Расчет ректификационной колонны

1 Конструкция колонны и условие эксплуатации

1.1 Проектируемый аппарат предназначен для ведения тепломассобменных

процессов. Колонный аппарат состоит из цельносварного корпуса и оборудован

внутренними устройствами. В качестве внутренних устройств для ведения

технологического процесса используют 40 колпачковых тарелок. Расстояние

между тарелками 500 мм. Кроме этого в аппарате имеются штуцера,

предназначенные для подвода сырья, вывода продукта, замера температуры и

давления. Аппарат оборудован люками-лазами для ремонта и обслуживания.

1.2 Внешние условия работы

Аппарат установлен в 3 ветровом районе, фундамент на грунтах средней

плотности. Минимальная температура холодной десятидневки минус 36 (С.

Аппарат теплоизолирован минеральной ватой, толщина изоляции sиз=80 мм

и покрыта алюминиевой фольгой. Район не сейсмичный.

2 Основные расчетные параметры

2.1 Техническая характеристика

Аппарат работает под давлением. Избыточное давление в аппарате 10

МПа, диаметр аппарата 1200 мм, рабочая температура 250 (С. Среда горячие

светлые нефтепродукты.

2.2 Группа аппарата

Условие работы аппарата [1] - взрывоопасная среда и внутреннее

давление. По условиям работы аппарат относится к I группе, поэтому процент

контроля сварных швов принимается равным 100 % по ГОСТ 6996-86.

2.3 Рабочая и расчетная температура

Расчетная температура TR – это температура для определения физико-

механических характеристик конструкционного материала и допускаемых

напряжений. Она определяется на основании теплового расчета или результатов

испытаний. Если при эксплуатации температура элемента аппарата может

повысится до температуры соприкасающейся с ним среды, расчетная температура

принимается равной рабочей, но не менее 20 (С. Проектируемый аппарат

снабжен изоляцией препятствующей охлаждению или нагреванию элементов

аппаратов внешней средой.

Рабочая температура аппарата Т=250 (С.

Расчетная температура ТР =250 (С.

2.4 Рабочее, расчетное и условное давление

Рабочее давление P – максимальное избыточное давление среды в

аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета

допускаемого кратковременного повышения давления во время действия

предохранительного устройства P=1,4 МПа.

Расчетное давление PR – максимальное допускаемое рабочее давление,

на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов

аппарата при максимальной их температуре. Как правило, расчетное давление

может равняться рабочему давлению.

Расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях:

если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате

может повыситься более чем на 10% от рабочего, то расчетное давление должно

быть равно 90% давления в аппарате при полном открытии предохранительного

устройства; если на элемент действует гидростатическое давление от столба

жидкости в аппарате, значение которого свыше 5% расчетного, то расчетное

давление для этого элемента соответственно повышается на значение

гидростатического давления.

Поскольку аппарат снабжен предохранительным клапанном и рабочее

давление P>0,07 МПа

РR1=1,1(P, (1)

где P – рабочее давление, P=10 МПа;

PR1=1,1(10=11 МПа.

Пробное давление для испытания аппарата определим по формуле

[pic], (2)

где [(]20 – допускаемое напряжение материала при 20 (С, [(]20=196

МПа;

[(]tR – допускаемое напряжение материала при расчетной температуре

t=250 (С, [(]250=145 МПа.

[pic]МПа.

Условное давление для выбора узлов и фланцевых соединений определим

по формуле

[pic], (3)

[pic]МПа.

2.5 Выбор материала

По условиям работы аппарата, как в рабочих условиях так и в условиях

монтажа, ремонта, нагрузок от веса и ветровых нагрузок, для этих условий

выбираем сталь 16ГС область применения от –40 (С до +475 (С, по давлению не

ограничена.

Выбрали по ОСТ 26-291-94, ГОСТ 14249-89 сталь 16ГС.

2.6 Допускаемые напряжения

Определим допускаемые напряжение для стали 16ГС с толщиной стенки

свыше 32 мм при ТР=250 (С.

По ГОСТ 14249-89 [(]=145 МПа.

2.7 Модуль продольной упругости

Выбираем расчетное значение модуля продольной упругости

Е=1,75(105 МПа.

2.8 Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов

Прибавка на коррозию металла принимаем

С1=2 мм.

Прибавка на минусовое значение по толщине листа принимаем 5% и далее

не учитываем

С2=0 мм.

2.9 Коэффициенты прочности сварных швов

Корпус имеет продольные и кольцевые сварные швы. Применим

автоматическую сварку род слоем флюса со сплошным проваром. Для корпуса

аппарата выбираем стыковые швы.

Значение коэффициента прочности сварных швов принимаем

(=1.

Приварка штуцеров будет выполняться в ручную с подваркой корня шва и

значение коэффициента прочности сварных швов принимаем

(=1.

3 Расчет на прочность и устойчивость корпуса аппарата от расчетного

давления

3.1 Расчет обечайки нагруженной внутренним избыточным давлением

Цель расчета: расчет на прочность, определение толщины стенки

аппарата удовлетворяющая условиям прочности.

Расчетная схема аппарата приведена на рисунке 1.

Исходные данные для расчета:

- расчетное давление PR = 11МПа;

- диаметр колонны D=1200 мм;

- допускаемое напряжение при T=250 (С, [(]=145 МПа;

- коэффициент прочности сварного шва (=1;

- общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

[pic]

Рисунок 1 – Расчетная схема аппарата

Толщина стенки аппарата определяется по формулам

[pic] (4)

[pic], (5)

где s - исполнительная толщина стенки, мм;

D- внутренний диаметр аппарата, мм.

