Критерии прочности материалов, коэффициент запаса, влияние температуры

В зависимости от практических целей выполняют проектные или проверочные расчеты на прочность.

Проектные расчеты выполняются при проектировании новых машин и аппаратов. Их выполнение, как правило, сочетают с элементами конструирования (т. е. выбор для определенных элементов определенной конфигурации, конструктивным заданием отдельных размеров, определение которых расчетным путем нецелесообразно).

Проверочные расчеты выполняются для проверки возможности использования выбранного аппарата в конкретных условиях эксплуатации. Определяются фактически возникающие в элементах напряжения и сравниваются с допускаемыми при заданных температурах.

2.2.1. Определение допускаемых напряжений

Напряжение, при котором обеспечивается прочность аппарата с расчетным запасом и минимальным расходом конструкционного материала, называют допускаемым напряжением:

Допускаемое напряжение для углеродистых и низколегированных сталей определяется по формуле:

[σ] = η ∙ min (σ_т или / n_т; /n_в; /n_д; / n_п);

где η (эта)– поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата, принимают от 0,7 до 1,0 в зависимости от категории опасности химических продуктов, как правило, всегда равен 1,0 за исключением стальных отливок (для них η = 0,7–0,8);

– предел текучести материала при расчетной температуре; – предел прочности на растяжение (временное сопротивление) при расчетной температуре t⁰;

– условный предел текучести, при котором остаточное удлинение составляет 0,2%;

–среднее значение предела длительной прочности за 10⁵ ч при расчетной температуре;

– средний 1%-ный предел ползучести за 10⁵ ч при расчетной температуре;

n_в, n_т, n_д – коэффициенты запаса прочности по пределу прочности, пределу текучести, пределу длительной прочности;

Таблица2

Значения коэффициентов запаса прочности

Условия нагружения	Запас прочности
n_в	n_т	n_д	n_п
Рабочие условия	2,4	1,5	1,5
Гидравлические испытания	1,1	-	-	-

Для широко используемых в химическом машиностроении марок сталей значения допускаемых напряжений для рабочих условий, рассчитанные согласно формуле, при значении η = 1 приведены в справочниках (Лощинский, Толчинский Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: справочник. – 1970; Смирнов Толчинский Конструирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств: справочник. – Л., 1988) и по ГОСТ 14249–80.∙В таблице 1 приведены значения допускаемые напряжения при различных температурах для углеродистых и легированных сталей.

Таблица 1

Допускаемые напряжения для углеродистых и легированных сталей

t_R,°C	Допускаемое напряжение [σ], МПа
ВСт3	10Г2	15Х5М

…

При температурах ниже 20°С и отрицательных расчетных температурах значение [σ] принимают равным [σ] при температуре 20°С.

Упругие свойства металлов характеризуются значениями модуля продольной упругости Е^t, МПа, и коэффициентом Пуансона μ. Эти значения используются при расчетах на устойчивость формы.

Е^t характеризует жесткость материала и его способность противостоять деформации, рассчитывается по закону Гука:

Е^t =

где ε – относительная продольная деформация.

Значения модуля продольной упругости Е приводятся в ГОСТе 14249–80 (приложение 4) либо в справочниках.

Коэффициент Пуансона – безразмерная величина, характеризующая способность металла к поперечной деформации. Значения коэффициента μ изменяются в следующих пределах: 0 ≤ μ ≤ 0,5. Для основных сортов сталей μ = 0,3.

При расчете на прочность и устойчивость сварных элементов аппаратов в расчетные формулы вводят коэффициент прочности сварных швов, значение которого зависит от типа шва и условий сварки [приложение 5].

Таблица

Коэффициенты прочности сварного шва

Вид сварного шва	Коэффициент прочности сварного шва
Длина контролируемых швов составляет 100% общей длины	Длина контролируемых швов составляет от 10 до 50% общей длины
Стыковой или тавровый с двухсторонним проваром, выполненный автоматической и полуавтоматической сваркой	1,0	0,9
Стыковой с под варкой корня шва или тавровый с двухсторонним сплошным проваром, выполняемый вручную	1,0	0,9
Стыковой, доступный к сварке только содной стороны и имеющий впроцессе сварки металлическую подкладку со стороны корня шва,прилегающую по всей длине швак основному металлу	0,9	0,8
Стыковой, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой с одной стороны с флюсовой или керамической подкладкой	0,8	0,65
Втавр с конструктивным зазором свариваемых деталей	0,9	0,8
Стыковой, выполняемый вручную с одной стороны	0,9	0,65

2.2.2 Прибавки к номинальным расчетным толщинам

На практике к найденной номинальной расчетной толщине детали или аппарата обычно дается прибавка С, которая определяется по формуле:

С = С_к + С_э + С_о + С_д,

где С_к – прибавка на коррозию материала, мм,

С_к = (срок службы аппарата) ∙ (глубинный показатель коррозии);

С_э – прибавка на эрозию, мм, определяется по опытным данным, учитывают при скорости жидкости более 20 м/с, газа – 100 м/с либо при наличии абразивных частиц;

С_о – прибавка на округление размера до размера по стандарту (прибавка на минусовое значение предельного отклонения толщины листа), мм;

С_д – прибавка по технологическим, монтажным и другим соображениям (изменение С происходит при вытяжке, штамповке, ковке) (С_д = 0,8 мм).

Прибавки С_о и С_д учитываются, если их сумма составляет более 5% от С_расч. Обычно в химическом машиностроении С принимается равной до 2 мм.

S = S_R + C,

где S – исполнительная величина; S_R – расчетная величина.

Методы защиты от коррозии