Книга: Конструювання і розрахунок сталевих зварних посудин та апаратів Обичайки та днища

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ СЄВЄРОДОНЕЦЬКИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

О.І. Барвін, І.М. Гєнкіна, В.В. Іванченко,

Г.В. Тараненко, Ю.М. Штонда

КОНСТРУЮВАННЯ І РОЗРАХУНОК СТАЛЕВИХ ЗВАРНИХ ПОСУДИН ТА АПАРАТІВ.

ОБИЧАЙКИ ТА ДНИЩА

Луганськ 2005

ББК 34.42

УДК 66.02.001.24(075.8)

Т41

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів за спеціальністю “Обладнання хімічних виробництв та підприємств будівельних матеріалів”.

(лист № 14/18.2-2295 від 21.10.2005)

Рецензенти:

Панов Є.М., доктор технічних наук, проф. НТУУ ”КПІ“

Юшко В.І., доктор технічних наук, проф. УДХТУ

Склабінський В.І., доктор технічних наук, проф. СумДУ

Відповідальний редактор В.В. Іванченко

Т41 Конструювання і розрахунок сталевих зварних посудин та апаратів. Обичайки та днища : / Укл. О.І. Барвін, І.М. Гєнкіна, В.В. Іванченко, Г.В. Тараненко, Ю.М. Штонда. Навч. посібник. – Луганськ: Вид-во Східноукр.

нац. ун-ту імені Володимира Даля, 2005. – 310 с., 56 іл., 42 табл., 33 бібліогр назв.

ISBN 966-590-5392

У даному навчальному посібнику викладено основні відомості про конструкції та розрахунки на міцність, жорсткість і стійкість основних елементів корпусів посудин та апаратів, які знаходять широке розповсюдження в хімічній та суміжних з нею галузях промисловості.

Методи розрахунків посудин та апаратів розроблені на базі діючої у хімічному машинобудуванні нормативно-технічної документації (державні і галузеві стандарти, технічні умови та ін).

Наведені приклади розрахунків обичайок, днищ та укріплення отворів у стінках елементів.

Посібник призначається для використання в навчальному процесі при підготовці фахівців за спеціальністю “Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів” і може бути корисним інженерам-механікам, які займаються проектуванням, виготовленням і експлуатацією посудин та апаратів хімічних виробництв.

ЗМІСТ

ВСТУП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1 Терміни та визначення . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2 Загальні вимоги до конструкцій . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 Вимоги до транспортування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 КОНСТРУКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1 Вимоги до конструкційних матеріалів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Вплив властивостей робочого середовища на вибір матеріалу . . . . . . 14

2.3 Вплив температури та тиску на вибір матеріалу . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4 Матеріали для виготовлення сталевих зварних посудин та апаратів . . 21

2.4.1 Класифікація сталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4.2 Сталь листова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4.3 Сталь сортова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4.4 Труби сталеві . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4.5 Поковки сталеві . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.6 Виливки сталеві . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4.7 Матеріали для кріпильних деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.8 Зварювальні матеріали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.9 Матеріали для прокладок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 КОНСТРУЮВАННЯ ТА РОЗРАХУНКИ НА СТАТИЧНУ МІЦНІСТЬ

ОСНОВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ АПАРАТІВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1 Загальні положення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1.1 Температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1.2 Тиск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.1.3 Допустимі напружини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.1.4 Коефіцієнти міцності зварних швів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.1.5 Добавки до розрахункових величин конструктивних елементів 39

3.2 Обичайки циліндричні . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2.1 Вимоги до конструювання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.2 Умови застосування розрахункових формул . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2.3 Розрахунок гладких циліндричних обичайок, навантажених внутрішнім надлишковим тиском . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2.4 Розрахунок гладких циліндричних обичайок, навантажених зо- внішнім тиском . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.2.5 Розрахунок гладких циліндричних обичайок, що працюють під

спільною дією навантажень кількох видів . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.2.6 Розрахунок циліндричних обичайок з кільцями жорсткості, що

працюють під внутрішнім надлишковим тиском . . . . . . . . . . . . . 83

3.2.7 Розрахунок циліндричних обичайок з кільцями жорсткості, що працюють під зовнішнім тиском (вакуумом) . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.2.8 Розрахунок циліндричних обичайок з кільцями жорсткості, що працюють під спільною дією навантажень кількох видів . . . . . . 98

3.3 Днища та переходи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.3.1 Загальні положення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.3.2 Еліптичні та напівсферичні днища . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.3.3 Сферичні невідбортовані днища . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

3.3.4 Конічні днища та переходи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

3.3.5 Плоскі днища та кришки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

3.4 Зміцнення отворів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

3.4.1 Теоретичні основи зміцнення отворів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 3.4.2 Типові конструкції зміцнення отворів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

3.4.3 Визначення розрахункового діаметра поодинокого отвору, що не вимагає зміцнення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

3.4.4 Визначення основних розрахункових величин . . . . . . . . . . . . . . . 194

3.4.5 Умови застосування розрахункових формул . . . . . . . . . . . . . . . . 196

3.4.6 Зміцнення поодиноких отворів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

3.4.7 Зміцнення взаємовпливаючих отворів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

3.4.8 Приклади розрахунку зміцнення отворів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

ДОДАТОК А Перелік матеріалів, що використовуються для виготов- лення посудин, які працюють під тиском. . . . . . . . . . . . . . 244

ДОДАТОК Б Механічні властивості матеріалів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

ДОДАТОК В Опуклі днища . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

ДОДАТОК Г Конічні днища . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 ДОДАТОК Д Плоскі днища . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

ВСТУП

Навчальний посібник призначено для студентів спеціальності 7.090220 – обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів, які вивчають дисципліну “Розрахунок і конструювання машин та апаратів хімічних виробництв”.

Дана дисципліна відноситься до циклу професійно орієнтованих дисциплін при підготовці інженерів-механіків хімічної та суміжних з нею галузей промисловості.

Метою вивчення даної дисципліни є ознайомлення з основами розрахунку і конструювання машин та апаратів хімічних виробництв.

У даному посібнику розглядаються питання розрахунку і конструювання на міцність, жорсткість і стійкість елементів корпусів сталевих зварних посудин та апаратів, які базуються на теоретичних основах таких фундаментальних дисциплін як фізика, теоретична механіка, опір матеріалів, технологія конструкційних матеріалів, матеріалознавство та ін.

Професійна підготовка інженерів-механіків хімічних виробництв припускає уміння орієнтуватися у діючій в хімічному машинобудуванні нормативно-технічній документації з конструювання і розрахунку на міцність елементів сталевих зварних посудин та апаратів (державні та галузеві стандарти, технічні умови, альбоми типових конструкцій і та ін.). Як показує аналіз, часто-густо нормативно-технічна документація, у якій наводяться методики розрахунку елементів корпусів зварних сталевих посудин та апаратів, не завжди узгоджується з їхніми типовими конструкціями.

У посібнику приведені до відповідності методики розрахунків і конструкції складових частин посудин апаратів на основі діючої в хімічному машинобудуванні нормативно-технічної документації.

Структурно посібник має системний методично-практичний характер з великою кількістю прикладів розрахунку елементів корпусів апаратів, що дозволяє студентам ефективно освоювати навчальний матеріал у процесі самостійної роботи. Для рішення прикладів розрахунків наведені необхідні довідкові бази даних.

Посібник призначено для використання в навчальному процесі при підготовці інженерів-механіків хімічної та суміжних з нею галузей промисловості. Він може бути використаний інженерно-технічними працівниками КБ і НДІ, які займаються проектуванням та розрахунком апаратів хімічних виробництв.

1 ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ

Посудини та апарати хімічних і нафтохімічних виробництв призначені для проведення в них технологічних процесів (хімічних реакцій, теплообміну зі зміненням або без змінення агрегатного стану речовин, кристалізації, розчинення, випарювання, абсорбції, адсорбції, ректифікації, сепарації, фільтрації та ін.), а також для збереження або переміщення в них різних хімічних речовин.

У даному посібнику наведені вимоги до проектування сталевих зварних посудин та апаратів, що працюють під тиском не більш 16 МПа (160 кгс/см² ) при температурі стінки не нижче мінус 70 °С.

Вимоги до проектування сталевих зварних посудин та апаратів, що викладені у даному посібнику, не поширюються на:

– посудини з товщиною стінки понад 120 мм;

– посудини, що працюють під вакуумом із залишковим тиском нижче 665 Па (5 мм рт. ст.); – трубчасті печі.

1.1 Терміни та визначення

Посудина – герметично закрита ємкість, що призначена для проведення хімічних, теплових і інших технологічних процесів, а також для збереження та транспортування газоподібних, рідких та інших речовин.

Границею посудини є вхідні та вихідні штуцери.

Апарат – посудина, яка обладнана внутрішніми пристроями і призначена для проведення хіміко–технологічних процесів. Апарати в залежності від технологічного процесу та конструкції носять різну назву: колонні апарати, реактори, автоклави та ін.

Посудини та апарати складаються з таких основних елементів: циліндричного корпусу, днищ (днища та кришки), штуцерів для приєднання трубопроводів, арматури, контрольно-вимірювальних приладів, люків, лючків, опор, стропових пристроїв, фланцевих з’єднань.

Елемент посудини – складальна одиниця або деталь посудини, призначена для виконання однієї з основних її функцій. Елементи посудин (апаратів) з’єднуються між собою, як правило, зварюванням.

Складальна одиниця – виріб, складові частини якого підлягають з’єднанню між собою зварюванням, згвинченням, розвальцюванням та іншими складальними операціями.

Обичайка – циліндрична (конічна) відкрита з торців оболонка замкненого профілю.

Конічні обичайки застосовуються, як правило, як днища та переходи.

Корпус – основна складальна одиниця, яка складається з обичайок, днищ та інших елементів.

Днище – невід’ємна частина корпуса посудини, що обмежує внутрішню порожнину посудини (апарата) з торця.

Кришка – від’ємна частина корпуса посудини, що закриває її внутрішню порожнину.

Штуцер – елемент, призначений для приєднання до посудини трубопроводів, трубопровідної арматури, контрольно-вимірювальних приладів і таке інше.

Заглушка – від’ємна деталь, котра дозволяє герметично закривати отвір штуцера або бобишки.

Люк – пристрій, який забезпечує доступ до внутрішньої порожнини посудини.

Оглядовий лючок – пристрій, який забезпечує огляд внутрішньої порожнини посудини.

Опора – пристрій для установки посудини в робочому положенні та передачі навантаження від посудини на фундамент або носійну конструкцію.

Опора циліндрична – пристрій, що складається з циліндричної обичайки та нижнього опорного пояса, який приварюється до днища вертикального апарата.

Опора конічна – пристрій, що складається з циліндричної та конічної обичайок і нижнього опорного пояса, який приварюється до днища вертикального апарата.

Опора сідлова – опора горизонтальної посудини, яка охоплює нижню частину кільцевого перерізу обичайки.

Лапа опорна – пристрій для установлення посудини в робочому положенні на міжповерховому перекритті або металоконструкції, виконаний у вигляді кронштейна, привареного до корпуса посудини і працюючий на згин.

Опора-стійка – пристрій для установлення вертикальної посудини в робочому положенні на міжповерховому перекритті або фундаменті, виконаний у вигляді стійки, що працює на стиснення.

Вікно оглядове – пристрій, який дозволяє вести спостереження за робочим середовищем у посудині або апараті.

Змійовик – теплообмінний пристрій, виконаний у вигляді зігнутої труби.

Сорочка посудини – теплообмінний пристрій, що складається з оболонки, яка охоплює корпус посудини або його частину і утворює спільно зі стінкою корпуса посудини порожнину, заповнену теплоносієм.

З'єднання фланцеве – нерухоме рознімне з’єднання оболонок, герметичність якого забезпечується шляхом стиснення ущільнювальних поверхонь безпосередньо одної з іншою або за допомогою розташованих між ними прокладок з більш м’якого матеріалу, стиснених кріпильними деталями.

Стикові зварні з’єднання – з’єднання, у яких зварювані елементи примикають один до одного торцевими поверхнями та містять у собі шов і зону термічного впливу.

1.2 Загальні вимоги до конструкцій

Конструкції посудин та апаратів повинні бути технологічними, надійними протягом передбаченого технічною документацією терміну служби, забезпечувати безпеку при виготовленні, монтажі та експлуатації, передбачати можливість проведення технічного опосвiдчення (зовнішній і внутрішній огляди, гідравлічне випробування), повного спорожнювання, очищення, промивання, продувки та ремонту, експлуатаційного контролю металу і з’єднань.

Для кожної посудини повинно бути встановлено і зазначено у паспорті розрахунковий термін служби з урахуванням умов експлуатації.

Пристрої, що перешкоджають зовнішньому і внутрішньому оглядам посудини (перемішуючі пристрої, змійовики, сорочки, тарілки та ін.), повинні бути, як правило, знімними. У випадку застосування приварних пристроїв має бути передбачена можливість їхнього видалення з наступною установкою. Порядок знімання та установлення цих пристроїв повинен бути зазначений в інструкції з монтажу та експлуатації.

Якщо конструкція посудини не дозволяє проведення зовнішнього та внутрішнього оглядів або гідравлічного випробування при технічному опосвiдченні, то розроблювач проекту посудини в інструкції з монтажу і експлуатації повинен вказати методику, періодичність і обсяг контролю посудини, виконання яких забезпечить своєчасне виявлення та усунення дефектів.

Усі сліпі частини складальних одиниць і елементів внутрішніх пристроїв повинні мати дренажні отвори, розташовані в їхніх найнижчих місцях, для забезпечення повного зливу рідини у випадку зупинення посудини і води після гідравлічного випробування, а також отвори, розташовані в самих верхніх місцях цих елементів, для видалення повітря при гідравлічному випробуванні.

Посудини повинні мати штуцери для наповнення і зливу води, а

також видалення повітря при гідравлічному випробуванні. З цією метою можуть використовуватися технологічні бобишки і штуцери.

На кожній посудині повинно бути передбачено вентиль, кран або інший запірний пристрій, який дозволяє здійснювати контроль за відсутністю тиску в посудині перед його відкриттям. Тип запірного пристрою і місце його розташування призначає розроблювач технічного проекту. Вентиль, кран або інший запірний пристрій допускається встановлювати на технологічних трубопроводах.

Конструкція посудин, що працюють під тиском понад 0,07 МПа, повинна цілком відповідати вимогам ДНАОП 0.00-1.07-94 “Правила будови та безпечної експлуатації посудин, що працюють під тиском” [7] і галузевого стандарту ГСТУ 3-17-191-2000 “Посудини та апарати стальні зварні. Загальні технічні умови” [28].

Залежно від параметрів (розрахункового тиску і температури стінки) і характеру робочого середовища посудини підрозділяються на групи.

Група посудини визначається за таблицею 1.1.

Посудини, на які не поширюються Правила [7], незалежно від розрахункового тиску необхідно відносити до групи 5а або 5б.

При проектуванні посудин необхідно враховувати навантаження, що виникають при монтажі і залежать від способу монтажу.

Для теплообмінних апаратів та апаратів з порожнинами, що мають різні характеристики і параметри, допускається вказувати групу апарата для кожної порожнини.

Конструкції посудин, котрі обігріваються гарячими газами, повинні забезпечувати надійне охолодження стінок, які знаходяться під тиском, до розрахункової температури.

Для стандартних посудин, що працюють під тиском Р ≤ 0,07 МПа, допускається не вказувати склад, мінімальну та максимальну температуру середовища.

Для перевірки якості приварки кілець, які зміцнюють отвори для люків і штуцерів, повинен бути передбачений нарізний контрольний отвір у кільці, якщо воно приварене зовні, або в стінці, якщо кільце приварене з внутрішнього боку посудини. Дана вимога поширюється також на накладки та інші елементи, що приварюються зовні до корпуса.

Горизонтально розташовані фланцеві з’єднання корпусів апаратів і штуцерів з ущільнювальними поверхнями типів “шип-паз” та “виступзападина” для зручності установки прокладки необхідно виконувати так, щоб фланці з пазом або западиною були нижніми.

Для вивірки вертикальності положення вверху та внизу корпуса ізольованих колонних апаратів повинні бути передбачені дві пари пристроїв, які розташовуються під кутом 90° за галузевим стандартом [32], а у неізольованих – дві пари пристроїв або рисок.

Таблиця 1.1 – Групи посудин

Базові діаметри посудин приймаються за стандартом [10].

Посудини, що у процесі експлуатації змінюють своє положення у просторі, повинні мати пристрої, які запобігають їхньому самоперекиданню.

Розрахунок на міцність посудин, що працюють в умовах циклічних і знакозмінних навантажень їхніх елементів, у тому числі на втомленісну міцність, необхідно проводити відповідно до діючої у хімічному машинобудуванні нормативно-технічної документації, погодженою з Держнаглядохоронпраці України.

1.3 Вимоги до транспортування

При проектуванні посудин повинні враховуватися вимоги “Правил перевозки грузов железнодорожным, водным и автомобильным транспортом”.

Посудини, які не можуть транспортуватися в зібраному вигляді, повинні проектуватися із мінімального числа частин, що відповідають по габариту вимогам перевезення залізничним транспортом. Розподіл посудини на окремі транспортовані частини, повинен вказуватися в технічному (курсовому, дипломному) проекті.

На місце монтажу посудини повинні поставлятися в максимально зібраному вигляді.

Посудини, що транспортуються в зібраному вигляді, а також транспортовані частини повинні мати стропові (захватні) пристрої для проведення вантажно-розвантажувальних робіт, підйому та установленні посудини в проектне положення.

Допускається за узгодженням із монтажною організацією замість стропових пристроїв використовувати технологічні штуцери і горловини, уступи, бурти та інші конструктивні елементи посудин.

Конструкції, місця розташування стропових (захватних) пристроїв і конструктивних елементів для стропування, їх кількість, схеми стропування посудин та їхніх транспортованих частин повинні бути наведені в технічному (курсовому, дипломному) проекті.