[pic] м.

s ( 47,31 + 2 = 49,31 мм.

Принимается исполнительная толщина стенки сосуда s=50 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа

[pic], (6)

[pic] МПа.

Условия применения расчетных формул

[pic], (7)

тогда

[pic]

0,04000 < 0,1.

Условие по формуле (7) выполняется.

3.2 Расчет днищ

Цель расчета: расчет на прочность, определение толщины

эллиптического днища удовлетворяющего условию прочности.

Расчетная схема эллиптического днища приведена на рисунке 2.

Исходные данные для расчета:

- расчетное давление PR = 11МПа;

- диаметр колонны D=1200 мм;

- допускаемое напряжение при T=250 (С, [(]=145 МПа;

- коэффициент прочности сварного шва (=1;

- общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

[pic]

Рисунок 2 - Днище эллиптическое

Для данной обечайки выбираются эклиптические отбортованные днища.

Толщина стенки днища определяется по формулам

[pic], (8)

sд ( s + c (9)

где R — радиус кривизны в вершине днища, м;

R = D — для эллиптических днищ с H=0,25(D.

H=0,25(1200=300 мм,

R=1,2 м,

[pic] мм,

sд = 46,39+2 = 48,39 мм.

Принимаем толщину днищ стандартного значения sд=50 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа

определяется по формуле

[pic]. (10)

[pic] МПа.

Условия применения расчетных формул для эллиптических днищ

[pic], (11)

[pic]

Условие выполняется.

Определим длину цилиндрической отбортованной части днища

[pic], (12)

[pic]

h1>192 мм.

Принимаем h1=200 мм.

3.3 Выбор стандартных штуцеров.

По технологии производства или эксплуатационным требованиям в

стенках аппаратов, днищах и крышках делают отверстия для люков—лазов,

загрузочных приспособлений, штуцеров и т. д. Схема штуцера с приварным

фланцем встык и тонкостенным патрубком приведем на рисунке

[pic]

Рисунок 3 – Схема штуцера с приварным фланцем встык и патрубком

Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых

тонкостенных штуцеров приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых

тонкостенных штуцеров по ОСТ 26-1404-76, ОСТ 26-1410-76

| | | |МПа | | |

|А |250 |273 |16 |20 |335 |

|Б, Д |100 |108 |16 |10 |220 |

|В, Е |150 |159 |16 |16 |260 |

|Г |200 |219 |16 |20 |315 |

|И |50 |57 |4 |6 |230 |

|К, Р, С |50 |57 |2,5 |6 |165 |

|М |50 |57 |1,6 |6 |165 |

3.4 Сопряжение узлов

Цель расчета: определить напряжение в сопряжение цилиндрической

оболочки с эллиптическим днищем в условиях нагружения внутренним давлением.

Расчетная схема к определению краевых сил и моментов приведена на

рисунке 4.

Исходные данные для расчета:

- расчетное давление PR = 11МПа;

- диаметр колонны D=1200 мм;

- допускаемое напряжение при T=250 (С, [(]=145 МПа;

- коэффициент прочности сварного шва (=1;

- общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

- соединение цилиндрической оболочки с эллиптическим днищем; 2 –

расчетная схема.

[pic]

Рисунок 4 – Схема к определению краевых сил и моментов

Определим краевые силы и моменты из уравнения совместимости

деформацией для места стыка обечайки с эллиптическим днищем

[pic] (13)

где [pic]- соответственно радиальные и угловые перемещения края

цилиндрической оболочки под действием нагрузок P, Q0, и М0;

[pic] - соответственно радиальные и угловые перемещения края

эллиптической оболочки под действием нагрузок P, Q0 и М0.

Подставляем в уравнение (13) соответствующие значения деформаций

[pic](14)

где (=(Э, R=a=600 мм, b=300 мм.

[pic], (15)

где ( - коэффициент Пуассона, (=0,3.

[pic]

[pic],

[pic].

Определим суммарные напряжения на краю эллиптического днища,

меридиальное и кольцевое соответственно по формулам

[pic] (16)

[pic] (17)

где [pic] - соответственно меридиальные напряжения действующие от нагрузок

Р, Q0, М0;

[pic] - соответственно кольцевые напряжения действующие от нагрузок P,

Q0, M0.

Подставим соответствующие значения нагрузок в уравнение (16), (17)

[pic], (18)

[pic], (19)

[pic] МПа,

[pic]

Определим суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки,

меридиальное и кольцевые соответственно

[pic], (20)

[pic],[pic] (21)

где [pic]- соответственно меридиальные и кольцевые напряжения, действующие

от нагрузок P, Q0, M0.

Подставим соответствующие значения погрузок в уравнение (20), (21)

[pic], (22)

[pic], (23)

[pic] МПа,

[pic]

Определим максимальное напряжение на краю эллиптического днища и

цилиндрической обечайке соответственно

[pic],

[pic], (24)

139,29 МПа < 145 МПа,

[pic]

139,36 МПа < 145 МПа.

Таким образом, напряжения на краю соединяемых эллиптической и

цилиндрической оболочек (maxЭ=139,29 МПа и (max=139,36 МПа меньше

критического допускаемого напряжения [(]кр=145 МПа, т.е. условие прочности

в месте сопряжения элементов выполняется.

4 Расчет укрепления отверстий

Цель расчета: определение размеров укрепляющих элементов.

Расчетные схемы штуцеров приведена на рисунке 5.

