Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.

5.3.

Расчетные схемы выбора диаметра отверстия:

—

труба приварена

наружной поверхности барабана

или

камеры (заглубление штуцера менее

30%

толщины стенки);

б и в —

углубление

под

штуцер

не

учитывается, если штуцер приваривается

с полным проплавлением,

г —

труба развальцована;

д —

отверстие имеет

по

толщине стенки разный

диаметр

где минимальный допускаемый коэффициент прочности

[q^] вы-

числяют

по

формуле

p[D

-c)]

2(5-

с)

[а]

Толщина стенки барабана

или

камеры превосходит толщину,

необходимую

для

восприятия внутреннего давления

при

наличии

одиночного неукрепленного отверстия,

так как в

других местах

имеются ослабления рядами отверстий

или

продольным сварным

швом. Толщина барабана

или

камеры выбирается такой, чтобы,

несмотря

на

наличие этих ослаблений, была обеспечена

их

проч-

ность. Поэтому вдали

от

ослаблений барабан

или

камера имеют

избыточную толщину.

этом случае укрепление

не

требуется.

Если диаметр отверстия

сосуде превышает допускаемый

диаметр неукрепленного отверстия,

то

необходимо либо увеличить

толщину стенки сосуда, либо укрепить отверстие.

Укрепление отверстия основывается

на

принципе компенсации

металла, удаленного

из

отверстия.

Для

укрепления одиночного

отверстия

до

заданного значения коэффициента прочности

ц>

необходимо, чтобы было выдержано условие

U=f.H*H.>

*=*&s-c)d.

(5.22)

где

—

укрепляющее сечение штуцеров,

мм

; f

—

укрепляющее

сечение накладок,

мм

; f

—

укрепляющее сечение наплавленного

металла,

мм

; d —

диаметр отверстия,

мм; —

коэффициент

прочности, вычисленный

по (5.19).

Левая часть неравенства

(5.22) —

сечение металла, укреп-

ляющего отверстия; правая часть

—

дефект металла, который

необходимо компенсировать укреплением.

Площадь укрепляющего сечения штуцера, изображенного

на

рис.

5.4, а,

определяется

как

= 2h

[{S

—

C) —

SQS],

в) J ^

г) '

Рис.

5.4. Укрепление отверстий:

а—штуцером;

б—штуцером, выступающим внутрь барабана или камеры и не испытывающим в

этой

части нагрузки от давления, в — накладкой, г— вытянутой горловиной

где sos — толщина штуцера, необходимая для восприятия внут-

реннего давления; h

— высота штуцера (рис. 5.4, а), принимае-

мая по чертежу, но не более

= 1,25 ~yj(d

— s

) (s

— c).

Если конструкция штуцера соответствует рис. 5.4, б, то

= 2h

\(s

— с) — s

] +

— с),

где h,\ принимают по чертежу, но не более h

\ =

0,5

-yj(da

— s

) (s

— c).

При наличии накладки (рис. 5.5, в)

===

2bn,Sn>

где Ь

— ширина накладки по чертежу (рис. 5.4, в), но не более

определяемой по формуле

<:^{D

+ s)(s-c). '

(5.23)

341

Величина

Пу

так же как и h

выбрана

из

условия распростра-

нения краевого эффекта, возникающего

от

отверстия

упругой

области.

Если металл укрепляющего штуцера

или

накладки имеет

более низкие допускаемые напряжения,

чем

укрепляемая цилинд-

рическая деталь,

то

компенсирующая площадь укрепляющей

де-

тали должна быть увеличена пропорционально отношению допус-

каемых напряжений. Более высокая прочность укрепляющей

де-

тали

расчете

не

учитывается.

Нормы регламентируют сечение сварного

шва,

крепящего

штуцер

или

накладку

сосуду

(рис. 5.5),

принимаемое

при

расчете.

Для

штуцера

мин

>2,1^.