Стропові пристрої і призначені для стропування конструктивні елементи посудин повинні бути розраховані на монтажну масу, навантаження, що виникають при монтажу залежно від способу монтажу.

Вертикальні апарати масою понад 100 т повинні забезпечуватися шарнірними пристроями.

Залізничним транспортом допускається перевозити апарати, розміри та маса яких наведені в таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 – Допустимі розміри та маса апаратів для перевезення залізничним транспортом

Питання до самоперевірки

1 Що означають терміни “посудина” та “аппарат”?

2 Дайте визначення основних складових частин корпуса апарата.

3 Основні вимоги, що пред’являються до посудин та апаратів хімічних виробництв.

4 Основні вимоги до виготовлення хімічних апаратів.

5 Фактори, від яких залежить група посудини.

6 Вимоги до транспортування посудин.

7 Вимоги до монтажу посудин та розміщенню стропових пристроїв.

2 КОНСТРУКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

2.1 Вимоги до конструкційних матеріалів

Сучасні хімічні виробництва характеризуються широким діапазоном робочих тисків і великим інтервалом робочих температур при корозійноактивних, токсичних, пожежо- та вибухонебезпечних робочих середовищах. Багато вузлів і деталей апаратів зазнають одночасно значні механічні навантаження і корозійний вплив середовища при високих та низьких температурах.

До конструкційних матеріалів, призначених для хімічного обладнання пред’являється комплекс вимог, обумовлених конструкцією, технологією виготовлення та безпечною експлуатацією:

– достатня корозійна стійкість в агресивному середовищі при заданій концентрації, температурі та тиску, обумовлена швидкістю проникнення корозії, а також жаростійкість і стійкість проти можливих видів корозійного руйнування (міжкристалічна, воднева, карбонільна корозія, азотування та корозійне розтріскування сталі);

– достатня механічна міцність при заданих тиску і температурі з урахуванням специфічних вимог, що пред’являються при випробуванні та експлуатації обладнання (жароміцність, збереження задовільних пластичних властивостей при тривалій роботі під навантаженням в області високих та низьких температур, стійкість при знакозмінних або повторних навантаженнях і таке інше);

– здатність матеріалу зварюватися із забезпеченням високих механічних властивостей і корозійної стійкості зварних з’єднань; можливість оброблення матеріалу різанням, тиском, а також термічної обробки;

Вибір матеріалів визначається рядом факторів, які можна розділити на дві групи:

– фактори, що залежать від зовнішніх робочих умов (властивості робочого середовища, температура, тиск);

– фактори, пов’язані з властивостями даного матеріалу (фізикомеханічні та технологічні властивості).

До фізико-механічних властивостей відносяться:

– границя міцності або тимчасовий опір ^R _m , МПа;

– границя текучості ^R _e , МПа ;

– умовна границя текучості ^R p0,2 або ^R p1,0 , МПа;

– модуль подовжньої пружності E , МПа;

– ударна в’язкість KCU , МДж/м² ; – коефіцієнт теплопровідності , Вт/(мС);

– коефіцієнт лінійного розширення , С ^-1 .

До технологічних властивостей відносяться:

– зварюваність;

– оброблюваність тиском і різанням.

2.2 Вплив властивостей робочого середовища на вибір матеріалу

У більшості випадків основним фактором для вибору матеріалів для виготовлення хімічних апаратів є властивості робочого середовища. Корозійна стійкість матеріалу при заданій концентрації середовища, температурі та тиску визначає їх довговічність.

При виборі матеріалу з чорних і кольорових металів та сплавів за умови їхньої рівномірної корозії необхідно керуватися ГОСТ 13819-68, у якому корозійна стійкість у різних хімічних середовищах оцінюється за 10-бальною шкалою (таблиця 2.1).

Таблиця 2.1 – Корозійна стійкість металів

Для виготовлення хімічної апаратури повинні використовуватися конструкційні матеріали, швидкість корозії яких не перевищує 0,1 мм/рік.

Під швидкістю корозії розуміють глибину проникнення корозії в метал, яку розраховують по втраті маси зразка після видалення продуктів корозії. Глибину проникнення корозії П , мм/рік розраховують за формулою

П  К 10 ^{ 3} / , (2.1)

де K – втрата маси, кг/(м² ∙рік);  – щільність металу, кг/м³ .

Ерозійний вплив середовища (руйнування поверхневого шару металу під дією твердих частинок, які вдаряються в нього, крапель або потоку рідини чи газу) враховують при значних швидкостях руху середовища: рідин – понад 20 м/с, газів – понад 100 м/с або при наявності в середовищі абразивних частинок).

При конструюванні хімічної апаратури необхідно враховувати також і інші види корозійного руйнування матеріалів: корозійне розтріскування, міжкристалічну, водневу та карбонільну корозію, азотування і графітизацію сталі.

Корозійне розтріскування металу у ряді випадків спостерігається в апаратах, виконаних з легованих сталей і працюючих при підвищених тисках та температурах, при спільній дії корозійного середовища та розтягувальних напружин. Руйнування металу при корозійному розтріскуванні відбувається з утворенням тріщин усередині кристалів і по їх границях. При наявності в металі стискових напружин корозійне розтріскування не відбувається.

Прискорене розтріскування апаратів із хромонікелевих сталей і вмістом хрому близько 18 % і нікелю близько 8 %, які знаходяться під постійно діючим навантаженням, має місце в розчинах NaCl, MgCl₂ , ZnCl₂ , LіCl, H₂ S і морській воді. Хромомолібденові сталі піддані корозійному розтріскуванню при підвищеному вмісту кисню і лугів у живильній воді казанів. Живильна вода звичайного складу (вміст кисню не більш 0,15 мг/л; хлоридів – не більш 0,03 мг/л; концентрація лугів – не більше 5 %) не викликає корозійного розтріскування. Основні міри захисту металу від корозійного розтріскування: зведення до мінімуму рівня напружин, зниження їх місцевої концентрації, підбір відповідних матеріалів, систематичний аналіз і контроль вмісту кисню, хлоридів і лугів у складі робочого середовища.

Міжкристалічна корозія властива аустенітним хромонікелевим сталям. При роботі їх при температурах понад 400 °С по границям зерен утворюються карбіди хрому. В результаті границі зерен збіднюються хромом, що призводить до зниження корозійної стійкості та ударної в’язкості. Схильність сталі до міжкристалічної корозії можна запобігти обмеженням вмісту в неї вуглецю до величини менше 0,04 % і додаванням легуючих елементів (титану та ніобію), що запобігають утворенню карбідів хрому, титану та ніобію.

Явище водневої корозії спостерігається в апаратах високого тиску при контакті із середовищем, що містить газоподібний водень. Воднева корозія сталі відбувається в результаті гідрогенізації її карбідної фази з воднем, поглиненим металом при контакті з воднемістким технологічним середовищем. В результаті водневої корозії змінюється структура сталі, відбувається міжкристалічне розтріскування; міцність та пластичні характеристики сталі незворотно погіршуються, приводячи до передчасних поломок і руйнувань. Інтенсивність хімічної взаємодії водню з карбідною складовою сталі залежить від температури та тиску водню, а також від ступеня легування стали карбідоутворюючими елементами. Основний спосіб захисту сталі від водневої корозії – введення сильних карбідоутворюючих елементів, які підвищують стійкість карбідної складової (хрому, молібдену, титану, ванадію). Проте необхідно враховувати, що застосування сталей, легованих дорогими компонентами, може істотно підвищити вартість обладнання і не завжди бути прийнятно з технічних причин, наприклад, через відсутність поковок необхідних розмірів з легованої сталі. Для захисту стали від водневої корозії можна футерувати або плакувати сталь матеріалом, який має низьку водневу проникність.

Карбонільна корозія спостерігається в середовищах, що містять значну кількість оксиду вуглецю. Оксид вуглецю, взаємодіючи з металевою поверхнею деталей, утворює карбонільне з’єднання з залізом – пентакарбоніл заліза. Продукти корозії поступово переходять з поверхні металу в газову фазу. Карбонільна корозія є різновидністю поверхневої корозії матеріалу в газовому технологічному середовищі і супроводжується зменшенням товщини стінки. Основними факторами, що визначають стійкість сталі в середовищі окису вуглецю, є парціальний тиск окису вуглецю, температура та хімічний склад сталі. Найстійкіші до карбонільної корозії є сталі, що містять не менше 18 % хрому. Високу стійкість мають кольорові метали і сплави. Алюміній практично не піддається карбонільної корозії.

Азотування сталі спостерігається в установках синтезу аміаку, де атомарний азот дифундує в поверхневий шар металу і взаємодіє із залізом та легуючими елементами, утворюючи нітриди, які додають крихкість азотизованому шару. Азотування сталі супроводжується значним збільшенням об’єму шару металу, насиченого азотом, що призводить до появи значних напружин розтягненні в матеріалі під азотизованим шаром. Дослідження показали, що помітне азотування вуглецевих та низьколегованих сталей спостерігається при температурах понад 300 °С, середньолегованих – при температурах понад 380 °С, високолегованих аустенітних – при температурах понад 400 °С.

Графітизація – явище, пов’язане з руйнуванням карбіду заліза та утворенням ланцюжків вільного графіту в основному в зоні зварних швів. Це явище характерне для вуглецевомолібденових сталей в області температур 475-600 °С і призводить до зниження ударної в’язкості. Для запобігання графітизації в сталь вводять добавки хрому (не менше 0,6-0,8 %).

2.3 Вплив температури та тиску на вибір матеріалу

При вибору матеріалів для виготовлення апаратів, які працюють під тиском при низьких та високих температурах, необхідно враховувати, що механічні властивості матеріалів істотно змінюються залежно від температури. Міцностні властивості металів і сплавів підвищуються при низьких температурах і знижуються при високих. Зниження міцностних властивостей при високих температурах обумовлено структурними і фазовими перетвореннями, які відбуваються в металі. Для хімічної апаратури, призначеної для роботи при високих температурах, застосовують спеціальні марки жароміцних сталей, які характеризуються достатньою механічною міцністю та стабільністю структури при високих температурах. Поряд із жароміцністю ці метали повинні бути також і жаростійкими, тобто здатні протистояти корозійному впливу середовища в умовах тривалої роботи при високих температурах.

При статичному навантаження важливими характеристиками для оцінки міцності матеріалу є границя міцності чи тимчасовий опір ^R _m і границя текучості ^R _e (або умовна границя текучості ^R p0,2 ). Пружні властивості металів характеризуються модулем подовжньої пружності E і коефіцієнтом Пуассона . Зазначені характеристики є основними при розрахунках на міцність деталей апаратури, яка працює під тиском при низьких (від мінус 254 до мінус 40 °С), середніх (від мінус 40 до плюс 200 °С) та високих (понад 200 °С) температурах.

При динамічному навантаженні крім зазначених вище характеристик необхідно враховувати також і величину ударної в’язкості. Для багатьох вуглецевих і легованих сталей ударна в’язкість при низьких температурах (звичайно нижче мінус 40 °С) різко знижується, що виключає застосування цих матеріалів у таких умовах. Ударна в’язкість для більшості кольорових металів і сплавів (міді та її сплавів, алюмінію та його сплавів, нікелю та його сплавів), а також хромонікелевих сталей аустенітного класу при низьких температурах, як правило, зменшується незначно, і пластичні властивості цих матеріалів зберігаються на досить високому рівні, що дозволяє застосовувати їх при робочих температурах до мінус 254 °С.

Крім зазначених механічних характеристик при вибору матеріалу для посудин та апаратів, що працюють під тиском і при високих температурах, враховують такі властивості як повзучість, тривала міцність матеріалу, релаксація, стабільність структури, теплова крихкість, а для посудин та апаратів, що працюють при знижених температурах, – схильність до холодноламкості.

Явища повзучості та релаксації спостерігаються в сталях при довготривалій роботі і високих температурах в умовах напруженого стану. Повзучістю називають здатність сталі повільно і безперервно деформуватися під дією постійного навантаження при високих температурах. Границею повзучості R p1,0 / 10 ₅ називають напружину, що викликає загальну деформацію 1 % за 10⁵ годин. Опір сталі повзучості – основний критерій, за яким судять про теплотривкість сталі. Теплотривкість – це здатність сталі протистояти повзучості. У розрахунковій практиці границю повзучості враховують при визначенні допустимих напружин, якщо необхідно обмежити деформацію деталі, наприклад, при розрахунку кріпильних виробів.

Якщо загальна деформація повзучості несуттєва, але деталь працює при високій температурі під навантаженням, то допустимі напружини визначають по границі тривалої міцності. Границею тривалої міцності

R m/ 10 ₅ називають відношення навантаження, під дією якого зразок доводиться до розриву за 10⁵ годин при заданій температурі до початкової площі поперечного перерізу зразка.

Релаксацією називають процес самовільного зменшення механічних напружин у деформованих тілах, що не супроводжується зміною деформації. При релаксації деформація деталі не зростає, а напружини в ній знижуються. Це пояснюється переростанням пружної деформації в пластичну при незмінній загальній деформації. Явище релаксації необхідно враховувати при розрахунках величини зусилля затягування болтів для забезпечення тривалої герметичності фланцевого з’єднання при високих температурах.

Важливим фактором для оцінки властивостей сталей при виборі їх для роботи в області високих температур є стабільність структури. Порушення стабільності структури полягає в схильності деяких сталей до графітизації, міжкристалічної корозії та теплової крихкості.

Явища графітизації і міжкристалічної корозії та методи боротьби з ними були розглянуті вище. Тепловою крихкістю сталі називають зниження ударної в’язкості при тривалій роботі в області температур 450-600 °С. При цьому інші показники механічних властивостей практично не змінюються. Теплова крихкість характерна для низьколегованих хромонікелевих сталей. Для запобігання теплової крихкості хромонікелеві сталі стабілізують добавками молібдену, вольфраму ванадію тощо.

Зниження ударної в’язкості спостерігається і при роботі сталей в області мінусових температур, яке одержало назву холодноламкості. При цьому границя міцності, границя текучості та модуль пружності сталей зростають. Проте збільшення значення границі міцності та границі текучості при зниженні температури не враховується при визначенні допустимих напружин. За розрахункову температуру при температурах нижче 20 °С приймають температуру 20 °С. При виборі матеріалу для роботи в області мінусових температур необхідно враховувати критичну температуру холодноламкості, при якій величина ударної в’язкості складає 60 % від початкового значення при нормальній температурі.

Вимоги до основних матеріалів, межі і умови їх застосування та призначення наведені в додатку А.

При виборі матеріалів для виготовлення посудин та апаратів, що працюють під тиском, і призначених для установки на відкритому майданчику або у неопалювальних приміщеннях, повинна враховуватися абсолютна мінімальна температура зовнішнього повітря для даного району (СНиП 2.01.01-82) у випадку, якщо температура стінки посудини може стати мінусовою від дії навколишнього повітря, коли посудина знаходиться під тиском.

В інших випадках необхідно враховувати середню температуру найхолоднішої п’ятиденки із забезпеченістю 0,9 (СНиП 2.01.01-82) і перевірити, щоб якість обраного за обов’язковими додатками галузевого стандарту [28] матеріалу відповідала таблиці 2.2.

Для матеріалів, не наведених у таблиці 2.2, нижня температурна границя застосування визначається за галузевим стандартом [28].

Границі застосування двошарової сталі визначаються по матеріалу основного шару.

Матеріали опорних частин посудин, кронштейнів для кріплення навісного обладнання та інших зовнішніх приварних елементів повинні вибиратися за таблицею 2.2.

Елементи, які приварюються безпосередньо до корпуса усередині або зовні: (лапи, циліндричні опори, підкладки під фірмові пластинки, опорні кільця під тарілки та ін.), повинні виготовлятися з матеріалів, що мають гарну зварюваність і близькі значення коефіцієнтів лінійного розширення з матеріалом корпуса. Різниця в значеннях коефіцієнтів лінійного розширення не повинна перевищувати 10%. Коефіцієнти лінійного розширення сталей приймають за галузевим стандартом [18].

Допускається приварювання до зовнішньої поверхні корпусів посудин з аустенітних хромонікелевих сталей елементів з вуглецевої або низьколегованої сталі.

Допускається застосовувати листову сталь і сортовий прокат марок Ст3кп2, Ст3пс2 товщиною не більше 10 мм для приварних та неприварних внутрішніх елементів посудин, що працюють при температурі від мінус 40 до плюс 475 °С.

Таблиця 2.2 – Марки сталей для посудин, що працюють без тиску, залежно від середньої температури повітря найхолоднішої п’ятиденки

Допускається для посудин зі сталей марок 12ХМ, 15ХМ і двошарової сталі з основним шаром зі сталі марки 12ХМ приварювати зовнішні деталі (накладки, скоби для ізоляції, косинки та ін.) зі сталей 16ГС, 09Г2С, Ст3 за умови підтвердження розрахунком на міцність.

Корозійностійкі сталі (листи, труби, зварювальні матеріали, поковки та штамповані деталі) при наявності вимог у проекті повинні бути перевірені на стійкість проти міжкристалічної корозії за ГОСТ 6032-89 на підприємстві-постачальнику прокату або на підприємстві-виготовлювачі.

Вуглецева сталь кипляча не повинна застосовуватися:

– у посудинах призначених для зріджених газів;

– у посудинах, призначених для роботи з вибухонебезпечними, пожежонебезпечними та шкідливими речовинами 1-го і 2-го класів небезпеки за стандартами [26, 27] і середовищами, що викликають корозійне розтріскування (аміачна вода, рідкий аміак при вмісті вологи менше 0,2 %; розчини їдкого калію і натрію, азотнокислого калію, натрію, амонію і кальцію, етаноламіни, азотна кислота та ін.) або викликають сірководневе розтріскування та розшарування.

Внутрішні пристрої, що стикаються з вибухонебезпечними та пожежонебезпечними середовищами допускається виконувати з киплячої сталі товщиною не більше 10 мм.

