌÏà. 3 Принимаем sp max16,1; 0,23 16,1 20 ìì. Условие прочности опоры при действии изгибающей силы Р2 153 P h 2 1 , W 3,53 10 3 0,2 0,69 10 3 9,22 ÌÏà 0,9 152 137 ÌÏà, где W – момент сопротивления горизонтального сечения по ребрам у основания опоры (из рис. 7.23 – заштрихованное сечение ребер); h1 – высота среднего ребра опоры, h1 = 0,2 м. W 3 sð b2 6 2a sð2 6 20 250 2 10 9 3 6 2 490 20 2 10 9 0,69 10 3 ì 3. 6 Пример 4. Рассчитать стандартную цилиндрическую опору колонного аппарата (рис. 7.35). I H1 6 а1 s1 A A Рис. 7.35. Юбочная цилиндрическая опора Считать, что изгибающие моменты от ветровой нагрузки в нижнем сечении опорной обечайки отсутствуют. Исходные данные: Внутренний диаметр аппарата D = 1000 мм; толщина стенки s = 7 мм; масса аппарата в рабочем состоянии m = 5000 кг; материал корпуса – листовой прокат из стали 12Х18Н10Т, [σк] = 160 МПа; плотность среды в аппарате 154 ρс = 1200 кг/м3; материал опоры – Сталь 10; [σо] = 130 МПа; материал фундамента – бетон марки 500, [σбет] = 10 МПа. Расчет элементов опоры колонных аппаратов. Расчет проводится для рабочих условий, т.к. плотность среды больше плотности воды, заполняющей аппарат при гидравлических испытаниях. Так как нагрузка, действующая на опору, равна G = 0,049 МПа, выбираем опору «Опора 2-1000-25-20-800 АТК 24.200.04-90» (табл. П26). На опору действуют Р = G – осевая сжимающая нагрузка от силы тяжести аппарата и среды, вспомогательных устройств, установленных на колонне, изоляции; М – суммарный изгибающий момент от ветровой и сейсмической нагрузок, и от эксцентрично приложенных к оси аппарата сил тяжести отдельных внутренних и внешних устройств, М = 0. Обечайка опоры. Прочность сварного соединения опоры с корпусом в сечении у–у определяется условием 4M y 1 Pè s min î ; ê , D a1 D где Му – максимальный изгибающий момент в сечении у–у; Ри – осевая сжимающая сила в рабочих условиях; а1 – расчетная толщина сварного шва, а1 ≈ s1; [σо] – допускаемое напряжение для материала опоры; [σк] – допускаемое напряжение для материала корпуса аппарата; υs – коэффициент прочности сварного шва, υs = 0,7. 1 1,0 6 10 2 49,05 10 3 26,03 ÌÏà 0,7 130 91 ÌÏà . Нижнее опорное кольцо. Ширина кольца b1 = 0,5(D1 – D2) = = 0,5·(1280 – 950) = 165 мм (см. рис. 7.35) устанавливается конструктивно и должна удовлетворять условию b1 b1R 4M z 1 1 Pz 49,5 10 3 1,36 ìì , Dá áåò Dá 3,14 1,16 10 где Dб – диаметр болтовой окружности анкерных болтов, Dб = 1160 мм (табл. П25); Мz – максимальный изгибающий момент в сечении z–z; Pz – осевая сжимающая сила в том же сечении в рабочих условиях или гидравлического испытания. 155 Выступающая наружу от обечайки опоры ширина кольца b2 принимается из соотношения 2dá 30 ìì 2 2 2 24 30 78 b2 b1 165 110 , 3 3 где dб – внутренний диаметр резьбы анкерной шпильки (табл. П25). Принимаем b2 = 90 мм. Напряжение сжатия в бетоне определяется по формуле áåò áåò b1R / b1 10 1,36 / 165 0,08 ÌÏà. Толщина нижнего опорного кольца 3 áåò s2 max 1 b2 ñ; 1,5s1 3 0,08 max 0,7 90 1,0; 1,5 6 max1,9; 9,0 9 ìì , 130 где κ1 – коэффициент: для опорных узлов исполнения 2 (см. рис. 7.28) в зависимости от параметра b2/b7 = 90/160 = 0,56, κ1 = 0,74. Принимаем s2 = 10 мм. Пример 5. Определить расчетные нагрузки для аппарата колонного типа (рис. 7.36), работающего под действием внутреннего избыточного давления, собственного веса, изгибающих моментов от ветровых нагрузок или сейсмических воздействий. Исходные данные: внутренний диаметр аппарата D = 1,2 м; высота H = 15 м; толщина стенки аппарата s = 5 мм; материал корпуса сталь Х18Н10Т; ветровое давление q = 800 Па; плотность стали ρст = 7850 кг/м3. Расчет. Минимальный вес аппарата (табл. П28): Ðmin ñò g 2 1,24 D 2 D H s 7850 9,8 2 1,24 1,2 2 3,14 1,2 15 0,005 23,1 êÍ . Аналогичным способом определим максимальный вес аппарата, т. е. при гидравлических испытаниях, по формуле 156 Ðmax ñò g 2 1,24 D D H s âîäû 2 D3 D 2 H g 2 24 4 7850 9,8 2 1,24 1,2 2 3,14 1,2 15 0,005 1,23 1,2 2 12 3,14 66,55 êÍ . 1000 9,8 2 24 4 P MB a) в) H б) q D Рис. 7.36. Нагрузки, действующие на аппарат: а – схема аппарата; б – схема ветровых нагрузок; в – эпюра иэгибающих моментов Сила, создаваемая ветровым давлением, равна F k1 k2 q H D 0,7 1,5 800 15 1,2 15,12 êÍ , где k1 – представляет собой аэродинамический коэффициент обтекания, зависящий от формы аппарата. Для цилиндрических аппаратов k1 = 0,7; для аппаратов, ограниченных плоскими стенками, k1 = 1,4; k2 – коэффициент динамичности, определяемый по графику (см. рис. 7.25) в зависимости от параметра Ò q 260 0,31 800 260 0,034 . Период собственных колебаний определяется по формуле 157 Ðmax H 66,55 103 15 Ò 1,79 Í 1,79 15 0,31 c, 11 EJ g 2 10 0,0034 9,8 где Е – модуль упругости материала; g – ускорение свободного падения; J – момент инерции поперечного сечения аппарата, J 3 3,14 D s 1,23 0,005 0,0034 ì 4 . 8 8 Тогда ветровой момент равен Mâ F H 15,12 15 114 êÍì . 2 2 Пример 6. Рассчитать эллиптическое днище аппарата в месте установки опорных стоек (рис. 7.37). D s2 d3 s1 α d2 d4=d1 F1 Рис. 7.37. Характерные размеры для вертикальной опорной стойки Исходные данные: Внутренний диаметр аппарата D = 1000 мм; толщина стенки s = 7 мм; прибавка к расчетной толщине стенки на коррозию с = 1 мм; коэффициент прочности сварного шва υ = 0,9; масса аппарата в рабочем состоянии m = 5000 кг; материал корпуса – сталь 12Х18Н10Т; [σк] = 160 МПа; плотность среды в аппарате ρс = 1200 кг/м3. Решение. Исходя из веса аппарата G = 49,05 кН, выбираем три стойки типа «Опора-стойка 2-25 АТК 24.200.03–90» (табл. П27). Вертикальное усилие, действующее на опорную стойку, определяют по формуле 158 F1 G M 49,05 16,35 10 3 ÌÍ. 3 0,75d 4 3 Несущая способность выпуклого днища должна удовлетворять следующим условиям: d e2 (76 10 3 ) 2 3 F1 p 16,35 10 1,0 1,0 4 p 4 0,95 1; F 1 p 1 0,02 2,79 F1 16,35 10 3 0,82 1, F 1 0,02 где [F]1 – допускаемое вертикальное усилие; de – эффективный диаметр опорной стойки; de = d2 – для опорных стоек без подкладного листа; de = d3 – для опорных стоек с подкладным листом (табл. П27); [р]1 – допускаемое внутреннее избыточное давление в серединной области выпуклого днища, по ГОСТ 14249–89. ð1 2sý ñ 2 6 0,9 160 3,43 ÌÏà. R 0,5sý ñ 500 0,5 6 Величина допускаемого вертикального усилия определяется по формуле d e2 cos F 1 1,57 (s1 c) 1 5 cos( 2 ) rm ( s1 c) 2 1,57 160 (6 10 1 (76 10 3 ) 2 ) 1 5 0,02 ÌÏà, 3 3 0,826 458 10 6 10 3 2 где rm и α2 для эллиптического днища: 2 2 3d 3 800 2D 1 4 2 1000 1 4 D 4 1000 rm 458 ìì ; 1 1 1 1 2 2 d 3 800 3 4 4 1000 4 D d4 800 sin 2 0,563 . 2 2 3 800 3d 2 1000 1 2D 1 4 4 1000 4 D 159 Вопросы для самоконтроля 1. На каких опорах обычно устанавливают вертикальные аппараты? 2. Какие опоры применяются для аппаратов с соотношением высоты к диаметру H/D > 5, размещаемых на открытой площадке? 3. От чего зависит количество опор-лап и опор-стоек? 4. Какие конструкции стандартных опор для колонных аппаратов Вы знаете? 5. Для каких аппаратов применяются «седловые» опоры? 6. Для какой цели часть «седловых» опор аппарата выполнятся скользящими? 7. От чего зависит число седловых опор, располагаемых вдоль аппарата? 8. Как выбирается расстояние между неподвижной и подвижной опорами? 9. Перечислите типы юбочных опор для колонных аппаратов. 10. Как определяются расчетные нагрузки, действующие на опору? 11. Какой вид имеет условие прочности стенки вертикального цилиндрического аппарата под опорой-лапой без накладного листа? 12. В каком случае применяется накладной лист под опоройлапой? 13. Какие силы действуют на «седловую» опору горизонтальных аппаратов? 14. От действия каких нагрузок необходимо проверить на прочность корпус горизонтального аппарата, установленного на «седловых» опорах? 15. По какой формуле определяется реакция «седловой» опоры? 16. По какой формуле определяется горизонтальная сила трения (параллельная оси аппарата) в «седловой» опоре? 17. От каких величин зависит площадь опорной плиты «седловой» опоры? 18. Какую нагрузку принимают за максимальную приведенную нагрузку Qmax при выборе опор колонных аппаратов? 19. Какие сечения юбочной опоры подлежат проверке на прочность? 20. Каким условиям должна удовлетворять несущая способность выпуклого днища при установке аппарата на опорные стойки? 160 № вопроса Вопрос № варианта 8. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ Варианты ответа 1 2 3 4 1 (pг/р)100% < 5% 2 (pг/р)100% > 5% 3 pг>>р 4 pг ≈ р При определении расчетного давления рр 1. гидростатическое давление р среды учиг тывается, если Что такое избыточная толщина стенки 2. элементов сосудов и аппаратов? 1 s – sp – c 2 прибавка на коррозию 3 4 3. Как рассчитывается пробное давление ри, если рабочее давление р = 0,6 МПа? Чему равен коэффициент К, учитывающий тип закрепления днища или крышки, показанной на рисунке? разница между исполнительной и расчетной толщинами прибавка для округления толщины стенки до стандартной 1 1,5 p 20 / 2 max 1,25 p 20 /; ( p 0,3) 3 max 1,5 p 20 /; 0,2 4 ( p 0,3) 5 max 1,5 p 20 /; 0,3 1 0,4 2 0,5 3 0,41 4. 4 K 0,41 1 3 Dá / Dñ.ï 1 , Dá / Dñ.ï ãäå 1 Rï / Fä 5 161 0,53 1 2 3 4 Как определяется расчетный диаметр Dр плоской крышки (см. рис.)? 