(5.24)

Для накладок

, D

—

n Л

^ 2

А1

мин И ~

^2мин^

~ ,

причем

этом случае ширину накладки

и ее

наружный диа-

метр

принимают

по

размерам, указанным

на рис. 5.5, в.

Диаметр отверстия

барабане

или

камере

не

должен пре-

вышать

d^0,75

— 2so).

При расчетах

на

прочность угловых сварных соединений при-

варки патрубков

или

штуцеров

барабанам

камерам коэффи-

циент прочности сварного

шва

должен приниматься равным

0,8

тех

случаях, когда проводится

100%

контроль

по

всему кон-

туру приварки

при

помощи ультразвуковой дефектоскопии

или

радиографии. Если такой контроль отсутствует,

то

^0,6.

Такие

же

коэффициенты прочности должны приниматься

и для

тавровых сварных соединений.

При ослаблении барабана

или

камеры одиночным укреплен-

ным отверстием коэффициент прочности

при

расчетном внутрен-

нем диаметре определяют

так:

Рис.

5.5.

Размеры сварных швов укрепляющих элементов, принимаемые

при

рас-

чете:

— шов

наружного штуцера;

б — шов

утопленного штуцера,

в — шов

проходного штуцера

или

при

расчетном наружном диаметре

(5.26)

фс

ф</

-yJ(D

-s)(s-c)

Здесь коэффициент прочности определяется

для

неукреплен-

ного отверстия

по

формулам

(5.18) и (5.19).

Рассмотрим расчет

на

прочность барабана

или

камеры,

ослабленных рядами отверстий одинакового размера. Задача

распределении напряжений

камере

или

барабане, имеющих

поле отверстий, весьма сложна

и не

имеет

настоящее время

точного математического решения.

В барабане имеется обычно несколько рядов отверстий,

на

распределение напряжений влияют толщина

кривизна стенки

барабана,

также размеры штуцеров, приваренных

барабану,

или труб, развальцованных

отверстиях.

При выводе формул

для

расчета барабанов

камер

отвер-

стиями исходят

из

предпосылки

равномерном распределении

напряжений

мостиках между отверстиями.

Это

допущение

справедливо, если металл барабана

или

камеры достаточно плас-

тичен

для

того, чтобы допустить небольшую пластическую дефор-

мацию около отверстий,

результате которой

произойдет

усреднение напряжений.

Коэффициент прочности цилиндрического сосуда

продоль-

ном направлении

при

ослаблении

его

одним

или

несколькими

рядами коридорно расположенных отверстий одинакового диа-

метра

постоянным шагом между

их

центрами принимается

равным

где

t — шаг

между центрами отверстий

продольном направ-

лении,

мм; d —

диаметр отверстия,

мм.

При коридорном расположении отверстий

(рис. 5.6, а)

одина-

кового диаметра

постоянным шагом коэффициенты прочности

в поперечном направлении определяются

по

формуле

где

t\ — шаг

между центрами отверстий

поперечном направле-

нии

по

среднему диаметру сосуда,

мм.

Коэффициент прочности

поперечном направлении умножают

на

два, так как

среднее напряжение

поперечном направлении

раза меньше,

чем в

продольном.

—

(5.27)

Ф<*

Ф</

= 2

-d

(5.28)

Рис.

5.6.

Расположение отверстий

барабане

или

камере

номограмма

для оп-

ределения коэффициента прочности

по

косому мостику:

—

коридорное,

б —

шахматное

Коэффициент прочности

ф^

определяется

как

отношение пло-

щади сечения, ослабленного отверстиями,

неослабленному

се-

чению,

т. е.

расчет ведется

по

средним напряжениям

мостиках

между отверстиями.

Если отверстия имеют различный диаметр,

то при

расчете

коэффициента ослабления между ними принимается среднеариф-

метический диаметр.