При підвищених тисках пред’являють жорсткі вимоги до якості матеріалів. Правилами Держнаглядохоронпраці України [7] і галузевим стандартом [28] установлюються границі застосування за тиском і температурою для сталей різних марок, а також вимоги до них та види випробувань. Матеріали за хімічним складом та механічними властивостями повинні задовольняти вимогам державних стандартів. Якість та характеристики матеріалів повинні підтверджуватися сертифікатами підприємств-постачальників. При відсутності або неповноті сертифікату або маркування підприємство-виготовлювач посудини повинно провести всі необхідні випробування і дослідження, що підтверджують повну відповідність матеріалів вимогам стандартів з оформленням їхніх результатів протоколом, який доповнює або замінює сертифікат постачальника матеріалу.

2.4 Матеріали для виготовлення сталевих зварних посудин та

апаратів

Для виготовлення хімічних посудин та апаратів застосовуються сталі, чавуни, титан, кольорові метали і сплави, неметалічні та інші матеріали. Проте найширше для цієї мети застосовуються різні марки сталей.

2.4.1 Класифікація сталей

Існують різні класифікації сталей: за вмістом легуючих елементів, за числом компонентів (елементів, що визначають властивості стали), за мікроструктурою та призначенням.

Основними компонентами вуглецевої сталі є залізо та вуглець. У легованих сталях крім заліза та вуглецю іншими компонентами є легуючі добавки. Отже, вуглецеві стали – двокомпонентні; сталі, що містять один легуючий елемент, – трикомпонентні; сталі, що містять чотири компоненти і більше, називають багатокомпонентними.

Залежно від вмісту легуючих елементів леговані сталі можна розділити на три групи: низьколеговані – які містять менше 2,5 % легуючих добавок; середньолеговані – від 2,5 до 10 %; високолеговані – понад 10 %.

Класифікація сталей за мікроструктурою декілька умовна. Характерні для будь-якого класу структури отримують у результаті різних режимів термічної обробки. Сталі феритного, перлітного та мартенситного класів названі за мікроструктурами, які вони набувають при охолодженні на повітрі (нормалізації). Сталі аустенітного класу набувають характерну структуру аустеніту після нагрівання до температур близько 10001200 °С і різкого охолодження – аустенізації.

Сталі феритного класу містять мало вуглецю, понад 13 % хрому або понад 2,5% кремнію.

Сталі перлітного класу містять мало легуючих домішок. Структура цих сталей після нормалізації або відпалу складається з фериту та перліту або перліту та карбідів. Це вуглецеві, низько- або середньолеговані сталі. Більшість з них добре оброблюється різальним інструментом і при вмісті вуглецю до 0,2 % добре зварюються.

Сталі мартенситного класу гартуються на мартенсит при охолодженні на повітрі. В основному це середньолеговані сталі.

Сталі аустенітного класу після загартування мають аустенітну структуру. Це високолеговані корозійностійкі, жароміцні та жаростійкі сталі з високим вмістом хрому, марганцю або титану. Аустенітні сталі – часто багатокомпонентні, які містять велику кількість різних легуючих елементів.

За призначенням сталі підрозділяють на сталі звичайної якості, якісні конструкційні і сталі з особливими властивостями (теплостійкі, жаростійкі, жароміцні, корозійностійкі та ін.).

Типи та класи сталей наведені у таблиці 2.3

Для виготовлення сталевої зварної хімічної апаратури застосовують марки сталей, що наведені в додатку А у вигляді напівфабрикатів:

– сталь вуглецева звичайної якості за ДСТУ 2651-94 (Ст3кп2, Ст3пс2, Ст3сп2 та ін.), що поставляється у вигляді листового, сортового і фасонного прокату, труб та поковок переважно групи В (поставляється за механічними властивостями і хімічним складом), за степенем розкислення – спокійна (сп), напівспокійна (пс), рідкіше – кипляча (кп), за вимогами від другої до шостої категорій);

– сталь вуглецева якісна конструкційна, яка поставляється у вигляді листового прокату за ГОСТ 5520-79 і у вигляді сортового прокату та труб за ГОСТ 1050-88;

– сталь низьколегована (із вмістом легуючих елементів до 2,5 %), що поставляється у вигляді листового прокату за ГОСТ 5520-79 і ГОСТ 19282-

73, сортового і фасонного прокату, труб та поковок за ГОСТ 19281-73; – сталь легована конструкційна (із вмістом легуючих елементів до 10 %), що поставляється у вигляді сортового прокату, труб та поковок за ГОСТ 4543-71;

– сталь теплотривка за ГОСТ 20072-74, що поставляється у вигляді листового, сортового прокату і труб;

– сталі високолеговані і сплави корозійностійкі, жаростійкі та жароміцні за ГОСТ 5632-72, які поставляються у вигляді листового прокату, труб та поковок;

– сталі і сплави з особливими властивостями, що поставляються у вигляді листового і сортового прокату та труб за спеціальними технічними умовами (ТУ);

– сталі двошарові, що поставляються у вигляді листового прокату за ГОСТ 10885-85 і спеціальними технічними умовами з основним шаром із вуглецевих, низьколегованих і легованих сталей і плакувальним шаром із корозійностійких матеріалів;

– виливки з конструкційної та легованої сталей, що поставляються за ГОСТ 977-75;

– виливки з високолегованих сталей, що поставляються за ГОСТ 2176-77 і спеціальними технічними умовами.

Ці сталі задовольняють загальним вимогам, що пред’являються до конструкційних матеріалів.

Таблиця 2.3 – Підрозділяння сталей на типи та класи

Сталі мають таке позначення:

– вуглецеві звичайної якості – послідовно вказуються марка сталі, степінь розкислення та категорія вимог, наприклад Ст3сп3;

– якісні вуглецеві конструкційні – позначають двома цифрами, що показують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка, наприклад, сталь 20 (для позначення котлових марок наприкінці ставиться літера К, наприклад, сталь 20К);

– леговані – позначають комплексом цифр та літер, причому перші дві цифри вказують вміст вуглецю в сотих частках відсотка (відсутність цифр означає, що середній вміст вуглецю складає близько 0,01 %), потім послідовно йдуть літери, що означають наявність у сталі того чи іншого легуючого елемента. За кожною з літер однією або двома цифрами вказується приблизний вміст даного елемента у відсотках (відсутність цифр означає, що вміст даного елемента не перевищує 1,5 %).

Літерні позначення в марках сталі: А – азот (наприкінці позначення не ставиться), Б – ніобій, В – вольфрам, Г – марганець, Д – мідь, Е – селен, К – кобальт, Н – нікель, М – молібден, П – фосфор, Р – бор, С – силіцій, Т – титан, Ф – ванадій, Х – хром, Ц – цирконій, Ч – рідкісноземельні метали, Ю – алюміній. Основна маса легованих конструкційних сталей виплавляється якісними (Р ≤ 0,035 % і S ≤ 0,035 %). Високоякісні сталі містять менше шкідливих домішок (Р ≤ 0,025 % і S ≤ 0,025 %) і позначаються літерою “А”, яка поміщається наприкінці позначення марки сталі.

2.4.2 Сталь листова

З листової сталі виготовляють обичайки, днища, фланці, трубні решітки, тарілки масообмінних апаратів, деталі внутрішніх та зовнішніх пристроїв апаратів.

Для виготовлення хімічної апаратури застосовують сталі, стійкі в агресивних середовищах. Проте корозійностійкі сталі є дефіцитні та мають високу вартість. Для зниження вартості апаратів у ряді випадків доцільно застосовувати біметал – двошаровий лист, що складається з основного та плакувального (корозійностійкого) шарів. При цьому основний шар, який виготовляється з вуглецевих або низьколегованих сталей, сприймає навантаження. Плакувальний шар захищає основний шар від корозійної дії середовища.

Марки сталей, які рекомендуються для виготовлення зварних посудин, що працюють під тиском, залежно від робочих параметрів з урахуванням безпечної експлуатації наведені в стандарті [28] і Правилах [7]. Границі застосування листової сталі марок, що найчастіше використовуються, наведені у додатку А.

2.4.3 Сталь сортова

Сортову сталь у вигляді штаб, кругів, квадратів та фасонних профілів (кутники, швелери та ін.) застосовують для виготовлення фланців, різних внутрішніх пристроїв, опорних балок та інших деталей апаратів. Рекомендовані марки, технічні вимоги, механічні властивості і види випробувань сортової сталі залежно від робочих умов наведені в стандарті [28] і Правилах [7].

Для виготовлення апаратів застосовують сортову гарячекатану сталь, що поставляється у вигляді штаб (ГОСТ 103-76) шириною 11200 мм і товщиною 4-60 мм; кругів (ГОСТ 2590-71) діаметром 5-250 мм; квадратів (ГОСТ 2591-71) розміром 5-200 мм; кутників рівнобоких (ГОСТ 8509-86) з номерами профілю 2-25; кутників нерівнобоких (ГОСТ 8510-86) з номерами профілю 2,5/1,6-25/16; швелерів (ГОСТ 824-72) з уклоном внутрішніх граней і з паралельними гранями полиць з номерами профілю 5-40; двотаврів (ГОСТ 8239-72) з номерами профілю 10-60.

Штаби, круги і квадрати виготовляють з наступних сталей: вуглецевої звичайної якості за ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94); вуглецевої якісної за ГОСТ 1050-88; низьколегованої за ГОСТ 19281-73; теплостійкої за ГОСТ 20072-74; корозійностійкої, жаростійкої і жароміцної за ГОСТ 5632-72.

Кутники, швелери і двотаври виготовляють з наступних сталей:

вуглецевої звичайної якості за ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94) і низьколегованої за ГОСТ 19281-73

Границі застосування сортової сталі наведені у додатку А.

2.4.4 Труби сталеві

Сталеві труби застосовують для виготовлення корпусів, трубних пучків, змійовиків, штуцерів, патрубків та інших деталей апаратів. Рекомендовані марки, технічні вимоги, механічні властивості та види випробувань сталевих труб залежно від робочих умов з урахуванням безпечної експлуатації апаратів наведені в стандарті [28] і Правилах [7].

Для виготовлення апаратів застосовують наступні види труб:

– труби водогазопровідні зміцнені (ГОСТ 3262-75) з вуглецевих сталей звичайної якості;

– труби електрозварні прямошовні (ГОСТ 10704-76) з вуглецевих сталей звичайної якості та низьколегованих сталей;

– труби безшовні гарячедеформовані (ГОСТ 8732-78) з якісних вуглецевих та легованих сталей;

– труби безшовні холоднодеформовані (ГОСТ 8734-75) з якісних вуглецевих та легованих сталей;

– труби безшовні холодно-, тепло- та гарячедеформовані для нафтопереробної та нафтохімічної промисловості (ГОСТ 550-75) з якісних вуглецевих та легованих сталей;

– труби безшовні гарячедеформовані (ГОСТ 9940-81) з корозійностійких сталей;

– труби безшовні холодно- та теплодеформовані (ГОСТ 9941-81) з корозійностійких сталей.

Границі застосування сталевих труб наведені у додатку А.

2.4.5 Поковки сталеві

З поковок виготовляють фланці, трубні решітки та інші деталі апаратів і трубопроводів, якщо їх неможливо виконати з листового або сортового прокату, а також корпусні деталі апаратів високого тиску. Рекомендовані марки сталей, технічні вимоги, механічні властивості та види випробувань поковок залежно від робочих умов наведені в стандарті [28] і Правилах [7].

За формою та розмірами поковки повинні відповідати готовому виробу з припусками на механічну обробку, технологічними припусками і допусками на точність виготовлення відповідно до ГОСТ 7062-79, ГОСТ 7829-70 і ГОСТ 7505-74.

Границі застосування сталевих поковок наведені у додатку А.

Якість поковок, допустимі дефекти та методи їхніх усунень повинні відповідати вимогам ГОСТ 8479-70 і ГОСТ 25054-81.

Поковки і штамповки з корозійностійких сталей мають бути випробувані на схильність до міжкристалічної корозії за ГОСТ 6032-84.

Поковки і штамповки з вуглецевих, низько- та середньолегованих сталей, призначені для виготовлення деталей апаратів, які працюють під надлишковим тиском понад 6,3 МПа і мають габаритний розмір понад 200 мм або товщину понад 50 мм, підлягають контролю на відсутність у них внутрішніх дефектів ультразвуковим або іншим рівноцінним методом. Дефектоскопії піддають не менше 50 % об’єму поковки.

Границі застосування сталевих поковок наведені у додатку А.

2.4.6 Виливки сталеві

Виливки порівняно рідко застосовуються для виготовлення посудин та апаратів. З них виготовляють фланці, кришки та інші деталі апаратів, головним чином тоді, у випадку потрібності досить великої кількості цих деталей, і тому литво економічно доцільніше.

Сталеві виливки повинні застосовуватися в термообробленому стані з перевіркою механічних властивостей після термообробки. Вид і режим термообробки встановлює підприємство-постачальник виливок. Рекомендовані марки сталей, технічні умови, механічні властивості і види випробувань виливок залежно від робочих умов з урахуванням безпечної експлуатації апаратів наведені в стандарті [28] і Правилах [7].

Сталь для виливок повинна виплавлятися в мартенівських або електричних пічах, спосіб виплавки вказується в сертифікаті.

Виливки з корозійностійких сталей не повинні мати схильності до міжкристалічної корозії.

Кожна порожниста виливка, що працює під тиском понад 0,07 МПа, повинна піддаватися гідравлічному випробуванню пробним тиском за ГОСТ 9493-80.

Границі застосування найчастіше використовуваних матеріалів для виливок наведені у додатку А.

2.4.7 Матеріали для кріпильних деталей

Кріпильні деталі у вигляді болтів, шпильок, гвинтів, гайок та інших деталей застосовують у фланцевих з’єднаннях апаратів для кріплення різних внутрішніх і зовнішніх пристроїв. Рекомендовані марки сталей для кріпильних деталей, технічні вимоги залежно від робочих умов з урахуванням безпечної експлуатації апаратів наведені в стандарті [28] і Правилах [7].

При виборі марок сталей для кріпильних деталей стандартних фланцевих з’єднань необхідно керуватися технічними вимогами стандартів на фланці [16, 24].

Гайки та шпильки (болти) повинні виготовлятися зі сталей різних марок, а при виготовленні їх зі сталей однієї марки – з різною твердістю. При цьому твердість гайки повинна бути нижче твердості шпильки (болта) не менше ніж на 10-15 НВ. Допускається застосовувати гайки з перлітної сталі на шпильках (болтах) з аустенітної сталі. Матеріал заготовок або готові кріпильні вироби повинні бути термооброблені. Кріпильні деталі з вуглецевої та легованої сталей можуть виготовлятися з захисними покриттями.

Коефіцієнти лінійного розширення матеріалів кріпильних деталей та з’єднуваних деталей (фланців) не повинні значно відрізнятися один від одного. Різниця в значеннях коефіцієнта лінійного розширення не повинна перевищувати 10 %. Застосування матеріалів з коефіцієнтами лінійного розширення, що відрізняються один від одного більш ніж на 10 %, допускається при обґрунтуванні відповідним розрахунком на міцність.

2.4.8 Зварювальні матеріали

При з’єднанні різних деталей апаратів за допомогою зварювання застосовують зварювальні матеріали, які залежать від виду зварення, з’єднуваних матеріалів та робочих умов.

Зварювальні матеріали повинні забезпечувати механічні властивості металу зварного шва або наплавленого металу не нижче властивостей зварюваних матеріалів.

Зварювальні матеріали для з’єднань із різнорідних сталей повинні прийматися за відповідною нормативною документацією, а призначені для роботи в середовищах, що викликають міжкристалічну корозію, повинні бути випробувані на схильність до міжкристалічної корозії за стандартом [28].

Зварювальні матеріали, котрі рекомендуються для застосування різних видів зварювання вуглецевих, низьколегованих та високолегованих сталей з урахуванням безпечної експлуатації апаратів, наведені в галузевому стандарті [28].

2.4.9 Матеріали для прокладок

Матеріали для прокладок, що застосовуються для ущільнення фланцевих з’єднань, повинні мати достатню пружність і міцність для сприймання внутрішнього надлишкового або зовнішнього тиску і температурних деформацій, бути хімічно стійкими в агресивних середовищах, теплостійкими тощо.

У фланцевих з’єднаннях апаратів і трубопроводів застосовують ущільнювальні прокладки з різних неметалевих матеріалів, металів та комбіновані. Тип і матеріали прокладок вибирають залежно від конкретних умов роботи: тиску, температури та ступеню агресивності середовища. У додатку А наведені допустимі робочі середовища і границі застосування для ущільнювальних прокладок з неметалевих матеріалів. Там же наведені рекомендації щодо застосування металевих прокладок.

Питання до самоперевірки

1 Загальні вимоги, що пред’являються до конструкційних матеріалів для виготовлення посудин та апаратів.

2 Фактори, які впливають на вибір матеріалів.

3 Корозійна стійкість матеріалів.

4 Поведінка сталей при підвищених температурах.

5 Поведінка сталей при понижених температурах. 6 Класифікація та позначення сталей.

3 КОНСТРУЮВАННЯ ТА РОЗРАХУНКИ НА СТАТИЧНУ

МІЦНІСТЬ ОСНОВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ АПАРАТІВ

3.1 Загальні положення

У даному розділі наводяться вимоги до конструювання та розрахунку на статичну міцність елементів сталевих зварних посудин та апаратів в умовах одноразових та багаторазових статичних навантажень під внутрішнім надлишковим тиском, вакуумом або зовнішнім тиском, під дією осьових і поперечних зусиль та згинальних моментів.

Для посудин та апаратів, що працюють при багаторазових навантаженнях з кількістю циклів навантаження від тиску, стисненності температурних деформацій та інших факторів понад 10³ за весь термін експлуатації крім розрахунку на статичну міцність необхідно проводити розрахунок на малоциклову втомленість.