1 Dp=D 2 Dp=D+2s 3 Dp=Dб – 2r 4 Dp=D+s 5 Dp=Dб – r 1 а) 2 б) 3 в) 4 а) и в) 5 б) и в) 5. Для какой схемы плоской крышки равен расчетный диаметр Dp=Dб? а) б) 6. в) 162 1 2 3 1 7. Выберите правильную комбинацию значений из предложенных: – коэффициент запаса прочности по пределу текучести nт; – коэффициент запаса прочности по пределу временного сопротивления nв; – коэффициенты запаса прочности по пределу длительной прочности nд; – коэффициенты запаса прочности по пределу ползучести nп 2 3 4 5 8. Какие напряжения в тонкостенных оболочках всегда больше: меридиональные σm, кольцевые σt или 4 nт = 1,0; пв =2,4; пд = 1,5; пп = 1,5 nт = 2,4; пв = 1,5; пд = 1,5; пп = 1,0 nт = 1,5; пв =2,4; пд = 1,0; пп = 1,5 nт = 1,5; пв =2,4; пд = 1,5; пп = 1,0 nт = 1,5; пв = 1,5; пд = 2,4; пп = 1,0 1 σt> σr> σm 2 σm> σt> σr 3 σt> σm> σr 4 σm> σr> σt 5 σr> σm> σt радиальные σr? 1 2 9. Какой вид имеет условие устойчивости тонкостенных оболочек при совместном действии изгибающего момента М, осевой сжимающей силы F и наружного давления среды рн 163 3 pí.ð F M 1 pí F M 4M pí.ð F [ pH ] D F 0,25[ pH ] D 2 [F ] M p í 1 [ M ] [ pí ] 4M F 0 D 4 pí.ð 5 pí.ð F M F M pí 1 2 3 1 Допускаемое наружное давление для обечаек Эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца жесткости Расстояние между двумя соседними кольцами жесткости по их осям Коэффициент жесткости обечайки с кольцами жесткости Расстояние между двумя соседними кольцами жесткости по их осям и площадь поперечного сечения кольца жесткости а) 2 б) 3 в) 4 Прочность не зависит от α 1 2 10. Какие параметры подлежат определению при расчете обечаек, подкрепленных кольцами жесткости? 3 4 5 11. Какое коническое днище (с углом при вершине 2α) более прочное: а) 60° б) 90° в) 120° 1 12. 13. 14. Какие из приведенных выражений являются основными уравнениями безмоментной теории оболочек Расположите оболочки вращения, имеющие равную прочность, по мере уменьшения толщины стенки: а) – цилиндрическая; б) – коническая; в) – сферическая; г) – эллипсоидная Как определяется расчетное наружное давление рн.р для аппаратов с «рубашкой», если внутри аппарата вакуум 164 4 2 m t p ï R1 R2 s p m ï R2 2s 3 U m s и T t s, 4 p m t p ï ; m ï R2 2s R1 R2 s 1 а); б); в); г) 2 а); в); г); б) 3 г); а); б); в) 4 б); а); г); в) 1 pí.ð pð.ð pðóá pã.ð 2 pí.ð pð.ð ( pà pîñò ) 3 рн.р = ра – рост 4 pí.ð pð.ð ( pà pîñò ) 5 pí.ð pð.ð ( pà pîñò ) 1 15. 2 Почему цилиндрические обечайки, работающие под наружным давлением, принято делить на «длинные» и «короткие»? 3 4 1 «короткие» обечайки не рассчитываются на устойчивость 2 при потере устойчивости «длинные» и «короткие» обечайки рассчитываются по разному 3 критическое наружное давление не зависит от размера «длинных» обечаек 4 1. 16. Особенностью напряженного состояния материала стенок оболочек, вызванного краевыми моментами и силами, являются 2 3 4 К какому варианту укрепления отверстий относится показанный на рисунке 17. 165 1 у «длинных» обечаек число волн деформации всегда равно двум, а у «коротких» три и более деформации и напряжения изгиба от действия краевых нагрузок носят локальный характер и имеют существенную величину лишь в окрестности непосредственного действия нагрузок изменение значений вызываемых ими сил, моментов, напряжений и деформаций по мере удаления от края по линейному закону деформации и напряжения изгиба от действия краевых нагрузок не существенны по сравнению с деформациями и напряжениями от внутреннего давления pр максимальные напряжения в краевой зоне всегда меньше, чем вдали от нее укрепление односторонним штуцером 2 односторонним штуцером и накладкой 3 двусторонним штуцером двумя накладками 4 отбортовкой и штуцером 5 бобышкой и 1 2 3 1 2 18. В чем сущность геометрического критерия расчета укрепления обечайки в области отверстия? 3 4 19. В чем преимущество свободных фланцев по сравнению с цельными? Какая конструктивная форма уплотнительной поверхности представлена на рисунке 20. 166 4 предусматривает компенсацию площади отверстия площадью накладного кольца предусматривает компенсацию площади поперечного сечения выреза с помощью дополнительных укрепляющих элементов (дополнительной толщиной стенки штуцера, накладного кольца и т. д.), расположенных в зоне укрепления предусматривает компенсацию площади продольного сечения выреза с помощью дополнительных укрепляющих элементов (дополнительной толщиной стенки штуцера, накладного кольца и т. д.), расположенных в зоне укрепления предусматривает компенсацию площади продольного сечения выреза площадью избыточных толщин оболочки, штуцера и накладного кольца 1 возможность применения при более высоких давлениях 2 простота конструкции 3 экономия материалов 4 корпус аппарата разгружен от действия изгибающих моментов, возникающих при затяжке фланцевого соединения 1 плоская 2 плоская с рисками 3 выступ-впадина 4 шип-паз 5 с овальным металлическим кольцом 1 21. 22. 23. 24. 2 По какой теории прочности проверяется условие прочности втулки фланца? Как записывается условие герметичности фланцевого соединения? Прочность болтов фланцевого соединения определяется из условия работы последних на В каких пределах изменения температур применяются прокладки из картона асбестового 167 3 4 1 наибольшей удельной потенциальной энергии формоизменения 2 наибольших деформаций 3 наибольших нормальных напряжений 4 наибольших касательных напряжений 1 ê Å Dá hô 2 [] Å D hô 3 [] Å Dá hô 4 0 Å Dá hô 5 ê Å D hô 1 изгиб 2 кручение 3 смятие 4 растяжение 5 срез 1 –55 +450 2 –15 +350 3 –15 +450 4 –15 +50 5 –25 +150 1 2 3 4 Расположите формулы в порядке расчета укрепления отверстий: à) d0ð 0,4 Dð s c . 1 а); г); в); б) 2 а); г); б); в) 3 а); в); г); б) 4 а); б); г); в) l1ð só.ð s sð c á) sø sø.ð ñø l2ð sø 2ñø 1 Dð só.ð s c 25. 2 só.ð s sð c 0,5 d ð d îð sð . l1ð s sð c sø søð ñø â) l2ð sø 2ñø 1 Dð s c s sð c 0,5 d ð d îð sð . s c / sð 0,8 ã) d 0 2 cø Dð s c 26. Что следует предпринять, если условие прочности стенки вертикального цилиндрического аппарата под опоройлапой не выполняется? 1 2 3 4 1 27. Температурные удлинения аппарата ме- 2 жду смежными опорами не должно пре- 3 вышать: 4 5 В какой форме выполнен опорный узел 1 юбочной опоры (см. рис) 2 28. 168 выбрать другой типоразмер опоры-лапы увеличить толщину стенки аппарата применить накладной лист увеличить количество опор 3% расстояния между неподвижной и подвижной опорами 1% длины аппарата 35 мм 50 мм 70 мм в форме отдельных столиков под каждый анкерный болт в виде двух горизонтальных колец, подкрепленных ребром в промежутке между двумя смежными анкерными болтами 3 в виде двух горизонтальных колец, подкрепленных двумя ребрами у каждого анкерного болта 4 опорный узел облегченной конструкции с одним кольцом БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Абрамов О.М. Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств: учеб. для вузов. – СПб.: Изд – во «РАПП», 2009. – 408 с. 2. АТК 24.200.03–90. Опоры-стойки вертикальных аппаратов. Типы, конструкция и размеры. Дата введения 01.01.1991. – 13 с. 3. АТК 24.200.04–90. Опоры цилиндрические и конические вертикальных аппаратов. Типы и основные размеры. Дата введения 01.01.91. – 53 с. 4. АТК 24.218.06–90. Штуцера для сосудов и аппаратов стальных сварных. Типы, основные параметры, размеры и общие технические требования. Дата введения. 01.12.1995. – 127 с. 5. Бабицкий И.Ф., Вихман Г.Л., Вольфсон С.И. Расчет и конструирование аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов; под ред. Г.Л. Вихмана. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: «НЕДРА», 1965. – 246 с. 6. Беляев В.М., Миронов В.М. Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли: Часть 1. – Тонкостенные сосуды и аппараты химических производств: учеб. пособие. – Томск: ТПУ, 2009. – 288 с. 7. Коптева В.Б., Коптев А.А. Фланцевые соединения: конструкции, размеры, расчѐт на прочность: метод. указания. – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. – 24 с. 8. Васенев А.Д., Поникаров С.И., Николаев Н.А. Расчет и конструирование оборудования пищевых и химических производств. – Казань: «Печатный двор», 2002. – 200 с. 9. Виноградов С.Н., Таранцев К.В. Конструирование и расчет элементов тонкостенных сосудов: учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. – 136 с. 10. Вихман Г.Л., Круглов С.А. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов: учеб. для студентов вузов; – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: «Машиностроение», 1978. – 328 с. 11. Волошин А.А., Григорьев Г.Т. Расчет и конструирование фланцевых соединений: справочник. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. – 125 с. 12. ГОСТ 12619–78. Днища конические отбортованные с углами при вершине 60 и 90°. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1978. – 23 с. 13. ГОСТ 12620–78. Днища конические неотбортованные с углами при вершине 60, 90 и 120 град. Основные размеры. – М.: Изд-во 169 стандартов, 1978. – 11 с. 14. ГОСТ 12622–78. Днища плоские отбортованные основные размеры. – М.: Изд-во стандартов, 1978. – 4 с. 15. ГОСТ 14249–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 62 с. 16. ГОСТ 19903–74. Сталь листовая горячекатаная. – М.: Изд-во стандартов, 1974. – 17 с. 17. ГОСТ 24755–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий. – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 20 с. 18. ГОСТ 26296–84. Лапы опорные подвесных вертикальных сосудов и аппаратов. – М.: Изд-во стандартов, 1984. – 15 с. 19. ГОСТ 28759.2–90. Фланцы сосудов и аппаратов стальные плоские приварные. Конструкция и размеры. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1990. – 13 с. 20. ГОСТ 28759.3–90. Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык Конструкция и размеры. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1990. – 12 с. 21. ГОСТ 28759.6–90. Прокладки из неметаллических материалов. Конструкция и размеры. Технические требования – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1990. – 6 с. 22. ГОСТ 6533–78. Днища эллиптические отбортованные стальные для сосудов, аппаратов и котлов. Основные размеры. – М.: Изд-во стандартов, 1979. – 38 c. 23. ГОСТ 9617–76. Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. – М.: Изд-во стандартов, 1979. – 3 с. 24. ГОСТ Р 52857.4–2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2007. – 36 с. 25. ГОСТ Р 51273–99. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1999. – 17 с. 26. ГОСТ Р 51274–99. Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на прочность. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1999. – 11 с. 27. ГОСТ Р 52857.5 – 2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2008. – 22 с. 170 28. ГОСТ Р 52857.8–2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Сосуды и аппараты с рубашками. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2008. – 27 с. 29. Гусев Ю.И. Конструирование и расчет машин химических производств: учеб. для вузов. – М.: Изд-во «ЁЁ Медиа», 2012. – 408 с. 30. Дворецкий С.И., Кормильцин Г.С., Калинин В.Ф. Основы проектирования химических производств: учеб. пособие. – М.: Издательство “Машиностроение-1”, 2005. – 280 с. 31. Домашнев А.Д. Конструирование и расчет химических аппаратов: учеб. – М.: Машгиз, 1961. – 624 с. 32. Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. – М.: Машгиз, 1960. – 743 с. 33. Ким В. С. Конструирование и расчет механизмов и деталей машин химических и нефтеперерабатывающих производств: Изд-во “КолосС”, 2007. – 440 с. 34. Конструирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств / Г.Г. Смирнов, А.Р. Толчинский, Т.Ф. Кондратьева; под общ. ред. А.Р. Толчинского. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. – 303 с. 35. Поникаров И.И., Поникаров С.И. Конструирование и расчет элементов химического оборудования: учеб. для вузов по специальностям 240801 “Машины и аппараты химических производств”, 130603 “Оборудование нефтегазопереработки”. – М.: Альфа-М, 2010. – 382 с 36. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: справочник; под ред. А.Р. Толчинского. –3-е изд., стер. – М.: Альянс, 2011. – 381 с. 37. Курочкин А.А., Зимняков В.М. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств / под ред. А.А. Курочкина – М.: КолосС, 2006 – 320 с. 38. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. – Л.: “Машиностроение”, 1970. – 752 с. 39. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: справочник. – Л.: Машиностроение. Ленигр. отд-ние, 1991. – 382 с. 40. Опоры вертикальных и горизонтальных аппаратов: метод. указания / Сост. В.Б. Коптева. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. – 24 с. 41. Опоры колонных аппаратов: метод. указания / сост. В.Б. Коптева. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. – 24 с. 171 42. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. – 3-е изд. стер. – М.: Альянс, 2008. – 752 с. 43. Основы расчета и конструирования машин и автоматов пищевых производств / под ред. А.Я. Соколова. – М.: “Машиностроение”, 1969. – 637 с. 44. ОСТ 26-2091–93. Опоры горизонтальных сосудов и аппаратов. Конструкция. Дата введения 01.07.1993. 45. Остриков А.Н., Абрамов О.В. Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств: учеб. для вузов. – СПб.: ГИОРД, 2004. – 352 с. 46. Поникаров И.И., Поникаров С.И., Хоменко А.А. Конструирование и расчет элементов химического оборудования: учеб. для вузов. – Мультимедийное информационное электронное издание. № гос. регистрации – 0321103656. Казань. Издатель – КНИТУ, 2011. 47. Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): учеб. пособие. – М.: Альфа-М, 2008. – 720 с. 48. Практикум по курсу «Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств»: учеб. пособие / А.Н. Остриков, В.Е. Игнатов, В.Е. Добромиров, А.А. Шевцов; Воронеж. гос. технолог. акад. – Воронеж, 1997. – 192 с. 49. Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств: учеб. для вузов. / А.Н. Остриков, О.В. Абрамов, Г.В. Калашников, Ф.Н. Вертяков. – изд-во “РАПП”, 2009. – 416 с. 50. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: учеб. пособие для студентов втузов / М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. Зобнин; под общ. ред. М.Ф. Михалева. – Л.: “Машиностроение”, Ленингр. отд ние, 1984. – 301 с. 51. Рахмилевич З.З., Радзин И.М., Фарамазов С.А. Справочник механика химических и нефтехимических производств. – М.: Химия, 1985. – 592 с. 52. РД 26-01-169–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность днищ в местах крепления опор-стоек. 53. Рубашки неразъемные стальных сварных сосудов и аппаратов. Конструкция и размеры: – [Сборник]: OCT 26-01-982–82 – ОСТ 26-01-987–82. – М.: НИИхиммаш, 1982. – 92 с. 54. Сеселкин И.В., Яровой В.С. Расчет и конструирование оборудования предприятий химических производств: учеб. пособие / 172 Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул. Изд-во АлтГТУ. 2005. – 80 с. 55. Соколов В.И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств: – М.: “Машиностроение”, 1983. – 447 с. 56. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химикотехнологического и природоохранного оборудования: справочник. Т.1. – Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2002. – 852 с. 57. Харламов С.В. Конструирование технологических машин пищевых производств: учеб. пособие. – Л.: “Машиностроение”. Ленингр. отд-ние, 1979. – 224 с. 58. Харламов С.В. Практикум по расчету и конструированию машин и аппаратов пищевых производств: учеб. пособие. – Л.: Агропромиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. – 256 с. 173 ПРИЛОЖЕНИЯ Таблица П1 Допускаемые напряжения [σ] для углеродистых и низколегированных сталей Значения [σ], МПа, для сталей t, °C Ст3 20 100 150 200 250 300 350 375 400 410 420 430 440 450 154 149 145 142 131 115 105 93 85 81 75 71 – – 09Г2С 16ГС 196 177 171 165 162 151 140 133 122 104 92 86 78 71 20 20К 147 142 139 136 132 119 106 98 92 86 80 75 67 61 10Г2 09Г2 180 160 154 148 145 134 123 108 92 86 80 75 67 61 10 130 125 122 118 112 100 88 82 77 75 72 68 60 53 17ГС 17Г1С 183 160 154 148 145 134 123 116 105 104 92 86 78 71 Таблица П2 Допускаемые напряжения [σ] для теплоустойчивых хромистых сталей Значения [σ], МПа, для сталей t, °C 20 100 150 200 250 300 350 375 400 410 420 430 440 450 12ХМ 147 146,5 146 145 145 141 137 135 132 130 129 127 126 124 12МХ 147 146,5 146 145 145 141 137 135 132 130 129 127 126 124 15ХМ 155 153 152,5 152 152 147 142 140 137 136 135 134 132 131 174 15Х5М 146 141 138 134 127 120 114 110 105 101 99 96 94 91 15Х5М-У 240 235 230 225 220 210 200 180 170 160 150 140 135 130 Таблица П3 Допускаемые напряжения [σ] для жаропрочных, жаростойких и коррозионно-стойких сталей аустенитного класса 03Х17Н14М3 08Х18Н10Е 08Х18Н12Т 08Х17Н13М2Т 08Х17Н15М3Т 12Х18Н10Т 12Х18Н12Т 10Х17Н13М2Т 10Х17Н13М3Т 20 100 150 200 250 300 350 375 400 410 420 430 440 450 03Х18Н11 t, °C 03Х21Н21М4ГВ Значения [σ], МПа, для сталей 180 173 171 171 167 149 143 141 140 – – – – – 160 133 125 120 115 112 108 107 107 107 107 107 107 107 153 140 130 120 113 103 101 90 87 83 82 81 81 80 168 156 148 140 132 123 113 108 103 102 101 100,5 100 99 184 174 168 160 154 148 144 140 137 136 135 134 133 132 Таблица П4 Расчетные значения модуля упругости Е Значения E · 10-5, МПа, при t, °C Стали углеродистые и низколегированные теплоустойчивые и коррозионно-стойкие хромистые жаропрочные, жаростойкие аустенитного класса 20 100 150 200 250 300 350 1,99 1,91 1,86 1,81 1,76 1,71 1,64 2,15 2,15 2,05 1,98 1,95 1,90 1,84 2,00 2,00 1,99 1,97 1,94 1,90 1,85 Значения E · 10-5, МПа, при t, °C Стали углеродистые и низколегированные теплоустойчивые и коррозионно-стойкие хромистые жаропрочные, жаростойкие аустенитного класса 400 450 500 550 600 650 700 1,55 1,40 – – – – – 1,78 1,71 1,63 1,54 1,40 – – 1,80 1,74 1,67 1,60 1,52 1,43 1,32 175 Таблица П5 Минимальное значение предела текучести σт для углеродистых и низколегированных сталей Значения σт, МПа, для сталей t, °C 20 100 150 200 250 300 350 375 400 410 420 Ст3 09Г2С 16ГС 20 20К 10 10Г2 09Г2 250 230 224 223 197 173 167 164 – – – 300 265,5 256,5 247,5 243 226,5 210 199,5 183 – – 220 213 209 204 198 179 159 147 – – – 195 188 183 177 168 150 132 123 – – – 270 240 231 222 218 201 185 162 – – – 17ГС 17Г1С1 10Г2С1 280 240 231 222 218 201 185 174 158 156 138 Таблица П6 Минимальное значение предела текучести σт для теплостойких и кислотостойких сталей 12Х18Н10Т 12Х18Н12Т 10Х17Н13М2Т 10Х17Н13М3Т 08Х18Н10Е 08Х18Н12Т 08Х17Н13М2Т 08Х17Н15М3Т 20 100 150 200 250 300 350 375 400 410 420 15Х5М t, °C 12ХМ 12МХ 15ХМ Значения σт, МПа, для сталей 240 235 226 218 218 212 206 202 198 195 194 220 210 207 201 190 180 171 164 158 155 152 240 228 219 210 204 195 190 186 181 180 180 210 195 180 173 165 150 137 133 129 128 128 200 195 180 173 165 150 137 133 129 128 128 176 Таблица П7 t, °C 10 20 35 35Х 12ХМ 15Х5М 15ХМ 08Х18Н10Т 12Х18Н10Т 12Х18Н12Т Коэффициент линейного расширения сталей α · 106, 1/°C 20 – 100 20 – 200 20 – 300 20 – 400 20 – 500 20 – 600 20 – 700 12,2 12,5 12,8 13,3 13,8 14,2 – 12,0 12,4 