Исходные данные для расчета:

- расчетное давление в колонне PR = 11 МПа;

- внутренний диаметр колонны D=1200 мм;

- исполнительная толщина обечайки и днища s=50 мм;

- допускаемое напряжение при T=250 (С и s=50 мм, [(]=145 МПа;

- допускаемое напряжение при T=250 (С и s 160,5 мм.

4.5.2 Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего

дополнительного укрепления при наличии избыточной толщины стенки сосуда

вычисляется по формуле

[pic], (33)

[pic] мм.

Для штуцеров В1, К1, К2, К, Р и М укрепление отверстий не требуется.

Для штуцеров А1, В2 и Жn требуется укрепление отверстий.

4.5.3 Расчет укрепления одиночных отверстий

При укреплении отверстия должно выполняться условие

l1R((s1 - s1R - cs)(x1 + l2R(s2(x2 + l3R((s3 - 2cs)(x3 +

+ lR((s - sR - c) ( 0,5((dR - d0R)(sR,

(34)

где s1, s2, s3 — исполнительные толщины стенок штуцера, накладного кольца,

внутренней части штуцера соответственно, мм.;

l2R — исполнительная толщина накладного кольца, мм.;

x1, x2, x3 — отношение дополнительных напряжений для внешней

части штуцера, накладного кольца, внутренней части штуцера

соответственно;

cs — сумма прибавок к расчетной толщине стенок штуцера, мм.;

lR — расчетная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера или

торообразной вставки, мм.;

d0R — наибольший расчетный диаметр отверстия, не требующего

дополнительного укрепления при отсутствии избыточной

толщины стенки сосуда, мм.

4.5.3.1 Расчет укрепления штуцера В2

Ширина зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах

[pic]. (35)

Обечайка s=50 мм

[pic] мм.

Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки

lR=L0, (36)

lR=240 мм.

Расчетная ширина накладного кольца определяется по формуле

[pic], (37)

где s2 – исполнительная ширина накладного кольца, мм;

s – исполнительная ширина стенки обечайки, мм;

DR – расчетный внутренний диаметр укрепляемого элемента, мм.

Обечайка s=50 мм.

[pic] мм.

Отношения допускаемых напряжений

x1 = min{1; [(1]/[(]}, (38)

x1=min{1;162/162}=1.

Для накладного кольца принимаем x2=1; для внутренней части штуцера

x3=0.

Расчетный диаметр отверстия не требующего укрепления при отсутствии

избыточной толщины стенки сосуда

[pic], (39)

Обечайка s=50 мм.

[pic]мм.

Все найденные значения подставляем в формулу (34):

Обечайка s=50 мм. штуцер Ду 150 мм.

61,42((16-5,65)(1+140(6(1+240((50-47,3-2)(0,5((161-96)(47,3

1643,7 мм2 ( 1537,01 мм2.

Допускаемое внутренне избыточное давление определяется по формуле

[pic], (40)

где к1=1 — для цилиндрических обечаек и конических переходов;

к1=2 — для выпуклых днищ;

[pic], (41)

где (1 — коэффициент прочности продольного сварного соединения штуцера.

[pic],

[pic] МПа.

4.5.3.2 Расчет укрепления штуцеров Ж1, Ж2, Жn.

Расчет проведем аналогично п. 4.5.3.1 и результаты расчета сведем в

таблицу 3.

