Механический расчет

Задачей механического расчета на прочность, является определение: толщины стенок аппарата и трубных решеток, прочности фланцевых соединений.
Исходными данными к расчету являются:
Dвн – внутренний диаметр обечайки кожуха, 0,6 м;
l – длина кожуха (труб), 4,52 (4,0) м;
n – количество труб, 216 шт.;
размер теплообменных трубок, используемых в аппарате dн×δт, 0,025х0,025м;
Fвн – площадь теплообменной поверхности, 50 м2;
давление в межтрубном пространстве, 0,1 МПа:
рабочее (при заданной температуре конденсации) pк , 0,1 МПа;
расчетное pр , 0,1 МПа;
рабочее давление в трубном пространстве pтр, 0,1 МПа.
1. Расчет обечайки
Обечайка, как правило, изготавливается из листовой стали. Она сварная, продольный стыковой шов двусторонний, выполненный электродуговой сваркой. Коэффициент прочности сварного соединения примем равным φ = 0,8÷0,95(ручная дуговая электросварка).
Определяем по формуле (2.20) допускаемые напряжение для рабочего состояния , МПа:
[σ]=ηзησ* MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.24)
где ηз – коэффициент, учитывающий вид заготовки, принимаем ηз=1 для заготовок из проката;
η – коэффициент, учитывающий работу аппарата со взрыво- и пожароопасными продуктами или ядовитыми веществами η=0,9 для аммиака;
σ*- нормативно допускаемое напряжение для материала детали, работающей при расчетной температуре. Так как температура конденсации составляет 20оС, то σ* для Ст3 по табл. 7 [2] принят равным 140 МПа.
[σ]= 1 . 0,9 . 140 = 126 МПа
Определяем по формуле 6.2 допускаемое напряжение при гидравлических испытаниях [σ]и, 10 МПа:
[σ]и=σт20/1,1 MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.25)
где σт20 – минимальное значение предела текучести, при температуре 20°С.
[σ]и=10/1,1 = 9,09 МПа
Для горизонтального кожухотрубного конденсатора: расчетное давление pр=1,8 МПа, испытательное давление pи=pр=1,8 МПа.
Определяют толщину обечайки δ, м:
δ=δр+Σс=ppDвн/(2φ[σ]-pp)+c1+c2+c3 MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.26)
где с1-прибавка толщины для компенсации коррозии при с = 0,0001 м/год:
с1 = Т. С MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.27)
где Т – срок службы аппарата, 20 лет.
с1 = 20. 0,0002 = 0,002 м
с2-прибавка для компенсации минусового допуска, 0,0005;
с3 -технологическая прибавка, учитывающая утончение стенки при вытяжке, гибке, штамповке, 0,0015 м.
Σс = 0,002 + 0,0005 + 0,0015 = 0,004 м
м = 20 мм (т.к. s20мм).
Допускаемое давление в рабочем состоянии [p]д, МПа:
[p]д=2φ[σ]·(δ-Σс)/(Dвн+δ-Σс) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.28)
МПа
Допускаемое давление при гидравлическом испытании [p]и. г, МПа:
[p]и. г=2φ[σ]и·(δ-Σс)/(Dвн+δ-Σс) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.29)
[p]и. г МПа
2 Расчет эллиптического днища
Днище (крышка), как правило, выполняется из тех же материалов что и обечайка. Коэффициент ослабления днища отверстиями:
φ0=(Dвн – 2Dп)/Dвн MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.30)
где Dвн – внутренний диаметр обечайки аппарата, м;
Dп – диаметр присоединительных патрубков, м.
φ0=(0,6 – 2.0,05)/0,05 = 0,834
Исполнительная толщина эллиптического днища δдн, м:
δдн=pтрDвн/(φ0[σ] – 0,5pтр)+Σc MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.31)
δдн= 1,8 . 0,6/(0,9 . 126 – 0,5 . 1,8)+ 0,004 = 0,0136 м = 0,02 м
Допускаемое давление в камере в рабочем состоянии:
[p]д=2φ0[σ](δдн – Σc)/[Dвн+0,5(δдн – Σс)] MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.32)
[p]д=2. 0,9 . 126 (0,02 – 0,04)/[0,6+0,5(0,02 – 0,04)] = 5,97 МПа
Допускаемое давление при гидравлических испытаниях:
[p]ди =2φ0[σ]и(δдн – Σc)/[Dвн+0,5(δдн – Σс)] MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.33)
[p]ди =2. 0,9 . 126 (0,02 – 0,04)/[0,6+0,5(0,02 – 0,04)] = 5,97 МПа
3 Расчет фланцевого соединения крышки с трубной решеткой
Способы крепления трубных решеток представлены на рис.2.3.
Примем, что в aппарате решетка прикреплена фланцу кожуха болтами.
Рис. 2.3. Крепление трубных решеток к фланцу кожуха болтами
Схема фланцевого соединения представлена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Схема фланцевого соединения:
1 – втулка фланца; 2 – днище крышки; 3 – плоский приварной фланец крышки; 4 – трубная решетка; 5 – болт; 6 – обечайка; 7 – теплообменная трубка
Проведем расчет конструктивных размеров фланца[14]:
Толщину δ0 втулки фланца выбираем из условия:
δ≤δ0≤1,3δ, но δ0≤δ+5 мм.