12,9 13,3 13,7 14,1 – 11,2 12,1 12,8 13,4 13,9 14,4 – 13,1 13,3 13,8 14,2 14,6 14,8 – 11,2 12,5 12,7 12,9 13,2 13,9 – 12,0 12,1 12,2 12,3 12,7 13,0 13,1 11,9 12,6 13,2 13,7 14,0 14,3 – 16,0 16,8 17,5 18,1 – – – 16,6 17,0 17,2 17,5 17,9 18,2 18,6 16,0 17,0 18,0 18,0 18,0 18,5 19,0 Таблица П8 Размеры эллиптических отбортованных днищ с внутренними базовыми диаметрами (см. рис. 2.8, а), ГОСТ 52630–2006 Пример условного обозначения днища с D = 1000 мм и s = 10 мм: «Днище 1000–10 ГОСТ 52630–2006». D, мм sд , мм Hд, мм hд, мм Fд , м2 Vд, м2 1 2 4–25 28–30 4–20 4–20 22–36 4–18 20 4–16 18–40 4–14 16–20 4–14 16–36 40 3 4 25 40 25 25 40 25 40 25 40 25 40 25 40 60 5 0,20 0,22 0,25 0,31 0,33 0,37 0,40 0,44 0,47 0,51 0,54 0,59 0,62 0,66 6 0,0115 0,0134 0,0158 0,0212 0,0241 0,0276 0,0312 0,0352 0,0395 0,0441 0,0491 0,0543 0,0601 0,0678 400 (450) 500 (550) 600 (650) 700 101 112 125 137 150 162 175 177 Продолжение табл. П8 1 800 900 1000 (1100) 1200 1300 1400 (1500) 1600 (1700) 1800 (1900) 2 4–12 14–32 34–50 5–10 12–28 30–32 5–10 12–25 28–55 60–80 6–8 10–22 5–32 6–8 10–20 22–45 50–80 6–8 10–20 22–32 6 8–18 20–40 45–70 80–100 6 8–16 18–38 40–60 6 6 8–16 18–36 38–60 65–100 6–14 16–32 36–50 6–14 16–32 34–55 60–90 100 6–12 14–20 3 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 178 4 5 6 25 40 60 25 40 60 25 40 60 80 25 40 60 25 40 60 80 25 40 60 25 40 60 80 100 25 40 60 80 25 40 60 80 100 40 60 80 40 60 80 100 120 0,76 0,79 0,84 0,95 0,99 1,05 1,21 1,21 1,27 1,34 1,40 1,45 1,52 1,65 1,71 1,79 1,86 1,93 2,00 2,08 2,23 2,30 2,39 2,48 2,56 2,56 2,63 2,72 2,82 2,90 2,98 3,08 3,18 3,28 3,35 3,45 3,56 3,74 3,85 3,96 4,08 4,19 0,0793 0,0868 0,0969 0,1109 0,1204 0,1331 0,1617 0,1617 0,1774 0,1931 0,1972 0,2114 0,2304 0,2534 0,2704 0,2930 0,3156 0,3195 0,3394 0,3659 0,3960 0,4191 0,4499 0,4807 0,5114 0,4840 0,5104 0,5458 0,5814 0,5840 0,6141 0,6543 0,6945 0,7347 0,7310 0,7763 0,8217 0,8617 0,9126 0,9634 1,0143 1,0652 40 60 4,15 4,27 1,0072 1,0638 Продолжение табл. П8 1 2000 2200 2400 2500 2600 2800 3000 3200 3400 3600 2 6–12 14–28 30–50 55–80 90–100 8–10 12–25 28–45 50–70 80–100 8–10 12–22 25–40 45–65 70–100 8–10 12–22 25–40 45–60 65–100 8 10–22 25–38 40–60 65–100 8 10–20 22–36 38–55 60–100 8 10–18 20–34 36–50 55–100 10–18 20–32 34–50 55–100 12–16 18–30 32–45 50–100 12–20 22–28 30–40 45–100 3 4 40 60 80 100 120 40 60 80 100 120 40 60 80 100 120 40 60 80 100 120 40 60 80 100 120 40 60 80 100 120 40 60 80 100 120 60 80 100 120 60 80 100 120 60 80 100 120 500 550 600 625 650 700 750 800 850 900 179 5 4,59 4,71 4,84 4,96 5,09 5,52 5,66 5,80 5,94 6,08 6,54 6,70 6,85 7,00 7,15 7,09 7,25 7,40 7,56 7,72 7,65 7,82 7,98 8,14 8,31 8,85 9,03 9,20 9,38 9,55 10,13 10,32 10,51 10,70 10,89 11,70 11,90 12,10 12,30 13,17 13,38 13,60 13,81 14,73 14,95 15,18 15,40 6 1,1681 1,2309 1,2937 1,3565 1,4200 1,5395 1,6155 1,6915 1,7675 1,8444 1,9823 2,0727 2,1631 2,2536 2,3452 2,2323 2,3305 2,4286 2,5267 2,6262 2,5026 2,6087 2,7149 2,8210 2,9286 3,1067 3,2298 3,3529 3,4760 3,6009 3,8010 3,9423 4,0836 4,2249 4,3681 4,7523 4,9131 5,0738 5,2373 5,6662 5,8477 6,0292 6,2138 6,6902 6,8936 7,0971 7,3043 Окончание табл. П8 1 2 14 16–25 28–40 45–100 16–25 28–40 45–90 16–22 25, 28 3800 4000 4500 3 4 60 80 100 120 80 100 120 80 100 950 1000 1125 5 16,37 16,61 16,84 17,08 18,35 18,60 18,85 23,08 23,36 6 7,8305 8,0572 8,2839 8,5149 9,3446 9,5958 9,8520 13,1529 13,4710 Примечания: 1. Днища с диаметрами, заключенными в скобки, допускается применять для рубашек аппаратов. 2. Днища из двухслойной cтали допускается изготовлять с толщиной стенки 24 и 26 мм вместо 25 мм. Таблица П9 Размеры конических отбортованных стальных днищ с внутренними базовыми диаметрами (см. рис. 2.8, д), ГОСТ 12619–78 Пример условного обозначения днища с 2α = 60°, D = 500 мм и s=6 мм: «Днище 60–500–6 ГОСТ 12619–78». D, мм sц, мм hц, мм 1 2 4, 6 8, 10 12, 14 4, 6 8 10, 12 14 4 6, 8 10, 12 14, 16 3 30 40 50 30 40 50 60 30 40 50 60 800 900 1000 2α = 60° Hд, мм 4 735 821 908 2α = 90° Fд, мм2 Vд, мм3 5 1,22 1,25 1,28 1,50 1,53 1,56 1,59 1,81 1,84 1,88 1,93 180 6 0,152 0,157 0,162 0,211 0,217 0,224 0,230 0,283 0,291 0,299 0,307 Hд, мм 7 466 516 566 Fд, мм2 Vд, мм3 8 1,00 1,03 1,06 1,20 1,23 1,26 1,30 1,42 1,45 1,49 1,53 9 0,115 0,120 0,125 0,156 0,162 0,169 0,175 0,206 0,214 0,222 0,229 Продолжение табл. П9 1 2 6, 8 (1100) 10 12, 14 16 1200 (1300) 1400 (1500) 1600 (1700) 1800 (1900) 2000 6 8, 10 12, 14 16, 18 6 8, 10 12 14, 16 18, 20 6, 8 10, 12 14, 16 18, 20 6, 8 10, 12 14 16, 18 20, 22 6, 8 10 12, 14 16, 18 20–25 6, 8 10 12, 14 16 18 6 8, 10 12 14, 16 18–25 6 8, 10 12 14, 16 18 6 8 10, 12 14 16–22 25–30 3 40 50 60 70 40 50 60 70 40 50 60 70 80 50 60 70 80 50 60 70 80 100 50 60 70 80 100 50 60 70 80 100 50 60 70 80 100 50 60 70 80 100 50 60 70 80 100 120 4 997 1080 1168 1254 1340 1439 1525 1612 1698 1785 5 2,19 2,22 2,26 2,30 2,55 2,60 2,64 2,68 2,95 3,00 3,04 3,08 3,13 3,43 3,47 3,52 3,57 3,89 3,94 3,99 4,04 4,14 4,49 4,54 4,59 4,65 4,76 5,01 5,07 5,12 5,18 5,29 5,56 5,62 5,68 5,74 5,86 6,15 6,20 6,27 6,33 6,46 6,76 6,82 6,89 6,95 7,09 7,22 181 6 0,380 0,389 0,399 0,408 0,485 0,496 0,508 0,519 0,608 0,621 0,634 0,647 0,661 0,765 0,780 0,795 0,811 0,929 0,946 0,964 0,982 1,017 1,136 1,156 1,177 1,197 1,237 1,348 1,371 1,394 1,416 1,462 1,585 1,611 1,636 1,662 1,712 1,850 1,880 1,910 1,930 1,990 2,139 2,170 2,201 2,233 2,296 2,358 7 616 666 716 766 816 882 932 982 1032 1082 8 1,69 1,73 1,77 1,81 1,95 1,99 2,04 2,08 2,23 2,28 2,32 2,37 2,41 2,58 2,62 2,67 2,72 2,89 2,94 2,99 3,05 3,15 3,40 3,45 3,51 3,57 3,68 3,76 3,82 3,88 3,94 4,06 4,14 4,20 4,26 4,33 4,45 4,54 4,61 4,67 4,74 4,87 4,96 5,03 5,09 5,16 5,30 5,44 9 0,275 0,284 0,294 0,303 0,346 0,357 0,368 0,380 0,428 0,441 0,454 0,468 0,481 0,537 0,553 0,568 0,584 0,646 0,664 0,682 0,699 0,735 0,802 0,822 0,843 0,863 0,903 0,944 0,966 0,989 1,012 1,057 1,100 1,126 1,151 1,177 1,228 1,273 1,302 1,330 1,358 1,415 1,463 1,495 1,526 1,557 1,620 1,683 Окончание табл. П9 1 2 8 10 12, 14 16–22 25–30 8 10 12 14–18 20–28 8 10 12 14–18 20–25 8 10, 12 14–18 20, 22 8 10 12–16 18–22 10 12–16 18 10 12–16 18 3 60 70 80 100 120 60 70 80 100 120 60 70 80 100 120 70 80 100 120 70 80 100 120 80 100 120 80 100 120 3400 10–14 16, 18 100 120 3600 12, 14 16, 18 3800 4000 2200 2400 2500 2600 2800 3000 3200 4 5 8,14 8,20 8,28 8,42 8,57 9,56 9,64 9,72 9,88 10,04 10,32 10,40 10,48 10,65 10,81 11,20 11,28 11,45 11,62 12,86 12,95 13,13 13,31 14,74 14,93 15,13 16,92 17,12 17,33 6 2,845 2,883 2,921 2,997 3,073 3,647 3,693 3,738 3,828 3,919 4,100 4,149 4,198 4,296 4,394 4,640 4,693 4,800 4,906 5,737 5,799 5,922 6,045 7,065 7,206 7,348 8,611 8,771 8,932 3010 19,17 19,39 10,426 10,608 100 120 3185 21,33 21,57 12, 14–18 100 120 3358 12 14, 16 100 120 3530 1958 2130 2218 2303 2478 2650 2837 7 8 5,92 6,00 6,07 6,22 6,37 6,90 6,97 7,06 7,21 7,38 7,41 7,49 7,57 7,74 7,90 8,03 8,11 8,28 8,45 9,15 9,24 9,42 9,61 10,44 10,64 10,84 12,13 12,34 12,55 9 1,935 1,973 2,011 2,087 2,163 2,454 2,499 2,544 2,635 2,725 2,745 2,794 2,843 2,941 3,039 3,110 3,163 3,269 3,375 3,812 3,874 3,997 4,120 4,683 4,824 4,965 5,762 5,923 6,084 1804 13,72 13,95 6,989 7,170 12,277 12,480 1904 15,18 15,42 8,175 8,378 23,61 23,86 14,334 14,560 2004 16,72 16,96 9,486 9,713 26,01 26,26 16,608 16,859 2104 18,32 18,58 10,930 11,181 1182 1282 1332 1382 1482 1582 1704 Примечания: 1. Rб = 80 мм – для D < 700 мм, Rб = 160 мм – для D = 800…500 мм, Rб = 200 мм – для D = 1600…3000 мм, Rб = 250 мм – для D > 3200 мм. 2. Диаметры днищ, заключенные в скобки, предусмотрены только для обогревающих и охлаждающих рубашек. 3. Значения толщин стенок при s > 22 мм – 25, 28 и 30 мм. 182 Таблица П10 Размеры конических неотбортованных стальных днищ с внутренними базовыми диаметрами (см. рис. 2.8, е), ГОСТ 12620–78 Пример условного обозначения днища с 2α = 60° с D = 1000 мм и s = 6мм: «Днище 60–1000–6 ГОСT 12620–78». D, мм 2α = 60° sд , мм Hд, мм 1 2 3 3, 4, 6*1, 400 346 3, 4, 6, 500 433 3*2, 4, 6, 600 520 3 8* 700 606 800 692 900 4, 6, 8 779 1000 866 1200 1039 2α = 90° Fд, мм2 4 Vд, мм3 5 Hд, мм 0,25 0,39 0,56 2α = 120° Vд, мм3 8 Hд, мм 6 Fд, мм2 7 9 Fд, мм2 10 Vд , мм3 11 0,02 0,03 0,05 200 250 300 0,18 0,28 0,40 0,01 0,02 0,03 115 144 173 0,14 0,23 0,32 0,01 0,01 0,02 0,76 1,02 1,27 1,56 2,25 0,08 0,12 0,17 0,23 0,39 350 400 450 500 600 0,55 0,71 0,90 1,12 1,60 0,05 0,07 0,10 0,13 0,23 202 230 260 288 346 0,44 0,58 0,74 0,90 1,30 0,03 0,04 0,06 0,08 0,13 1400 6, 8, 10 1212 3,06 0,62 700 2,20 0,36 404 1,78 0,21 1600 6*2, 10, 1800 12*3 2000 2200 2400 8, 10, 12 2500 2600 2800 8, 10, 3000 12, 14*3 1386 1559 1732 1905 2078 2165 2252 2425 2598 3,99 5,05 6,24 7,55 8,99 9,81 10,55 12,23 14,04 0,93 1,32 1,82 2,42 3,14 3,56 3,99 4,98 6,13 800 900 1000 1100 1200 1250 1300 1400 1500 2,86 3,63 4,48 5,42 6,45 6,93 7,56 8,78 10,08 0,54 0,76 1,05 1,40 1,80 2,04 2,30 2,88 3,54 462 520 577 635 692 722 750 808 866 2,32 2,93 3,62 4,38 5,22 5,66 6,12 7,10 8,15 0,31 0,44 0,60 0,80 1,04 1,18 1,331,65 2,04 8*4, 10, 12, 14*5 2771 16,07 7,42 1600 11,35 4,30 924 9,27 2,48 10, 12, 14*5 2944 3117 3290 3464 18,15 20,34 22,65 25,10 8,90 10,55 12,42 14,50 12, 14, 16 – – – 1700 1800 1900 2000 2250 2500 12,82 14,37 16,00 17,74 22,45 27,72 5,14 6,10 7,18 8,38 11,93 16,36 981 1039 1097 1155 1299 1443 10,47 11,73 13,08 14,49 18,34 22,64 2,97 3,52 4,15 4,84 6,88 9,44 3200 3400 3600 