Таблица 3

|Наименование параметров |Обозначение |Укрепляемый элемент |

| | |люк-лаз |

| | |Условный проход штуцера |

| | |Ж1, Ж2, Жn (450) |

|Внутренний диаметр |D |1200 |

|цилиндрической обечайки днища, | | |

|мм | | |

|Расчетный внутренний диаметр |DR |1200 |

|укрепляемого элемента, мм | | |

|Расчетное давление, МПа |P |11,00 |

|Допускаемые напряжения для |[(] |145 |

|материала укрепляемого элемента,| | |

|МПа | | |

|Допускаемые напряжения для |[(1] |162,00 |

|материала внешней части штуцера,| | |

|МПа | | |

|Коэффициент прочности сварного | | |

| | | |

|шва: | | |

| |( |1 |

|- укрепляемого элемента | | |

| |(1 |1 |

|- штуцера | | |

|Исполнительная толщина стенки |s |50 |

|укрепляемого элемента, мм | | |

|Исполнительная толщина стенки |s1 |28 |

|внешней части штуцера, мм | | |

|Исполнительная толщина стенки |s3 |0 |

|внутренней части штуцера, мм | | |

|Расчетная толщина стенки |sR |47,31 |

|укрепляемого элемента, мм | | |

|Расчетная толщина стенки |s1R |15,8 |

|укрепляемого штуцера, мм | | |

|Сумма прибавок к расчетной |с |2 |

|толщине стенки укрепл. элемента,| | |

|мм | | |

|Сумма прибавок к расчетной |сs |1 |

|толщине стенки штуцера (общая), | | |

|мм | | |

|Внутренний диаметр штуцера, мм |d |450 |

|Исполнительная длина внешней |l1 |200 |

|части штуцера, мм | | |

|Исполнительная длина внутренней |l3 |0 |

|части штуцера, мм | | |

|Расчетная длина внешней части |l1r |143,11 |

|штуцера, мм | | |

|Расчетная длина внутренней части|l3r |0 |

|штуцера, мм | | |

|Расчетный диаметр отверстия, мм |dr |452,0 |

|Расчетный диаметр одиночного |d0 |103,0 |

|отверстия, не требующего | | |

|дополнительного укрепления, мм | | |

|Расчетная ширина зоны укрепления|lr |240,0 |

|в окрестности штуцера, мм | | |

|Расчетный диаметр, мм |d0r |96,0 |

|Исполнительная толщина |s2 |24,00 |

|накладного кольца, мм | | |

|Исполнительная ширина накладного|l2 |270,0 |

|кольца, мм | | |

|Расчетная ширина накладного |l2r |270,0 |

|кольца, мм | | |

|Отношение допускаемых напряжений|x1 |1,0 |

| |x2 |1,0 |

| |x3 |- |

|Условие укрепления одиночного | |8522>8422 |

|отверстия A1+A2+A3+A0 > A | | |

|Коэф. снижения допуск. давления |V |0,9779 |

|Допускаемое внутреннее |[P] |10,92 |

|избыточное давление, МПа | | |

4.6 Учет взаимного влияния отверстий днищ

Расчетная схема показана на рисунке 7

[pic]

Рисунок 7 – Расчетная схема взаимовлияющих отверстий

Определим допускаемое давление для перемычек по формулам

[pic], (42)

где V находится по формуле

[pic], (43)

где [pic] - исполнительная ширина накладного кольца, мм;

[pic] - длина внутренней части штуцеров, [pic]мм;

[pic]- отношения допускаемых напряжений, [pic].

Определим расчетную ширину накладного кольца

[pic]

Допускаемое напряжение удовлетворяет принятым размерам кольца.

5 Расчет люка(лаза

Цель расчета: определение напряжений фланцевого соединения.

Схема фланцевого соединения показана на рисунке 8.

Исходные данные для расчета:

- Расчетное давление PR=11 МПа;

- Внутренний диаметр фланца D=450 мм;

- Внутренний диаметр отверстия под шпильку d=46 мм;

- Диаметр фланца Dф=775 мм;

- Число отверстий n=20;

- Материал фланца – сталь 16ГС;

- Диаметр болтовой окружности Dб=690 мм;

- Средний диаметр прокладки Dп.с.=525 мм.

Рисунок 8 – Расчетная схема фланцевого соединения

По ГОСТ 28759.4-90 для данного аппарата выбираются размеры люка—лаза

при Ру =16 МПа и Ду = 450 мм.

5.1 Расчет прокладки

Схема прокладки показана на рисунке 9

Рисунок 9 – Расчетная схема прокладки

Наружный диаметр прокладки

DП = Dб - е, (44)

где е - размер, определяемый по таблице ОСТ 26–2003–77, е=78.

DП=690(78=612 мм.

Средний диаметр прокладки

D п.ср=Dп(bп, (45)

где bп — ширина прокладки, bп=12 мм;

Dп.ср =612(12=600 мм.

Эффективная ширина прокладки

bE = 0,125(bП, (46)

bE=0,125(12=1,5 мм.

Ориентировочное число шпилек

zб=((Dб /tб, (47)

где tБ ( шаг болтов;

tб=(2,3…3)(dб, (48)

где dб – диаметр шпильки, мм;

tБ=3(42=126,

zБ = 3,14(690/126=18 шт.

Определим вспомогательные величины

а) коэффициент (

[pic], (49)

где ( - отношение большей толщины втулки фланца к меньшей, (=2.

х найдем по формуле

[pic], (50)

где l – длина втулки, l=125 мм;

s0 – толщина втулки, s0=34 мм.

[pic]

б) эквивалентная толщина втулки фланца

sE=((so, (51)

sE=1,57(34=53,6 мм.

в) ориентировочная толщина фланца

[pic], (52)

где ( — коэффициент, из таблицы [3] (=0,5 ;

[pic]мм

г) безразмерный параметр

(=[1+0,9((((1+(1(j2)]-1 , ( 53)

где

j=h/sE, (54)

j=77,6/53,6=1,45,

k=Dф/D, (55)

k=775/450=1,72,

(1=0,3, из таблица [3]

( = [1+0,9(0,5((1+0,3(1,452)]-1=0,6

д) безразмерные параметры возьмем из графиков [3]

Т=1,58,

(2=3,8,

(3=1.

Угловая податливость фланца

[pic], (56)

где Еф ( модуль продольной упругости материала фланца, Eф=1,75(105 МПа;

hкр – толщина фланцевой части крышки, hкр=110 мм

[pic] 1/(МН(м).

Угловую податливость плоской фланцевой крышки найдем по формуле

[pic], (57)

где

[pic], (58)

где (кр – толщина плоской крышки, (кр=235 мм;

hкр – толщина фланцевой части крышки, hкр=110 мм.

[pic], (59)

[pic],

[pic].

Линейная податливость прокладки

yп=sп/(((Dп.ср(bп(Eп), (60)

где Еп ( модуль продольной упругости прокладки, для металлической

прокладки yп=0.

5.2 Расчет болтового соединения

Расчетная длина шпилек

lБ = lБО + 0,28(d, (61)

где lБО ( длина шпильки между опорными поверхностями головки болта и

гайки, lБО=220 мм.;

d ( диаметр отверстия под болт, d=46 мм.

lБ=220+0,28(46=232,88 мм.

Линейная податливость шпилек

yБ=lБ/(EБ(fБ(zБ), (62)

где fБ ( расчетная площадь поперечного сечения болта по внутреннему

диаметру резьбы, fБ=10,9(10-4 м2;

ЕБ ( модуль продольной упругости материала болта, ЕБ=1,85(105 МПа.

yБ= 232,88(10-3/(1,85(105(10,9(10-4 (18)=6,4(10-5 м/Н.