3.1.1 Температура

Температура стінки розрахункова – температура, при якій визначаються фізико-механічні характеристики, допустимі напружини матеріалу і проводяться розрахунки на міцність елементів посудини.

Температура робочого середовища максимальна (мінімальна) – максимальна (мінімальна) температура середовища в посудині при нормальному протіканні технологічного процесу.

Допустима температура стінки максимальна (мінімальна) – максимальна (мінімальна) температура стінки, при якій допускається експлуатація посудини.

Розрахункову температуру визначають на підставі теплотехнічних розрахунків або результатів випробувань.

За розрахункову температуру стінки посудини або апарата приймають найбільше значення температури стінки. При температурі стінки нижче 20 °С за розрахункову температуру при визначенні допустимих напружин приймають температуру 20 °С.

Якщо неможливо провести теплові розрахунки або виміри та в тих випадках, коли під час експлуатації температура стінки посудини або апарата підвищується до температури середовища, що стикається зі стінкою, за розрахункову температуру необхідно приймати найбільшу температуру середовища, але не нижче 20 С.

Розрахункові формули, наведені в підрозділах 3.2-3.4 необхідно застосовувати за умови, що розрахункові температури не перевищують значень, при яких враховується повзучість матеріалів, тобто при таких температурах, коли допустиму напружину визначають тільки по границі текучості або тимчасовому опору (границі міцності). Якщо немає точних даних, формули допускається застосовувати за умови, що розрахункова температура стінки обичайки з вуглецевої сталі не перевищує 380 °С, з низьколегованої – 420 °С, з аустенітної – 525 °С.

3.1.2 Тиск

Тиск внутрішній (зовнішній) – надлишковий тиск, що діє на внутрішню (зовнішню) поверхню стінки посудини.

Під робочим тиском для посудини або апарата необхідно розуміти максимальний внутрішній надлишковий або зовнішній тиск, який виникає при нормальному протіканні робочого процесу, без урахування гідростатичного тиску середовища та допустимого короткочасного підвищення тиску під час дії запобіжного клапана.

Під розрахунковим тиском у робочих умовах для елементів посудин та апаратів слід розуміти тиск, на який здійснюється їхній розрахунок на міцність. Якщо на елемент посудини або апарата діє гідростатичний тиск, який складає 5 % і більше від робочого тиску, розрахунковий тиск підвищують на величину гідростатичного тиску.

Під розрахунковим тиском в умовах випробувань для елементів посудин або апаратів необхідно розуміти тиск, якому вони піддаються під час випробувань, включаючи гідростатичний тиск, якщо він складає 5 % і більше від пробного тиску.

Під пробним тиском у посудині (апараті) необхідно розуміти тиск, при якому проводиться випробування посудини (апарата) на міцність та герметичність.

Тиск умовний – розрахунковий тиск при температурі 20 °С, котрий використовується при розрахунку на міцність стандартних посудин (складальних одиниць, деталей, арматури).

Тиск надлишковий – різниця абсолютного тиску і тиску оточувального середовища, показуваного барометром.

Тиск дозволений – максимально допустимий надлишковий тиск посудини, установлений за результатами розрахунку на міцність і технічного опосвiдчення або діагностування.

Гідростатичний тиск, що діє на елемент посудини Р _г , МПа, визначають за формулою

Р _г  _с  g ^H _с 10 ^{ 6} , (3.1)

де ^ _c – густина робочого середовища в апараті, кг/м³ ; g – прискорення вільного падіння, м/с² ; H _c – висота середовища в апараті, м.

Для захисту посудин та апаратів від можливого підвищення тиску вище допустимого вони забезпечуються запобіжними пристроями (запобіжними клапанами та ін.).

При дії запобіжних клапанів тиск у посудині або апараті не повинен перевищувати надлишковий робочий тиск більше ніж на 0,05 МПа для посудин з тиском до 0,3 МПа, на 15 % – для посудин, які працюють під тиском від 0,3 до 6,0 МПа і на 10 % – для посудин, які працюють під тиском понад 6,0 МПа.

При підвищенні тиску в посудині або апараті під час дії запобіжних пристроїв більше ніж на 10 % у порівнянні з робочим елементи апарата повинні розраховуватися на тиск, який дорівнює 90 % тиску при спрацьовуванні запобіжного пристрою.

Тиск у посудині під час дії запобіжного клапана Р _к , МПа, необхідно визначати за формулою

 

Р к  Р роб 0,05 при Р роб  0,3 МПа , (3.2)

1,15Р _роб при 0,3  Р _роб  6,0 МПа 

де ^P _роб – робочий тиск у посудині, МПа.

Тиск у посудині, який враховує короткочасне підвищення його при спрацьовуванні запобіжного клапана, без урахування гідростатичного тиску ^P p , МПа, необхідно визначати за формулою

0,9Р _к при Р _роб  6,0 МПа 

Р р   при Р  6,0 _МПа _ . (3.3)

_{ Р роб роб}

Розрахунковий тиск у робочих умовах P , МПа, необхідно визначати за формулою

Р _р  Р _г при Р _г  0,05 Р _раб 

Р   Р _р при _{Р г  0,05Р раб} _ . (3.4)

Для елементів посудин, котрі розділяють порожнини з різними тисками, за розрахунковий тиск необхідно приймати або кожен із тисків окремо, або їхню алгебраїчну суму, якщо вона вимагає більшої товщини стінки розраховуваного елемента.

Випробування сталевих зварних посудин та апаратів повинно проводитися пробним тиском ^Р _пр , МПа, який визначають за формулою

^  

Р пр  1,25Р  ²⁰ , (3.5)

де ₂₀ – допустима напружина для матеріалу посудини при температу-

рі 20 ºС, МПа;

_  – допустима напружина для матеріалу посудини при розрахунковій температурі, МПа.

Відношення ₂₀  приймається по тому з використаних матеріалів елементів посудини (обичайок, днищ, фланців, кріпильних деталей, патрубків та ін.), для якого воно є найменшим.

Під розрахунковим тиском в умовах випробувань Р _в , МПа, мають на увазі тиск, якому піддаються посудини під час випробувань, включаючи гідростатичний тиск, якщо він складає 5 % та більше від пробного.

Розрахунок на міцність елементів апаратів (обичайок, днищ) для умов випробувань проводити не потрібно, якщо розрахунковий тиск в умовах випробувань менше ніж розрахунковий тиск у робочих умовах, помножений на 1,3520 .

Приклад 3.1

Визначити розрахунковий та пробний тиски для вертикальної посудини з еліптичними днищами (рисунок 3.1 ), виготовленої зі сталі марки 09Г2С, якщо робочий тиск у посудині складає Р_роб  0,2 МПа, температура робочого середовища t =150 °С, густина середовища _с  1200 кг/м³ , висота посудини зі штуцерами ^H ₁  4,0 м, висота рівня робочого середовища Н_с  3,5 м. Перевірити умову необхідності розрахунку в умовах випробувань.

Тиск у посудині під час дії запобіжного клапана визначаємо за формулою (3.2 )

Р_к  P_роб 0,05  0,2 0,05  0,25 МПа.

Тиск у посудині, що враховує короткочасне підвищення його при спрацюванні запобіжного клапана, без урахування гідростатичного тиску середовища визначаємо за формулою (3.3 )

Р_р  0,9 P_к  0,9 0,25  0,225 МПа.

Гідростатичний тиск середовища визначаємо за формулою (3.1 ) Р _г  _с  g H _с 10 ^{ 6}  1200 9,81 3,5 10 ^{ 6}  0,041МПа.

Гідростатичний тиск середовища

Р_г  0,041  0,05 Р_раб  0,05 0,2  0,01 МПа

складає понад 5 % від робочого, тому розрахунковий тиск визначаємо за формулою (3.4 ) з урахуванням його гідростатичного тиску

Р  Р_р  Р_г  0,225  0,041  0,266 МПа.

Рисунок 3.1 – Вертикальна посудина з еліптичними днищами Розрахунковий тиск округляємо у більшу сторону до величини Р  0,27 МПа.

Пробний тиск визначаємо за формулою (3.5 ). Для цього за таблицею Б.1 додатку Б визначаємо значення допустимих напружин для сталі марки 09Г2С при розрахунковій температурі, яка дорівнює температурі середовища в апараті t =150 °С 171 МПа і при температурі випробувань ^t _в =20 ºС – ₂₀  196 МПа. ²⁰  1,25 0,27  ¹⁹⁶  0,39 МПа. Р _пр  1,25 Р 

 171

Гідростатичний тиск води в умовах випробувань визначаємо за формулою (3.1 ), приймаючи густину води рівною _в  1000 кг/м³

Р_{г води}  _в  g  ^H _в 10 ^{ 6}  1000 9,81 4,0 10 ^{ 6}  0,039 МПа.

Гідростатичний тиск води

Р_{г води}  0,039  0,05 Р_пр  0,05 0,39  0,0195 МПа

складає понад 5 % від пробного тиску, тому розрахунковий тиск в умовах випробувань Р _в визначаємо з його урахуванням

Р_в  Р_пр  Р_{г води}  0,39  0,039  0,429 МПа.

Перевіряємо необхідність розрахунку на міцність в умовах випробувань ²⁰ 1,35 0,27  ¹⁹⁶  0,418 МПа.

Р _в  0,429  1,35 Р  

 171

Так як розрахунковий тиск в умовах випробувань більше розрахункового тиску в робочих умовах, помноженого на 1,35 ₂₀ , розрахунок на міцність необхідно проводити не тільки для робочих умов, але і для умов випробувань.

3.1.3 Допустимі напружини

Допустимі напружини для сталей , МПа, при розрахунку по граничним навантаженням сталевих зварних посудин та апаратів, що працюють при статичних одноразових навантаженнях, визначають за формулами:

– для вуглецевих і низьколегованих сталей

  min ^ R e або R p0,2 ; R m ; R m/ 10 5 ; R p1,0 / 10 5  ; (3.6)

 

 n т n в n д n п 

– для аустенітних сталей  min  n р т1,0 ; Rn m в ; R m n / д10 5 ;  R

R ^{p1,0 / 10} ₅ ^ , (3.7) n п 

де ^R _e – мінімальне значення границі текучості при розрахунковій температурі, МПа;

^R p0,2 – мінімальне значення 0,2 %-ної умовної границі текучості

при розрахунковій температурі (напружина, при якій залишкове подовження складає 0,2 %), МПа; ^R _m – мінімальне значення тимчасового опору (границі міцності) при розрахунковій температурі, МПа;

R m/10 ₅ – середнє значення границі тривалої міцності за 10⁵ г при

розрахунковій температурі, МПа;

R p1,0 / 10 ₅ – середнє значення 1 %-ної границі повзучості за 10⁵ г при

розрахунковій температурі, МПа;

^R p1,0 – мінімальне значення 1 %-ної умовної границі текучості при

розрахунковій температурі (напружина, при якій залишкове подовження складає1 %), МПа; ⁿ _т – коефіцієнт запасу міцності по границі текучості; ⁿ _в – коефіцієнт запасу міцності по тимчасовому опору (границі міцності);

ⁿ _д – коефіцієнт запасу міцності по границі тривалої міцності; ⁿ _n – коефіцієнт запасу міцності по границі повзучості.

Границю повзучості використовують для визначення допустимої напружини в тих випадках, коли відсутні дані по границі тривалої міцності або за умов експлуатації необхідно обмежити величину деформації (переміщення).

При відсутності даних по умовній границі текучості при 1 %-му залишковому подовженні допустиму напружину для аустенітної сталі визначають за формулою (3.6).

Допустима напружина для двошарових сталей визначається за формулою

 о S o C o n S n C n  , (3.8)

S _o C _o S _n C _n 

де ^ _o , ^ _n – допустимі напружини при розрахунковій температурі для

матеріалів відповідно основного та плакувального (корозійностійкого) шарів, МПа;

^S _o , ^S _n товщини відповідно основного та плакувального шарів, мм;

^C _o , ^C _n – добавки для компенсації корозії та ерозії матеріалу відповідно основного та плакувального шарів, мм.

При визначенні допустимої напружини за формулою (3.8) товщина плакувального шару приймається мінімальною при о n . Якщо _о  _n , товщина плакувального шару приймається максимальною.

Для сталей, широко використовуваних у хімічному машинобудуванні, допустимі напружини при розрахунковій температурі наведені в таблицях Б.8-Б.11 додатку Б.

Розрахункові значення границі текучості та тимчасового опору наведені в таблицях Б.12–Б.20 додатку Б.

В умовах випробувань допустиму напружину ^ _в , МПа, визначають за формулами:

– для вуглецевих та низьколегованих сталей

R e20 або R 20p0,2

_в  _{n т} ; (3.9)

– для аустенітних сталей

R 20 ^{p0,2 або R} 20 ^p1,0

_в  , (3.10) n _т

де ^R _e ²⁰ – мінімальне значення границі текучості при температурі 20 °С, МПа;

^{R 20} _p 0,2 – мінімальне значення умовної 0,2 %-ної границі текучості при

температурі 20°С (напружина, при якій залишкове подовження складає 0,2 %), МПа;

^{R 20} _p 1,0 – мінімальне значення умовної 1 %-ної границі текучості при

температурі 20 °С (напружина, при якій залишкове подовження складає 1 %), МПа.

Коефіцієнти запасу міцності повинні відповідати значенням, наведеним у таблиці 3.1.

У випадку, якщо допустиму напружину для аустенітних сталей визначають за формулою (3.6), коефіцієнт запасу міцності ⁿ _т по границі текучості ^R p0,2 для робочих умов необхідно приймати рівним 1,3.

Таблиця 3.1 – Коефіцієнти запасу міцності

Приклад 3.2

Визначити допустиму напружину для листового прокату з двошарової сталі Ст3сп+12Х18Н10Т товщиною 10 мм при розрахунковій температурі t =100 °С.

За таблицями Б.1 і Б.3 додатку Б визначаємо допустимі напружини для матеріалу основного і плакувального шарів при розрахунковій температурі t =100 ºС:

– для основного шару зі сталі марки Ст3сп _о  149 МПа;

– для плакувального шару зі сталі марки 12Х18Н10Т _ _n  174 МПа.

За таблицею 3.4 для двошарового листа товщиною 10 мм товщина плакувального (корозійностійкого ) шару складає ^S _п  2–3 мм. Так як _о  _n , товщину плакувального шару приймаємо мінімальною, тобто ^S _n  2 мм, а товщину основного шару – ^S _o  8 мм. Добавку для компенсації корозії та ерозії для плакувального шару приймаємо рівною ^C _n  1 мм, для основного шару – ^C _o  0 , враховуючи, що основний шар не піддається корозії з боку агресивного середовища.

Допустиму напружину визначаємо за формулою (3.8 )

 о S o C o  n S n C n  

S_o C_o  S _n C_n 

149 8 0 174 2 1  151,7 МПа.

 

8 0  2 1 

3.1.4 Коефіцієнти міцності зварних швів

При розрахунку на міцність зварних елементів посудин та апаратів в розрахункові формули необхідно вводити коефіцієнт міцності зварних з’єднань:

– p – подовжнього шва циліндричної або конічної обичайки;

– ^ _т – кільцевого шва циліндричної або конічної обичайки;

– ^ _к – зварних швів кільця жорсткості;

– ^ _а – поперечного зварного шва для зміцнювального кільця; –  – зварних швів опуклих і плоских днищ та кришок.

Обсяг контролю зварних швів необхідно приймати за таблицею 3.2 залежно від групи посудини, яку визначають за таблицею 1.1.

Коефіцієнт міцності зварних швів вибирають за таблицею 3.3 залежно від обсягу контролю та виду зварних з’єднань.

Для безшовних елементів посудин і апаратів коефіцієнт міцності зварних швів  приймають рівним 1.

Таблиця 3.2 – Обсяг контролю зварних з’єднань посудин

Таблиця 3.3 – Значення коефіцієнта міцності зварних швів

Закінчення таблиці 3.3

3.1.5 Добавки до розрахункових величин конструктивних

елементів

При розрахунку посудин та апаратів необхідно враховувати суму добавок до розрахункових товщин їх елементів С , мм, яку визначають за формулою

С  С 1 С 2 С 3 , (3.11)

де С 1 – добавка для компенсації корозії та ерозії, мм; С 2 – добавка для компенсації мінусового допуску, мм; С 3 – добавка технологічна, мм.

Добавка С 1 до розрахункової товщини стінки елемента, для компенсації корозії та ерозії повинна прийматися з урахуванням умов експлуатації, розрахункового терміну служби, швидкості проникнення корозії та ерозійного впливу середовища. Термін служби повинен розраховуватися зі дня введення посудини в експлуатацію.

Термін служби посудини – тривалість експлуатації посудини в календарних роках до переходу в граничний стан.

Розрахунковий термін служби посудини – термін служби в календарних роках, після закінчення якого необхідно провести експертне обстеження технічного стану основних деталей посудини, яка працює під тиском, з метою визначення допустимості параметрів і умов подальшої експлуатації посудини або необхідності її демонтажу.

Якщо за робочі умови недоцільно збільшувати товщину стінки за рахунок добавки для компенсації корозії, рекомендується антикорозійний захист (плакування, футерування, наплавлення та ін.).

Добавка для компенсації корозії та ерозії не враховується при виборі металевих прокладок для фланцевих з’єднань, болтів, опор, теплообмінних труб і перегородок.

Добавка С 1 , мм, визначається за формулою

С 1  П С _е , (3.12)

де П – швидкість проникнення корозії, мм/рік;  – розрахунковий термін служби апарата, років; С _е – добавка для компенсації ерозії, мм.

При двосторонньому контакті внутрішніх елементів посудини з корозійними середовищами необхідно враховувати суму добавок для компенсації корозії та ерозії розраховуваного елемента з його кожного боку.

Добавки для компенсації корозії та ерозії до товщини внутрішніх елементів повинні прийматися рівними:

– 2С 1 – для незнімних навантажених елементів, а також для внутрішніх кришок і трубних решіток теплообмінних апаратів;

– 0,5С 1 , але не менше 2 мм – для знімних навантажених елемен-

тів;

– С 1 – для незнімних ненавантажених елементів.

