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.

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. 21 из 41

ним сталь 08Х18Н10Т, проницаемость (П) которой при 300

С равна 0,01

мм/год.

Прибавка на коррозию при сроке службы τ =10 лет составит: с

= П·τ =

0,01·10 = 0,1 мм = 0,0001 м.

Допускаемые напряжения для стали 12Х18Н10Т [σ]

= 160 МПа и при

расчетной температуре 300 °С [σ] = 130 МПа [П.1].

Допускаемое напряжение для условий гидроиспытаний определяем по

(1.4):

2,0

= 280 МПа, тогда

5,2541,1/

2,0

σσ

пр

Расчетное давление Р для взрывоопасных и токсичных газов:

.МПа0,850,2РР

Пробное давление определяем по табл. 1. 2:

[] []

}{

{

}{ }

.1,51,308

1,308;0,22160/130;0,0,851,25а0,2;σ/σР1,25maxР

РПР

МПа

МП

≈=

⋅

Далее находим толщину обечайки:

[]

м0,0102

0,851300,92

2,80,85

Рσ2

−⋅⋅

⋅

−⋅⋅

где

– коэффициент прочности продольного сварного шва

= 0,9.

Прибавка на минусовый допуск с

= 0,8 мм, тогда

м0,01110,00080,00010,0102сс

=++=

Ближайшая большая толщина листа по сортаменту равна 12 мм, которую

и принимаем в качестве исполнительной.

Определяем допускаемое давление в условиях гидроиспытаний:

[]

()

(

)

()

МПа1,8088

0,00090,0122,8

0,00090,0120,9254,52

CSD

CSσ2

ПР

−+

−⋅⋅

−+

−⋅⋅⋅

Допускаемое давление выше пробного.

Толщину стенки эллиптического днища находим по формулам (2.4), (2.5):

[]

⋅−⋅

⋅

5,02

σϕ

.CSS

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. 22 из 41

Для стандартных эллиптических днищ R = D. Тогда, принимая, что

крышка изготовлена из стали 12Х18Н10Т и работает в тех же условиях, что и

обечайка, получаем:

.м0,01020,0009

0,850,51300,92

2,80,85

CSS

1P1

⋅−⋅⋅

⋅

=+=

Принимаем толщину днища равной толщине обечайки – 12 мм. Обозна-

чение: днище 2800-12-700 ГОСТ 6833-78.

Пример 2. Рассчитать корпус вакуум испа-

рителя (рис. 4.2) по следующим данным: оста-

точное давление в аппарате

— 10 кПа, рабочая

температура 60 °С (333 К), рабочая среда

–— 70

%-ный

ВОДНЫЙ раствор мочевины. В рубашку

подается горячая вода под избыточным давле-

нием

— 0,2 МПа. Расчетную температуру при-

нимаем равной 100 °С.

Углеродистые стали в

растворах карбамида неустойчивы. По корро-

зионной устойчивости выбираем сталь марки

08Х18Г8НЗМ2Т, проницаемость которой при

рабочих условиях менее 0,1 мм/год. Прибавка

на коррозию при τ = 10 лет с

= Пт = 0,1·10 = 1

мм.

По ТУ 14-132-902-74 толстолистовая сталь обладает следующими меха-

ническими свойствами:

= 600 МПа;

= 350 МПа. При 293 К допускаемое

напряжение:

[]

{}

.МПа233233;250min

5,1

350

;

4,2

600

min

5,1

;

4,2

min

2,0

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

Допускаемое напряжение при расчетной температуре [σ] = 194 МПа. Мо-

дуль упругости Е = 2,03·10

МПа.

Рис. 4.2. Расчетная схема

вакуум-испарителя

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. 23 из 41

Расчетное наружное давление для эллиптического днища и обечайки вы-

ше рубашки принимаем равным атмосферному: Р = 0,1 МПа. Испытательное

внутреннее избыточное давление Р

пр

= 0,2 МПа.

Расчет эллиптического днища. Расчетное наружное давление принимаем

равным 0,1 МПа. Отверстия в днище укреплены, поэтому его рассматриваем

как целое. Расчет выполняем по формуле (3. 10), (3. 11):

[]

;

10510

max

011

сс

PnRK

CSS

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

⋅

=+≥

−

где R = D=7,5 м; n

=2,4; Р = 0,1 МПа.

