Теслюк Л.М., Катышев С.Ф., Низов В.А. Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета на прочность основных деталей аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ»

Л.М. Теслюк, С.Ф. Катышев, В.А. Низов

ОБОРУДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ.

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА

НА ПРОЧНОСТЬ

ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ АППАРАТОВ

Учебное электронное текстовое издание

Подготовлено кафедрой технологии неорганических веществ

Научный редактор: проф., д-р хим. наук В.Н. Десятник

Методические указания по курсу «Оборудование и основы проектиро-

вания» для студентов дневной формы обучения специальности 250200 –

Технология неорганических веществ и материалов, направления 654900

– Химическая технология неорганических веществ и материалов.

Предназначены для использования студентами при изучении материалов

курса и выполнении курсового и дипломного проектирования. Изложена

методика расчета на прочность основных деталей аппаратов, работаю-

щих под внутренним или наружным избыточным давлением, приведены

необходимые нормативные данные и цифровые примеры расчетов.

Екатеринбург

2005

Л.М. Теслюк, В.А. Низов,

С.Ф. Катышев

Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета

на прочность основных деталей аппаратов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 2 из 41

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

1. Выбор исходных данных для инженерного расчета 4

Расчет на прочность деталей аппаратуры, работающей

под внутренним избыточным давлением

2.1. Обечайки, нагруженные внутренним избыточным давлением 11

2.2. Днища, нагруженные внутренним избыточным давлением 12

3. Расчет сосудов и аппаратов на наружное давление 15

3.1. Цилиндрические обечайки, нагруженные наружным давлением 16

3.2. Эллиптические днища, нагруженные наружным

давлением 19

4. Примеры расчета 20

5. Контрольные задания 27

6. Приложение 32

Библиографический список 40

Л.М. Теслюк, В.А. Низов,

С.Ф. Катышев

Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета

на прочность основных деталей аппаратов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 3 из 41

ВВЕДЕНИЕ

В химическом производстве широко используется стандартная и норма-

лизованная аппаратура, которая может применяться в различных условиях. При

этом значительные изменения технологического режима (давление, температу-

ра, состав и свойства рабочих сред) предопределяют необходимость провероч-

ных расчетов наиболее ответственных деталей аппаратуры на прочность. Для

расчета на прочность основных элементов химических

аппаратов разработаны

государственные и отраслевые стандарты.

Настоящее пособие по проектированию предназначено в первую очередь

для студентов химиков-технологов. Поэтому цель его – не точное изложение

существующих методик, закрепленных нормативно-технической документаци-

ей (ГОСТами, отраслевыми нормалями и т.п.), а описание общего порядка рас-

чета с выделением наиболее важных моментов, где будущим

инженерам-

технологам поясняется связь между свойствами обрабатываемых веществ, тех-

нологическими особенностями процесса и прочностью и надежностью аппара-

туры.

Конструктивное оформление машин и аппаратов, применяемых в хими-

ческой промышленности, неразрывно связано с их функциональным назначе-

нием и полностью определяется характером и технологическими параметрами

протекающих в них процессов. При этом конструкция химического оборудова

ния должна не только отвечать требованиям самых совершенных технологий,

но обладать также прочностью, высокой надежностью, быть легкой, эстетичной

и требовать как можно меньшего расхода дорогостоящих и дефицитных мате-

риалов.

Для обеспечения сочетания прочности и надежности химической аппара-

туры с ее экономичностью и малой металлоемкостью на стадии проектирова-

ния необходимо провести

подробный механический (прочностной) расчет каж-

дого узла и каждой детали вновь создаваемого оборудования. При этом могут

Л.М. Теслюк, В.А. Низов,

С.Ф. Катышев

Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета

на прочность основных деталей аппаратов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 4 из 41

быть выполнены два вида механических расчетов: проектировочный и пове-

рочный. В первом случае основные размеры разрабатываемого элемента конст-

рукции рассчитывают, исходя из характера действующих на него нагрузок,

температуры эксплуатации, материала и необходимого запаса прочности. Во

втором случае, когда размеры элемента конструкции обусловлены какими-либо

иными соображениями, например, требованиями технологии

, расчет сводится к

определению напряжений, действующих в материале рассчитываемого элемен-

та, и их сравнению с допускаемыми напряжениями.

В настоящем пособии приводятся основные расчетные данные и форму-

лы для определения толщины стенок тонкостенных сосудов, работающих под

внутренним или наружным избыточным давлением.

1. ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

ДЛЯ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА

При расчетах аппаратов

необходимо знать, как следует принимать ряд

расчетных величин, входящих в формулы.

Расчетную температуру используют для определения физико-

механических характеристик материала и допускаемых напряжений. Ее опре-

деляют на основании теплотехнических расчетов и результатов испытаний.

Обычно ее принимают равной температуре среды, соприкасающейся со стен-

кой. При температуре ниже 20

С за расчетную температуру при определении

допускаемых напряжений принимают температуру 20

С.