При наявності на трубній решітці або плоскій кришці канавок добавка для компенсації корозії та ерозії приймається з урахуванням глибини цих канавок.

Для внутрішніх знімних ненавантажених елементів добавка для компенсації корозії та ерозії не враховується.

Добавка С 2 приймається залежно від товщини листа за таблицею

3.4 для одношарових і за таблицею 3.5 для двошарових сталей.

Добавку С 2 враховують у тому випадку, коли його значення перевищує 5 % від номінальної товщини листа.

Технологічна добавка С 3 передбачає компенсацію стоншення стінки елемента посудини при технологічних операціях – витяжці, штампуванні, гнутті і т. п. Залежно від прийнятої технології цю добавку необхідно враховувати при розробці робочих креслеників.

У курсовому та дипломному проектуванні технологічну добавку приймають рівною С 3  0 .

Таблиця 3.4 – Граничні відхилення товщини листа

В міліметрах

Таблиця 3.5 – Товщини та граничні відхилення листів із двошарових сталей і товщини корозійностійкого шару

В міліметрах

Питання до самоперевірки

1 Як визначається розрахункова температура?

2 Що таке робочий та розрахунковий тиски?

3 Що таке пробний тиск?

4 Як визначається гідростатичний тиск середовища в апараті і коли він враховується при визначенні розрахункового тиску?

5 Сформулюйте умову необхідності розрахунку апарата в умовах випробувань.

6 Які механічні характеристики матеріалу враховують при визначенні допустимих напружин?

7 Як визначають коефіцієнт міцності зварних швів?

8 Як приймається добавка до розрахункової товщини стінки?

9 Що таке виконавча товщина стінки?

3.2 Обичайки циліндричні

3.2.1 Вимоги до конструювання

Циліндричні обичайки є одним з основних елементів хімічних апаратів. З них утворюються циліндричний корпус апарата, вони є складовою частиною до різних внутрішніх та зовнішніх пристроїв апаратів.

Для виготовлення посудин та апаратів застосовуються гладкі (рисунки 3.2-3.4) і підкріплені кільцями жорсткості циліндричні обичайки (рисунок 3.5).

а – обичайка з фланцем і плоским днищем; б – обичайка з плоскими пере-

городками

Рисунок 3.2 – Гладкі циліндричні обичайки

Найчастіше обичайки виготовляють вальцюванням з листового прокату, іноді з труб.

Обичайки, які виготовляються з листового прокату, мають внутрішній базовий діаметр, який визначається за стандартом [10]. Обичайки, що виготовляються з труб, мають зовнішній базовий діаметр. Внутрішній діаметр обичайки вибирається зі стандартного ряду:

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 мм. Обичайки з внутрішніми діаметрами, які взяті в дужки, допускається застосовувати тільки для виготовлення сорочок посудин та апаратів.

Зовнішній діаметр обичайок, що виготовляються із труб, рекомендується приймати з наступного ряду: 133, 159, 168, 219, 273, 325, 377, 426, 480, 530, 630, 720, 820, 920, 1020,1120, 1220, 1320, 1420 мм.

При зварюванні корпуса посудини повинні застосовуватися, як правило, стикові двосторонні шви з повним проваренням. Односторонні шви застосовуються лише в тих випадках, коли неможливо застосувати двостороннє зварювання. При цьому зварювання здійснюється на знімній або залишеній підкладці.

а – обичайка з відбортованими днищами; б – обичайка з невідбортовани-

ми днищами

Рисунок 3.3 – Гладкі обичайки з опуклими та конічними днищами

а – обичайка з U-подібною сорочкою; б – обичайка з циліндричною сороч-

кою

Рисунок 3.4 – Гладкі обичайки з сорочками

Вальцьовані обичайки повинні мати якнайменше зварних швів, особливо подовжніх, тому листи для їхнього виготовлення необхідно вибирати якомога більших розмірів.

Ширина листів між кільцевими швами повинна бути не менше 800 мм, ширина замикаючої кільцевої вставки – не менш 400 мм, за винятком приварення до обичайки фланця, трубної решітки або конічного переходу.

Об’єм посудин та апаратів повинен відповідати стандарту [17], який установлює наступний ряд їх номінальних об’ємів: 0,01; 0,016; 0,025;

0,04; 0,063; 0,1; 0,125; 0,16; 0,2; 0,25; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500 м³ .

Посилення кільцевих та подовжніх швів на внутрішній поверхні корпуса повинні бути зачищені в місцях, у яких вони заважають установленню внутрішніх пристроїв. Посилення зварних швів не знімають у корпусів посудин, виготовлених із двошарових і корозійностійких сталей; при цьому в деталях внутрішніх пристроїв передбачають місцеву заглибину в місцях біля зварних швів. У випадку необхідності зачищення таких швів усередині апарата повинна бути передбачена технологія зварювання, яка забезпечує достатню корозійну стійкість зачищеного шва.

В апаратах із сорочками для інтенсифікації процесу теплопередачі до корпуса апарата під сорочкою іноді приварюють направляючу спіраль прямокутного перерізу, яка дозволяє значно збільшити швидкість теплоносія в сорочці та зменшити товщину стінки корпуса апарата, тому що вона у даному випадку відіграє роль кілець жорсткості. Конструкція апарата із сорочкою і направляючої спіраллю наведена на рисунку 3.6.

Рисунок 3.5 – Циліндрична обичайка, підкріплена кільцями жорсткості

Рисунок 3.6 – Обичайка з U-подібною сорочкою і направляючою спіраллю

3.2.2 Умови застосування розрахункових формул

Розрахункові формули застосовні при відношенні товщини стінки до діаметра

S C

 0,1 для обичайок і труб при D  200 мм;

 0,3 для труб при D  200мм.

D

Для обичайок, підкріплених кільцями жорсткості, додатково повинні виконуватися наступні обмеження:

– відношення висоти перерізу кільця жорсткості, яка вимірюється від серединної поверхні обичайки до діаметра (рисунок 3.5) h ₂ D  0,2;

– розрахункові формули необхідно застосовувати за умови рівномірного розташування кілець жорсткості;

– у тих випадках, коли кільця жорсткості встановлені нерівномірно, розміри b і ^l ₁ (рисунок 3.5) необхідно підставляти для тієї ділянки, на якій відстань між двома суміжними кільцями жорсткості максимальна;

– якщо відстані ^l ₄ між крайніми кільцями жорсткості і суміжними

з ними елементами жорсткості (днищами, фланцями тощо) з урахуванням відбортовки ^h ₁ і довжини прилеглого елемента ^l ₃ більше ніж ^l ₁ , за розрахункову довжину приймається довжина

l 2  ^l 4  ^h 1 ^l 3 .

3.2.3 Розрахунок гладких циліндричних обичайок, навантаже-

них внутрішнім надлишковим тиском

Одношарові циліндричні обичайки

Розрахункову товщину стінки одношарової обичайки ^S p , мм, визначають за формулою

S_p  P ^{ D} , (3.13)

2 p  P

де ^P – розрахунковий внутрішній надлишковий тиск, МПа;

D – внутрішній діаметр обичайки, мм;

^  – допустима напружина для матеріалу обичайки при розрахунковій температурі, МПа;

^ _p – коефіцієнт міцності подовжніх зварних швів.

Виконавчу товщину стінки обичайки S , мм, визначають за формулою

S  S _p  C (3.14)

і округляють до найближчого більшого значення стандартної товщини листового прокату, яка вибирається з наступного ряду чисел: 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 45, 48, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100 мм.

Виконавчі товщини стінок обичайок та днищ повинні бути не менше D /1000 + 2,5 мм – для вуглецевих і низьколегованих сталей і 2,5 мм – для сталей аустенітного та аустенітно-феритного класів.

Товщини стінок кожухів, розподільних камер і кришок кожухотрубчастих теплообмінних апаратів повинні бути не менше значень, указаних у таблиці 3.6.

Для прийнятої виконавчої товщини стінки обичайки S допустимий надлишковий внутрішній тиск P , МПа, розраховують за формулою

2 ^{p   S  C }

P  . (3.15)

D  S C 

При цьому повинна виконуватися умова P P .

Таблиця 3.6 – Мінімальні товщини стінок обичайок і днищ кожухотрубчастих теплообмінних апаратів

Розміри в міліметрах

Приклад 3.3

Розрахувати товщину стінки циліндричної обичайки корпуса апарата (рисунок 3.1 ) зі сталі марки Ст3сп5. Внутрішній діаметр апарата D=1000 мм, розрахунковий тиск в апараті Р=1,0 МПа, розрахункова температура стінки обичайки t  165 °С, коефіцієнт міцності зварних з’єднань прийняти рівним _р  0,9.

Допустиму напружину для матеріалу обичайки при розрахунковій температурі визначаємо за таблицею Б.1 додатку Б методом лінійної інтерполяції

_  144МПа. Розрахункову товщину стінки обичайки визначаємо за формулою

(3.13 )

S _{p } P D _ 1,0 1000 _ 3,87 _мм.

2 p  P 2 144 0,9 1,0

Добавку С 1 визначаємо за формулою (3.12 ), виходячи з максимально допустимої швидкості корозії П  0,1 мм/рік, розрахункового терміну служби апарата   20років і приймаючи добавку для компенсації ерозії рівною нулю

С 1  П С_е  0,1 20 0  2 мм.

Виконавча товщина стінки обичайки без урахування добавки для компенсації мінусового допуску дорівнює

S  S _p C₁  3,87  2  5,87 мм.

Виконавчу товщину стінки циліндричної обичайки визначаємо з урахуванням добавки на мінусовий допуск ^C ₂ 0,8 мм для листа товщиною 8 мм

S  S _p  C₁  C₂  3,87  2  0,8  6,67 мм.

Приймаємо виконавчу товщину стінки обичайки рівною S  8 мм.

Перевіряємо необхідність урахування добавки для компенсації мінусового допуску сталевого листа товщиною 8 мм

C₂  0,8  0,05S  0,05 8  0,4 мм .

Добавку враховуємо, тому що вона складає понад 5 % від товщини листа.

Сума добавок

С  С 1 С 2  2 0,8  2,8мм

дорівнює попередньо прийнятій.

Допустимий тиск розраховуємо за формулою (3.15 )

2 ^p S C  2 144 0,9 8  2,8 ^

P _{  } 1,34 _МПа.

D  S C  1000  8  2,8 

Умова міцності

Р  1,0  Р 1,34МПа

виконується.

Умова застосування розрахункових формул

S C 8  2,8

  0,0052  0,1

D 1000

виконується.

Приклад 3.4

Розрахувати товщину стінки циліндричної обичайки корпуса апарата (рисунок 3.1 ) зі сталі марки 09Г2С. Внутрішній діаметр апарата D  1000 мм, розрахунковий тиск в апараті в робочих умовах Р=0,27 МПа, в умовах випробувань – Р _в  0,43 МПа, розрахункова температура стінки обичайки t  150 °С. Коефіцієнт міцності зварних з’єднань прийняти рівним 1 , добавку для компенсації корозії та ерозії – С 1  2 мм.

Допустиму напружину для матеріалу обичайки в робочих умовах визначаємо згідно з таблицею Б.1 додатку Б, _ 171МПа.

Допустиму напружину в умовах випробувань визначаємо за формулою (3.9 ). Згідно з таблицею Б.6 додатку Б границя текучості при температурі випробувань ^t _в  20 ºС складає ^R _e ²⁰  300МПа. Коефіцієнт запасу міцності при гідравлічних випробуваннях визначаємо згідно з таблицею 3.1, ⁿ _т  1,1.

в  Rn e20 т  3001,1  272,7 МПа.

Розрахункову товщину стінки обичайки визначаємо за формулою

(3.13 ):

– для робочих умов

S _{ p } P  D _ 0,27 1000 _ 0,79 _мм; 2 p  P 2 171 1 0,27

– для умов випробувань

S p   P в  D  0,43 1000  0,79 мм.

2 _ _в p  P _в 2  272,7 1 0,43

Виконавчу товщину стінки обичайки визначаємо по більшому з отриманих значень (у даному прикладі вони дорівнюють одне одному ) без урахування добавки для компенсації мінусового допуску S  S p  C₁  0,79  2  2,79 мм.

Визначаємо виконавчу товщину стінки обичайки з урахуванням добавки на мінусовий допуск С 2  0,4 мм для листа товщиною 4 мм S  S p  C₁  C₂  2,79  2  0,4  3,19 мм. Приймаємо виконавчу товщину стінки обичайки рівною S  4 мм.

Перевіряємо необхідність урахування мінусового допуску для сталевого листа товщиною 4 мм

C₂  0,4  0,05S  0,05 4  0,2 мм.

Добавку враховуємо, тому що вона складає понад 5 % від товщини листа.

Сума добавок до розрахункової товщини стінки обичайки

С  С 1 С 2  2 0,4  2,4 мм

дорівнює попередньо прийнятій.

Допустимий тиск розраховуємо за формулою (3.15 ):

– для робочих умов

2 p S C  2 171 1 4  2,4  0,54 МПа;

P   

D  S C  1000  4  2,4 

– для умов випробувань

2 в p S C  2 272,7 1 4  2,4  0,87 МПа.

P в  D  S C   1000  4  2,4  

Умови міцності:

– для робочих умов

P  0,27  P  0,54МПа

– і умов випробування

P_в  0,43  Р _в  0,87 МПа

виконуються.

Умова застосування розрахункових формул

S C 4  2,4

  0,0016  0,1 D 1000

виконується.

Обичайки, які виготовляються із двошарової сталі

При розрахунку апаратів із двошарових сталей як перше наближення товщину стінки обичайки необхідно визначати по допустимій напружині для матеріалу основного шару за формулами (3.13) і (3.14). Після призначення виконавчої товщини стінки обичайки та визначення товщини плакувального шару згідно з таблицею 3.5 розраховують допустима напружину за формулою (3.8). По отриманій допустимій напружині уточнюється товщина стінки обичайки за формулами (3.13) і (3.14). Розрахунок слід проводити до збіжності виконавчої товщини стінки обичайки, визначеної розрахунком, і прийнятої.

Внутрішній допустимий надлишковий тиск визначається за формулою (3.15).

Сполучення марок сталей основного та корозійностійкого шарів для двошарових листів, які найчастіше застосовуються для виготовлення сталевих зварних посудин та апаратів, наведені в таблиці 3.7.

Таблиця 3.7 – Сполучення марок сталей основного і корозійностійкого шарів

Приклад 3.5

Розрахувати товщину стінки циліндричної обичайки корпуса апарата (рисунок 3.1 ) із двошарової сталі Ст3сп+12Х18Н10Т. Внутрішній діаметр апарата D =2000 мм, розрахунковий тиск в апараті Р  1,0 МПа, розрахункова температура стінки обичайки t  100 °С.

Коефіцієнт міцності зварних з’єднань прийняти рівним _р  1, добавку для компенсації корозії та ерозії з боку плакувального шару – C ₁  1мм.

За таблицями Б.1 і Б.3 додатку Б знаходимо допустимі напружини для матеріалу основного та плакувального шарів:

– для основного шару зі сталі марки Ст3сп _о  149МПа;

– для плакувального шару зі сталі марки 12Х18Н10Т _ _n  174МПа.

Як перше наближення товщину стінки обичайки визначаємо по допустимій напружині для матеріалу основного шару за формулами

(3.13 ) і (3.14 )

S _{p } P  D _ 1, 0  2000 _ 6,73 _мм.

2 p  P 2 149 1 1,0

З урахуванням добавки для компенсації корозії та ерозії товщина стінки обичайки складає

S  S _p  C₁  6,73  1  7,73 мм.

Приймаємо добавку для компенсації мінусового допуску для листа товщиною 8 мм згідно з таблицею 3.5 рівною 0,8 мм, при цьому виконавча товщина стінки обичайки з урахуванням суми добавок перевищує 8 мм. Добавку для компенсації мінусового допуску для сталевого листа товщиною 10 мм приймаємо рівною С 2  0,9 мм.

Сума добавок до розрахункової товщини стінки обичайки складає

С  С 1 С 2  1 0,9  1,9 мм.

Виконавча товщина стінки обичайки з урахуванням суми добавок до розрахункової товщини стінки обичайки складає

S  S_p  C  6,73  1,9  8,63 мм. Приймаємо виконавчу товщину обичайки рівною S  10 мм.

Товщина плакувального (корозійностійкого ) шару двошарового листа товщиною 10 мм згідно з таблицею 3.5 складає ^S _n  2-3 мм. Так як _о  _n , товщину плакувального шару приймаємо мінімальною, тобто ^S _п  2 мм, товщину основного шару – ^S _o  S  ^S _п  10  2  8 мм. До-

бавку для компенсації корозії та ерозії з боку основного шару приймаємо рівною ^C _o  0 , так як основний шар не піддається корозії та ерозії з боку агресивного середовища.

Допустиму напружину визначаємо за формулою (3.8 )

_ _ _о S o C _o n S n C _n ^ _ 149 8 0 174 2 1 ^ _

S _o C _o  S _n C _n  8 0  2 1 

 151,7 МПа.

По отриманій допустимій напружині уточнюємо товщину стінки циліндричної обичайки за формулами (3.13 ) і (3.14 ):

S _{p } P  D _ 1, 0  2000 _ 6,6 _мм;

2 p  P 2 151,7 1 1,0

S  S _p  C  6,6 1,9  8,5 мм.

Приймаємо виконавчу товщину стінки обичайки рівною S  10 мм, що збігається з попереднім розрахунком.

Для прийнятого значення виконавчої товщини стінки обичайки розраховуємо допустимий тиск за формулою (3.15 )

2 p S C  2 151,7 1 10 1,9 

P    1,22 МПа.

D  S C  2000  10 1,9 

Умова міцності

Р  1,0 Р 1,22 МПа

виконується.

Умова застосування розрахункових формул

S C 10 1,9

  0,004  0,1 D 2000

виконується.