Коэффициент жесткости для фланцев с овальными прокладками

(=1. (63)

Найдем безразмерный коэффициент ( по формуле

(=A(yБ, (64)

где

A=[yп+yБ+0,25((yФ1 + yФ2)((DБ - Dп.ср)2]-1, (65)

при стыковки фланца с плоской крышкой

yф1=[1-(((1+0,9(()]((2/(h13(E), (66)

yФ2=yкр , (67)

По формулам (63)…(67) определяется безразмерный коэффициент

yф1=[1(0,6((1+0,9(0,5)](3,8/(0,0133(1,75(105)=2,27 м/МН,

yф2=0,001,

A=[0+6,4(10-5+0,25((2,27+0,001)((0,69-0,525)2]-1=10,67,

(=10,67(6,4(10-5=0,0007.

5.3 Расчет фланцевого соединения работающего под внутренним

давлением.

Нагрузка действующая на фланцевое соединение от внутреннего

избыточного давления найдем по формуле

[pic], (68)

Qд=0,785(0,5252(11=2,38 МН.

Реакция прокладки в рабочих условиях

Rп=2(((Dп.ср(bE(m(pR , (69)

где m ( коэффициент, по ОСТ 26-426-79 m=5,5

Rп=2(3,14(0,525(1,5(5,5(11=299,2 МН.

Усилия, возникающие от температурных деформаций

Qt=((zБ(fБ(EБ(((ф(tф ( (Б(tБ), (70)

где (ф, (Б ( коэффициенты температурного линейного расширения фланца и

болтов, (Б = 12,36(10-6 1/(C, (ф = 17,3(10-6 1/(C;

fБ, tф, tБ ( коэффициенты, fБ=5,4(10-4 м2, tф=240, tб=37,5.

Qt=0,0007(18(5,4(10-4(1,85(105((17,3(10-6(240(12,36(10-6(237,5)=0,0015 МН.

Болтовая нагрузка в условиях монтажа (до подачи внутреннего

давления) при p>0,6 МПа

PБ1=max{((Qд+Rп; ((Dп.ср(bE(q}, (71)

где q ( параметр, q=125;

( ( коэффициент жесткости фланцевого соединения, (=1;

[(Б]20 – допускаемое напряжение при температуре 20 (С, [(Б]20=230 МПа.

РБ1 = max{1(2,38+0,525/2; 3,14(510(1,5(125}=max{2,65;309}=309 МН.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях

PБ2=РБ1+(1 - ()(QД+Qt, (72)

PБ2=309+(1(1)(2,38+0,0015=309,0015 МН.

Найдем приведенные изгибающие моменты диаметральном сечении фланца

по формулам

M01=0,5(PБ1((Dб-Dп.с.),

(73)

[pic], (74)

М01=0,5(309((0,69-0,525)=25,5 МН(м,

[pic]МН(м.

Принимаем за расчетное МR=26,67 МН(м.

Условия прочности шпилек

[pic], (75)

[pic], (76)

[pic] МПа(230 МПа,

[pic] МПа(220 МПа.

Условия прочности выполняется.

Критический момент на ключе при затяжки определим из графика [3]

Мкр=2,2(103 МН(м.

5.3 Расчет приварных встык фланцев и буртов

Максимальное напряжение в сечении s1 фланца в месте соединения

втулки с плоскостью фланца определим по формуле

[pic], (77)

D*=D+s1, (78)

D*=450+34=484

[pic]

Максимальное напряжение в сечение s0 фланца наблюдается в месте

соединения втулки с обечайкой

(0=(3((1, (79)

(0=1(49,18=49,18 МПа.

Напряжения в кольце фланца от действия M0 найдем по формуле

[pic], (80)

[pic] МПа.

Напряжение во втулки фланца от внутреннего давления найдем по

формулам

[pic], (81)

[pic], (82)

[pic] МПа

[pic]МПа.

Условие прочности фланца

в сечение s1

[pic], (83)

[pic]

d сечение s0

[pic], (84)

[pic],

[pic].

Условия прочности выполняется

Угол поворота фланца найдем по формуле

[pic], (85)

[pic]

[pic].

Условие выполняется.

5.4 Расчет крышки

5.4.1 Расчетная схема для крышки люка показана на рисунке 10.

Рисунок 10 – Расчетная схема для крышки люка

Определим толщину плоской крышки люка по формулам

s1(s1p+c, (86)

где

[pic], (87)

где К – коэффициент, определяется по таблице [2], К=0,4;

Dp – расчетный диаметр, Dр=D3=Dб=690 мм;

( – коэффициент прочности сварного шва, (=1;

[(] – допускаемое напряжение при расчетной температуре, [(]=145 МПа;

p – расчетное давление, p=10 МПа;

К0 – коэффициент ослабления крышки отверстиями, K0=1.

[pic].

s1(76+1=77 мм.

5.4.2 Допускаемое давление на крышку определим по формуле

[pic],

[pic]МПа

5.4.1 Область применения расчетных формул

Расчетная схема для крышки люка показана на рисунке 10. Формулы

применимы для расчета крышки при условии

[pic], (88)

где s1 – исполнительная толщина крышки, примем s1=200 мм;

Dр – расчетный диаметр, Dр=Dб=690 мм.

[pic],

0,109(0,11.

Условие соблюдается.

