Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчёт колоны

4.Розрахункова частина

Апарат діаметром 1000 мм оснащений двома шарами насипної насадки, розподільними тарілками ТСН- III і ТСН- II, опорними гратами, опорою, люками, днищами і фланцями. Корпус - суцільнозварною зі знімною кришкою.

Приєднання трубопроводів до апарату здійснюється за допомогою штуцерів.

4.1. Загальні відомості

Розрахункова температура: 20;;

Робочий тиск: 0,2 МПа(1 атм.);

Тиск при гідравлічних випробуваннях : 0,3МПа(3 атм.);

Матеріал: сталь Х18Н10Т;

Напруга, що допускається : [σ] = η · σд* = 1 · 146 = 146 МПа;

Модуль подовжньої пружності : Е = 2 · 105 МПа;

Коефіцієнт міцності зварних швів : φ = 1(стиковою з двостороннім суцільним проваром, виконаний автоматичним зварюванням) ГОСТ 14249-89.

4.2. Розрахунок товщини обичайки

Розрахунок товщини обичайки проводимо відповідно до ГОСТ 14249-89.

s ³ s_p+c,

де sp - розрахункова товщина стінки елементу посудини і апарату

Визначаємо відношення визначальних параметрів σд і p з урахуванням коефіцієнта φ:

[σ] / p · φ = 146 / 0,21 · 1= 695.238> 25.

Номінальну розрахункову товщину стінки обичайки для цього відношення визначаємо по формулі:

sр = Dв · p / (2 · [σ] · φ-0.5*p) = 1· 0,2 / (2 · 146 · 1-0.5*0.2) =0,68· 10^-3 м = 0,68 мм

З = Ск + Сэ + С0 = 0,5 + 0 + 0,28 = 0,78мм

Ск- Прибавка на корозію;

Сэ- прибавка на ерозію;

С0- конструктивна прибавка;

Товщина стінки обичайки з урахуванням надбавок:

s = sр + C = 0,68+ 0,78 = 1,46 мм

З конструктивних міркувань приймаємо товщину стінки обичайки

s = 8мм .

Перевіримо умову(s - Ск) / Dв ≤ 0,1 :

(8 – 0,5) / 1000 = 0,00075 < 0,1, т. е. умова виконана.

Визначимо тиск, що допускається, в обичайці:

[P] = 2 * [σ] * φ * (s - Ск) / (Dв + (s - Ск)) = 2 * 146 * 1 * (0,008 - 0,0005) / (1 + (0,008 - 0,0005) = 1,453МПа.

Для гідравлічних випробувань:

Sр=1· 0,3/ 2 · 146 · 1=1,027 мм

S=1,027+0,78=1,807мм.

4.3. Розрахунок товщини днища і кришки

Днище і кришка циліндричного апарату мають еліптичну форму. Розрахунок проводиться для умов випробувань.

Верхнє днище(кришка)

Толщину стенки s₁ следует рассчитывать по формулам

s₁ ³ s_1p+c,

Де R=D- радіус кривизни ГОСТ 14249-89.

Визначуваний коефіцієнт послаблення днища отвором :

φ₀ = (Dв - d) / Dв = (1 - 0,25) / 1 = 0,75; φ0 < φ => φ = φ0.

Визначаємо відношення визначальних параметрів σ_д і p з урахуванням коефіцієнта φ:

[σ] / p * φ_{0 =} 146 / 0,2* 0,75 = 0.973*10^-3> 25.

Номінальну розрахункову товщину стінки днища для цього відношення визначаємо по формулі:

S1р= Dв * p / (2 * [σ] * φ0) = 1* 0,3 / 2*146 * 0,75 = 10,3*10^-4м = 1,03мм.

Товщина стінки обичайки з урахуванням надбавок:

s = sр + C = 1,03+ 0,78 = 1,081мм.

З конструктивних міркувань приймаємо товщину стінки обичайки

s = 8мм .

Перевіримо умову ((s - Ск) / Dв) ≤ 0,125 :

(8 – 0,5) / 1000 = 0,00075 < 0,125, т. е. умова виконана.