Коэффициент К

зависит от отношений )/(

CSD

−

где Н

— высота днища в вершине.

Задаемся толщиной днища 18 мм, тогда с

= 0,8 мм и сумма прибавок:

С = с

+ с

= 1,0+0,8= 1,8 мм = 0,0018 м.

Отношение D/(S

- С ) = 7,5/(0,018 - 0,0018) = 462,9630, а отношение Н

примем равным 0,25, как и для стандартных днищ. Тогда по рис. 3.3 найдем

значение К

– 0,98.

Расчетная толщина стенки днища

{}

;0018,00019,0;015,0max0018,0

1942

5,71,0

;

1003,210

1,04,2

510

5,798,0

max

+=+

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

⋅

⋅⋅

⋅

−

ммS 0168,0

Исполнительная толщина днища будет равна 18 мм.

Проверим применимость формул для эллиптических днищ. Должно вы-

полняться следующее условие: 0,002 ≤ (S

– C)/D≤0,1. Условие выполняется, так

как (S

– C)/D= (0,018 – 0,0018)/7,500 = 0,00216 и, следовательно, 0,002 < 0,00216

< 0,1.

Определяем допускаемое наружное давление эллиптического днища. До-

пускаемое давление из условий прочности находим по формуле (3.14):

[]

[

]

(

)

(

)

;/ CSDCSP

−

⋅

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. 24 из 41

[]

.,),,,/(),,( МПаP

83630001800180570018001801942

−

−⋅⋅=

Допускаемое давление в пределах упругости рассчитываем по уравнению

(3. 15):

[]

/]/)([ nDKCSEP

1001026 ⋅−⋅⋅⋅⋅=

−

Коэффициент К

может быть определен также по формулам (3.16), (3.17):

()

[]

(

)

[

]

;100,31/84,21 ХХК

⋅

()

(

)

(

)

[

]

;//22/10

ДД1

DDHHDCSХ

−

⋅

−=

()

(

)

(

)

[

]

;0324,05,7/5,7/875,12875,12/5,70018,0018,010 =

⋅

−

⋅

−

⋅

=Х

()

[]

(

)

[

]

;9806,00324,00324,00,100,31/0324,00324,084,21

=⋅

⋅

⋅+

=К

[]

(

)

МПа.1067,04,2/5,79806,0/0018,0018,01001003,21026

256

=⋅−⋅⋅⋅⋅⋅=

−

Допускаемое наружное давление (3.13):

[] [] [] []

()

;//

ЕРn

1 РРРР +=

[]

()

.МПа106,01058,01067,0/8363,01/8363,0

≈=+=Р

Допускаемое наружное давление выше расчетного: [Р] = 0,106 > 0,1 = Р.

Расчет гладкой цилиндрической обечайки. Толщину стенки гладкой ци-

линдрической обечайки, нагруженной наружным давлением, находим по фор-

мулам (3.2), (3.3):

[

]

{

}

,2/1,1;10max

CDРDKCSS +⋅⋅⋅⋅⋅=+≥

−

где безразмерный коэффициент К

определяется как функция отношений

(3.4), (3.5):

;104,2/

EPnК ⋅⋅⋅=

−

DlK

.4926,01003,2104,2/1,04,2

=⋅⋅⋅⋅=

−

Расчетная длина цилиндрической обечайки

м9,23/875,1275,23/

Доб

Hll ,

где

об

l — длина цилиндрической обечайки до рубашки, равная 2,275 м;

— высота днища в вершине, равная 1,875 м (см. рис. 4.2).

Отношение l/D будет равно К

= 2,9/7,5 = 0,3867.

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. 25 из 41

По значениям К

и К

находим, что К

= 100 (S — С)/D = 0,235 (рис. 3.1).

Определяем расчетную толщину обечайки:

{

}

{

}

м.0176,00021,0;0176,0max1942/5,71,1;105,7235,0max

==⋅⋅⋅⋅=

−

Так же как и в предыдущем примере, суммарная прибавка С равна 0,0018 м.

Исполнительная толщина стенки:

м0194,00018,00176,0

+= CSS

По сортаменту листовой стали выбираем лист толщиной 20 мм.