6 Расчет весовых характеристик аппарата

6.1 Расчет веса аппарата

Вес аппарата при рабочих условиях рассчитывается по формуле

GA = GK + GИЗ + GН.У + GВ.У + GЖ,

(89)

где GK ( вес корпуса, кН;

GИЗ ( вес изоляции, кН;

GН.У ( вес наружных устройств, кН;

GВ.У ( вес внутренних устройств, кН;

GЖ ( вес жидкости, кН.

GК = (GЦ + (GД, (90)

где GЦ ( вес цилиндрической части корпуса, кН;

GД ( вес днища, кН.

GЦ = (((DВ + s)(s(HЦ((м(g, ( 91)

где HЦ ( высота цилиндрической части корпуса, м;

(м ( плотность металла, кг/м3, (м=7850 кг/м3.

GД=SД(s((м(g, (92)

где SД ( площадь днища, м2;

sд ( толщина днища, м.

GЦ=3,14((1,2 + 0,05)(0,05(25,9(7850(9,81=391,424 кН,

GД=2,31(0,05(7850(9,81=9,673 кН.

По формуле (90)

GK=391,424+2(9,673=410,77 кН

Найдем вес изоляции цилиндрической части корпуса

Gиз.ц=(((DB+2(s+sиз.)(sиз(HЦ((из.(g, (93)

где sиз. – толщина изоляции, м;

(из. – плотность изоляции, кг/м3.

[pic], (94)

где sм.в., sAl ( толщина минеральной ваты и фольги, sм.в.=0,08 м,

sAl=0,8(10-3 м;

(м.в., (Аl ( плотность минеральной ваты и фольги, (м.в.=250 кг/м3,

(Al=2500 кг/м3.

[pic]кг/м3.

Gиз.ц=3,14((1,2+2(0,05+0,0808)(0,0808(25,9(272,3(9,81=24,237 кН.

Найдем вес изоляции днищ

GИЗд=Fд(sиз((из(g, (95)

GИЗд=2,31(0,808(272,3(9,81=4,985 кН,

GИЗ=GИЗц+2(GИЗд, (96)

GИЗ=24,237+2(4,985=34,207 кН.

Вес внутренних устройств определяется по формуле

GВН=nт(Мт(g+Gот, (97)

где nт ( число тарелок, nт=40 шт.;

Мт ( масса тарелки, Мт=70 кг по ОСТ 26-01-1488-83;

Gот – вес сетчатого отбойника, Gот=830,9 Н.

GВН = 40(70(9,81+830,9=28,3 кН.

Вес жидкости в рабочих условиях определяется по формуле

GЖ=((((DB)2/4)(HЖ((ж(g+Vg((ж(g, (98)

где HЖ ( высота слоя жидкости, HЖ=1,95 м;

(ж ( плотность жидкости, (ж=900 кг/м3;

Vд ( объем днища, Vд=0,45 м3.

GЖ=(3,14(1,22/4)(1,95(900(9,81+0,45(900(9,81=23,434 кН.

Найдем вес наружных устройств по формуле

Gн.у.=0,1(GК, (99)

Gн.у.=0,1(410,77=41,077 кН.

По формуле (89)

GA=410,77+34,207+28,3+23,434+41,077=537,788 кН.

Найдем вес аппарата при монтаже

GА.М. = GK + GИЗ + GН.У + GВ.У,

(100)

GA.М=410,77+34,207+28,3+41,077=514,354 кН

Максимальный вес аппарата определяется по формуле

GAmax = GK+GНУ+GВУ+Gиз.+GВ, (101)

где GВ ( вес воды.

GВ=(((((DB)2/4)(HЦ+2(Vд)(((воды)20(g, (102)

GB = ((3,14(1,22/4)(25,9+2(0,45)(1000(9,81=296,039 кН,

Gmax=410,77+34,207+41,077+28,3+296,039=810,393 кН.

6.2 Выбор опоры

С учетом минимального веса аппарата GА=810,393 кН по ОСТ 26-467-78

выбирается опора 3 типа с кольцевым опорным поясом, показан на рисунке , со

следующими основными размерами:

высота опоры H1=2000 мм;

наружный диаметр кольца D1=1480 мм;

диаметр D2=1150 мм;

диаметр Dб=1360 мм;

толщина стенки опоры s1=10 мм;

толщина стенки опоры s2=20 мм;

толщина стенки опоры s3=20 мм;

число болтов zб=16 шт.;

диаметр отверстия под болт d2=35 мм;

диаметр болтов dб=М30.

Рисунок 11 – Конструкция цилиндрической опоры 3 типа

7 Расчет на ветровую нагрузку

Цель расчета: определение расчетных усилий для колонны от ветровых

нагрузок.

Исходные данные для расчета:

– высота колонны H=30,3 м;

– коэффициент неравномерности сжатия грунта CF=2(108 H/м3;

– скоростной напор ветра 0,0005 МН/м2;

– модуль продольной упругости Е=1,75(105 МПа;

7.1 Определение периода собственных колебаний колонны

Колонну разбиваем по высоте на три участка. Расчетная схема показана

на рисунке 12. Вес участка аппарата принимают сосредоточенным в его

середине. Нагрузку от веса аппарата прикладывают вертикально, а ветровую

горизонтально.

Рисунок 12 – Расчетная схема колонны

Период основного тона собственных колебаний аппарата переменного

сечения следует определим по формуле

T=2(H[pic] , (103)

где (i ( относительное перемещение центров тяжести участков

рассчитываемое по формуле

[pic] , (104)

где (i ( коэффициент, определяемый по формуле

[pic], (105)

( ( коэффициент, определяемый по формуле

[pic], (106)

[pic] ( , ( , ( ( определяют по формулам:

[pic][pic], (107)

[pic], (108)

[pic], ( 109)

Момент инерции сечения аппарата найдем по формуле

[pic], (110)

[pic]м4;

[pic]м4.