Визначимо тиск, що допускається, в обичайці:

[p] = 2 *[σ] *φ0* (s - Ск) / (Dв + (s - Ск)) = 2 *146 *0,75 *(0,008 - 0,0005) / (1+ (0,008 - 0,0005) = 1,437 МПа.

Нижнє днище

Визначуваний коефіцієнт послаблення днища отвором :

φ₀ = (Dв - d) / Dв = (1- 0,05) / 1= 0,95; φ0 < φ => φ = φ0.

Визначаємо відношення визначальних параметрів σ_д і p з урахуванням коефіцієнта φ:

[σ] / p φ_{0 =} 146 / 0,2 0,95 = 0,768*10^-3 > 25.

Номінальну розрахункову товщину стінки днища для цього відношення визначаємо по формулі:

s_р= Dв *p /(2*[σ]*φ₀) = 1*0,3 / 2 *146 *0,95 = 7,2*10^-4 м =0, 72 мм

Товщина стінки обичайки з урахуванням надбавок:

s = sр+ C = 0,72+0,78 = 1,5 мм

З конструктивних міркувань приймаємо товщину стінки обичайки

s = 8мм

Перевіримо умову (s - Ск) / Dв ≤ 0,125 :

(8– 0,5) / 1000 = 0,00075< 0,125, т. е. умова виконана.

Визначимо тиск, що допускається, в обичайці:

[p] = 2*[σ]*φ₀*(s - Ск) / (Dв + (s - Ск)) = 2*146 *0,95*(0,008 - 0,0005) / (1 + (0,008 - 0,0005) = 1,554 МПа.

Конструктивні розміри еліптичного днища приведені у табл. 4.1

Табл. 4.1 Днище 1000 06Х18Н10Т ГОСТ 6533-68

Dв_, мм	h, мм	hв, мм	Fв, м2	VД, м3	D, мм	m, кг
1000	25	350	1,593	0,284	1696	106

Рис 4.3.1. еліптичне днище

4.4 Вибір і розрахунок фланцевого з'єднання

Конструкція фланця представлена на мал.4.4.1, а тип ущільнення — на рис.4,4.1. Фланцеві з'єднання(мал.4.4.1)- найбільш широко уживаються вид роз'ємних єднань в хімічному машинобудуванні, що забезпечує герметичність і міцність конструкцій, а також простоту виготовлення, розбирання і збірки. З' єднання складається з двох фланців, болтів і прокладення, яка встановлюється між поверхнями ущільнювачів і дозволяє забезпечити герметичність при відносно невеликому зусиллі затягування болтів.

По конструкції фланці можна розділити на цілі(рис.4.4.1, а, б), коли корпус апарату і фланець працюють під навантаженням разом, і вільні(мал. 4.4.1, в), коли корпус апарату розвантажений від дії моментів, що вигинають при затягуванні фланцевого з'єднання. Конструкція фланців значною мірою визначається тиском робочого середовища і вимогами мінімальних витрат годині на складання або розбирання з'єднання. Плоскі приварні фланці( рис 4.4.1, а) є плоскі кільця, приварені до краю обичайки по її периметру. Їх рекомендується застосовувати при умовному тиску від 0,3 до 1,6 МПа і температурі до 300 С.

Мал. 4.4.1. Типи фланців: а — плоский приварний; б — приварний встик; в - вільний

Фланці приварні в стик мають конічні втулки-шийки.

Втулку фланця приварюють стиковим швом до обичайки. Межі застосування фланців приведені в [2].

Вільні фланці представляють з собі: кільця, діаметр отвору яких дещо більше зовнішнього діаметру обичайки, на якові їх вільно надягають. При затягуванні фланець упирається у відбортовку обичайки або кільце, що приварюється до її краю. Такі фланці застосовують при умовному тиску до 1,6 МПа і температурі до 300 З, а число циклів навантаження не повинне перевищувати . Зазвичай їх застосовують в апаратах, що виготовляються з м'яких(мідь, алюміній) або крихких матеріалів(кераміка, стекло).