3.2.4 Розрахунок гладких циліндричних обичайок, навантажених зовнішнім тиском

Розрахункові схеми гладких циліндричних обичайок наведені на рисунках 3.2-3.4.

Циліндричні обичайки, які навантажені зовнішнім тиском або працюють під вакуумом, знаходяться в менш сприятливих умовах порівняно з обичайками, навантаженими внутрішнім надлишкової тиском. Зовнішній тиск викликає порушення циліндричної форми обичайки, збільшуючи існуючі початкові відхилення, які є наслідком неточності виготовлення. При цьому в обичайці крім напружин стиснення виникають напружини вигину.

Тонкостінні обичайки під дією зовнішнього тиску при певних умовах можуть втратити стійкість. Явище втрати стійкості форми спостерігається при напружинах менших границі текучості матеріалу обичайки, коли під дією критичного тиску поперечний переріз початково круглої форми починає перетворюватися у хвилеподібну.

Величина критичного тиску залежить від геометричних розмірів і механічних властивостей матеріалу обичайки. Ці фактори необхідно враховувати при розрахунку обичайок, навантажених зовнішнім тиском.

Одношарові циліндричні обичайки

Розрахункову товщину стінки обичайки ^S p , мм, визначають за формулою

S _p  max K ₂ D 10 ^{ 2} ; 1,1 P ^{ D} _ ^ , (3.16)

 2 ^  _

Таблиця 3.8 – Модуль подовжньої пружності сталей

Рисунок 3.7 – Номограма для визначення коефіцієнтів ^K ₁ , ^K ₂ , ^K ₃

Коефіцієнт запасу стійкості при розрахунку посудин та апаратів на стійкість по нижнім критичним напружинам у границях пружності необхідно приймати рівним:

– ⁿ _y  2,4 – для робочих умов;

– ⁿ _y  1,8 – для умов випробувань і монтажу.

Розрахункову довжину циліндричної обичайки l , мм, навантаженої зовнішнім тиском (вакуумом) визначають за формулами:

– для апаратів за рисунками 3.2 і 3.4,б l  ^l _ц ;

– для апаратів за рисунком 3.3,а l  l ц  2 h 1  l 3 ;

– для апаратів за рисунком 3.3,б

l  l ц  2l 3 ;

– для апаратів за рисунками 3.4,а і 3.5

l  l ц  h 1  l 3 ,

де ^l _ц – довжина циліндричної обичайки, навантаженої зовнішнім тиском, мм; ^h ₁ – висота циліндричної частини (відбортовки) днища, мм; ^l 3 – довжина прилеглого елемента, мм.

Довжини прилеглих елементів ^l ₃ , мм, визначають за формулою

H / 3  дляопуклихднищ 

^ max r  sin ; D / 6 tg  для конічнихобичайокз відбортовкою, ^  l  _ ,

 алене більшедовжиниконічного 

_ елемента _

(3.18)

де  – половина кута при вершині конічної обичайки, град. Коефіцієнт ^K ₃ визначають за формулою

K ₃  l D, (3.19)

де ^l – розрахункова довжина гладкої обичайки, мм.

Виконавчу товщину стінки S , мм, визначають за формулою (3.14), а допустимий зовнішній тиск – за формулою

P ^П , (3.20)

P 

1  РР ПЕ 2

де P _П – допустимий тиск за умови міцності, МПа;

P _E – допустимий тиск за умови стійкості в границях пружності, МПа.

Допустимий тиск за умови міцності визначають за формулою

Р _П  ² _D ^{ } _ ^{ } _ ^ _S ^S _ ^ _C ^C _ ^ . (3.21)

Допустимий тиск за умови стійкості в границях пружності визначають за формулою

Р Е  20,8n y 10  B 16 Dl  E  100 DS  C 2,5 , (3.22)

де

B₁  min ^ _ 1, 0; 9,45 ^{D D } _ . (3.23)

_ l 100 S C _

При цьому повинна виконуватися умова P P .

Приклад 3.6

Розрахувати товщину стінки циліндричної обичайки корпуса вертикального апарата з приварними еліптичними днищами і сорочкою (рисунок 3.8 ) внутрішнім діаметром ^D ₁  1000 мм. Тиск в апараті – атмосферний, розрахунковий тиск в сорочці – Р 1 0,63 МПа, матеріал корпуса – сталь марки Ст3сп5, розрахункова температура стінки обичайки t  165 °С. Довжина циліндричної обичайки під сорочкою ^l _ц 700 мм,

висота відбортовки еліптичного днища ^h ₁  40мм. Добавку для компенсації корозії та ерозії прийняти рівною:

– з боку робочого середовища – ^C ₁   2 мм; – з боку теплоносія – ^C ₁   1 мм.

Коефіцієнт запасу стійкості при розрахунку апарата на стій-

кість по нижнім критичним напружинам в границях пружності для робочих умов приймаємо рівним ⁿ _y  2,4 .

Згідно з таблицею 3.8 модуль подовжньої пружності матеріалу обичайки при розрахунковій температурі t  165 °С визначаємо методом лінійної інтерполяції, E  1,85 ^{10 5} МПа.

Рисунок 3.8 – Вертикальний апарат з U-подібною сорочкою

Коефіцієнт ^K ₁ визначаємо за формулою (3.17 )

n y P 2,4 0,63

K 1  0,36 E 10 6  0,36 1,85 10 5 10 6  2,94.

Висоту опуклої частини еліптичного днища визначаємо за формулою

Н  0,25D  0,25 1000  250 мм.

Розрахункову довжину прилеглого елемента еліптичного днища ^l ₃ визначаємо за формулою (3.18 )

H 250

l ₃    83,3 мм .

3 3

Розрахункову довжину циліндричної обичайки визначаємо за формулою

l  l_ц  h₁  l₃ 700  40  83,3  823,3 мм.

Коефіцієнт ^K ₃ визначаємо за формулою (3.19 )

l 823,3

K ₃    0,823.

D 1000

Згідно з номограмою на рисунку 3.7 визначаємо коефіцієнт К 2  0,65.

Розрахункову товщину стінки обичайки визначаємо за формулою

(3.16 )

S p  max K 2 D 10 2 ; 1,1P D  

 2  

 max 0,65 1000 10 2 ; 1,1 0,63 1000   max 6,5; 2,4  6,5 мм.

 2 144 

Добавка для компенсації корозії та ерозії до розрахункової товщини стінки обичайки (з урахуванням двосторонньої корозії з боку робочого середовища і теплоносія ) складає

C₁  С₁  С₁   2 1  3 мм.

Добавка для компенсації мінусового допуску до розрахункової товщини стінки обичайки згідно з таблицею 3.4 для товщин 8-12 мм складає С 2 0,8 мм.

Сума добавок до дорівнює

С  С 1 С 2  3 0,8  3,8 мм. Виконавчу товщину стінки обичайки визначаємо за формулою

(3.14 )

S  S_p  C  6,5  3,8  10,3 мм.

Приймаємо виконавчу товщину стінки обичайки рівною

S  12 мм.

Допустимий зовнішній тиск за умови міцності при 1 визначаємо за формулою (3.21 )

Р П  2D S S CC   21000 144 1212 33,,88   2,34МПа.

Безрозмірний коефіцієнт ^B ₁ визначаємо за формулою (3.23 )

B₁  min ^ _ 1,0 ; 9,45 ^{D D } _ 

_ l 100 S C _

 1000 1000 

 min 1,0 ; 9,45    min 1,0; 12,68  1.

_ 823,3 100 12  3,8 _

Допустимий зовнішній тиск за умови стійкості в границях пружності визначаємо за формулою (3.22 )

20,8 10 ^{ 6} D  E 100 S C _ ^2,5

Р Е  n y  B 1 l  D  

20,8 10 ^{ 6} 1000 1,85 10 ⁵ _ 100 12  3,8 _ ^2,5

 2,4 1 823,3  1000 _  1,18 МПа.

Допустимий зовнішній тиск розраховуємо за формулою (3.20 )

P ^П  ^2,34  1,05МПа.

P 

 Р  2  2,34 2

1   Р ПЕ  1   1,18 



Умова міцності

Р  0,63  P  1,05МПа

виконується.

Умова застосування розрахункових формул

S C 12 3,8

  0,008  0,1 D 1000

виконується.

Обичайки, які виготовляються з двошарових сталей

При розрахунку обичайок із двошарових сталей, навантажених зовнішнім тиском, за формулами (3.16), (3.14), (3.20) враховується тільки основний шар. У цьому випадку при визначенні виконавчої товщини стінки як добавка для компенсації корозії та ерозії приймається максимальна товщина плакувального шару.

Приклад 3.7

Розрахувати товщину стінки циліндричної обичайки корпуса колонного апарата з приварними еліптичними днищами (рисунок 3.9 ) внутрішнім діаметром D=1200 мм, що працює під вакуумом. Залишковий тиск в апараті Р _зал 0,01 МПа, розрахункова температура стінки апарата t  100 °С. Матеріал корпуса апарата – двошарова сталь Ст3сп+12Х18Н10Т. Довжина циліндричної обичайки ^l _ц  10000 мм, висота відбортовки еліптичного днища ^h _l  40 мм.

Рисунок 3.9 – Колонний апарат

При розрахунку на міцність обичайки з двошарової сталі, що навантажена зовнішнім тиском, враховуємо тільки основний шар.

Розрахунковий зовнішній тиск в апараті визначаємо як різницю між атмосферним тиском ^P _а та залишковим тиском в апараті Р _зал Р  P_a  P_зал  0,1 0,01  0,09МПа.

Коефіцієнт запасу стійкості при розрахунку апарата на стійкість по нижнім критичним напружинам у границях пружності для робочих умов приймаємо рівним ⁿ _y  2,4 .

Згідно з таблицею 3.8 модуль подовжньої пружності матеріалу обичайки при розрахунковій температурі t  100 °С складає E  1,91 10⁵ МПа.

Коефіцієнт ^K ₁ визначаємо за формулою (3.17 )

n y  P 2,4 0,09

K 1  0,36 E 10 6  0,36  1,91 10 5 10 6  0,407.

Висоту опуклої частини еліптичного днища визначаємо за формулою

Н  0,25D  0,25 1200  300 мм.

Розрахункову довжину прилеглого елемента ^l ₃ опуклого днища визначаємо за формулою (3.18 )

l₃  Н / 3  300/ 3  100 мм.

Розрахункову довжину циліндричної обичайки визначаємо за формулою l  l_ц  2 h₁  2 l₃  10000  2 40  2 100  10280 мм.

Коефіцієнт ^K ₃ визначаємо за формулою (3.19 )

l 10280

K ₃    8,57.

D 1200

Згідно з номограмою на рисунку 3.7 визначаємо коефіцієнт К 2 0,8. Розрахункову товщину стінки обичайки визначаємо за формулою

(3.16 )

S p  max K 2 D 10 2 ; 1,1 P D  

 2 ^  _

 max ^ _ 0,8 1200 10 ^{ 2} ; ^{1,1  0,09  1200 } _  max 9,6; 0,4  9,6 мм.

 2 149 

Як добавку для компенсації корозії та ерозії приймаємо максимальну товщину плакувального шару згідно з таблицею 3.5 С 1  3 мм.

Виконавча товщина стінки обичайки з урахуванням добавки для компенсації корозії та ерозії до розрахункової товщини складає

S  S_p  C₁  9,6  3  12,6 мм.

Добавка для компенсації мінусового допуску для листів товщиною 14 мм згідно з таблицею 3.5 складає С 2 0,98 мм.

Добавку до розрахункової товщини стінки обичайки визначаємо за формулою

С  С 1 С 2  3,0 0,98  3,98 мм.

Виконавчу товщину стінки обичайки визначаємо за формулою (3.14 ) S  S_p  C  9,6  3,98  13,58 мм.

Приймаємо виконавчу товщину стінки обичайки згідно з таблицею

3.5

S  14 мм.

Допустимий зовнішній за умови міцності при 1 визначаємо за формулою (3.21 )

Р П  2D S S CC   21200 149 1414 33,,9898   2,468МПа.

Безрозмірний коефіцієнт ^B ₁ визначаємо за формулою (3.23 )

B 1  min 1,0 ; 9,45 D D   _ l 100 S  C _

 min ^ _ 1,0 ; 9,45 _ ^{1200 1200 } _  min 1,0; 1,21  1,0.

_ 10280 100 14  3,98 _

Допустимий зовнішній тиск за умови стійкості в границях пружності визначаємо за формулою (3.22 )

20,8 10 ^{ 6} D  E 100 S C _ ^2,5

Р Е  n y  B 1 l  D  

 20,8 102 ^ ,4 ⁶ 11200 10280 1,91 10 ⁵  100 120014  3,98 ^2,5  0,123 _МПа .

_ 

Допустимий зовнішній тиск розраховуємо за формулою (3.20 )

P ^П  2,468  0,123 МПа.

P 

 Р  2

1   Р ПЕ  1   20,,123468 2



Умова міцності

Р  0,09  Р  0,123МПа

виконується.

Умова застосування розрахункових формул

S C 14 3,98

  0,008  0,1 D 1200

виконується .

3.2.5 Розрахунок гладких циліндричних обичайок, що працюють під спільною дією навантажень кількох видів

У деяких випадках обичайки апаратів працюють під спільною дією внутрішнього надлишкового або зовнішнього тиску, осьового стискального зусилля, згинального моменту та поперечного зусилля (наприклад, колонні апарати). У цьому випадку товщина стінки обичайки попередньо визначається за умов міцності або стійкості від дії відповідного тиску. Перевірку стійкості обичайок, які працюють під спільною дією кількох видів навантажень, виконують для робочих умов та, у випадку необхідності, у відповідності з пунктом 3.1.2 для умов випробувань за формулою 2

P F M  Q 

_P   _F   _M   _  _Q _   1,0 , (3.24)

де P – розрахунковий зовнішній тиск, МПа;

F – осьове стискальне зусилля, Н;

M – згинальний момент, Нмм;

Q – поперечне зусилля, Н;

P  – допустимий зовнішній тиск, який визначається за формулою (3.20), МПа;

F  – допустиме осьове стискальне зусилля, Н; M – допустимий згинальний момент, Нмм; Q  – допустиме поперечне зусилля, Н.

Якщо одна або кілька із зазначених навантажень відсутні, у формулі (3.24) відповідна добавка не враховується.

Допустиме осьове стискальне зусилля F , Н, необхідно розраховувати за формулою

F ^П . (3.25)

F 

 F П ²

1   F Е 

Допустиме осьове стискальне зусилля за умови міцності F _П , Н, визначається за формулою

F _П D  S C S C . (3.26)

Допустиме стискальне зусилля в границях пружності за умови стійкості F _E , Н, визначається за формулою

F E  minF E 1 ,F E1 ; F E2 , якщоякщо ll DD 1010  , (3.27)

де F _E1 – допустиме осьове стискальне зусилля, яке визначається за умови місцевої стійкості в границях пружності, Н;

F _E2 – допустиме осьове стискальне зусилля, яке визначається за умови загальної стійкості в границях пружності, Н.

При цьому повинна виконуватися умова F F .

Допустиме осьове стискальне зусилля за умови місцевої стійкості в границях пружності визначають за формулою

F E1  310 10n y6 D 2 E 100 DS C 2,5 . (3.28) 

Допустиме стискальне зусилля за умови загальної стійкості в гра-

ницях пружності визначають за формулою

F E2  D  S C nS y C E 2 , (3.29)

де  – гнучкість обичайки.

Гнучкість обичайки визначають за формулою

2,83 l _np

 , (3.30)

D  S C 

де ^l _пр – приведена розрахункова довжина обичайки, мм.

Наведену розрахункову довжину обичайки ^l _np приймають згідно з таблицею 3.9.

Допустимий згинальний момент M , Нмм, розраховують за формулою

M ^П . (3.31)

M 

1  MM ПЕ 2



Допустимий згинальний момент за умови міцності M _П , Нмм, розраховують за формулою

М _П  0,25D F _П . (3.32)

Допустимий згинальний момент за умови стійкості в границях пружності M _Е , Нмм, розраховують за формулою

М _Е  0,285D F _Е 1 . (3.33)

При цьому повинна виконуватися умова М М .

Допустиме поперечне зусилля Q , Н, розраховують за формулою

Q ^П . (3.34)

Q 

 Q ^П ²

1 

 Q Е _

_

Допустиме поперечне зусилля за умови міцності Q _П , Н, визначають за формулою

Таблиця 3.9 – Наведена розрахункова довжина обичайки

В міліметрах

Q _П  0,25  D S C . (3.35)

Допустиме поперечне зусилля за умови стійкості обичайки в границях пружності Q _E , Н, визначають за формулою

Q E  2,4 E n S y C 2  0,18 0,33 D lS 2 C  . (3.36)

При цьому повинна виконуватися умова Q  Q .

Приклад 3.8

Колонний апарат, установлений на відкритому майданчику (рисунок 3.9 ), працює під спільною дією внутрішнього надлишкового тиску, осьового стискального зусилля і згинального моменту від вітрового навантаження.

Робочий тиск в апараті складає ^Р _роб  0,96 МПа, внутрішній діаметр апарата D  1200 мм, розрахункова температура стінки корпуса колони t  100 °С, загальна висота апарата Н _к  30000мм, довжина циліндричної обичайки ^l _ц  27390 мм, висота відбортовки еліптичного днища ^h ₁  25мм. Виліти штуцерів прийняти рівними ^h _ш  200 мм. Рівень рідини в кубі колони ^H _c  1100 мм, густина рідини в кубі

c  1150 кг/м³ . Матеріал корпуса – сталь марки Ст3сп5. Коефіцієнт міцності зварних з’єднань прийняти рівним 0,9 , добавку для компенсації корозії та ерозії – С 1  1 мм.

Тиск в апараті під час дії запобіжного клапана визначаємо за формулою (3.2 )

Р_к  1,15 P_роб  1,15 0,96  1,104 МПа.