Момент сечения подошвы фундамента

[pic], (111)

[pic]м4.

Проведем расчет по формулам (102)…(108)

[pic],

[pic].

[pic],

[pic]

[pic],

[pic]

7.2 Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки

При расчете ветровая нагрузка, распределенная непрерывно по высоте

аппарата, заменяется сосредоточенными горизонтальными силами Pi,

приложенными в серединах участков, как показано на рисунке 12.

Изгибающий момент в расчетном сечении на высоте [pic] следует

определять по формуле

[pic], (112)

где MvJ ( ветровой момент от действия ветра на площадки обслуживания,

Н(м.

Ветровая нагрузка на i ( м участке

[pic], (113)

Статическая составляющая ветровой нагрузки на i ( м участке

[pic],

(114)

Динамическая составляющая ветровой нагрузки на i ( м участке

[pic]

(115)

Нормативное значение статической составляющей ветровой нагрузки

на середине i ( го участка аппарата

[pic],

(116)

где q 0 ( определяется по ГОСТ Р 51273-99, q0=230 H/м2;

[pic], (117)

для аппаратов круглого сечения K = 0,7.

Коэффициент динамичности ( находится в зависимости от параметра

[pic]. (118)

Коэффициент динамичности ( определяется по формуле

[pic]. (119)

Коэффициент пространственной корреляции пульсации ветра ( определяют

по формуле

[pic]. (120)

Приведенное относительное ускорение центра тяжести i ( го

участка

[pic] , (121)

где ( i , ( n ( относительное перемещение i ( го и n ( го

участка при основном колебании

Если X ( 10, то

[pic], (122)

Если X ( 10, то m n = 0,6.

Изгибающий момент в расчетном сечении на высоте [pic] от действия

ветровой нагрузки на обслуживающую площадку следует определять по формуле

[pic], (123)

где АJ ( общая площадь, включенная в контур площадки, м2.

Коэффициент (J по формуле

[pic] (124)

Проведем расчет по формулам (111)…(123).

[pic]

[pic],

[pic]

[pic],

[pic]

m2=0,6,

[pic]

[pic],

[pic]м2,

[pic],

[pic],[pic]

[pic]

8 Расчёт корпуса аппарата от совместного действия всех нагрузок (5(

Цель расчёта: Проверка аппарата на прочность и устойчивость в

результате совместного действия всех нагрузок

Исходные данные:

p – расчётное давление, PR=11 МПа;

D – внутренний диаметр аппарата, D=1200 мм;

s – толщина стенки аппарата, S=50 мм;

c – сумма прибавок к толщине стенки, С=2 мм;

F – расчётное осевое сжимающее усилие в сечении У-У , F = 0,81 МН ;

М – расчётный изгибающий момент в сечении У-У , М = 0,206 МН(м ;

(т – коэффициент прочности кольцевого сварного шва , (т =1;

(p – коэффициент прочности продольного сварного шва , (p=1.

Рисунок 13 – Расчётная схема аппарата

8.1 Проверка корпуса аппарата на прочность

8.1.1 Проведем расчет для рабочего условия

Рассчитываем продольные напряжения на наветренной стороне по формуле

[pic], (125)

где F – осевое сжимающие усилие при рабочих условиях, F=0,537 МН;

[pic]

Рассчитываем продольные напряжения на подветренной стороне по

формуле

[pic] , (126)

[pic].

Кольцевые напряжения рассчитываем по формуле

[pic], (127)

[pic]МПа.

Рассчитываем эквивалентные напряжения на наветренной стороне по

формуле

[pic], (128)

[pic] МПа.

Рассчитываем эквивалентные напряжения на подветренной стороне по

формуле

[pic] , ( 129)

[pic].

Проверяем условие прочности по следующим условиям

- на наветренной стороне

[pic] , (130)

124,04 МПа < 145(1 МПа.

- на подветренной стороне

[pic], (131)

124,31 МПа<145 МПа.

Условие прочности выполняются.

8.1.2 Проведем расчет при условии монтажа

Рассчитываем продольные напряжения на наветренной стороне по формуле

[pic], (132)

где F – осевое сжимающие условие при монтаже, F=0,514 МН;

По ГОСТ Р 51274 – 99 при условии монтажа p=0 МПа.

[pic].

Рассчитываем продольные напряжения на подветренной стороне по

формуле

[pic] , (133)

[pic].

Кольцевые напряжения рассчитываем по формуле

[pic], (134)

[pic]МПа.

Рассчитываем эквивалентные напряжения на наветренной стороне по

формуле

[pic], (135)

[pic] МПа.

Рассчитываем эквивалентные напряжения на подветренной стороне по

формуле

[pic] , ( 136)

[pic].

Проверяем условие прочности по следующим условиям

- на наветренной стороне

[pic] , (137)

0,954 МПа < 145(1 МПа.

- на подветренной стороне

[pic], (138)

6,635 МПа<145 МПа.

Условия прочности выполняются.

2. Проверка корпуса аппарата на устойчивость

Проверка устойчивости для рабочего условия и при условии испытания.

Допускаемая сжимающая сила из условия прочности сечения У-У корпуса

аппарата определяется по формуле

[pic] ,

(139)

[pic].