Так, як робочий тиск в апараті p = 0,2 МПа, то вибираємо плоскі приварні фланці(мал. 2а)

Конструктивні розміри фланця.

Товщина втулки прийнята =25мм, що задовольняє умові:

;

мм

Товщина втулки за формулою:

;

де = 1,5 при D/=1000/25=40 [1].

мм

Висота втулки за формулою:

;

мм

Еквівалентна товщина втулки фланця

;

мм

Діаметр болтового кілка за формулою::

;

де u = 8 мм;

- діаметр стяжних болтів, м

=20мм при =0,21МПа і D=1000мм

мм

приймаємо 1090мм.

Зовнішній діаметр фланця:

;

а= 40мм для шестигранних гайок М20 [1]

мм

З конструктивних міркувань приймаємо 1130мм.

Зовнішній діаметр прокладення

;

мм

е= 30мм при =20мм [1]

Середній діаметр прокладення

;

де b - ширина плоскої неметалічної прокладення, м

b= 15мм при D=1000мм [1]

мм

Кількість болтів за формулою:

;

де - крок розташування болтів, м

=(3÷3,8)==70мм

Приймаємо 48(кратне 4).

Товщина фланця за формулою:

;

де = 0,27 при =0,2МПа і приварних встик фланців [1]

мм

Приймаємо =52мм.

Відстань між опорними поверхнями гайок для фланцевого з' єднання з поверхнею ущільнювача типу «шпилька-паз»

;

де — товщина стандартної прокладення, м.

= 2 мм

мм

Навантаження, що діють на фланець.

Рівнодіюча внутрішнього тиску

;

МН.

Реакція прокладення за формулою:

;

де =2,5 - для пароніту [1];

– ефективна ширина прокладення, м.

;

мм

МН.

Зусилля, що виникає від температурних деформацій за формулою:

;

де і - відповідно коефіцієнти лінійного розширення матеріалу фланців і болтів [1];

– розрахункова температура неізольованих фланців;

– розрахункова температура болтів;

МПа — для болтів із сталі 20;

– площа поперечного перетину болта ;

– кількість болтів, шт.;

– податливості, відповідно болтів, прокладення, фланців, м/МН.

До;

Податливість болтів:

;

де — розрахункова довжина болта, м;

;

мм

Податливість прокладення :

;

де = 2000 МПа -для прокладення з пароніту [1];

Податливість фланця:

; ;

;

при

Е= МПа — для фланця із сталі 20.

;

Тоді

;

МН.

Коефіцієнт жорсткості фланцевого з' єднання за формулою:

;

Болтове навантаження в умовах монтажу до подачі внутрішнього тиску

;

де = 20 МПа для - паронітової прокладення [1].

МН.

Болтове навантаження в робочих умовах за формулою:

;

МН

Приведень момент, що вигинає, за формулою:

;

де = 136МПа; = 140 МПа - відповідно для матеріалу фланця при 20 З і розрахунковій температурі t= 401К [1].

Перевірка міцності і герметичності з' єднання.

;

де =150Мпа=- для матеріалу болтів при 293К.

Умови міцності болтів виконуються:

Умова міцності неметалічної прокладення :

;

де =130 МПа — для прокладення з пароніту [1]

Умова міцності виконується:

Максимальна напруження в перетині фланця, обмеженому розміромза формулою:

;

де D*=D=1м

;

МПа.

Максимальна напруження в перетині фланця, обмеженому розміром, за формулою:

;

де = 2,2 при =1

МПа.

Окружна напруга в кільці фланця за формулою:

;

МПа.

Напруження у втулці від внутрішнього тиску :

Тангенціальне:

;

МПа.

Меридіональне:

;

МПа.

Умова міцності для перетину фланця, обмеженого розміром

;

де =220 МПа — напруження, що допускається, рівна межі текучості стали 12МХ при t=335К [1].

Умова міцності виконується.

Умова міцності для перетину, обмеженого розміром :

;

де =220МПа - для фланця із сталі 20

Умова міцності виконується.

Умова герметичності фланця:

;

де = 0,009 радій — кут повороту приварного встик фланця.

Умова герметичності виконується.