Рабочим давлением считается максимальное избыточное давление, воз-

никающее при нормальном протекании технологического процесса.

Под расчетным давлением в рабочих условиях для элементов сосудов и

аппаратов следует понимать давление, на которое проводится их расчет на

прочность. Его принимают, как правило, равным рабочему давлению или выше.

Так, для аппаратов, работающих со взрывоопасными и

сильно ядовитыми про-

дуктами или легко летучими веществами, расчетное давление принимают выше

Л.М. Теслюк, В.А. Низов,

С.Ф. Катышев

Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета

на прочность основных деталей аппаратов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 5 из 41

рабочего на 0,1—0,2 МПа. Расчетные давления в аппаратах, предназначенных

для хранения и переработки пожаро- и взрывоопасных сред и сжиженных газов,

сведены в табл. 1.1. Для элементов, разделяющих пространства с разными дав-

лениями (например, в аппаратах с обогревающими рубашками), за расчетное

давление следует принимать либо каждое давление в отдельности, либо давле

ние, которое требует большей толщины стенки рассчитываемого элемента. Ес-

ли обеспечивается одновременное действие давлений, то допускается произво-

дить расчет на разность давлений.

Таблица 1.1

Расчетные давления в аппаратах

Рабочее давление среды Р

, МПа Расчетное давление Р, МПа

Сжиженный газ без давления

0,01

< 0,05 0,06

0,05-0,07 0,1

> 0,07 1,2 Р

, но не менее 0,3

Аммиак 1,6

Сернистый ангидрид 0,8

Углекислый газ 7,6

Под пробным давлением в сосуде или аппарате следует понимать давле-

ние, под которым проводится испытание для проверки их надежности, безопас-

ности и работоспособности. Пробное давление при гидравлическом испытании,

которое широко применяют в химическом машиностроении, определяют с по-

мощью табл. 1.2.

Л.М. Теслюк, В.А. Низов,

С.Ф. Катышев

Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета

на прочность основных деталей аппаратов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 6 из 41

Таблица 1.2

Пробное давление гидравлического испытания

Расчетное давление,

МПа

Пробное давление гидравлического ис-

пытания, МПа

Вакуум 1,5 Р

[σ

]/ [σ

], но не менее 0,2

От 0 до 0,07 0,2

От 0,07 до 0,5 1,5 Р [σ

]/ [σ

], но не менее 0,2

Свыше 0,5 1,25 Р [σ

]/ [σ

], но не менее Р + 0,3

Примечание. В таблице обозначено:

[σ

] – допускаемое напряжение при 20

С;

[σ

] – допускаемое напряжение при рабочей температуре;

– наружное давление, действующее на аппарат под вакуумом.

Допускаемым механическим напряжением называется напряжение, при

котором обеспечивается безопасная работа аппарата без перерасхода конструк-

ционного материала. Допускаемое напряжение:

доп

= ση, (1.1)

где σ — нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре

стенки, МПа, которое выбирается с помощью табл. П.1 в зависимости от мате-

риала рассчитываемой детали; η – поправочный коэффициент, учитывающий

условия эксплуатации аппарата (табл. 1.3).

Л.М. Теслюк, В.А. Низов,

С.Ф. Катышев

Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета

на прочность основных деталей аппаратов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 7 из 41

Таблица 1.3

Поправочные коэффициенты к нормативному допустимому напряжению

Категория

опасности

химических

продуктов

Предел допусти-

мой концентра-

ции

по санитарным

нормам, мг/м

Нижний

предел

взрывае-

мости, %

Минимальная

температура

самовоспла-

менения, °С

Поправочный

коэффициент,

I Менее 5 Менее 1 Менее 175 0,85

II 5-50 1-5 175-300 0,90

III 51-1000 6-10 301-450 0,95

IV Более 1000 Более 10 Более 450 1,00

При применении материалов, не указанных в табл. П.1, или при отсутст-

вии в этих таблицах значений для нужной расчетной температуры, норматив-

ные допускаемые напряжения определяют следующим образом:

1) если расчетная температура стенки не превышает для углеродистых

сталей 380

С, для низколегированных сталей –420

С и для аустенитных сталей

–525

С, то за нормативное допускаемое напряжение следует принимать мень-

шее из двух значений:

σ = σ

или σ = σ

, (1.2)

где σ

– минимальное значение предела прочности при расчетной температуре;

= 2,6 — коэффициент запаса прочности по пределу прочности; σ

— мини-

мальное значение предела текучести при расчетной температуре (табл. П.2,

П.3); n

= 1,5 — коэффициент запаса прочности по пределу текучести;

2) если расчетная температура стенки превышает величины, указанные в

п. 1, то за нормативное допускаемое напряжение следует принимать меньшее

из двух значений:

σ = σ

или σ = σ

, (1.3)

Л.М. Теслюк, В.А. Низов,

С.Ф. Катышев

Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета

на прочность основных деталей аппаратов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 8 из 41

где σ

— среднее значение предела длительной прочности за 100 тыс. часов при

расчетной температуре; n

= 1,5 — коэффициент запаса прочности по пределу

длительной прочности.