Допускаемая осевая нагрузка из условия местной устойчивости формы

определяется по формуле

[pic], (140)

[pic]MH,

[pic]МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости формы

определяется по формуле

[pic], (141)

где ( – гибкость аппарата;

[pic] ,

[pic],

[pic]МН,

[pic]

Определяем эквивалентную сжимающую осевую силу по формуле

[pic], ( 142)

[pic].,

[pic].

Определяем допускаемый изгибающий момент из условия прочности

[pic], ( 143)

[pic].

Определяем допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости

[pic], (144)

[pic].

Определяем допускаемый изгибающий момент по формуле

[pic], (145)

[pic].

Проверяем аппарат на устойчивость от совместного действия нагрузок по

условию

[pic] , (146)

При условиях испытания

[pic],

[pic]

Условие выполняется.

При рабочих условиях

[pic]

Условие устойчивости выполняется, следовательно, аппарат сохраняет

прочность и устойчивость под действием совместно действующих нагрузок.

9 Расчет опоры

Цель расчёта: проверка опоры аппарата на прочность и устойчивость.

Исходные данные:

p – расчётное давление, PR=0,11 МПа;

D – внутренний диаметр опоры, D=1200 мм;

s – толщина стенки обечайки опоры, S=8 мм;

c – сумма прибавок к толщине стенки, С=2 мм;

F – расчётное осевое сжимающее усилие в сечениях, F = 0,81 МН ;

М – расчётный изгибающий момент в сечениях, М=0,206 МН(м ;

(т – коэффициент прочности кольцевого сварного шва, (т =1;

(p – коэффициент прочности продольного сварного шва, (p=1.

Рисунок 14 – Расчётная схема цилиндрической опоры

9.1 Проверка обечайки опоры на прочность

9.1.1 Проведем расчет обечайки для рабочего условия

Рассчитываем продольные напряжения на наветренной стороне по формуле

[pic], (147)

где F – осевое сжимающие усилие при рабочих условиях, F=0,537 МН;

[pic]

Рассчитываем продольные напряжения на подветренной стороне по

формуле

[pic] , (148)

[pic].

Кольцевые напряжения рассчитываем по формуле

[pic], (149)

[pic]МПа.

Рассчитываем эквивалентные напряжения на наветренной стороне по

формуле

[pic], (150)

[pic] МПа.

Рассчитываем эквивалентные напряжения на подветренной стороне по

формуле

[pic] , ( 151)

[pic].

Проверяем условие прочности по следующим условиям

- на наветренной стороне

[pic] , (152)

12,1 МПа < 145(1 МПа.

- на подветренной стороне

[pic], (153)

48,61 МПа<145 МПа.

Условие прочности выполняются.

9.1.2 Проведем расчет обечайки при условии монтажа

Рассчитываем продольные напряжения на наветренной стороне по формуле

[pic], (154)

где F – осевое сжимающие условие при монтаже, F=0,514 МН;

По ГОСТ Р 51274 – 99 при условии монтажа p=0 МПа.

[pic].

Рассчитываем продольные напряжения на подветренной стороне по

формуле

[pic] , (155)

[pic].

Кольцевые напряжения рассчитываем по формуле

[pic], (156)

[pic]МПа.

Рассчитываем эквивалентные напряжения на наветренной стороне по

формуле

[pic], (157)

[pic] МПа.

Рассчитываем эквивалентные напряжения на подветренной стороне по

формуле

[pic] , ( 158)

[pic].

Проверяем условие прочности по следующим условиям

- на наветренной стороне

[pic] , (159)

11,5 МПа < 145(1 МПа.

- на подветренной стороне

[pic], (160)

43,8 МПа<145 МПа.

Условия прочности выполняются.

9.1.3 Проверка прочности сварного шва соединяющего корпус аппарата

и опорную обечайку

Проверку прочности проведем по формуле

[pic], (161)

где а – катет сварного шва, а=2 мм;

[(]0 – допускаемое напряжения для материала опоры, [(]0=145 МПа.

[pic],

[pic].

Условие выполняется.

9.1.4 Проверка устойчивости опорной обечайке

Проверку устойчивости в сечение Z-Z проведем по формуле

[pic], ( 162)

где [F] – допускаемое осевое усилие, определяем по ГОСТ 14249, [F]=3,109

МПа;

[M] – допускаемый изгибающий момент, определяем по ГОСТ 14249, [M]=0,867

МН(м;

(1, (2, (3 – коэффициенты , (1=0,99, (2=0,96, (3=0.

[pic]

0,51(1

Условие выполняется.

9.2 Расчет Элементов опорного узла

9.2.1 Рассчитаем толщину нижнего опорного кольца s1 по формуле

[pic], (163)

где (1 – коэффициент, находится по графику [4], (1=0,85;

b2 – расстояние от обечайки до внешнего края нижнего кольца, b2=125 мм;

[(]A – допускаемое напряжение для материала опоры, [(]A=142 МПа;

b1 – ширина нижнего опорного кольца, b1=330 мм;

Dб – диаметр окружности анкерных болтов, Dб=1360 мм;

s0 – исполнительная толщина обечайки опоры, s0=8 мм.

[pic],

[pic][pic].

Принимаем s1=20 мм.

Библиография

1 ОСТ 26-291-94

2 ГОСТ 14249-89. Нормы метода расчета на прочность

3 ГОСТ 24755-89. нормы и методы расчета на прочность укреплений отверстий

4 ГОСТ Р 51274-99. Сосуды и аппараты колонного типа, нормы и методы расчёта

на прочность. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 11 с.

-----------------------

Направление ветра

1:5

2000

Dб