З'єднання обичайки з кришкою здійснюється за допомогою плоских приварних фланців, розміри яких наводяться нижче у табл. 4.2:

Табл. 4.2Фланці сталевого зварного апарату цілісні для обичайки і днища з внутрішнім базовим розміром

Dв, мм	1000
Dф, мм	1090
Dб, мм	1130
dб, мм	М20
z	60
h, мм	84
mА, кг	181
mБ, кг	187

Примітки: фланці виготовлені із сталі марки 06Х18Н10Т.

Усі штуцери і труби також забезпечуються плоскими приварними фланцями, конструкція і розміри яких наводяться нижче:

Рис 4.4.2 основні розміри фланця

4.6Розрахунок укріплення отворів.

У даній роботі прийняті наступні умовні позначення:

- внутрішній діаметр розрахункової деталі, мм;

- зовнішній діаметр розрахункової деталі, мм;

- середній діаметр розрахункової деталі, мм;

— розрахунковий коефіцієнт міцності;

- коефіцієнт міцності при послабленні отворами;

— коефіцієнт міцності при послабленні отворами з урахуванням зміцнення.

— мінімальна розрахункова товщина міри без надбавок при = 1, мм;

р — розрахунковий тиск, кгс/см2;

t — расчетная температура степени, С;

-допускаемое напряжение при расчетной температуре стенки, кгс/мм²:

S - номінальна товщина стінки деталі, мм;

- розрахункова товщина стінки деталі, мм;

З - сумарна надбавка до розрахункової товщини стінки, мм;

Z - коефіцієнт, що визначає відношення діаметру отвору до зони його впливу;

- сума компенсуючих площ зміцнюючих деталей, мм²;

- фактична товщина стінки, мм;

- компенсуюча площа штуцера, мм;

- компенсуюча площа накладки, мм

t - відстань між центрами сусідніх отворів в подовжньому напрямі, мм;

- відстань між центрами сусідніх отворів в поперечному напрямі, мм

Коефіцієнт міцності деталей, ослаблених подовжнім рядом або коридорним полем отворів з однаковим кроком.

Коефіцієнт міцності циліндричної деталі, ослаблений поперечним рядом або полем отворів з однаковим кроком.

При шаховому рівномірному розташуванні отворів коефіцієнт міцності в косому напрямі

де ; ; .

Коефіцієнт міцності циліндричної деталі, ослабленої поодиноким неукріпленим отвором

де

Коефіцієнт міцності циліндричної деталі, ослабленої поодиноким укріпленим отвором

Найбільший допустимий діаметр неукріпленого отвору в циліндричних деталях

Сума компенсуючих площ зміцнюючих деталей

де - компенсуюча площа спрямованого металу зварних швів .

Величину компенсуючих площ зміцнюючих деталей слід визначати по формулах:

1) для зовнішніх штуцерів, конструкція яких показана на мал. 3,6,1.

Мал. 4.6.1 Зміцнення зовнішнім штуцером

2) для пропущених штуцерів, конструкція яких показана на рис.3.6.2

Рис.4.6.2. Зміцнення прохідним штуцером

3) для накладок, конструкція яких показана на мал. 3.6.3.

Рис, 4.6.3. . Зміцнення накладкою

2.2.10, Використовуване при розрахунку значення висоти штуцера h*, повинно прийматися рівним розміру по кресленню на конкретний штуцер, але не визначенішого, по формулі

2.2.11. Використовуваного при розрахунку значення висоти штуцера Н3з боку внутрішньої поверхні деталі повинне набувати рівним розміру по кресленню на конкретний штуцер, але не визначенішого, по формулі

Для апарата заданого у курсовому проекті:

Вихідні дані: Внутрішній діаметр апарата внутрішній діаметр штуцера довжина штуцера довжина циліндричної частини апарата внутрішній радіус відбортовки матеріал корпусу і штуцера – сталь ВСт3сп, розрахункова і виконавча товщина обичайки розрахункова і виконавча товщина штуцера прибавка до розрахункової товщини стінки

Рішення. Розрахунковий діаметр отвору штуцера

Найбільший діаметр отвору штуцера, який не потребує додаткового укріплення

де – розрахунковий діаметр для циліндричної обичайки.

