Требования к конструированию и изготовлению сосудов и аппаратов стальных сварных
Основы конструирования и расчета химической аппаратуры
Вопросы
1. Порядок проектирования аппаратов (машин).
2. Общие вопросы прочности. Проектные и проверочные расчеты на прочность. Выбор допускаемых напряжений, коэффициентов запаса прочности и устойчивости.
3. Требования к конструированию и изготовлению цилиндрических обечаек.
4. Расчет тонкостенных обечаек, работающих под внутренним давлением по безмоментной теории прочности.
5. Расчет тонкостенных обечаек, работающих под наружным давлением по безмоментной теории прочности.
6. Расчет тонкостенных обечаек, работающих под действием осевой сжимающей силы, изгибающего момента и наружного давления по безмоментной теории прочности.
Порядок проектирования аппаратов (машин)
Исходными данными при проектировании новых аппаратов являются производительность, рабочие параметры технологического процесса, Физико-химические свойства исходных реагентов и продуктов и т. д. Каждый аппарат проектируют, как правило, по своей методике. Вместе с тем, можно выделить некоторые общие стадии или последовательность в проектировании.
1. Составление уравнения материального баланса по известной методике. На основании баланса рассчитывают все неизвестные материальные потоки.
2. Составление и решение уравнения теплового баланса (для аппаратов, в которых протекают теплообменные процессы).
3. Выполнение конструктивного расчета аппарата (технологический расчет), т. е. определение основных размеров аппарата и площади поверхности тепло- и массообмена.
Рассчитанные размеры (диаметр, высота, длина) округляют до стандартных значений
4. По ГОСТам, нормалям и каталогам аппаратов выбирается конкретный аппарат, наиболее близкий к расчетным размерам и параметрам.
5. Выбираются конструкционные материалы и определяются их механические характеристики при расчетной температуре.
6. Рассчитываются на прочность основные элементы аппарата с учетом действующих на этот аппарат нагрузок (обечайки, днища, крышки, люки, фланцевые и резьбовые соединения т. д.).
Более подробно остановимся на пунктах 5 и 6.
Общие вопросы прочности. Проектные и проверочные расчеты на прочность. Выбор допускаемых напряжений, коэффициентов запаса прочности и устойчивости.
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 (σт или 
/ nт; 
/nв; 
/nд; 
/ nп);
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;
nв, nт, nд – коэффициенты запаса прочности по пределу прочности, пределу текучести, пределу длительной прочности;
Таблица2
Значения коэффициентов запаса прочности
| Условия нагружения | Запас прочности | |||
| nв | nт | nд | nп | |
| 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
| tR,°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 Еt, МПа, и коэффициентом Пуансона μ. Эти значения используются при расчетах на устойчивость формы.
Еt характеризует жесткость материала и его способность противостоять деформации, рассчитывается по закону Гука:
Еt = 
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 = Ск + Сэ + Со + Сд,
где Ск – прибавка на коррозию материала, мм,
Ск = (срок службы аппарата) ∙ (глубинный показатель коррозии);
Сэ – 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;
Со – прибавка на округление размера до размера по стандарту (прибавка на минусовое значение предельного отклонения толщины листа), мм;
Сд – прибавка по технологическим, монтажным и другим соображениям (изменение С происходит при вытяжке, штамповке, ковке) (Сд = 0,8 мм).
Прибавки Со и Сд учитываются, если их сумма составляет более 5% от Срасч. Обычно в химическом машиностроении С принимается равной до 2 мм.
S = SR + C,
где S – исполнительная величина; SR – расчетная величина.
Требования к конструированию и изготовлению сосудов и аппаратов стальных сварных.
Для осуществления химико-технологических процессов, проводимых в условиях работы без давления, под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па (5 мм.рт.ст.), под наливом или под избыточным давлением не более 10 МПа в химической промышленности наибольшее распространение получили сосуды и аппараты стальные сварные. Общие требования к их конструкции, материалам, изготовлению регламентируются ГОСТ 24306-80 (Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования). Данный ГОСТ регламентирует не только общие технические требования, но и требования, касающиеся отдельных элементов: обечаек, днищ, люков, лазов, штуцеров, а также качества сварки и сварных соединений. Полный перечень технических требований составляет 45 страниц. Детально остановиться на всех требованиях не представляется возможным, поэтому рассмотрим отдельные, наиболее важные.
Конструкция аппарата должна предусматривать возможность внутреннего осмотра, очистки, промывки и продувки. Внутренние устройства, препятствующие осмотру, должны быть съемными. Рубашки допускается выполнять приварными. Аппараты должны иметь люки-лазы для внутреннего осмотра, расположенные в удобных для обслуживания местах. При наличии у аппарата съемных крышек или днищ и фланцевых штуцеров, обеспечивающих возможность внутреннего осмотра, лазы и люки в аппаратах не обязательны. Для возможности проведения гидроиспытаний аппарат должен иметь штуцера для наполнения и слива воды, а также для поступления и удаления воздуха (можно использовать технологические). На вертикальных аппаратах эти штуцера должны быть расположены с учетом возможности гидроиспытаний в горизонтальном положении.
Для подъема и установки аппарата на нем требуется предусмотреть строповые устройства. Допускается для этих целей использовать имеющиеся на аппарате элементы (горловины, штуцера, уступы и др.), если прочность их при этом не вызывает сомнений, что должно быть проверено расчетом.
Цилиндрические обечайки изготавливают следующими способами:
– вальцовкой из листового проката;
– из сварных труб большого диаметра;
– из рулонированной широкополосной стали или поковок (для аппаратов высокого давления).
Толщину стенок вальцованных обечаек в пределах 6–42 мм принимают только четной.
Кромки вальцованных обечаек соединяют преимущественно встык. Они должны иметь минимум сварных швов, особенно продольных.
Обечайки с диаметром до 1000 мм допускается изготавливать не более чем с двумя продольными швами, с диаметром свыше 1000 мм – из листов максимально возможной длины.
Продольные швы в листах смежных обечаек должны быть смещены относительно друг друга на величину не менее трехкратной толщины стенки обечайки, но не менее чем на 100 мм между осями швов.
Если разница в толщине соединяемых стыковым швом листов более 5 мм или более 30% толщины тонкого листа, то предусматривается специальный переход.
При приварке днищ, штуцеров, люков к сосудам и аппаратам, также должны применяться, как правило, двухсторонние стыковые швы.