Тиск, що враховує короткочасне підвищення його в апараті при спрацьовуванні запобіжного клапана, без урахування гідростатичного тиску визначаємо за формулою (3.3 )

Р_р  0,9 P_к  0,9 1,104  0,994 МПа.

Гідростатичний тиск середовища визначаємо за формулою (3.1 )

Р _г  c  g H _c 10 ^{ 6}  1150 9,81 1,1 10 ^{ 6}  0,012МПа.

Враховуючи, що гідростатичний тиск середовища

Р_г  0,012  0,05 Р_роб  0,05 0,96  0, 048 МПа

складає менше 5 % від робочого, розрахунковий тиск визначаємо за формулою (3.4 ) без урахування гідростатичного тиску середовища Р  ^P _p  0,994 МПа.

Розрахунковий тиск округляємо в бік збільшення Р  1,0 МПа.

Згідно з таблицею Б.1 додатку Б визначаємо значення допустимих напружин для сталі марки Ст3сп5 при розрахунковій температурі

t  100 ºС 149 МПа і температурі ^t _в  20 ºС _ ₂₀  154 МПа. Пробний тиск визначаємо за формулою (3.5 ) ²⁰ 1,25 1,0  ¹⁵⁴  1,29 МПа.

Р _пр  1,25 P  

 149

Гідростатичний тиск води в умовах випробувань визначаємо за формулою (3.1 ), приймаючи густину води рівною _в  1000кг/м³ , а загальну висоту стовпа води в апараті – рівною висоті циліндричної обичайки з урахуванням висоти двох еліптичних днищ зі штуцерами

H _в  l _ц  2 h ₁  H  h _ш   27390  2 25  300  200  

 28440мм 28,44 м ;

Р_{г води}  _в  g  ^H _в 10 ^{ 6}  1000 9,81 28,44 10 ^{ 6}  0,279МПа.

Враховуючи, що гідростатичний тиск води в апараті

Р_{г води}  0,279  0,05 Р_пр  0,05 1,29  0,065 МПа

складає понад 5 % від пробного, розрахунковий тиск в умовах випробувань Р _в приймаємо рівним пробному з урахуванням гідростатичного тиску води

Р_в  ^P _пр  ^P _{г води}  1,29 0,279  1,569 МПа.

Перевіряємо необхідність розрахунку на міцність в умовах випробувань ²⁰ 1,35 1,0  ¹⁵⁴  1,4МПа .

Р _в  1,569  1,35 Р  

 149

Розрахунковий тиск в умовах випробувань більше розрахункового тиску в робочих умовах, помноженого на 1,35 ₂₀ , тому розрахунок на міцність необхідно проводити не тільки для робочих умов, але і для умов випробувань.

Допустиму напружину в умовах випробувань визначаємо за формулою (3.9 ). Згідно з таблицею Б.6 додатку Б визначаємо границю текучості для сталі марки Ст3сп5 при температурі випробувань ^t _в  20 °С

R _e ²⁰  250 МПа. Коефіцієнт запасу міцності при гідравлічних випробуваннях визначаємо згідно з таблицею 3.1, ⁿ _т 1,1. в  R ^{e 20}  250 _ 227 МПа. n _т 1,1

Розрахункову товщину стінки обичайки визначаємо за формулою

(3.13 ):

– для робочих умов

S _{ p } P  D _ 1,0 1200 _ 4,49 _мм ; 2 p  P 2 149 0,9 1,0

– для умов випробувань

S p   P в D  1,569 1200  4,63 мм.

2 _в p  P _в 2 227 0,9 1,569

З урахуванням добавки для компенсації корозії та ерозії товщина стінки обичайки по більшому з отриманих значень розрахункової товщини стінки обичайки складає

S  S _p   C₁  4,63 1,0  5,63 мм.

Добавку для компенсації мінусового допуску для товщини сталевого листа 8 мм згідно з таблицею 3.4 приймаємо рівною С 2  0,8 мм.

Сума добавок до розрахункової товщини стінки обичайки дорівнює

С  С 1 С 2  1 0,8  1,8 мм.

Виконавчу товщину стінки визначаємо за формулою (3.14 ) по більшому із значень розрахункової товщини стінки в робочих умовах та в умовах випробувань

S  S _p  C  4,63 1,8  6,43 мм.

Приймаємо виконавчу товщину стінки обичайки рівною

S  8 мм.

Допустимий тиск для прийнятого значення виконавчої товщини стінки обичайки розраховуємо за формулою (3.15 ):

– для робочих умов

2 p S C  2 149 0,9 8 1,8  1,37МПа;

P   

D S C  1200 8 1,8 

– для умов випробувань

2 в p S C  2 227 0,9 8 1,8 

P в  D S C   1200 8 1,8   2,1МПа.

Умови міцності:

– для робочих умов

Р 1,0 Р 1,37 МПа;

– для умов випробувань

Р_в 1,569  Р _в  2,1МПа

виконуються.

Умова застосування розрахункових формул

S C 8 1,8

  0,005  0,1 D 1200

виконується.

Для колони, установленої на відкритому майданчику зі співвідношенням Н_к D  30000/ 1200  25  10, необхідно враховувати вітрове навантаження.

Маса колони при виконавчій товщині стінки обичайки, яка дорівнює S  8 мм, складає:

– в робочих умовах 14675 кг; – в умовах випробувань 43420 кг.

У результаті розрахунку колони на вітрове навантаження (у даному прикладі не приводиться ) визначені згинальні моменти в перерізі Z-Z, які складають:

– в робочих умовах 7,38·10⁸ Н·мм;

– в умовах випробувань 7,50·10⁸ Н·мм.

Обичайка вертикального колонного апарата крім внутрішнього надлишкового тиску навантажена осьовим стискальним зусиллям від власної ваги і згинальним моментом від дії вітрового навантаження.

Перевірку стійкості обичайки, яка працює під спільною дією кількох видів навантажень, проводимо за формулою (3.24 ), у якій приймаємо Р=0, тому що діє тільки внутрішній надлишковий тиск, і поперечне зусилля Q=0. Значення осьового стискального зусилля F в перерізі Z-Z приймаємо рівним вазі колони в робочих умовах, тобто

F  m g 14675 9,81 144000Н,

де m – маса апарата в робочих умовах, кг; g – прискорення вільного падіння, м/с² .

Проводимо перевірку стійкості корпуса колонного апарата для робочих умов і умов випробувань.

Визначаємо допустимі осьове стискальне зусилля та згинальний момент для робочих умов і умов випробувань.

Модуль подовжньої пружності для сталі марки Ст3сп5 в робочих умовах (при температурі t  100 °С ) згідно з таблицею 3.8 складає Е  1,91 10⁵ МПа.

Допустиме осьове стискальне зусилля за умови місцевої стійкості у границях пружності визначаємо за формулою (3.28 )

F E1  310 10n 6y D 2  E 100 DS C 2,5 

310 10 ^{ 6} 1200 ² 1,91 10 ⁵ _ 100 8 1,8 _ ^2,5 6,82 10 ⁶ Н.

 2,4  _  1200 _ 

Наведену розрахункову довжину корпуса колонного апарата приймаємо згідно з таблицею 3.9

l_пр  2,0 l  2,0 H_к  2 30000  6 10⁴ мм.

Гнучкість обичайки визначаємо за формулою (3.30 )

2,83l _np 2,83 6 10 ⁴

   140,8.

D  S C  1200  8 1,8 

Допустиме осьове стискальне зусилля за умови місцевої стійкості в границях пружності визначаємо за формулою (3.29 )

_F _{E2 } D  S C ^ _n S_y  C  E ² _

3,14 1200  8 1,8 8 1,8 1,91 10⁵ 3,14 140,8 ^{2 5} .

 9,31 10 Н

2,4

Допустиме осьове стискальне зусилля за умови стійкості у границях пружності при l D 10 визначаємо за формулою (3.27 )

F _E  min F _E1 ; F _E2  min 6,82 10 ⁶ ; 9,31 10 ⁵  9,31 10 ⁵ H. Допустиме осьове стискальне зусилля за умови міцності визначаємо за формулою (3.26 )

F _П D  S C S C 

 3,14 1200  8 1,8 8 1,8 149  3,5 10 ⁶ Н.

Допустиме осьове стискальне зусилля для робочих умов визначаємо за формулою (3.25 )

F  F П  3,5 10 6  9,0 10 5 Н.

F П 2 1  3,5 10⁶ 5 ²

1  F Е   9,31 10 



Допустимий згинальний момент за умови міцності для робочих умов розраховуємо за формулою (3.32 )

М _П 0,25 D F _П 0,25 1200 3,5 10 ⁶ 1,05 10 ⁹ Н  мм. Допустимий згинальний момент за умови стійкості для робочих умов розраховуємо за формулою (3.33 )

М _Е 0,285D F _Е 1  0,285 1200 6,82 10 ⁶  2,33 10 ⁹ Н  мм. Допустимий згинальний момент для робочих умов визначаємо за формулою (3.31 )

М  M ^П _ 1,05 ^ 10 ⁹  9,57 10 ⁸ _Н  мм.

 M П ² 1   1,05 10 9 ²

1  _ M Е   2,33 10 9 

Перевіряємо стійкість обичайки, яка знаходиться під спільною дією осьового стискального зусилля та згинального моменту від вітрового навантаження, для робочих умов за формулою (3.24 )

F M 144000 7,38 10 ⁸

   0,93 1,0.

F  M  9,0 10 ⁵ 9,57 10 ⁸

Умова стійкості виконується.

Для умов випробувань при температурі ^t _в  20 °С модуль подовжньої пружності для сталі марки Ст3сп5 згідно з таблицею 3.8 складає Е  1,99 10⁵ МПа.

Визначаємо допустиме стискальне зусилля за умови місцевої стійкості в границях пружності F _E1 в умовах випробувань за формулою

(3.28 )

F E1  310 10 _n ^ _y ⁶ D ² E _ 100 _D S C _ _ ^2,5 

 310 10 ^{ 6} 12001,8 ² 1,99 10 ⁵ 1001200 8 1,8 ^2,5  6 _{. 9,47  10 Н}

Визначаємо допустиме стискальне зусилля за умови загальної стійкості в границях пружності F _E2 в умовах випробувань за формулою (3.29 )

_F _{E2 } D  S C ^ _n S_y C  E ² _

3,14 1200  8 1,8 8 1,8 1,99 10 ⁵ 3,14 140,8 ²



1,8

 1,29 10 ⁶ Н.

Допустиме осьове стискальне зусилля за умови стійкості в границях пружності при l D 10 в умовах випробувань визначаємо за формулою (3.27 )

F _E  min F _E1 ; F _E2  min 9,47 10 ⁶ ; 1,29 10 ⁶ 1,29 10 ⁶ H. Допустиме осьове стискальне зусилля за умови міцності в умовах випробувань визначаємо за формулою (3.26 )

F _П D  S C S C _в 

 3,14 1200 8 1,8 8 1,8 227  5,33 10 ⁶ Н.

Допустиме осьове стискальне зусилля в умовах випробувань визначаємо за формулою (3.25 )

F П  5,33 10 ⁶  1,26 10 6 Н.

F 

F  2 

1  F ПЕ  1  15,,2933 1010 66 2

Допустимий згинальний момент за умови міцності в умовах випробувань розраховуємо за формулою (3.32 )

М _П  0,25 D F _П  0,25 1200 5,33 10 ⁶  1,6 10 ⁹ Н  мм. Допустимий згинальний момент за умови стійкості в умовах випробувань розраховуємо за формулою (3.33 )

М _Е 0,285D F _Е 1 0,285 1200 9,47 10 ⁶  3,23 10 ⁹ Н  мм. Допустимий згинальний момент в умовах випробувань визначаємо за формулою (3.31 )

М  M П  1,6 10 9 1,43 10 9 Н  мм.

1 MM ПЕ 2 1  31,,236 1010 99 2 

Перевіряємо стійкість обичайки, що працює під спільною дією осьового стискального зусилля та згинального моменту, для умов випробувань за формулою (3.24 )

F M 144000 7,5 10 ⁸

    0,64  1,0 .

F  M  1,26 10 ⁶ 1,43 10 ⁹

Умова стійкості виконується.

Приклад 3.9

Розрахувати товщину стінки циліндричної обичайки корпуса колонного апарата (рисунок 3.9 ), установленого на відкритому майданчику і працюючого під вакуумом. Залишковий тиск в апараті Р _зал 0,01МПа, розрахункова температура стінки обичайки t  100 °С. Внутрішній діаметр апарата D  1200 мм, загальна висота колони ^H _к  30000 мм, довжина циліндричної обичайки ^l _ц  27350 мм, висота циліндричної відбортовки еліптичного днища ^h ₁  40мм. Виліти штуцерів прийняти рівними ^h _ш  200 мм. Матеріал корпуса колонного апарата – сталь марки

Ст3сп5. Добавку для компенсації корозії та ерозії прийняти рівною ^C ₁  1 мм, коефіцієнт міцності зварних швів –  0,9.

Розрахунковий зовнішній тиск в апараті визначаємо як різницю між атмосферним тиском ^P _a та залишковим тиском в апараті ^P _зал Р  P_a  P_зал  0,1 0,01  0,09МПа.

При визначенні пробного тиску для колонного апарата, що працює під вакуумом, розрахунковий тиск у формулі (3.5 ) приймаємо рівним

Р  0,1 МПа. Згідно з таблицею Б.1 додатку Б визначаємо допустимі напружини для сталі марки Ст3сп5:

– при розрахунковій температурі t  100 °С 149 МПа;

– при температурі випробування ^t _в  20 °С ^ ₂₀  154МПа. Пробний тиск визначаємо за формулою (3.5 )

²⁰  1,25 0,1  ¹⁵⁴  0,13МПа. Р _пр  1,25 P

 149

Висоту опуклої частини еліптичного днища розраховуємо за формулою

H 0,25 D 0,25 1200  300 мм.

Гідростатичний тиск води в апараті визначаємо за формулою (3.1 ). Густина води складає _в  1000кг/м³ , загальна висота стовпа води в апараті дорівнює висоті циліндричної обичайки з урахуванням висоти двох еліптичних днищ зі штуцерами

H _в  l _ц  2 h ₁  H  h _ш  27350  2 40  300  200 

 28430мм 28,43 м ;

Р_{г воды}  _в  g  ^H _в 10 ^{ 6}  1000 9,81 28,43 10 ^{ 6}  0, ²⁷⁹ МПа..

Гідростатичний тиск води в апараті

Р_гводи  0,275  0,05 Р_пр  0,05 0,13  0, 0065 МПа

складає понад 5 % від пробного, тому розрахунковий тиск в умовах випробувань Р _в приймаємо рівним пробному з урахуванням гідростатичного тиску води

Р_в  Р_пр  Р_гводи  0,13 0,279  0, ⁴⁰⁹ МПа.

Перевіряємо умову необхідності розрахунку на міцність в умовах випробувань

²⁰ ;

Р _в 1,35Р 



Р _в  0,409  1,35 0,1   0,139 МПа.

Умова не виконується, отже потрібно провести розрахунок на міцність для робочих умов та умов випробувань.

За формулою (3.17) визначаємо коефіцієнт ^K ₁ , приймаючи коефіцієнт запасу стійкості для робочих умов ⁿ y  2,4 , а модуль подовжньої пружності матеріалу обичайки при розрахунковій температурі визначаємо за таблицею 3.8

n y P 2,4 0,09

K 1  0,36 E 10 6  0,36  1,91 10 5 10 6  0,41.

Довжину прилеглого елемента ^l ₃ для опуклих днищ визначаємо за формулою (3.18 )

H 300

l ₃    100 мм.

3 3

Розрахункову довжину циліндричної обичайки визначаємо за формулою l  l_ц  2 h₁  2 l₃  27350  2 40  2 100  27630 мм.

Коефіцієнт ^K ₃ визначаємо за формулою (3.19 )

l 27630

К 3    23,03.

D 1200

За номограмою на рисунку 3.7 визначаємо коефіцієнт К 2 0,8. Розрахункову товщину стінки обичайки визначаємо за формулою

(3.16 )

S p  max K 2 D 10 2 ; 1,1 P D  

 2 ^  _

 max ^ _ 0,8 1200 10 ^{ 2} ; ^{1,1  0,09  1200 } _  max 9,6; 0,4  9,6 мм.

 2 149 

Згідно з таблицею Б.6 додатку Б визначаємо границю текучості матеріалу обичайки при температурі t  20 °С, ^R _e ²⁰  250 МПа. Коефіцієнт запасу міцності при гідравлічних випробуваннях згідно з таблицею 3.1 дорівнює ⁿ _т  1,1. Допустиму напружину в умовах випробувань визначаємо за формулою (3.9 )

R e 20 250 _ в  n т  1,1  227МПа.

Для умов випробувань розрахункову товщину стінки визначаємо за формулою (3.13 )

S _{p } P в D _ 0,409 1200 _ 1,2 _мм.

2 _ _в  P _в 2 227 0,9 0,409

Виконавчу товщину стінки обичайки без урахування добавки для компенсації мінусового допуску визначаємо за формулою (3.14 ) по більшому із значень ^S _p з урахуванням добавки на корозію та ерозію С 1

S  S _p  C₁  9,6 1  10,6 мм.

Визначаємо виконавчу товщину стінки циліндричної обичайки з урахуванням добавки на мінусовий допуск С 2 0,8 мм для листа товщиною 12 мм

S  S _p  C₁  C₂  9,6 1 0,8  11,4 мм.

Приймаємо виконавчу товщину стінки обичайки рівною S  12 мм.

Перевіряємо необхідність урахування добавки для компенсації мінусового допуску сталевого листа товщиною 12 мм

C₂  0,8  0,05S  0,05 12  0,6 мм.

Добавку враховуємо, тому що вона складає понад 5 % від товщини листа.

Сума добавок складає

С  С 1 С 2  1 0,8  1,8 мм.