При шахматном равномерном расположении отверстий проч-

ность проверяют

по

продольному коридорному мостику

при

t — 2a (рис. 5.6,6), по

поперечному коридорному мостику

при

=26 и по

косому мостику между отверстиями

по

формуле

где

т = Ь/а.

При расчете толщины стенки

или при

определении допус-

каемого давления используется наименьший коэффициент проч-

ности

по

всем видам ослаблений.

Формула

(5.29)

может быть получена

из

теории максималь-

ных касательных напряжений, если допустить,

что

напряжения

распределены равномерно

по

ширине

толщине косого мостика

между отверстиями.

Напряжения

крайних мостиках, определенные тензометри-

рованием

на

моделях

камерах, получаются ниже,

чем в

сред-

них. Сказывается разгружающее влияние металла, приле-

гающего

полю отверстий

и не

имеющего ослаблений.

мости-

ке между двумя единичными отверстиями напряжения также

меньше,

чем в

аналогичном мостике, расположенном

сплош-

ном поле отверстий. Поэтому

по [141]

коэффициент прочности

мостика барабана

или

камеры

из

углеродистой стали

при

нали-

чии всего двух отверстий,

при

расстоянии между

их

кромками

менее 2^/D

— c) и

отсутствии укрепления, определяется

как

d 1

(5.29)

где ф

мин

—-

приведенный коэффициент прочности поля отверстий,

имеющего такие

же

диаметры отверстий, расположение

и шаг;

величина

определяется

по

формуле

г=

=г. (5.31)

V(Z)

(5-С)

При наличии ряда

из

трех отверстий

неравномерным шагом

допускается принимать коэффициент прочности равным средне-

арифметической величине:

ф</

= 0,5

(ф

мин

фмакс).

(5.32)

Использование повышенного коэффициента прочности

по

выражению

(5.32)

допускается только

для

барабанов

камер

из углеродистых сталей,

так как для них

пластическая дефор-

мация, возникающая

мостике

при его

разгрузке,

передача

напряжений

от

мостика

на

неослабленные участки

по

другую

сторону отверстия менее опасны

точки зрения снижения рабо-

тоспособности металла,

чем для

легированных перлитных

аустенитных сталей.

На основании имеющегося опыта изготовления

эксплуа-

тации барабанов

камер установлено ограничение'на мини-

мальную величину мостика между отверстиями.

Шаг

между цен-

трами двух соседних отверстий равных диаметров должен быть

не менее

1,4

расчетного диаметра отверстия.

При

разных диа-

метрах

шаг

должен быть

не

менее

1,4

полусуммы расчетных

диаметров.

При ослаблении барабана

или

камеры одинаковыми отвер-

стиями

частично укрепленными штуцерами приведенный

ко-

эффициент прочности определяется

так:

Фс

[Ф*

~ 11 [ (s - с) d}~

, (5.33)

где

ф<*

—

коэффициент прочности, определенный

без

учета укре-

пления отверстий;

£/

принята

по (5.22); s —

толщина бараба-

на

или

камеры, вычисленная

при ф=1 и С = 0.

На номинальную толщину стенки барабанов

камер нало-

жены следующие ограничения [140].

случаях изготовления

их

из

листа толщина стенки Должна быть

не

менее

6 мм.

В порядке исключения

при

изготовлении

из

листа барабанов

и камер котлов паропроизводительностью менее

1 т/ч при

рабочем давлении менее

0,5 МПа

номинальная толщина стенки

может быть снижена

до 4 мм.

Для получения надежного вальцовочного соединения тре-

буется, чтобы толщина стенки барабана

или

камеры была

не

345

менее 16 мм; в порядке исключения можно применять толшдау

стенки до 13 мм. При более тонкой стенке нельзя использо-

вать вальцовку.

Согласно [140] введены ограничения на минимальную тол-

щину стенок коллекторов котлов, изготавливаемых из труб.