Для условий гидравлических испытаний сосудов и аппаратов из аусте-

нитных сталей допускаемое напряжение определяют по формуле:

[

]

= n

пр

2,0

σσ

, (1.4)

где

2,0

– величина условного значения предела текучести (напряжение, при ко-

тором остаточное удлинение составляет 0,2 %), n

= 1,1.

Модуль продольной упругости Е (МПа) характеризует жесткость материала

и его способность противостоять деформации. Расчетные значения модуля про-

дольной упругости для углеродистых и легированных сталей аустенитного

класса в зависимости от температуры приведены в табл. 1.4 и П.3.

Таблица 1.4

Модуль продольной упругости

Е·10

-5

МПа, при температуре,

Сталь

20 100 150 200 250 300 350

Углеродистая

1,99 1,91 1,86 1,81 1,76 1,71 1,64

Легированная ау-

стенитного класса

2,00 2,00 1,99 1,97 1,94 1,91 1,86

Е·10

-5

МПа, при температуре,

Сталь

400 450 500 550 600 650

Углеродистая

1,55 1,40 - - - -

Легированная ау-

стенитного класса

1,81 1,75 1,68 1,61 1,53 1,45

Коэффициенты прочности сварных швов. При расчете на прочность сосу-

дов и аппаратов, имеющих сварные швы, в расчетные формулы следует вводить

коэффициент прочности φ, величина которого представляет собой отношение

Л.М. Теслюк, В.А. Низов,

С.Ф. Катышев

Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета

на прочность основных деталей аппаратов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 9 из 41

прочности сварного соединения к прочности основного материала (целого лис-

та); значение коэффициента зависит от конструкции шва (соединения) и от спо-

соба сварки (табл. 1.5–1.6).

Таблица 1.5

Коэффициенты прочности сварных швов для стальных сосудов и аппаратов

φ при длине контроли-

руемых швов

Вид сварного шва

100 % 10-50 %

1 2 3

Стыковой или тавровый с двусторонним сплошным

проваром, выполняемый автоматической

или полуавтоматической сваркой

1,0 0,90

Стыковой с подваркой корня шва или тавровый с

двусторонним сплошным приваром,

выполняемый вручную

1,0 0,90

Стыковой односторонний с подкладкой 0,9 0,80

Тавровый 0,8 0,65

Стыковой односторонний, выполняемый автомати-

ческой или полуавтоматической сваркой

0,9 0,80

Стыковой односторонний, выполняемый вручную 0,9 0,65

Таблица 1.6

Коэффициенты прочности сварных швов для титановых сосудов и аппаратов

Вид сварного шва φ

Для стыковых соединений с двусторонним проваром при авто-

матической сварке с флюсом и ручной сварке в среде аргона

0,95

Для тавровых соединений с двусторонним проваром при автома-

тической и ручной сварке в среде аргона

0,90

Для тавровых соединений без сплошного провара 0,80

Для стыковых односторонних швов в среде аргона 0,70

Л.М. Теслюк, В.А. Низов,

С.Ф. Катышев

Оборудование химических заводов. Нормы и методы расчета

на прочность основных деталей аппаратов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 10 из 41

Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов. При расче-

те сосудов и аппаратов необходимо учитывать прибавку с к расчетным толщи-

нам конструктивных элементов. Исполнительную толщину стенки элемента со-

суда и аппарата определяют по формуле:

s ≥ s

+ c, (1.5)

где s

– расчетная толщина стенки элемента сосуда и аппарата.

Прибавку к расчетным толщинам определяют по формуле:

с=с

+ с

, (1.6)

где с

– прибавка на коррозию; с

– разностенность (минусовое значение пре-

дельного отклонения толщины листа); с

– технологическая прибавка. При по-

верочном расчете прибавку вычитают из значений исполнительной толщины

стенки.

Прибавка на коррозию равна скорости коррозии (проницаемости) υ

(мм/год), умноженной на срок службы τ аппарата (обычно 10–12 лет): с=υ·τ.

Скорость коррозии определяют по справочникам или лабораторным испытани-

ям. Прибавку на коррозию обычно принимают 1–2 мм, что

соответствует ско-

рости 0,1–0,2 мм/год. При двухстороннем контакте с коррозионной и (или) эро-

зионной средой прибавку для компенсации коррозии и (или) эрозии должны

соответственно увеличивать. Технологическая прибавка предусматривает ком-

пенсацию утонения стенки элемента сосуда или аппарата при технологических

операциях – вытяжке, штамповке, гибке труб и т.д. Прибавки с

и с

учитывают

в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5 % номинальной тол-

щины листа.