Условие применимости формул (3.2, 3.3) для обечаек с D ≥ 200 мм

— C)/D ≤ 0,1 выполняется, так как (0,020—0,0018)/7,5 = 0,0024 < 0,1.

Расчет должен быть проверен определением допускаемого давления [Р] по

формуле (3.6):

[] [] [] []

()

,//

Enn

PPPP +=

где допускаемое давление из условий прочности находим по формуле (3.7),

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости вычис-

ляем по формулам (3.8), (3.9):

[]

;

)(100)(1001018

−⋅

⋅

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

−

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

−⋅

⋅⋅=

)(

,;,min

100

15801

Находим допускаемые давления [Р]

и [Р ]

[]

()

(

)

[

]

МПа;,,,,/,, 93900018002057001800201942

−

−⋅

⋅

{}

;0,17874,42;0,1min

0018,002,0(100

5,7

9,2

5,7

15,8;0,1min

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

−⋅

⋅=

[]

МПа.114,0

5,7

)0018,002,0(100

5,7

)0018,002,0(100

9,2

5,7

14,2

1003,21018

−⋅

⋅

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅⋅

−

Вычисляем допускаемое давление [Р]:

[

]

МПа.113,0)114,0/939,0(1/939,0

=+=Р

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. 26 из 41

Обечайка устойчива, так как расчетное давление меньше допустимого:

0,1 < 0,113.

Аппарат испытывается на герметичность внутренним избыточным давле-

нием 0,2 МПа.

Определяем допускаемое внутреннее давление по формуле (2.3):

[] []

(

)

[

]

МПа.253,1)]0018,002,0(5,7/[

/)0018,002,0(9,02332/)(2

=−+

−⋅⋅=−+−⋅⋅⋅= CSDCSР

ϕσ

Обечайка обладает большим запасом прочности, испытательное давление

меньше допустимого: 0,2 < 1,253.

Расчет цилиндрической обечайки под рубашкой. По условиям работы аппа-

рата избыточное давление в рубашке

— 0,2 МПа. Расчетное давление будет рав-

но сумме атмосферного и избыточного давлений:

Р = 0,1+0,2 = 0,3 МПа.

Материал обечайки и его характеристики такие же, как и в предыдущем рас-

чете.

Расчетную длину обечайки принимаем равной 1 м (см. рис. 4.2), так как в

нижней части она усилена опорным кольцом.

Находим величины безразмерных коэффициентов:

;4779,11003,2104,2/3,04,2

=⋅⋅⋅⋅=

−

К .1333,05,7/1

Значение коэффициента К

определяем по рис. 3.1, оно равно 0,20. Вычисляем

расчетную толщину обечайки по формулам (3.2), (3.3):

{

}

{

}

.м015,00064,0;015,0max1942/5,73,01,1;105,720,0max

==⋅⋅⋅⋅⋅=

−

Суммарная прибавка на коррозию и минусовый допуск равна 0,0018 м.

Исполнительная толщина обечайки

.м0168,00018,0015,0

+= CSS

Ближайшая большая толщина листовой стали равна 18 мм.

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. 27 из 41

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

По данным табл. 5.1 и рис. 5.1. рассчитать толщину обечайки, днища

и крышки

Таблица 5.1

Данные для расчетов сосудов и аппаратов на внутреннее давление

№

вар-

та

Обозначе

ние по

ГОСТ

9931-79

(рис. 5.1)