При наружном диаметре трубы менее 51 мм номинальная

толщина должна быть не менее 2,5 мм; при наружном диа-

метре от 51 до 70 мм включительно — не менее 3,0 мм; при диа-

метре более 70 мм до 90 мм — не менее 4,0 мм.

Во избежание чрезмерных температурных напряжений тол-

щина стенки не изолированных обогреваемых барабанов и ка-

мер,

расположенных в топке, должна быть не более 22 мм.

Если они омываются газами с температурой не выше 900° С,

то толщина стенки может быть до 30 мм; если же газы имеют

температуру не свыше 600° С, то толщина может достигать

50 мм.

Если отверстие или ряд отверстий расположены в продоль-

ном сварном шве или расстояние от края отверстия до сере-

дины сварного шва менее л[Оз, то коэффициент прочности бара-

бана определяется как произведение коэффициентов прочности

при ослаблении его отверстиями и сварным швом.

Камеры мощных паровых котлов имеют большую длину и

опираются на опоры, одна из которых неподвижна, а другие

допускают перемещение от тепловых расширений. Если рас-

стояние между опорами велико, то нагрузки от камеры, за-

полняющей ее среды, наружной тепловой изоляции, трубной

системы и самокомпенсации могут привести к тому, что напря-

жения от изгиба в поперечном направлении превысят напря-

жения от внутреннего давления в тангенциальном направлении.

Дополнительные напряжения, вызванные изгибающими мо-

ментами, осевыми усилиями и крутящими моментами от весо-

вых нагрузок, определяются расчетным путем, как правило,

по соответствующим руководящим техническим материалам.

При определении перерезывающего момента M

камеру рас-

сматривают как балку, свободно лежащую ,на опорах.

Проверку на изгибные напряжения необходимо проводить в

тех случаях, когда наружный диаметр камеры не превышает

800 мм, а расстояние между опорами более 6 м. Поверочный

расчет на изгиб может быть также необходим при передаче

на камеру больших нагрузок от присоединяемых деталей, зна-

чительных компенсационных усилий от трубопроводов или

реакции струи при срабатывании предохранительных клапанов,

присоединенных в камере.

Часто возникает необходимость поверочного расчета бара-

бана или камеры для определения допускаемого рабочего да-

вления. В этом случае пользуются при расчетном наружном

диаметре формулой

[р]

—

с) ф

[а]

(5.34)

-(S-C)

или

при

расчетном внутреннем диаметре

(5.35)

Допускаемое давление

изготовленном барабане

или

камере может быть определено

при

поверочном расчете

как

где

Sf —

фактическая толщина стенки, которая должна изме-

ряться

нескольких местах. Фактическую толщину стенки

принимают

как

наименьшую

из

результатов четырех измере-

ний толщины

по

концам двух взаимно перпендикулярных диа-

метров

одном сечении. Число проверяемых сечений должно

быть

не

менее одного

на 2 м

барабана

или

камеры,

но не

менее

трех

одном изделии. Толщину можно измерять ультразвуко-

вым толщиномером, обеспечивающим точность измерения

не

менее

3%.

Следует отметить,

что

толщина стенки барабанов,

изготавливаемых

из

листа, колеблется

значительно более

узких пределах,

чем

толщина стенки труб

для

камер.

5.6.

Расчет

на

прочность тройников

Тройники, используемые

трубных системах котлов

тру-

бопроводов, изготавливают штамповкой (оттягивают

штам-

пе горловину отвода), сваркой

из

труб, литьем

земляные

формы, реже

—

ковкой

механической обработкой.

При использовании сварных тройников столкнулись

повреждениями сварных соединений, которые описаны ранее

гл. 4. В

связи

этим разработана технология

налажено

производство тройников

вытянутой горловиной путем штам-

повки

из

труб.

этих тройников сварной

шов

легко поддается'

контролю

— шов

вынесен

из

зоны максимальных изгибных

напряжений, которые особенно опасны

зоне термического

влияния сварных соединений жаропрочных хромомолибдено-

ванадиевых сталей.