Визначаємо допустимий тиск за умови міцності Р _П за формулою (3.21 )

Р П  2D S S CC   21200 149 1212 11,,88   2,51МПа .

Безрозмірний коефіцієнт В 1 визначаємо за формулою (3.23 )

B 1  min 1,0 ; 9,45 D D  

_ l 100 S  C _

 min ^ _ 1,0 ; 9,45 ^{1200 1200 } _ ^  min 1; 0,445  0,445.

_ 27630 100 12 1,8 _

Допустимий тиск за умови стійкості в границях пружності Р Е визначаємо за формулою (3.22 )

20,8 10 ^{ 6} D  E 100 S C _ ^2,5

Р Е  n y  B 1 l   D  

20,8 10 ^{ 6} 1200 1,91 10 ⁵ _ 100 12 1,8 _ ^2,5

 2,4 0,445 27630  1200 _  0,108МПа.

_{  }

Допустимий зовнішній тиск в робочих умовах визначаємо за формулою (3.20 )

P ^П  ^2,51  0,107МПа.

P 

 Р П ² 1  02,108,51 ²

1   Р Е  



Умова міцності в робочих умовах

Р 0,09  Р 0,107МПа

виконується.

Для прийнятого значення виконавчої товщини стінки обичайки розраховуємо допустимий внутрішній тиск в умовах випробувань за формулою (3.15 )

2 ^в ^ p S C ^ 2 227 0,9 12 1,8 ^

P _в  _{D } _{S  C}   _{1200 } _{12  1,8}   3,44МПа.

Умова міцності в умовах випробувань

Р 0,409 Р  3,44МПа

виконується.

Умова застосування розрахункових формул

S C 12 1,8

  0,0085  0,1

D 1200

виконується.

Для колонного апарата, установленого на відкритому майданчику, із співвідношенням ^H _к D  10 необхідно враховувати вітрове навантаження.

Маса колони при товщині стінки обичайки, що дорівнює S 12 мм:

– у робочих умовах 18070 кг; – в умовах випробувань 46820 кг.

В результаті розрахунку колони на вітрове навантаження (у даному прикладі не приводиться ) визначені згинальні моменти в перерізі Z-Z, які складають:

– в робочих умовах 7,45·10⁸ Н·мм; – в умовах випробувань 7,52·10⁸ Н·мм.

Перевірку стійкості обичайки, яка працює під дією зовнішнього тиску, осьового стискального зусилля та згинального моменту проводимо за формулою (3.24 ), в якій приймаємо поперечне зусилля рівним Q=0. Осьове стискальне зусилля F в перерізі Z-Z приймаємо рівним вазі колони в робочих умовах, тобто

F  m g 18070 9,81 177000H,

де m – маса апарата в робочих умовах, кг; g – прискорення вільного падіння, м/с² .

Проводимо перевірку стійкості корпуса колонного апарата для робочих умов і умов випробувань.

Визначаємо допустимі осьове стискальне зусилля та згинальний момент для робочих умов.

Модуль подовжньої пружності для сталі марки Ст3сп5 для робочих умов (при температурі t=100 °С ) визначаємо згідно з таблицею 3.8, Е  1,91 10⁵ МПа.

Допустиме осьове стискальне зусилля визначаємо за умови місцевої стійкості в границях пружності за формулою (3.28 )

F E1  310 10n 6y D 2  E 100 DS C 2,5 

310 10 ^{ 6} 1200 ² 1,91 10 ⁵ _ 100 12 1,8 _ ^2,5 2,37 10 ⁷ Н.

 2,4  1200 _ 

_

Наведену розрахункову довжину визначаємо згідно з таблицею 3.9 l_пр  2,0 l  2 H_к  2 30000  6 10⁴ мм.

Гнучкість обичайки визначаємо за формулою (3.30 )

2,83l _np 2,83 6 10 ⁴

   140,3 .

D  S C  1200  12 1,8 

Допустиме осьове стискальне зусилля за умови загальної стійкості в границях пружності визначаємо за формулою (3.29 )

F E2  D  S  C _n S_y  C  E ² 

 3,14 1200  12 1,8 12  1,8 1,91 10⁵ 3,14 140,3 ² 

2,4  1,55 10⁶ Н.

Допустиме осьове стискальне зусилля за умови стійкості в границях пружності визначаємо за формулою (3.27 )

F _E  min F _E1 ; F _E2  min 2,37 10 ⁷ ; 1,55 10 ⁶  1,55 10 ⁶ H.

Допустиме осьове стискальне зусилля за умови міцності визначимо за формулою (3.26 )

F _П D  S C S C 

 3,14 1200 12 1,8 12 1,8 149  5,78 10 ⁶ Н.

Допустиме осьове стискальне зусилля в робочих умовах визначаємо за формулою (3.25 )

F  F П  5,78 10 6  1,5 10 6 Н.

 F  2 

1   F ПЕ  1   15,,7855 1010 66 2

Допустимий згинальний момент за умови міцності розраховуємо за формулою (3.32 )

М _П 0,25 D F _П 0,25 1200 5,78 10 ⁶ 1,73 10 ⁹ Н  мм. Допустимий згинальний момент за умови стійкості в границях пружності розраховуємо за формулою (3.33 )

М _Е  0,285D F _Е 1  0,285 1200 2,37 10 ⁷  8,09 10 ⁹ Н  мм. Допустимий згинальний момент в робочих умовах визначаємо за формулою (3.31 )

М  M ^П _ 1,73 ^ 10⁹  1,7 10⁹ _Н  мм.

M  2 

1  M ПЕ  1  81,,7309 1010 99 2

Перевіряємо стійкість обичайки, яка знаходиться під спільною дією зовнішнього тиску, осьового стискального зусилля від власної ваги та згинального моменту від вітрового навантаження, для робочих умов за формулою (3.24 )

P F M 0,09 177000 7,45 10 ⁸

      1,4  1,0.

P  F  M  0,107 1,5 10 ⁶ 1,7 10 ⁹

Умова стійкості не виконується, тому необхідно збільшити товщину стінки обичайки до наступної стандартної товщини листа і розрахунки повторити до виконання умови стійкості, після чого перевірити умову стійкості в умовах випробувань.

3.2.6 Розрахунок циліндричних обичайок з кільцями жорсткості,

що працюють під внутрішнім надлишковим тиском

Розрахункова схема циліндричної обичайки, підкріпленої кільцями жорсткості, представлена на рисунку 3.5.

Необхідність установки кілець жорсткості в апараті, що працює під внутрішнім надлишковим тиском, визначають у такий спосіб. При заданих розрахунковому тиску P і товщини стінки обичайки S розраховують коефіцієнт К 4 за формулою

P D  S C  1 . (3.37)

К 4  

2 p S C 

Якщо ^K ₄  0 , зміцнення кільцями жорсткості не потрібно.

Якщо коефіцієнт К 4 знаходиться в діапазоні

0  К 4  2 _т _р 1,

відстань b , мм, між двома суміжними кільцями жорсткості необхідно визначати за формулою

b  D S C K2 4 ^p _ 1  _К ¹ _{4 } _  , (3.38)

_ т _

де _т – коефіцієнт міцності кільцевого зварного шва.

Необхідну площу поперечного перерізу кільця жорсткості А _к , мм² , визначають за формулою ^ p

А_к  l₁ S C  К 4 , (3.39)

к к

де l ₁ – відстань між двома суміжними кільцями жорсткості по осям, які проходять через центр ваги їхніх поперечних перерізів, мм;

^ _к – допустима напружина для матеріалу кільця жорсткості при розрахунковій температурі, МПа;

^ _к – коефіцієнт міцності зварних швів кільця жорсткості. Якщо коефіцієнт

^К 4  2 ^{ т} 1 , _р

товщину стінки обичайки необхідно збільшити до величини, при якій виконується умова

0  К 4  2 ^{ т} 1. (3.40)

_р

Допустимий внутрішній надлишковий тиск необхідно визначати за умови

P  min P ₁ ; P ₂ , (3.41)

де P 1 – допустимий внутрішній надлишковий тиск, який визначається за умови міцності всієї обичайки, МПа;

P ₂ – допустимий внутрішній надлишковий тиск, який визначається за умови міцності обичайки між двома суміжними кільцями, МПа.

Допустимий внутрішній надлишковий тиск, який визначається за умови міцності всієї обичайки, розраховують за формулою

P 1  D  S  CA ^{l 1} ^к _к _к . (3.42) 2 p S  C  2

Допустимий внутрішній надлишковий тиск, який визначається за умови міцності обичайки між двома суміжними кільцями жорсткості, розраховують за формулою

2

Р 2  D тS SC C  1 2 т 2n 2n , (3.43)

p

де

² n  ^{b 2} . (3.44)

D S C 

3.2.7 Розрахунок циліндричних обичайок з кільцями жорсткості,

що працюють під зовнішнім тиском (вакуумом)

Рекомендований профіль кілець жорсткості та максимальна відстань між ними для апаратів, що працюють під вакуумом, наведені в таблиці 3.10.

Для визначення товщини стінки обичайки S або відстані між кільцями жорсткості b при заданому тиску P використовують номограму, яка наведена на рисунку 3.7, при цьому приймають l  b .

Площу поперечного перерізу кільця жорсткості рекомендується приймати відповідно до таблиці 3.10 при виконанні умови

I  I _p , (3.45)

де I – ефективний момент інерції розрахункового поперечного перерізу кільця жорсткості, мм⁴ ;

^I _p – розрахунковиймм₄ . ефективний момент інерції кільця жорсткості, Ефективний момент інерції розрахункового поперечного перерізу кільця жорсткості визначають за формулою l 1 S C 3

I  I к   e 2  A к l e S C  , (3.46)

10,9 A _к l _e S C 

де I_к – момент інерції поперечного перерізу кільця жорсткості відносно осі, яка проходить через центр його ваги (відносно осі X-X відповідно до рисунка 3.5), мм⁴ ; l ₁ – відстань між двома суміжними кільцями жорсткості по осям, що проходять через центри ваги їх поперечних перерізів, мм; e – відстань між центром ваги поперечного перерізу кільця жорсткості та серединною поверхнею обичайки, мм; ^A _к – площа поперечного перерізу кільця жорсткості, мм² ; ^l _e – ефективна довжина стінки обичайки, мм.

Момент інерції поперечного перерізу кільця жорсткості прямокутної форми визначається за формулою t h ³

I _k  , (3.47)

12

де ^t – ширина поперечного перерізу кільця жорсткості, мм; h – висота поперечного перерізу кільця жорсткості, мм.

Ефективну довжину стінки обичайки визначають за формулою

l _e  min l ₁ ; t 1,1 D S C ^ . (3.48)

Розрахунковий ефективний момент інерції кільця жорсткості визначають за формулою

^{0,1P  D 3  l} n

I p  ¹ _ ^y _ K₅ , (3.49)

E 2,4

де ^K 5 – безрозмірний коефіцієнт, який визнача ють за графіком, наведеному на рисунку 3.10.

Для визначення коефіцієнта ^K ₅ необхідно розрахувати відношення ^K ₁ ^K ₂ і l D . Коефіцієнт ^K ₁ визначають за формулою (3.17), а коефіцієнт ^K ₂ – за формулою

K ₂  100 S C D . (3.50)

Розрахункове значення довжини гладкої обичайки l  b .

Рисунок 3.10 – Графік для визначення коефіцієнта ^K ₅

Допустимий зовнішній тиск визначають за умови

P  min P ₁ ; P ₂ , (3.51)

де P ₁ – допустимий зовнішній тиск, який визначають за умови стійкості всієї обичайки з кільцями жорсткості, МПа;

P ₂ – допустимий зовнішній тиск, який визначають за умови стійкості обичайки між двома суміжними кільцями жорсткості, МПа.

Таблиця 3.10 – Рекомендований профіль кілець жорсткості та максимальна відстань між ними для апаратів, що працюють під вакуумом

В міліметрах

Допустимий зовнішній тиск, який визначається за умови стійкості всієї обичайки, необхідно розраховувати за формулою

P ^1П , (3.52)

P _{1 }

1   Р 1П 2  Р 1 _Е _

де P _1П – допустимий зовнішній тиск за умови міцності всієї обичай-

ки з кільцями жорсткості, МПа, при _к _р = 1,0;

Р _1Е – допустимий зовнішній тиск за умови стійкості всієї обичайки в границях пружності, МПа.

Допустимий зовнішній тиск, який визначається за умови міцності всієї обичайки, необхідно розраховувати при значеннях коефіцієнтів ^ _к ^ _р = 1,0 за формулою

^P ^{1П } D  S CA ^l ^1к _к _к , (3.53) 2 P S C  2

де ^ _к – допустима напружина матеріалу кільця жорсткості при розрахунковій температурі, МПа;

^ _к – коефіцієнт міцності зварних швів кільця жорсткості.

Допустимий зовнішній тиск за умови стійкості всієї обичайки в границях пружності

P 1Е  20k,8 n 10 y B 62 E L D 100 k D S C 2,5 , (3.54)

де k – коефіцієнт жорсткості обичайки, підкріпленої кільцями жорстко-

сті;

^B ₂ – безрозмірний коефіцієнт; L – розрахункова довжина циліндричної обичайки, підкріпленої кільцями жорсткості, мм.

Коефіцієнт k визначають за формулою

k  10,9 ^{ I} . (3.55) l₁ S C ³

Коефіцієнт В 2 визначають за формулою

B₂  min ^ _ 1,0; 9,45 ^D  ^D _ ^ . (3.56) _ L 100 k S C _

Розрахункову довжина циліндричної обичайки, підкріпленої кільцями жорсткості, визначають як суму довжин циліндричної обичайки ^l _ц та прилеглих елементів ^l ₃ .

Допустимий зовнішній тиск P ₂ визначають за формулою (3.20) при розрахунковій довжині обичайки, яка розраховується за формулою

l  max b; l ₂ 0,5 t , (3.57)

де ^b – відстань між двома суміжними кільцями жорсткості, мм; ^l 2 – розрахункова відстань між ефективним елементом жорсткості і віссю, що проходить через центр ваги суміжного з ним кільця жорсткості, мм;

t – ширина поперечного перерізу кільця жорсткості в місці його приварки до обичайки, мм.

Ефективними елементами жорсткості є приварені до обичайки днища, перегородки, фланці тощо.

Розрахункову відстань ^l ₂ визначають у такий спосіб:

– для фланців, плоских днищ і жорстких перегородок l 2  l 4 ;

– для відбортованих днищ

l 2  ^l 4 ^h 1 ^l 3 ;

– для невідбортованих днищ

l 2  ^l 4 ^l 3 ,

де ^l ₄ – відстань між елементом жорсткості та віссю, що проходить через центр ваги суміжного з ним кільця жорсткості, мм; ^h ₁ – довжина циліндричної частини відбортованого днища, мм.

Приклад 3.10

Визначити розміри кілець жорсткості, які підкріплюють циліндричну обичайку корпуса вертикального апарата з еліптичними днищами, і відстань між ними (рисунок 3.11 ). Залишковий тиск в апараті

P_зал  0,01МПа . Внутрішній діаметр апарата D=1200 мм, розрахункова температура стінки апарата t=100 °С. Висота апарата

Н_к  15000 мм, довжина циліндричної обичайки ^l _ц  12390 мм, товщина стінки обичайки S  8 мм, висота відбортовки еліптичного днища h ₁  25мм, виліти штуцерів ^h _ш  200мм. Матеріал корпуса – сталь

марки Ст3сп5. Добавку для компенсації корозії та ерозії прийняти рівною С 1  2мм, коефіцієнт міцності зварних з’єднань – _р  0,9 .

Рисунок 3.11 – Розрахункова схема колонного апарата з кільцями жорсткості

Розрахунковий зовнішній тиск в апараті визначаємо як різницю між атмосферним та залишковим тиском

Р  P_ат  P_зал  0,1 0,01  0,09 МПа.

За таблицею 3.10 визначаємо рекомендований профіль кілець жорсткості та максимальну відстань між ними:

t h  8 50 мм; l_max  b  1900мм.

Відстань між двома суміжними кільцями жорсткості по осям, що проходять через центри ваги їхніх поперечних перерізів, визначаємо за формулою l₁  b  t  1900  8  1908мм.

Момент інерції поперечного перерізу кільця жорсткості прямокутної форми визначаємо за формулою (3.47 )

I _к  t h 3  8 50 3  4 .

83330 мм

12 12

Ефективну довжину стінки обичайки визначаємо за формулою

(3.48 )

l _e  min l ₁ ; t 1,1 D S C ^ 

 min 1908; 8 1,1 1200 8  2,8  min 1908; 94,9   94,9мм.

Ефективний момент інерції розрахункового поперечного перерізу кільця жорсткості визначаємо за формулою (3.46 )

l 1 S C 3

I  I к   e 2  A к l e S C  

10,9 A _к l _e S C 

 83330  1908 8 2,8 3  29 2  400 94,9 8 2,8   2,937 10 5 мм 4 .

10,9 400 94,9 8 2,8 

Для визначення розрахункового ефективного моменту інерції ^I _p знаходимо значення коефіцієнта К 5 за графіком, який наведено на рисунку 3.10. Для цього розраховуємо відношення

l D 1900 1200 1,583 ,

де l – розрахункова довжина гладкої циліндричної обичайки, мм. l  b  1900 мм.

Коефіцієнт К 1 визначаємо за формулою (3.17 )

n y P 2,4 0,09

К 1  0,36 6  0,36  1,91 10 5 10 6  0,407. E 10

Добавку для компенсації мінусового допуску сталевого листа товщиною 8 мм визначаємо за таблицею 3.4, С 2  0,8 мм. Загальна добавка до розрахункової товщини складає

С  С 1 С 2  2 0,8  2,8 мм.

Коефіцієнт К 2 визначаємо за формулою (3.50 )

100 S  C  100  8  2,8 

К 2    0,433.

D 1200

За графіком на рисунку 3.10 при К 1 К 2  0,4070,433  0,94 і l D 1,583 знаходимо коефіцієнт К 5  0,12 .