Так як >, укріплення отвору діаметром – необхідне.

Розрахунковий діаметр отвору, який не потребує укріплення при відсутності надлишкової товщини стінки обічайки

Розрахункова довжина штуцера

При , умова укріплення отвору виконується, якщо

тобто

Умова міцності отвору виконується.

4.7 Розрахунок опори

Апарат встановлений на фундамент за допомогою юбочної циліндричної опори.

Внутрішній діаметр опорного кільця :

D₁ = D - 0,06 = 1 - 0,06 = 0,94 м;

Зовнішній діаметр опорного кільця :

D₂= D + 2 * s + 0,2 = 1+ 2 * 0,008 + 0,2 = 1,216м;

Діаметр болтового кола :

D_б = D + 2 * s + 0,12 = 1+ 2 * 0,008+ 0,12 = 1,136 м, приймаємо Dб = 1170 мм

Номінальна розрахункова товщина опорного кільця при l = 0,09 м:

s_к= 1,73 · l · (0,18 / [σ])^1/2 = 1· 0,09 · (0,18 / 146)^1/2 = 3,16 · 10^-3 м = 3,16 мм, з урахуванням прибавки на корозію приймаємо, округлюючи розмір s_к = 8 мм.

Орієнтовна маса апарату

Маса обичайки :

m_об = 0,785 *(Dн₂ - Dв₂)*Н_об*ρ,

де D_н= 1,016 м - зовнішній діаметр колони;

D_в = 1,0 м - внутрішній діаметр колони;

Н_об = 12м - висота циліндричної частини колони :

ρ = 7850 кг/м3 - щільність стали Ст.3;

m_об = 0,785*(1,016 2 - 1,02)*6*7850 = 2385 кг

Маса тарілки :

m_Т = 24,5 кг

m_Д - маса днища;

Загальна маса колони :

приймаємо, що маса допоміжних пристроїв(штуцерів, вимірювальних приладів, люків і так далі) складає 10% від основної маси колони, тоді

m_к = 1,1*(m_об + m_Т + 2*m_Д) = 1,1*(2385+ 24,5+24,5 + 2*106) = 2911 кг

Маса води при гідравлічному випробуванні:

mв = 998*(0,785*Dв*Hоб + 2 *V_Д) = 998*(0,785*1,02*12 + 2*0,284) = 9968кг.

V_Д- об'єм днища;

Максимальна вага колони :

m_max = m_к+ m_в = 2911+9968=12879кг.

Сила тяжіння апарату при гідравлічному випробуванні:

G = m_max *g = 12879 9,81 = 0,126 Мн.

Площа опорного кільця :

А = 0,785*(D₂₂ - D₁₂) = 0,785*(1,2162 - 0,962) = 0,437 м².

Питоме навантаження опори на фундамент:

σ= G / A = 0,126 / 0,437 = 0,288 МПа < [σ] = 15 МПа - для бетонного фундаменту.

Приймаємо відношення вильоту лапи до висоти ребра l / h = 0,5. Тоді

h = l / 0,5 = 0,09 / 0,5 = 0,18 м.

Розрахункова товщина ребра лапи при k = 0,6 :

s = 2,24*G / (k*z*[σ]* l) = 2,24*0,126 / (0,6*2*146* 0,09) = 18*10^-3 м = 18мм.

приймаємо з урахуванням надбавки на корозію товщину ребра s = 20 мм

Ребра приварюються до корпусу суцільним круговим швом з катетом h_ш = 8 мм Загальна довжина зварного шва :

L_ш = 4*(h + s) = 4*(0,18 + 0,02) = 0,8 м.

Міцність зварного шва :

при τ_д = 0,6 φ [σ] =0,6 *1*146 = 87,6 МПа перевіряємо по умові:

G = 0,114 Мн < 0,7*Lш *hш*τд = 0,7*0,8*0,008*87,6 = 0,392 Мн, т. е. міцність забезпечена.

Расчёт колоны 📙 Дипломная → 🆔 17022