Объем,

Внутрен

ний диа-

метр мм

Среда

Рабо

чее

давле-

ние,

МПА

Рабочая

темпе-

ратура,

Материал

1 2 3 4 5 6 7 8

1 ВКЭ-902 2,50 1000

Вода, воз-

дух

0,50 350

ВСт3пс

2 ВКЭ-601 6,30 1600

30%

NaOH

0,50 444

08Х13

3 ВЭЭ- 0,50 700

Жидкий

воздух

0,60 77

12Х18Н9

4 ВЭЭ-10 12,50 1800

- '' -

0,60 77

10Х14Г14Н4

5 ВЭЭ-2 6,30 1200

- '' -

0,05 77

Алюминий

А99

6 ВЭЭ-1 125,00 3800

30%

HNO

NO, NO

0,40 400

12Х18Н10

7 ВКП-1201 80,00 3200

, H

CO, H

0,07 420

ВМСт3кп

8 ВЭЭ-2 10,00 1800

Воздух

0,65 320

ВМСт3кп

9 ВКЭ-901 32,00 2800

Вода, воз-

дух

0,60 300

ВМСт3кп

10 ГЭЭ-1 2,00 1000

Жидкий

1,60 223

08х21Н5Т

11 ВЭЭ-2 1,00 800

Жидкий

1,60 293

08хХ13

12 ВЭЭ-2 8,00 1400

Воздух

0,50 103

Медь М3р

13 ВЭЭ-2 12,50 1800

Жидкий

0,50 96

Алюминий

А99

ВЭЭ-1 16,00 2000

Жидкий

0,05 80

Алюминий

А99

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. 28 из 41

Рис. 1. 5. Схемы стальных сварных аппаратов по ГОСТ 9931–79: а – тип ВЭЭ;

б – ВЭП; в – ВПП; г – ВКЭ; д – ВКП; е – ГЭЭ.

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. 29 из 41

Окончание таблицы 5.1

1 2 3 4

6 7

15 ВПП-2 1,25 800

Воздух

2,00 315

ВМСТ3кп

16 ВКЭ-902 4,00 1000

Жидкий

1,60 223

10Х17Н2

17 ГЭЭ-1 6,30 1400

COOH

0,60 310

12Х18Н9

18 ВКП-902 4,00 1600

20%

0,03 315

ВМСт3кп,

гуммиро

ванный

19 ВЭЭ-1 25,00 2200

Cu(CH

OO)

, CO

1,00 305

ВМСт3пс

20 ВЭЭ-1 80,00 3200

, H

4,50 698

12ХМ

21 ВЭЭ-2 4,00 800

Жидкий

0,45 75

Медь М3р

22 ВЭЭ-1 63,00 3200

NO, NO

, H

0,63 570

08Х21Н5Т

23 ГЭЭ-1 80,00 4000

, NO,

, N

1,16 773

12ХМ

24 ВКП- 20,00 2800

Раствор

NaHSO

0,05 363

ВТ1-0

25 ВПП-2 10,00 1000

Вода, воз-

дух

0,05 320

ВМСТ3пс

По данным табл. 5.2. рассчитать толщину обечайки, днища и крышки ап-

парата.

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. 30 из 41

Таблица 5.2

Исходные данные для расчета аппаратов и сосудов, нагруженных наруж-

ным давлением (для предварительного расчета днища принимаем

= 0,9; R=D; H

/D=0,25; l — расстояние между кольцами)

Давление

абсолют-

ное, Мпа

(Па)

№ варианта

Обозначение по

ГОСТ 9931-79 (рис. 5.

Наружное

Внутрен-

ее

Рабочая температура,

Внутренний диаметр

D, мм

Длина

обечай-

ки /

расстоя

ние

между

кольца-

ми, мм

Рабочая

среда

Объем аппарата, м

Материал

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 ВЭЭ-2 0,10 (3) 303 1000

4500

1600

Воздух,

вода

4,00

ВМСт3пс

ВКЭ-

902

0,10 (3) 1200 5000 То же 6,3 ВМСт3пс

ВКЭ-

902

0,10 (3) 303 1600 5500 То же 12,5 ВМСт3пс

ВКЭ-

902

0,10 (3) 303 2000 5620 То же 20,0 ВМСт3пс

5 ППВ-2

32,0 29,6 770 1600

13000

4500

, H

26,08 08Х18Н10Т

6 ВПП-2

32,0 31,0 820 900

9930

4000

То же 6,3 12Х18Н9Т

7 ВЭЭ-1

32,0 29,0 820 2200

13000

5000

То же 50,0 12Х18Н9Т

8 ВПП-2

32,0 30,0 800 2100

14500

4670

То же 50,0 12Х18Н9Т

9 ВПП-2

45,0 42,0 800 800

12540

4000

То же 6,3 12Х18Н9Т

10 ВПП-2

32,0 29,0 820 1200

7100

3000

, H

8,0 12Х18Н9Т

11 ГЭЭ-1 0,10 (3) 370 3000

10330

400

Раствор

22 % KCl

15 %

NaCl

80,0

ВМСт3кп,

футерован

12 ГЭЭ-1

0,10 (3) 370 3600

16400

3500

То же 160,0

ВМСт3кп,

футерован