3800 4000 4500 5000 183 Продолжение табл. П10 1 2 3 5600 12* , 14, 16, 18*1, 6300 12*3, 14*3, 16, 18*1 *1 Только для *2 -//*3 -//4 * -//*5 -//- 3 4 5 6 2800 7 34,76 8 22,98 9 1616 10 28,40 11 13,26 – – – 3150 44,00 32,72 1818 35,94 18,89 2α = 120°; 2α = 60 и 90°; 2α = 90°; 2α = 60°; 2α = 90 и 120о. Таблица П11 Размеры плоских стальных отбортованных (ГОСТ 12622–78) и неотбортованных (ГОСТ 12623–78) днищ для корпусов с внутренними базовыми диаметрами Пример условного обозначения отбортованного днища с D = 1000 мм и s = 6 мм: «Днище 1000–6 ГОСТ 12622–78» Отбортованные (см. рис. 2.8, ж) D, мм 1 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2500 2600 2800 3000 Неотбортованные (см. рис. 2.8, и) sд, мм Fд, мм2 Vд, мм3 sд, мм Dн, мм 2 3 0,18 0,26 0,36 0,48 0,62 0,77 0,93 1,30 1,75 2,25 2,80 3,43 4,12 4,88 5,28 5,69 6,57 7,50 4 0,007 0,010 0,015 0,021 0,030 0,038 0,046 0,067 0,091 0,120 0,152 0,187 0,227 0,270 0,293 0,317 0,368 0,422 5 3–6 3–6 4, 6 4–10 4–10 4–12 4–12 4–12 4–12 4–12 4–14 4–14 6 430 530 630 740 840 940 1040 1240 1440 1640 1840 2040 2250 2450 2550 2650 2850 3060 4, 6 6, 8 8, 10 184 6–16 Продолжение табл. П11 1 2 3 4 5 6 3200 8–12 8,51 0,500 6–16 3260 3400 10, 12 9,58 0,565 6–16 3460 3600 10, 12 10,70 0,633 6–20 3660 3800 10, 12 11,90 0,706 6–20 3860 4000 10, 12 13,15 0,782 6–20 4060 4500 4560 5000 – – – 8–20; 25 5060 5600 5660 Примечание: Rб = 30 мм; hц =25 мм – для D < 700 мм, hц = 30 мм – для D > 800 мм. Таблица П12 Основные данные неразъемных рубашек с эллиптическими днищами Пример условного обозначения рубашки исполнения 1 при D1 = 1100 мм, Н = 1197 мм, р = 0,6 МПа с отбортовкой (О) и с кольцом (К): «Рубашка 1100–1197–6–O ОСТ 26-01-985–82» «Рубашка 1100–1197–6–К ОСТ 26-01-986–82» Dв, мм 1 219 Dр, мм 2 273 273 325 325 377 377 426 400 450 500 550 4 0,16 0,18 0,26 Н, мм 5 234 197 297 H1, мм 6 150 100 200 0,025 0,040 0,28 0,45 260 430 150 320 0,040 0,040 0,063 0,100 0,125 0,100 0,100 0,160 0,320 0,40 0,40 0,60 0,80 1,30 0,60 0,80 0,90 l,50 302 255 410 580 780 305 435 605 1355 180 125 4,000 9,40 280 5,000 10,50 450 6,300 13,40 650 1800 1900 8,000 17,90 150 10,000 21,40 280 12,500 27,10 450 1200 V, м3 F, м2 3 0,010 0,010 0,016 Dв, мм 7 Dр, мм 8 1600 1700 185 V, м3 F, м2 9 3,200 4,000 4,000 5,000 6,300 8,000 10 7,80 9,60 10,40 11,40 15,50 19,50 Н, мм 11 1349 1699 1849 2049 2849 3649 H1, мм 12 900 1250 1400 1600 2400 3200 1399 1599 2099 2899 3499 4499 900 1100 1600 2400 3000 4000 Продолжение табл. П12 1 2 3 4 5 6 7 600 650 0,160 0,200 0,250 0,320 0,90 1,10 1,50 1,90 400 530 730 930 220 350 550 750 700 800 0,250 0,320 0,400 1,20 1,70 2,10 459 659 859 250 450 650 0,400 0,500 0,500 0,630 0,800 1,000 1,250 1,70 2,00 2,40 2,60 3,40 4,40 5,90 554 684; 834, 934 1234 1634 2234 8 9 6,300 8,000 2000 2200 10,000 16,000 8,000 10,000 2200 2400 12,100 16,000 20,000 10 11 12 13,00 16,20 21,30 31,50 16,00 17,40 23,00 28,60 35,60 1659 2153 2953 4553 2013 2213 3013 3813 4813 1100 1600 2400 4000 1400 1600 2400 3200 4200 320 450 12,500 19,60 2263 1600 600 12,500 22,60 2663 2000 800 900 700 2400 2600 16,000 26,40 3163 2500 1000 20,000 31,70 3863 3200 1400 25,000 39,30 4863 4200 2000 16,000 25,10 2713 2000 0,400 1,60 439 180 20,000 30,00 3313 2600 0,630 2,30 709 | 450 900 1000 2600 2800 20,000 31,70 3513 2800 0,800 3,40 1059 800 25,000 38,30 4313 3600 1,000 3,90 1259 1000 32,000 48,10 5513 4800 16,000 24,20 2363 1600 0,630 2,20 579 280 20,000 28,60 2863 2100 0,800 3,00 849 550 20,000 31,30 3163 2400 1,000 3,50 999 700 25,000 34,80 3563 2800 1000 1100 1,250 4,50 1299 1000 2800 3000 25,000 36,60 3763 3000 1,600 5,70 1699 1400 32,000 43,70 4563 3800 2,000 7,70 2299 2000 32,000 47,20 4963 4200 2,500 9,30 2799 2500 40,000 56,00 5963 5200 1,000 3,10 669 320 1,250 3,90 899 550 1,600 5,30 1249 900 1200 1300 2,000 6,10 1449 1100 25,000 33,30 3113 2300 2,500 7,60 1849 1500 25,000 35,20 3313 2500 3,200 10,30 2549 2200 3000 3200 32,000 41,80 4013 3200 32,000 43,70 4213 3400 1,600 4,50 849 450 50,000 66,40 6613 5800 2,000 5,40 1049 650 1400 1500 2,500 6,90 1399 1000 3,200 8,70 1799 1400 5,000 14,50 3099 2700 Примечания: 1. Указанные диаметры аппарата D для значений до 377 мм и рубашек Dр для значений до 426 мм наружные (обечайки изготовляются из сварных труб), остальные диаметры – внутренние (обечайки – из вальцованных листов). 2. Значения D2 соответствуют следующим значениям D, мм: D До 500 600 – 1000 1200 – 1800 Cв. 2000 D2 100 140 200 250 3. Для Dр ≤ 2200 мм h = 30 мм, для Dр > 2200 мм h = 40 мм (см. рис. 2.20). 186 Таблица П13 Основные данные неразъемных рубашек с коническими днищами (по ОСТ 26-01-985-82; ОСТ 26-01-986-82) исполнение 1 исполнение 2 Условное обозначение рубашки Dp = 800 мм, Н = 900 мм, α= 90º, s = 4 мм, s1 = 6 мм, исполнения 1: «Рубашка 1–800–900–4/6 ОСТ 26-01985–82» Условное обозначение рубашки Dp = 1200 мм, Н = 1510 мм, α= 60º, s = 6 мм, s1 = 6 мм, исполнения 2: «Рубашка 2–1200–600–4/6 ОСТ 2601-986–82» При 2α = 90° F, м2 H, мм Н1, мм 4 5 6 При 2α =60° F, м2 H, мм Н1, мм 8 9 10 D, мм Dр, мм 1 2 273 325 0,010 0,018 0,2 0,3 224 274 100 150 0,016 0,3 336 150 325 377 0,025 0,3 302 150 0,025 0,3 358 125 377 426 0,063 0,7 581 400 0,040 0,5 427 150 400 450 0,063 0,100 0,5 0,8 367 637 180 450 0,063 0,100 0,7 0,8 503 623 200 320 500 550 0,100 0,160 0,6 1.2 378 703 125 450 0,125 0,200 0,9 1,6 613 943 220 550 600 650 0,160 0,250 0,9 1,4 474 744 180 450 0,250 1,6 858 400 700 800 0,250 0,400 1,2 1,9 559 879 180 500 0,320 0,400 0,500 1,6 2,3 2,7 795 1045 1245 200 450 650 800 900 0,400 0,630 1,8 2,7 715 1085 280 650 0,500 0,630 2,1 2,7 1035 1335 350 650 900 1000 0,630 2,4 891 400 0,630 2,3 1056 280 3 V, м 3 187 3 V, м 7 Продолжение табл. П13 1 2 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2200 2200 2400 2400 2600 2600 2800 2800 3000 3 0,800 1,000 1,250 1,600 1,25 1,60 2,00 2,50 2,00 2,50 3,20 3,20 4,00 5,00 4 2,9 3,7 4,8 6,1 3,7 4,9 6,4 7,9 5,4 6,5 8,5 7,3 9,3 11,4 5 947 1197 1547 1947 1034 1334 1734 2134 1296 1546 1996 1558 1958 2358 6 400 650 1000 1400 400 700 1100 1500 1550 800 1250 700 1100 1500 7 0,800 1,000 1,250 1,600 1,25 1,60 2,00 2,50 2,00 2,50 3,20 3,20 4,00 5,00 8 2,7 3,3 4,5 6,1 3,6 4,6 6,1 7,6 4,7 6,0 8,3 6,9 8,7 11,8 9 1147 1317 1667 2117 1285 1505 1905 2255 1466 1736 2186 1817 2167 2767 10 280 450 800 1250 280 500 900 1250 280 550 1000 450 800 1400 5,00 6,30 11,0 13,3 2070 2470 1100 1500 5,00 6,30 10,4 12,7 2348 2748 800 1200 8,00 8,00 – – 8,00 10,00 12,50 12,50 12,50 12,50 16,00 16,00 16,00 20,00 20,00 20,00 20,00 25,00 25,00 32,00 32,00 40,00 14,8 2492 16,1 2692 – – – – 14,0 2190 17,5 2690 22,4 3390 23,8 3590 19,9 2702 20,4 2902 25,7 3602 26,0 3414 28,5 1 3714 29,4 3814 31,0 4014 25,3 3126 29,7 3626 35,9 4326 37,7 4526 43,0 5126 46,6 5526 55,4 6526 1400 1600 – – 1000 1500 2200 2400 1400 1600 2300 2000 2300 2400 2600 1600 2100 2800 3000 3800 4000 5000 8,00 12,50 16,00 16,00 8,00 8,00 10,00 10,00 14,1 23,0 30,7 32,0 13,0 14,4 15,5 17,2 2855 4255 5355 5555 2517 2717 2917 3117 1100 2500 3600 3800 600 800 1000 1200 10,00 15,9 2899 800 10,00 16,00 16,00 – 16,00 16,00 20,00 20,00 25,00 25,00 – 13,4 22,1 24,6 – 20,3 22,5 25,6 29,2 34,5 36,3 – 2500 3480 3780 – 3211 3461 3711 4061 4761 4961 – 220 1200 1500 – 750 1000 1250 1600 2300 2500 – Примечания: 1. Указанные диаметры аппарата D для значений до 377 мм и рубашек Dр для значений до 426 мм наружные (обечайки изготовляются из сварных труб), остальные диаметры внутренние (обечайки – из вальцованных листов). 2. Значениям D соответствуют следующие значения D2, мм, D До 500 600–1000 1200–1800 2000 и более D2 90 120 170 220 3. Для Dр ≤ 2200 мм h = 30 мм, для Dр > 2200 мм h = 40 мм (см. рис. 2.20). 188 Таблица П14 Рубашки отъемные с эллиптическим отбортованным днищем стальные (по МН 4061–62) Условное обозначение рубашки типа I с Dв = 800 мм, H1 = 715 мм на рр = 1,0 МПа: «Рубашка I–800–715–10 МН 4061–62» Расчетное давление в рубашке рр, МПа 0,3 0,6 1,0 m1*, m2*, m1*, m2*, Dф, Dб, dб, m1*, m2*, кг кг кг кг мм мм мм кг кг Dв, мм Н, мм H1, мм 0,1 m1*, m2*, кг кг 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 500 820 705 70,0 84,0 70,0 84,0 72,0 86,0 690 650 М20 94,2 108 600 945 830 87,0 91,0 90,0 104 108 122 800 750 11 12 13 14 132 146 М24 700 1090 950 142 156 146 160 160 174 950 900 201 215 800 855 715 1305 1165 146 182 160 196 151 187 165 201 166 201 180 221 235 1050 1000 М27 215 266 277 900 1030 890 1630 1490 219 273 233 287 206 280 219 294 230 304 244 1185 1125 318 338 342 428 442 М30 1355 1215 1000 1655 1515 2255 2115 271 313 392 285 327 406 272 314 394 276 327 408 189 298 340 420 312 354 1285 1225 434 476 490 541 555 672 686 Продолжение табл. П14 1 2 3 1555 1415 1200 1805 1665 2305 2165 4 5 6 7 8 9 10 11 359 399 479 373 413 493 369 409 489 483 423 503 433 473 553 447 487 1485 1425 567 12 13 14 668 681 732 745 860 873 М30 1465 1320 1400 1765 1620 2165 2020 1680 2230 1600 2680 3130 1730 2080 1800 2580 3280 456 510 585 469 523 598 479 535 610 493 584 622 589 654 744 602 667 1685 1625 757 1535 698 711 760 2085 840 853 902 2535 949 962 1012 2985 1062 1075 1125 1585 800 813 871 1935 899 912 970 2435 1038 1051 1109 3135 1235 1248 1305 773 915 1024 1138 784 983 1122 1318 870 1013 1122 1236 1099 1225 1417 1679 883 1025 1135 1249 1112 1238 1430 1692 827 840 894 1007 1114 1127 2160 1965 1250 1263 1310 1323 1603 1616 2000 2810 2615 1360 1373 1523 1536 1883 1897 