Напряжения

тройниках превышают напряжения

в не-

ослабленной трубе из-за удаления металла

для

образования

отверстия

основной трубе, из-за наличия резких переходов

и изменения поперечного сечения. Точного аналитического реше-

ния задачи

распределении напряжения

тройнике пока

не

существует.

Эта

задача решается

основном эксперименталь-

ным путем

или

путем приближенных числовых решений

на

ЭВМ. Разработаны приближенные инженерные методы расчета.

[a]

—

)

(Sf

—

)

Рис.

5.7. Расчетные схемы тройников:

а — с вытянутой горловиной; б — с наклонным отводом

Тройниковые соединения и отводы рассчитываются как

камера с одиночным укрепленным или неукрепленным отвер-

стием, если отклонение оси штуцера (ответвления) от перпен-

дикуляра к оси основной трубы не превышает 15°.

В [141] приводится также методика расчета на прочность

деталей цилиндрической формы (в частности, тройников) с не-

радиальными отверстиями (рис. 5.7).

Для повышения работоспособности тройников следует более

плавно выполнять переход от трубы к патрубку и стремиться

к возможно более высокой пластичности и однородности свойств

металла тройника и сварного шва. Оба эти условия достига-

ются при применении тройников с выпрессованным отводом.

Для обеспечения максимальной однородности металла труб

и металла шва сварного тройника необходимо производить тер-

мическую обработку с полной фазовой перекристаллизацией

(нормализацию с высоким отпуском для перлитных сталей).

Однако для обеспечения равнопрочное™ основного металла

и металла шва при термической обработке с фазовой пере-

кристаллизацией необходимо пересмотреть композицию элек-

тродов.

5.7. Расчет на прочность конических переходов

В трубчатых элементах конструкций паровых котлов и паро-

проводов используются конические переходы от трубы боль-

шЬго диаметра к трубе наименьшего диаметра и наоборот. Как

правило, эти переходы изготавливаются обжатием или штам-

повкой труб в горячем состоянии или расточкой кованой заго-

товки. Но возможен вариант изготовления вальцовкой из листа

и скаркой продольным швом. Последний вариант применяется

для тонкостенных конструкций.

Для получения условия прочности конического перехода

(рис.

5.8, а) воспользуемся уравнением равновесия бесконечно

малого элемента тонкостенной оболочки тела вращения, кото-

рая нагружена внутренним давлением (рис. 5.8, б). Под тон-

костенной понимают оболочку, у которой толщина мала по

сравнению с размерами сосуда и радиусами кривизны. В таком

случае можно пренебречь изменениями кривизны стенок, их

изгибами, считать, что напряжения распределяются равномерно

по толщине стенки.

Уравнение равновесия, которое получено в~ этом разделе,

будет полезным при выводе формул для расчета на прочность

любых тел вращения, в частности выпуклых днищ.

На бесконечно малый элемент оболочки с внутренней сто-

роны воздействует сила давления, равная dl\dl

p, сила уравно-

вешивается нормальными напряжениями по боковым граням.

На боковых гранях элемента оболочки вследствие симметрии

задачи не возникают касательные напряжения.

Обозначим через Gi напряжение, действующее по мери-

диональной грани, и через а

— по перпендикулярной грани

(окружное), а через pi и р

— главные радиусы кривизны обо-

лочки, т. е. радиусы кривизны, расположенные в меридиональной

плоскости, и в плоскости, перпендикулярной ей (рис. 5.8, б).

Выделим из стенки сосуда двумя меридиональными сече-

ниями и двумя перпендикулярными им плоскостями диффе-

6г

f ИНГ

ко

ИХ ^

\\\\\\\

б)

0,5 dlj

Рис,

5.8. Расчетные схемы:

а — схема конического перехода, б— схема нагружения бесконечно малого элемента оболочки вра-

щения выделенного двумя меридиональными и двумя перпендикулярными им плоскостями