δ0 = 20 +5 = 25 мм
Высота втулки фланца hв, м:
MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.34)
м
Втулка служит для усиления кромки обечайки в зоне ее соединения с фланцем, так как здесь действует изгибающий момент

. Если втулка не применяется, то тогда δ0 = δ.
Диаметр окружности размещения болтов Dб, м:
Dб=Dвн + 2(dб + 2δ0 + u) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.35)
где δб – номинальный диаметр болта
u – зазор между гайкой и втулкой, u = 4 ÷ 6 = 5 мм для всех размеров болтов.
Для данного аппарата согласно таблице 8 [2] для диаметра обечайки 600 мм и рабочего давления 1,8 МПа выбираем dб = 20 мм, ширину прокладки b = 15 мм и шаг болтов:
tш = (2,7÷3,5)dб MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.36)
tш = 3.0,02 = 0,06 м
Вспомогательные величины для определения размеров находим согласно таблице 9 [2], для болтов диаметром dб = 20 мм они составят соответственно: е = 30, а = 40.
Dб= 0,6 + 2(0,020 + 2.0,025 + 0,005) = 0,75 и
Наружный диаметр фланца Dн, м:
Dн ≥ Dб+ a MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.37)
где a – принимаем в соответствии с табл. 9 [2], 40.
Dн ≥ 0,75 + 0,040 = 0,79 м
Наружный диаметр прокладки Dн. п, м:
Dн. п = Dб – e MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.38)
где e – принимаем в соответствии с табл. 9 [2].
Dн. п = 0,75 – 0,030 = 0,72 м
Средний диаметр прокладки Dс, м:
Dс = Dн. п- b MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.39)
где b – принимаем в соответствии с таблицей 8 [2].
Dс = 0,72 – 0,015 = 0,705 м
Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения:
nбπDб/tш MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.40)
где tш – шаг болтов, в соответствии с таблицей 8 [2].
nб 3,14 . 0,75/0,06 = 39,25 40 шт.
Толщина фланца:
hф ф MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.41)
где для плоских приварных фланцев рекомендуется λф= 0,44 ÷ 0,54 = 0,48.
hф 0,48 м
Длина болтов между опорными поверхностями гайки и головки болта с учетом толщины шайбы (2 мм) и прокладки:
l0 = 2(hф +2) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.42)
l0 = 2(60 +2)= 31 мм
Расчетная длина болта
lб = l0 + 0,28d0 MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.43)
где dо – диаметр отверстия под болт, м.
lб = 31 + 0,28.20 = 37 мм
Равнодействующая внутреннего давления, отрывающая крышку
Pz=0,785D2ср pр. т MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.44)
Pz=0,785.0,7052.0,1.106 = 39016,46 Н
Сила сжатия прокладки, обеспечивающая герметичность фланцевого соединения:
Rп=π Dср b m pр. т. MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.45)
где m –коэффициент, зависящий от материала прокладки, m = 2,5.
Rп= 3,14 . 0,705 .0,015 .2,5. 0,1.106 = 8301,375 H
MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.46)
где уб, уп, уф – податливость болтов, прокладки и фланцев соответственно;
yб=lб/(Eб dб nб). MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.47)
где Еб – модуль продольной упругости материала болтов, 2,0 . 105 МПа;
nб – количество болтов, 40 шт.;
dб – диаметр болтов, 20 мм.
1/МПа
Податливость неметаллической прокладки (из паронита):
yп = hп /(Eп Dср b) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.48)
где hп – толщина прокладки, 3 мм;
Еп – модуль продольной упругости материала прокладки, 2000 МПа.
yп = 0,003/(2000.0,705.0,015)= 1,42.10-4 1/МПа
Податливость стального фланца
yф =[1 – ν(1+0,9λ'ф)]ψ2/(h3фE) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.49)
где hф –.толщина фланца, 60 мм;
Остальные величины, входящие в формулу, определяют по формулам:
λ'ф= hф/ MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.50)
λ'ф= 0,060/= 0,49
2 = (Dн+Dвн)/ (Dн – Dвн) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.51)
2 = (0,79+0,60)/(0,79-0,60) = 7,32
ν = 1/[1+0,9λф(1+ψ1h2ф/δ20)] MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.52)
ψ1=1,28lg(Dн /Dвн ) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.53)
ψ1=1,28lg(0,79/0,60)= 0,153
ν = 1/[1+0,9.0,48.(1+0,153.0,0602/0,0252)] = 0,552
yф =[1 – 0,552.(1+0,9.0,49)]. 7,32/(0,0603. 2,0 . 105) = 0,0347 1/МПа
Отсюда находим:
Нагрузка на болтовое соединение при сборке, до подачи внутреннего давления принимается как большее из двух значений, определенных по формулам:
Рб1 = Pб2= kж Pz+Rп MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.54)
Pб1= 0,552