3360 3165 1442 1455 1703 1716 2123 2136 2310 2115 1468 1481 1588 1601 1875 1888 2200 2860 2665 1664 1677 1784 1797 2073 2086 3410 3215 1858 1871 1978 1991 2383 2396 2400 3060 2865 2225 2238 2354 2367 3860 3665 2635 2648 2764 2777 – – 3210 3015 2670 2683 2600 4010 3815 3205 3218 5010 4815 3799 3812 – – – – 2860 2665 2888 2901 2800 3560 3365 3298 3311 5460 5265 4425 4438 – – – – – – – – – Примечания: Масса рубашек подсчитана для углеродистой стали при ρ = 7850 кг/м3. Для получения массы рубашек из высоколегированной стали надлежит применить коэффициент 1,01 *m1 и m2 – масса для I и II типов рубашек 190 Таблица П15 Рубашки отъемные с коническим отбортованным днищем и нижним выпуском стальные (по МН 4062–62) Условное обозначение рубашки с Dр = 800 мм, Н1 = 1065 мм на рр = 0,6 МПа: «Рубашка 800–1065–6 МН 4062–62» 0,1 Расчетное давление в рубашке, рр, МПа 0,3 0,6 Н, мм H1, мм 500 985 875 670 630 84,3 670 630 84,3 670 630 87,5 600 1045 930 770 730 99,1 770 730 103 770 730 122 700 1205 1065 920 880 145 920 880 150 920 880 М20 164 900 1265 1125 1130 1090 219 1130 1090 М20 224 1130 1090 246 282 1230 1190 284 1230 1190 310 Dв, мм Dф, Dб, dб, Масса, Dф, Dб, dб, Масса, Dф, Dб, dб, Масса, кг кг кг мм мм мм мм мм мм мм мм мм 1000 1575 1435 1230 1190 2185 2045 1430 1390 2685 2545 1805 1660 1400 1630 1590 2605 2460 2520 2375 1600 1830 1790 3020 2875 2630 2485 1800 2030 1990 3030 2885 1200 2000 3260 3065 2350 2300 2200 М20 429 510 432 584 679 907 896 1015 440 516 455 1630 1590 609 841 1850 1800 969 М24 966 2050 2000 1084 503 585 М24 613 1650 1600 834 944 1860 1800 1072 1297 2060 2000 М30 1445 1191 2350 2300 М27 1453 2360 2300 1790 1430 1390 1450 1400 М24 1584 3375 3180 1705 2550 2500 2560 2500 2560 2500 4075 3880 1837 М30 1957 2400 4385 41901 2760 2710 2526 2760 2710 2209 2459 2654 – – – – 2800 4110 3915 3160 3110 М27 2922 – – – – 5210 5015 3570 Примечания: Масса рубашек подсчитана для углеродистой стали при ρ = 7850 кг/м3. Для получения массы рубашек из высоколегированной стали надлежит применить коэффициент 1,01. 191 Таблица П16 Фланцы сосудов и аппаратов стальные плоские приварные ГОСТ 28759.2–90 Пример условного обозначения фланца исполнения 1 диаметром 1200 мм на условное давление 0,6 МПа при высоте втулки 150 мм из стали 20 «Фланец 1–1200–0,6–150 Ст 20 ГОСТ 28759.2–90» D2, мм D3, мм D4, мм а, мм D5, а1, b, s, d, мм мм мм мм мм 1 2 3 4 5 6 7 520 480 444 452 400 (450) 500 (550) 600 (650) 700 800 443 8 9 25 30 535 495 458 466 457 35 570 530 494 502 493 25 30 590 550 514 522 513 40 13,5 620 580 544 552 543 25 35 640 600 564 672 663 40 670 630 594 602 593 25 35 690 650 614 622 613 40 25 720 680 644 652 643 30 12 35 740 700 664 672 663 40 25 770 730 694 702 693 30 35 790 750 714 722 713 45 14 25 820 780 744 752 743 35 840 800 764 772 763 50 25 920 880 842 852 841 35 40 945 905 866 876 865 55 192 10 11 количество, шт D1, мм диаметр, мм Внутренний диаметр аппарата D, мм Болты, шпильки Давление условное, МПа 12 13 14 16 0,6 1,0 1,6 0,6 1,0 1,6 0,6 1,0 1,6 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 6 20 8 24 10 20 8 24 10 20 8 28 10 8 23 М20 20 24 10 28 8 24 28 10 12 32 8 24 28 10 12 32 8 28 32 10 12 40 Продолжение табл. П16 1 2 3 4 5 1000 1100 1200 (1300) 1400 (1500) 1600 (1700) 1800 7 8 9 30 35 14 12 50 1045 1005 966 976 965 60 30 1130 1090 1052 1062 1050 40 50 1145 1105 1066 1076 1064 65 30 1230 1190 1150 1162 1148 40 55 1250 1210 1168 1180 1166 70 35 1,26 1330 1248 1260 1246 0 45 15,5 13 60 1350 1310 1268 1280 1266 75 35 1430 1390 1348 1360 1346 45 60 1450 1410 1368 1380 1366 75 35 1530 1490 1448 1460 1446 50 60 1550 1510 1470 1484 1468 80 35 1630 1590 1548 1560 1545 55 17 1650 1610 1570 1584 1568 65 1680 1630 1582 1598 1580 80 35 1730 1690 1648 1660 1645 55 70 1780 1730 1682 1696 1679 85 14 40 1830 1790 1748 1760 1745 60 17,5 75 1880 1830 1782 1795 1779 90 40 1930 1890 1848 1860 1845 60 80 1980 1930 1882 1896 1879 95 1030 990 952 962 900 6 951 193 10 11 12 8 10 12 8 10 13 14 32 36 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 40 36 12 44 8 10 40 М20 12 52 8 10 23 12 14 8 10 12 14 8 10 14 44 56 44 48 60 48 52 М23 68 8 10 14 16 27 М24 52 56 10 23 М20 60 16 27 М24 68 76 10 23 М20 64 16 27 М24 80 84 64 68 10 23 М20 16 27 М24 68 84 Окончание табл. П16 1 2 3 4 5 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 7 8 9 10 11 45 10 65 12 85 16 2085 2035 1986 2000 17,5 1983 14 96 18 50 10 2130 2090 2046 2060 2043 70 12 85 16 2185 2135 2086 2100 21,5 2083 18 100 18 55 10 22,4 2330 2290 2260 17,5 2243 14 6 70 12 90 18 2385 2335 2286 2300 21,5 2283 18 100 20 60 10 2530 2490 2446 2460 17,5 2443 14 80 12 2595 2540 2490 2505 2487 100 18 21,5 2610 2550 2496 2510 2493 130 20 65 10 2750 2705 2656 2670 2653 95 12 2800 2745 2695 2710 2692 115 18 65 2950 2905 2856 2870 2853 12 18 105 3000 2945 2895 2910 22 2892 120 20 70 3150 3105 3066 3070 3053 12 115 3220 3160 3106 3120 3103 135 20 80 3350 3305 3256 3270 3253 12 130 3420 3360 3306 3320 27 3303 23 145 20 3580 3520 3466 3480 3463 95 3780 3720 3666 3680 22 3663 105 18 12 3980 3920 3866 3880 3863 115 4180 4120 4066 4080 23 4063 125 2030 1990 1946 1960 (1900) 6 1943 12 23 М20 27 М24 23 М20 27 М24 23 М20 27 М24 23 М20 30 М27 33 М30 27 М24 30 М27 27 М24 30 М27 27 М24 33 М30 27 М24 М30 33 М20 13 14 64 68 84 92 68 72 84 92 72 80 88 104 80 88 92 88 84 88 96 88 92 108 92 100 96 100 108 104 88 92 96 104 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 0,3 0,6 1,0 0,3 0,6 1,0 0,3 0,6 1,0 0,3 Примечания: 1. При применении прокладки из фторопласта - 4 размер D3 равен D5 и размер а равен а + 0,6. 2. Размеры, указанные в скобках, применять не рекомендуется. 194 Таблица П17 Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык ГОСТ 28759.3–90 Пример условного обозначения фланца исполнения 1 диаметром 1200 мм на условное давление 2,5 МПа из стали 12Х18Н10Т «Фланец 1–1200–2,5–12Х18Н10Т ГОСТ 28759.3–90» D1, мм D2, мм D3, мм D4, мм а, мм D5, а1, D6, мм мм мм D7, мм b, мм H, d, мм мм 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 535 495 400 13,5 458 466 590 530 590 550 12 457 15,5 514 450 640 580 508 15,5 507 640 600 564 13,5 563 572 695 635 558 15,5 557 740 700 664 14 600 795 735 820 750 658 670 672 685 16 663 657 669 9 412 418 424 14 428 13,5 513 12 522 500 8 464 432 436 440 454 460 482 486 490 472 474 14 510 478 532 514 12 536 522 544 524 560 14 532 568 614 634 12 616 640 624 648 630 664 14 640 680 195 35 40 50 70 35 45 50 75 35 45 60 75 35 50 65 85 65 70 75 95 120 65 70 75 105 120 65 70 80 115 130 65 70 85 115 145 13 диаметр, мм количество, шт Давление условное, МПа Внутренний диаметр аппарата, D, мм Болты, шпильки 14 23 М20 15 20 24 33 М30 20 23 М20 24 33 М30 20 23 М20 24 28 33 М30 24 23 М20 28 32 33 М30 28 16 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 Продолжение табл. П17 1 2 3 11 12 736 35 14 740 45 850 810 774 782 754 50 895 835 758 772 766 75 16 945 875 775 790 792 95 838 40 945 905 866 876 865 818 14 12 846 45 955 915 876 88 875 830 860 55 1005 945 870 868 838 876 75 20,5 18 1055 985 885 910 883 848 904 95 918 940 45 1045 1005 966 976 965 14 12 920 948 50 1070 1020 978 977 932 962 55 978 1110 1050 970 968 940 980 80 20,5 18 1180 1110 900 1005 988 952 1020 105 1020 1044 50 1145 1105 1066 1076 1064 15,5 13 1024 1050 55 1175 1125 1030 1078 1036 1066 60 1092 1240 1170 1075 1073 1042 1088 90 20,5 18 1300 1220 1095 1110 1093 1056 1126 115 1120 1144 50 1250 1210 1168 1180 15,5 1166 13 1124 1152 60 1285 1235 1136 1172 65 1190 1205 1188 1345 1275 28 25 1144 1192 100 1410 1330 1206 1224 1203 1164 1236 120 1220 1248 50 1350 1310 1268 1280 1266 15,5 13 1224 1256 60 1400 1345 1206 1294 1238 1276 70 1310 1455 1385 1290 1287 1248 1302 105 28 25 1520 1440 1310 1326 1307 1268 1346 120 1320 1352 55 1450 1410 1368 1380 1363 15,5 13 1326 1360 65 1505 1450 1400 1398 1338 1380 70 1414 1560 1190 1390 1387 1350 1408 105 28 25 1655 1565 1418 1435 1115 1372 1456 130 1420 1452 55 1550 1510 1470 1484 1168 15,5 13 1430 1460 65 1610 1555 1506 1504 1438 1484 75 1520 1670 1600 1495 1492 1454 1516 105 28 25 1770 1075 1522 1545 1519 1176 1562 145 65 80 90 125 165 70 85 100 130 180 80 95 100 140 205 85 95 105 160 220 85 100 120 170 225 95 110 130 185 235 105 115 135 190 255 105 110 115 200 275 840 800 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 4 764 5 772 6 7 8 9 716 12 718 773 728 757 732 14 774 744 763 196 10 13 14 15 23 М20 32 40 33 М30 32 40 М36 28 23 М20 40 48 33 М30 36 40 М36 23 М20 40 27 М24 48 33 М30 40 40 М36 23 М20 44 27 М24 52 40 М36 40 46 М42 23 М20 52 27 М24 56 40 М36 44 46 М42 23 M20 56 30 М27 40 М36 48 46 М42 23 М20 60 30 М27 40 М36 52 52 М48 48 23 М20 68 30 М27 64 40 М36 56 58 М52 44 16 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4.0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 Окончание табл. П17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1650 1610 1570 1584 1568 1524 1558 55 1680 1633 1582 1598 17 1580 14 1532 1564 65 (1500) 1720 1660 1603 1606 1542 1590 75 1620 1815 1730 1604 1601 1560 1632 115 28,5 25 1880 1785 1627 1645 1624 1580 1672 150 1626 1660 55 1780 1730 1682 1696 1679 17,5 14 1634 1668 65 1600 1820 1760 1642 1690 80 1708 1720 1705 1915 1830 1664 1732 125 28,5 25 1995 1900 1732 1750 1729 1686 1784 155 1828 1864 60 1980 1930 1882 1896 1879 1800 17,5 14 1836 1872 70 2025 1965 1910 1928 1907 1842 1896 90 2028 2064 65 2185 2135 2086 2100 2083 2000 2036 2074 80 2235 2175 2116 2130 2113 2044 2104 105 21,5 2228 2270 70 2200 2385 2335 2286 2300 2283 2236 2273 85 2595 2540 2490 2505 2487 2432 2470 80 2400 2610 2550 2496 2510 2493 18 2440 2480 110 2800 2745 2695 2710 2692 2632 2676 85 2600 2815 2755 2700 2715 2697 2644 2684 115 3000 2945 2895 2910 2392 2836 2876 90 2800 22 3020 2960 2906 2920 2903 2848 2884 125 3036 3080 100 3000 3220 3160 3106 3120 3103 3048 3090 135 3236 3284 105 3200 3420 3360 3306 3320 3303 3252 3292 145 3600 3540 3486 3500 3483 3466 75 3400 3440 3620 3560 3506 3520 3503 3486 115 27 3800 3740 3686 3700 3083 3640 3666 75 23 3600 3820 3760 3706 3720 3703 3644 3686 125 4010 3950 3896 3910 3893 3840 3870 85 3800 4050 3980 3916 3930 3913 3848 3890 125 4220 4160 4106 4120 27,5 4103 4040 4080 90 4000 4250 4180 4116 4130 28 4113 4050 4096 125 105 115 145 215 285 105 115 155 225 300 115 125 170 130 140 195 135 150 135 170 150 175 150 180 160 200 175 205 115 185 115 190 130 190 150 195 23 M20 27 М24 33 М30 46 М42 58 М52 27 М24 33 М30 46 М42 58 М52 15 68 64 56 52 68 76 68 60 56 27 М24 84 33 М30 80 84 27 М24 92 33 М30 80 88 27 М24 104 30 М27 92 33 М30 88 30 М27 96 33 М30 30 М27 108 104 96 116 104 33 М30 124 100 108 104 112 33 М30 108 40 М36 100 33 М30 112 40 М36 108 16 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 1,0 1,6 2,5 1,0 1,6 2,5 1,0 1,6 1,0 1,6 1,0 1,6 1,0 1,6 1,0 1,6 1,0 1,6 0,6 1,0 0,6 1,0 0,6 1,0 0,6 1,0 Примечания: 1. При применении прокладки из фторопласта - 4 размер D3 равен D5 и размер а равен а1 + 0,6. 2. Размеры, указанные в скобках, применять не рекомендуется. 197 Таблица П18 Типы штуцеров и пределы их применения в зависимости от давления и температуры среды, ОСТ 26-1403–76 Тип и исполнение Обозначение стандарта Пределы применения ру, МПа Dу, мм 125–500 25–500 50–500 50–500 20–500 Штуцера с фланцами стальными плоскими приварными с соединительным выступом (рис. 2.21, а) ОСТ 20-1404–70 0,25 0,6 1,0 1,6 2,5 Штуцера с фланцами стальными плоскими приварными с выступом (исполнение 1) или впадиной (исполнение 2) ОСТ 26-1405–76 1,0 1,6 2,5 50–500 50–500 20–500 ОСТ 26-1406–76 0,6 1,0 1,6 2,5 25–500 50–500 50–500 20–500 ОСТ 26-1407–76 0,6 1,0 1,6 2,5 25–500 200–500 50–500 20–500 0,6 1,0 1,6 2,5 4,0 6,4 0,6 1,0 1,6 2,5 4,0 6,4 25–500 200–500 50–500 200–500 20–500 20–500 25–500 200–500 50–500 200–500 20–500 20–500 6,4 10,0 16,0 20–400 20–400 20–400 Штуцера с фланцами стальными плоскими приварными с шипом (исполнение 1) или пазом (исполнение 2) Штуцера с фланцами стальными приварными встык с соединительным выступом (рис. 2.21, б) Штуцера с фланцами стальными приварными встык с выступом (исполнение 1) или впадиной (исполнение 2) ОСТ 26-1408–76 Штуцера с фланцами стальными приварными встык с шипом (исполнение 1) или пазом (исполнение 2) ОСТ 26-1409–76 Штуцера с фланцами стальными приварными встык под прокладку овального сечения ОСТ 26-1410–76 198 Допускаемая рабочая температура, °С от до +300 –70 +550 +600 Продолжение табл. П18 Тип и исполнение Штуцера толстостенные кованые с соединительным выступом, тип 1 (рис. 2.21, в) Обозначение стандарта ОСТ 26-1412–76 Пределы применения ру, МПа Dу, мм 1,6 2,5 50–80 20–80 Допускаемая рабочая температура, о С от до +550 Штуцера толстостенные кованые с выступом (исполнение 1) или впадиной (исполнение 2), тип 1 ОСТ 26-1413–76 1,6 4,0 50–80 20–80 Штуцера толстостенные кованые под прокладку овального сечения, тип 1 ОСТ 26-1415–76 6,4 10,0 16,0 20–80 20–80 20–80 Штуцера с толстостенными патрубками, с фланцами приварными встык, с соединительным выступом, тип 2 (рис. 2.21, г) ОСТ 26-1412–76 1,6 2,5 50–500 50–500 ОСТ 26-1413–76 1,6 2,5 4,0 6,4 50–500 200–500 50–500 50–500 Штуцера с толстостенными патрубками, с фланцами приварными встык, с шипом (исполнение 1) или пазом (исполнение 2), тип 2 ОСТ 26-1414–76 1,6 2,5 4,0 6,4 50–500 200–500 50–500 50–500 Штуцера с толстостенными патрубками, с фланцами приварными встык под прокладку овального сечения, тип 2 ОСТ 26-1415–76 6,4 10,0 16,0 50–400 50–400 50–400 Штуцера с толстостенными патрубками, с фланцами приварными встык, с выступом (исполнение 1) или впадиной (исполнение 2), тип 2 199 +600 –70 +550 +600 Таблица П19 Штуцера с фланцами стальными плоскими приварными с соединительным выступом (АТК 24.218.06–90) D D1 D2 b d d l H Пример условного обозначения штуцера Dу = 500 мм, Ру = 1,0 МПа, типа 1, исполнения 1, l = 230 мм, фланец из стали 20, патрубок из стали 20: h dв B «Штуцер 500–1,0–1–4–230–20 АТК 24.218.06–90» s dн Dy, мм dв, мм D, мм D1, мм D2, мм b, мм h, мм d, мм n, шт l, мм H, мм dн, мм s, мм Масса, кг 10 11 12 13 14 150 210 150 210 150 210 150 210 150 210 150 210 150 210 150 210 150 210 180 240 180 240 200 260 200 260 155 215 155 215 155 215 155 215 155 215 155 215 155 215 160 220 160 220 190 250 193 253 213 273 213 273 рy = 0,6 МПа (6 кгс/см2) 1 2 3 4 5 6 7 8 25 33 100 75 60 12 2 11 32 39 120 90 70 40 46 130 100 80 13 9 14 4 50 59 140 110 90 80 91 185 150 128 100 110 205 170 148 150 161 260 225 202 15 3 17 18 8 200 222 315 280 258 250 276 370 335 312 19 20 300 328 435 395 365 350 380 485 445 415 12 22 4 400 429 535 495 465 24 500 534 640 600 570 25 22 16 200 32 38 45 57 89 108 159 219 273 325 377 426 530 1,1 1,2 1,4 3,5 1,6 1,7 2,0 2,1 4,0 2,4 4,0 5,0 4,6 5,2 6,1 6,0 7,9 9,2 12,1 8,0 14,6 17,4 21,3 10,0 24,3 28,9 32,0 38,5 40,0 12,0 47,5 51,5 60,5 Продолжение табл. П19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 180 190 240 250 180 191 240 251 200 211 260 271 200 213 260 273 200 213 260 273 230 243 290 303 160 165 220 225 160 165 220 225 180 185 240 245 160 190 240 250 180 190 240 250 200 210 260 270 200 210 260 270 230 240 290 300 240 255 12 13 219 8 14 рy = 1,0 МПа (10 кгс/см2) 200 222 335 295 268 21 8 3 250 276 390 350 320 23 22 300 328 440 400 12 370 24 350 380 500 450 430 4 400 429 565 515 482 16 26 26 500 534 670 620 585 28 20 18,0 22,4 273 10 325 26,3 28,4 33,0 37,5 377 426 15,5 44,0 12 46,0 53,5 63,0 530 72,0 рy = 1,6 МПа (16 кгс/см2) 80 91 195 160 133 21 4 18 100 110 215 180 158 23 8 150 161 280 240 212 25 3 22 203 222 335 295 258 27 250 276 405 355 320 28 12 26 300 328 460 410 370 28 350 380 520 470 430 30 400 429 580 525 462 34 500 534 710 650 585 44 4 30 33 201 16 20 89 5 6 153 8 12,0 17,6 20,0 26,0 10 325 30,0 33,3 38,0 44,5 377 530 8,0 13,2 273 426 6,0 7,1 108 219 5,4 51,0 12 59,2 66,5 93,8 Окончание табл. П19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 150 155 210 215 150 155 210 215 150 155 210 215 160 165 220 225 160 165 220 225 160 165 220 225 160 165 220 225 180 185 240 245 180 185 240 245 180 190 240 250 180 190 240 250 200 210 260 270 230 243 290 303 250 263 310 323 260 273 320 333 12 13 14 рy = 2,5 МПа (25 кгс/см2) 15 19 95 65 47 20 26 105 75 58 14 14 16 25 33 115 85 2 68 4 32 39 135 100 78 18 40 46 145 110 88 19 18 50 59 160 125 102 21 80 91 195 160 133 23 6 100 110 230 190 158 25 150 161 300 250 212 27 3 22 8 26 200 222 360 310 278 29 12 250 276 425 370 335 31 30 300 328 485 430 390 32 350 380 550 490 450 38 16 4 400 429 610 550 505 40 500 534 730 660 615 48 33 39 202 20 0,9 18 1,0 1,3 25 32 1,4 3,5 2,4 2,8 45 3,0 57 4,5 89 5,5 108 6,5 159 6 219 8 3,5 3,9 5,8 6,4 8,6 9,6 20,9 23,4 14,3 15,6 30,6 273 10 325 34,5 39,5 44,2 59,2 377 530 1,7 2,3 38 426 1,6 65,7 12 75,3 82,6 107,2 116,4 Таблица П20 Штуцера с фланцами стальными приварными встык с соединительным выступом АТК 24.218.06–90 D D1 2 Пример условного обозначения штуцера с фланцем стальным приварным встык Dу = 250 мм на Ру = 1,6 МПа, типа 2 исполнения 1, l = 180 мм, фланец из стали 20, патрубок из стали 20: b D2 «Штуцер 250–1,6–2–4–180–20 АТК 24.218.06–90» l H d s dн Dy, мм D, мм D1 , мм D2, мм b, мм d, мм n, шт l, мм H, мм dн, мм s, мм Масса, кг 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 89 5 рy = 1,6 МПа (16 кгс/см2) 80 195 160 133 100 215 180 158 4 8 150 280 240 212 200 335 295 268 250 405 355 320 300 460 410 370 350 520 470 430 17 18 12 16 400 580 525 482 500 710 650 585 20 203 120 180 120 180 120 180 120 180 120 180 150 210 150 210 160 220 180 240 173 233 173 233 180 240 181 241 188 248 220 280 224 284 239 299 274 334 108 6 159 219 8 273 10 325 377 426 530 12 5,4 6,1 6,7 7,6 11,0 12,5 16,8 19,3 25,2 29,0 34,5 39,0 48,2 54,7 62,6 70,0 98,5 107,8 Продолжение табл. П20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 рy = 2,5 МПа (25 кгс/см2) 100 230 190 158 21 22 8 150 300 250 212 25 26 200 360 310 278 27 12 250 425 370 335 29 30 300 485 430 390 32 350 550 490 450 36 16 33 400 610 550 505 40 500 730 660 615 44 39 20 120 132 180 242 120 192 180 252 120 199 180 259 120 199 180 259 150 234 210 294 150 239 210 299 160 264 220 324 180 284 240 344 8,3 108 6 159 219 15,2 16,6 8 22,5 25,0 32,2 273 10 325 36,1 45,0 49,6 63,0 377 426 9,3 69,5 12 84,5 92,0 116,5 530 125,7 рy = 4,0 МПа (40 кгс/см2) 15 95 65 47 20 105 75 58 25 115 85 66 14 14 4 32 135 100 78 16 40 145 110 63 18 50 160 125 102 17 80 195 160 133 21 8 204 120 155 180 215 120 156 180 216 120 158 180 218 120 165 160 225 120 168 180 228 120 168 180 228 120 178 180 238 0,9 18 1,0 1,2 25 32 1,3 3,5 1,5 1,7 2,2 38 2,4 2,7 45 2,9 57 4 89 5 3,5 3,8 6,1 6,7 Таблица П21 Опоры (лапы) для вертикальных аппаратов (см. рис. 7.1, а, типы 1 и 2), ГОСТ 26296–84, мм Q, кН Тип опоры а A1 а2 b b1 b2 с c1 h h1 sl K K1 d 1 60 – – 85 15 45 65 40 15 40 8 4 10 2 100 50 45 120 25 12 1 95 – – 140 25 4,0 75 95 60 50 10 5 15 2 160 70 65 190 40 20 1 115 – – 170 30 10,0 90 115 80 85 14 6 20 2 195 85 80 235 50 24 1 155 – – 230 40 25,0 125 155 100 16 8 25 2 255 120 115 310 65 45 90 1 185 – – 295 60 40,0 150 190 120 20 10 30 2 315 150 140 390 80 35 63,0 1 230 – – 360 70 185 230 150 60 130 24 12 35 2 380 170 160 470 100 1 310 – – 475 95 100,0 250 310 200 160 30 16 40 2 520 230 220 620 130 1 390 – – 585 115 160,0 300 380 250 65 200 36 20 60 42 2 650 290 280 780 180 1 480 – – 695 135 250,0 360 455 300 240 40 24 75 2 800 360 350 940 220 1 520 – – 810 150 400,0 430 540 375 70 280 45 30 85 2 890 420 410 1100 255 50 1 680 – – 1100 170 630,0 540 690 460 80 400 55 40 110 2 1150 550 540 1420 280 Примечание: Величина зазора между аппаратом и подпорной рамой f принимается конструктивно, но не более fmax. Пример условного обозначения опоры типа 1 с допускаемой нагрузкой Q = 25 кН: «Опорная лапа 1–2500 ГОСТ 26296–84» dб 1,6 201 205 M12 M16 M20 M24 M30 M36 – – – – fmax 10 40 25 80 30 105 40 140 50 160 60 210 80 280 100 350 120 435 145 470 180 600 Таблица П22 Накладные листы под опоры (лапы) типов 1 и 2 для вертикальных аппаратов (см. рис. 7.1, г), ГОСТ 26296–84, мм Тип Тип В H с Q, кН В H с s sн н опоры опоры 1 120 4; 6; 8; 1 650 10; 12; 1,6 75 8 100,0 400 32 2 155 10 2 820 16; 20 1 200 4,0 125 10 1 810 12; 16; 2 255 160,0 500 40 6; 8; 2 1020 20; 24 10; 12 1 250 10,0 150 12 2 310 1 970 16; 20; 250,0 600 48 2 1230 24; 28 1 330 25,0 200 16 2 410 8; 10; 1 1140 400,0 700 50 12; 16 2 1440 1 405 40,0 250 20 20; 24; 2 510 28 1 1480 900 55 1 490 10; 12; 630,0 2 1860 63,0 300 24 2 620 16; 20 Примечания: 1. Размер sн определяется расчетом и округляется до ближайшего большего значения по табл. П.22, и должен быть не менее толщины обечайки. 2. Сторона накладного листа с размером В изгибается по наружному диаметру аппарата. Пример условного обозначения накладного листа для опоры типа 1 допускаемой нагрузкой Q = 25 кН и толщиной 12 мм: «Накладной лист 1–2500–8 ГОСТ 26296–84». Q, кН Таблица П23 Опоры седловые типа 1 (см. рис. 7.2), ОСТ 26-2091–93, мм Q, кН s1 s2 R L l h А A1 Dн 159 16 84 180 90 75 140 219 20 114 240 140 75 – 200 6 10 273 20 141 290 190 100 250 325 20 167 125 400 240 377 193 135 400* 214; 222;230 330 130 50 8 14 426 217 135 450 250 480 244 145 500* 264; 272; 282; 60 500 300 380 160 530 271 10 16 200 600* 314; 322; 332; 80 600 340 450 200 630 325 Примечания: 1. Для аппаратов с Dн < 273 мм В = 120 мм; для аппаратов с Dн > 325 мм В = 180 мм. 2. Размеры опорной плиты L1 = L + 20 мм; В1 = В + 80 мм. 3. Втулки резьбовые: для Dн < 325 мм d = M16; для Dн = 377…480 мм d = M24; для Dн = 500…630 мм d = M36. Примеры условного обозначения: опора типа 1 исполнения 1 с Q = 20 кН, радиусом R = 167 мм, исполнения по материалу 1 (см. табл. 14.8 [36]), без опорного листа: «Опора 20–167–1 ОСТ 26-2091–93»; то же с опорным листом: «Опора 20–167–1–II ОСТ 26-2091–93». * Внутренний диаметр D 206 Таблица П24 Опоры седловые типа 2 (см. рис. 7.2), ОСТ ОСТ 26-2091–93, мм Q, кН 1 s1 s2 Исполнение 2 1 2 1 2 800 80 160 1000 125 200 1200 125 200 1400 160 250 1600 160 300 D 14 8 18 14 12 8 20 1800 160 300 2000 250 400 2200 250 500 2400 400 630 2600 400 750 2800 400 750 3000 630 900 14 3200 630 900 14 3400 630 1400 12 16 8 14 10 14 18 18 22 20 24 3600 630 1400 26 12 18 3800 630 1400 12 22 24 4000 630 1400 12 20 18 R 414; 422; 432; 442 514; 522; 532; 546 614; 622; 630; 638 714; 722; 732;.744 814; 822; 832 914; 922; 930; 936 1014; 1022; 1032; 1042 1116; 1124; 1132; 1146 1216; 1224; 1232; 1246 1316; 1324; 1332; 1346 1416; 1424; 1432; 1446 1520; 1528; 1540 1620; 1628; 1634; 1640 1720; 1726; 1732; 1740 1820; 1822; 1834 1920; 1928 1934 2020; 2028 2034 А А1 А2 500 400 250 650 550 400 1100 800 700 550 1250 950 850 700 1420 1100 1000 850 L l1 740 1000 – – 1600 1100 1000 850 1700 1500 1400 1250 1940 940 1500 1300 750 2120 1050 1800 1600 750 2290 1100 1800 1600 750 2460 1200 2200 2000 1000 2460 1300 2200 2000 1000 2810 1360 2200 2000 1200 2990 1470 2390 2190 1200 3160 1570 2800 2600 1400 3330 1650 2800 2600 1400 3510 1740 2800 2600 1400 Примечания: 1. Для всех опор l = L – 20 мм. 2. Ширина опоры: для D < 1400 мм В = 250 мм; для L > 1600 мм В = 300 мм. 3. Размеры опорной плиты: L1 = L + 20 мм; В1 = B + 100 мм. 4. Втулки резьбовые для всех опор имеют диаметр d = M48. 5. Размер В2 см. в табл. 14.7 [36]. Примеры условного обозначения: опора типа 2 исполнения 2 с Q = 200 кН, с радиусом R = 630 мм, исполнения по материалу 2 (см. 1 табл. 14.8 [9]), без опорного листа: «Опора 200–630–2–I ОСТ 26-2091–93»; то же с опорным листом: «Опора 200–630–2–II ОСТ 26-2091–93» 207 Таблица П25 Диаметры опор колонных аппаратов, АТК 24.200.04-90, мм D Цилиндрические опоры типов 1, 2, 3 (см. рис. 7.3) Конические опоры, тип 4 (см. рис. 7.4) D1 D2 Dб D1 D2 D3 Dб 400 600 350 520 1280 950 1000 1160 500 700 450 620 1380 1050 1100 1260 600 800 550 720 1480 1150 1200 1360 800 1080 750 960 1680 1300 1400 1560 1000 1280 950 1160 1880 1500 1600 1760 1200 1480 1150 1360 2100 1700 1800 1980 1400 1680 1300 1560 2300 1900 2000 2180 1600 1880 1500 1760 2500 2100 2200 2380 1800 2100 1700 1980 2720 2250 2400 2580 2000 2300 1900 2180 2920 2450 2600 2780 2200 2500 2100 2380 3120 2650 2800 3000 2400 2720 2250 2580 3360 2850 3000 3220 2500 2820 2350 2680 3460 2950 3100 3320 2600 2920 2450 2780 3560 3050 3200 3420 2800 3120 2650 3000 3760 3200 3400 3620 3000 3360 2850 3220 3960 3400 3600 3820 3200 3560 3050 3420 4160 3600 3800 4020 3400 3760 3200 3620 4360 3800 4000 4220 3600 3960 3400 3820 4560 4000 4200 4420 3800 4160 3600 4020 – – – – 4000 4360 3800 4220 – – – – 4500 4860 4300 4720 – – – – 5000 5360 4800 5220 – – – – 5500 5860 5300 5720 – – – – 5600 5960 5400 5820 – – – – 6000 6360 5800 6220 – – – – 6300 6650 6100 6520 – – – – 208 Таблица П26 Основные размеры цилиндрических опор типов 1, 2, 3 для колонных аппаратов (см. рис. 7.3, а – в), АТК 24.200.04-90, мм Приведенная нагрузка, МН D s1 6 Qmax Qmin 0,25 До 0,125 » 0,20 400–1200 До 0,32 500–1600 1800–3000 0,63 20 s3 d2 dб 12 16 28 М24 6 20 16 6 8 8 До 0,50 800–3000 До 0,80 1400–1800 2000–4000 10 8 До 1,32 1800 2000–3600 3800; 4000 10 8 8 До 1,32 1800; 2000 2200–2500 2600–3800 4000–5000 12 10 10 10 До 2,0 2000 2200–2500 2600–5000 2000–2500 2600 2800–3200 3400; 3600 3800–6300 2400; 2500 2600–3200 3400; 3600 3800–6300 2600 2800–3600 3800 4000–6300 2600 2800; 3000 3200–3800 4000–6300 20 1,6 35 До 2,0 4,0 До 3,2 До 3,2 До 5,0 М30 20 8 16 25 2,5 6,3 s2 Число болтов zб 25 25 20 42 42 35 М36 М36 М30 16 16 24 30 30 25 25 25 25 25 20 42 42 42 35 М36 М36 М36 М30 16 16 16 24 12 10 10 30 30 25 30 30 25 48 48 42 М42 М42 М36 16 16 24 16 16 12 10 10 16 12 10 10 20 16 16 12 20 16 16 12 30 30 30 30 25 30 30 30 25 36 30 30 30 36 30 30 30 30 25 25 25 25 30 30 30 25 30 30 30 25 36 36 30 30 48 42 42 42 42 48 48 48 42 48 48 48 42 56 56 48 48 М42 М36 М36 М36 М36 М42 М42 М42 М36 М42 М42 М42 М36 М48 М48 М42 М42 16 24 24 24 24 16 16 16 32 24 24 24 32 24 24 32 32 209 Продолжение табл. П26 Приведенная нагрузка, МН Qmax D s1 s2 s3 d2 dб Число болтов zб 36 30 56 48 М48 М42 24 32 36 62 М56 32 Qmin 2800 3000–6300 До 5,0 10,0 20 До 8,0 3200–6300 До 8,0 3400 3600–6300 25 20 3800–6300 20 16,0 До 10,0 36 36 32 40 62 М56 40 36 Примечания: 1. Размеры d и d1 в зависимости от D для опор типов 1, 2 и 3 D, мм……………..400 – 600 800 – 1600 1800 – 6300 d, мм………………….45 60 70 d1, мм…………………70 90 100. 2. При всех значениях D принимают s4 > 0,5s2; для опор типа 2 при всех значениях D принимают l = 160 + 4s1. Пример условного обозначения опоры типа 2 при диаметре колонны 1000 мм, Qmax = 0,25 МН, Qmin = 0,2 МН, Н1 = 1200 мм: «Опора 2–1000–25–20–1200 АТК 24.200.04–90». Таблица П27 Основные размеры опор-стоек типа 2 для вертикальных аппаратов (см. рис. 7.11), АТК 24.200.03–90, мм Нагрузка на опору, кН, не более Ds a b b1 b2 10 573,5 110 170 70 50 c hmax h1 d d1 1200 14 19 М16 24 М20 25 25 763,5 130 200 90 60 1300 16 40 894,0 150 250 100 70 1400 20 40 63 1084,5 170 280 110 90 100 1335,0 200 340 130 110 1596,0 230 310 140 – 35 М30 25 М36 1600 50 160 М24 30 42 – Пример условного обозначения опоры типа 2 с нагрузкой на опору Qmax = 10 кН «Опора-стойка 2–10 АТК 24.200.03–90» 210 Таблица П28 Определение массы корпуса аппарата и его внутреннего объема Эскиз Объем Элемент корпуса Масса s D2H V 4 H Цилиндр D mê ñò D H s D Коническое днище (переход) sк H 2α V 211 1 ( D 2 DD0 D02 ) H 12 mê ñò ( D D0 ) H sê 2 cos D0 h sс 2α Сферическая крышка R c h V h 2 R ; 3 h R(1 cos ) mê 2ñò R h sñ D3 V 24 mê 1,24ñò D 2 sý H sэ Стандартная эллиптическая крышка D 211 КЛЮЧИ К ТЕСТОВЫМ ЗАДАНИЯМ № тестового задания 1 1 2 + № ответа 3 2 4 + + + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 9 + + 10 11 + 12 + 13 + + 14 + 15 + 16 + 17 + 18 + 19 + 20 21 + + 22 + 23 + 24 25 5 + 26 + 27 + 28 + 212 + ***** Учебное издание Бердник Виталий Михайлович Владимиров Борис Ефимович Коломиец Роман Вячеславович Расчет и конструирование тонкостенных аппаратов пищевых, химических и нефтехимических производств Редактор Д.В. Малыгина Подписано в печать 12.02.2013. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 12,32. Уч.-изд. л. 13. Тираж 300. Заказ 48-3885. Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) Редакционно-издательский отдел ЮРГТУ (НПИ) Отпечатано в ИД “Политехник” 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 213