Конструювання і розрахунок сталевих зварних посудин та апаратів Обичайки та днища (стр. 7 из 74)
У фланцевих з’єднаннях апаратів і трубопроводів застосовують ущільнювальні прокладки з різних неметалевих матеріалів, металів та комбіновані. Тип і матеріали прокладок вибирають залежно від конкретних умов роботи: тиску, температури та ступеню агресивності середовища. У додатку А наведені допустимі робочі середовища і границі застосування для ущільнювальних прокладок з неметалевих матеріалів. Там же наведені рекомендації щодо застосування металевих прокладок.
Питання до самоперевірки
1 Загальні вимоги, що пред’являються до конструкційних матеріалів для виготовлення посудин та апаратів.
2 Фактори, які впливають на вибір матеріалів.
3 Корозійна стійкість матеріалів.
4 Поведінка сталей при підвищених температурах.
5 Поведінка сталей при понижених температурах. 6 Класифікація та позначення сталей.
3 КОНСТРУЮВАННЯ ТА РОЗРАХУНКИ НА СТАТИЧНУ
МІЦНІСТЬ ОСНОВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ АПАРАТІВ
3.1 Загальні положення
У даному розділі наводяться вимоги до конструювання та розрахунку на статичну міцність елементів сталевих зварних посудин та апаратів в умовах одноразових та багаторазових статичних навантажень під внутрішнім надлишковим тиском, вакуумом або зовнішнім тиском, під дією осьових і поперечних зусиль та згинальних моментів.
Для посудин та апаратів, що працюють при багаторазових навантаженнях з кількістю циклів навантаження від тиску, стисненності температурних деформацій та інших факторів понад 103 за весь термін експлуатації крім розрахунку на статичну міцність необхідно проводити розрахунок на малоциклову втомленість.
3.1.1 Температура
Температура стінки розрахункова – температура, при якій визначаються фізико-механічні характеристики, допустимі напружини матеріалу і проводяться розрахунки на міцність елементів посудини.
Температура робочого середовища максимальна (мінімальна) – максимальна (мінімальна) температура середовища в посудині при нормальному протіканні технологічного процесу.
Допустима температура стінки максимальна (мінімальна) – максимальна (мінімальна) температура стінки, при якій допускається експлуатація посудини.
Розрахункову температуру визначають на підставі теплотехнічних розрахунків або результатів випробувань.
За розрахункову температуру стінки посудини або апарата приймають найбільше значення температури стінки. При температурі стінки нижче 20 °С за розрахункову температуру при визначенні допустимих напружин приймають температуру 20 °С.
Якщо неможливо провести теплові розрахунки або виміри та в тих випадках, коли під час експлуатації температура стінки посудини або апарата підвищується до температури середовища, що стикається зі стінкою, за розрахункову температуру необхідно приймати найбільшу температуру середовища, але не нижче 20 С.
Розрахункові формули, наведені в підрозділах 3.2-3.4 необхідно застосовувати за умови, що розрахункові температури не перевищують значень, при яких враховується повзучість матеріалів, тобто при таких температурах, коли допустиму напружину визначають тільки по границі текучості або тимчасовому опору (границі міцності). Якщо немає точних даних, формули допускається застосовувати за умови, що розрахункова температура стінки обичайки з вуглецевої сталі не перевищує 380 °С, з низьколегованої – 420 °С, з аустенітної – 525 °С.
3.1.2 Тиск
Тиск внутрішній (зовнішній) – надлишковий тиск, що діє на внутрішню (зовнішню) поверхню стінки посудини.
Під робочим тиском для посудини або апарата необхідно розуміти максимальний внутрішній надлишковий або зовнішній тиск, який виникає при нормальному протіканні робочого процесу, без урахування гідростатичного тиску середовища та допустимого короткочасного підвищення тиску під час дії запобіжного клапана.
Під розрахунковим тиском у робочих умовах для елементів посудин та апаратів слід розуміти тиск, на який здійснюється їхній розрахунок на міцність. Якщо на елемент посудини або апарата діє гідростатичний тиск, який складає 5 % і більше від робочого тиску, розрахунковий тиск підвищують на величину гідростатичного тиску.
Під розрахунковим тиском в умовах випробувань для елементів посудин або апаратів необхідно розуміти тиск, якому вони піддаються під час випробувань, включаючи гідростатичний тиск, якщо він складає 5 % і більше від пробного тиску.
Під пробним тиском у посудині (апараті) необхідно розуміти тиск, при якому проводиться випробування посудини (апарата) на міцність та герметичність.
Тиск умовний – розрахунковий тиск при температурі 20 °С, котрий використовується при розрахунку на міцність стандартних посудин (складальних одиниць, деталей, арматури).
Тиск надлишковий – різниця абсолютного тиску і тиску оточувального середовища, показуваного барометром.
Тиск дозволений – максимально допустимий надлишковий тиск посудини, установлений за результатами розрахунку на міцність і технічного опосвiдчення або діагностування.
Гідростатичний тиск, що діє на елемент посудини Рг , МПа, визначають за формулою
Рг с g Hс 106 , (3.1)
де c – густина робочого середовища в апараті, кг/м3; g – прискорення вільного падіння, м/с2; Hc – висота середовища в апараті, м.
Для захисту посудин та апаратів від можливого підвищення тиску вище допустимого вони забезпечуються запобіжними пристроями (запобіжними клапанами та ін.).
При дії запобіжних клапанів тиск у посудині або апараті не повинен перевищувати надлишковий робочий тиск більше ніж на 0,05 МПа для посудин з тиском до 0,3 МПа, на 15 % – для посудин, які працюють під тиском від 0,3 до 6,0 МПа і на 10 % – для посудин, які працюють під тиском понад 6,0 МПа.
При підвищенні тиску в посудині або апараті під час дії запобіжних пристроїв більше ніж на 10 % у порівнянні з робочим елементи апарата повинні розраховуватися на тиск, який дорівнює 90 % тиску при спрацьовуванні запобіжного пристрою.
Тиск у посудині під час дії запобіжного клапана Рк , МПа, необхідно визначати за формулою
Рк Рроб 0,05 при Рроб 0,3 МПа , (3.2)
1,15Рроб при 0,3 Рроб 6,0 МПа
де Pроб – робочий тиск у посудині, МПа.
Тиск у посудині, який враховує короткочасне підвищення його при спрацьовуванні запобіжного клапана, без урахування гідростатичного тиску Pp , МПа, необхідно визначати за формулою
0,9Рк при Рроб 6,0 МПа
Рр при Р 6,0 МПа . (3.3)
Рроб роб
Розрахунковий тиск у робочих умовах P , МПа, необхідно визначати за формулою
Рр Рг при Рг 0,05 Рраб
Р Рр при Рг 0,05Рраб . (3.4)
Для елементів посудин, котрі розділяють порожнини з різними тисками, за розрахунковий тиск необхідно приймати або кожен із тисків окремо, або їхню алгебраїчну суму, якщо вона вимагає більшої товщини стінки розраховуваного елемента.
Випробування сталевих зварних посудин та апаратів повинно проводитися пробним тиском Рпр , МПа, який визначають за формулою
Рпр 1,25Р 20 , (3.5)де 20 – допустима напружина для матеріалу посудини при температу-
рі 20 ºС, МПа;
– допустима напружина для матеріалу посудини при розрахунковій температурі, МПа.
Відношення 20
приймається по тому з використаних матеріалів елементів посудини (обичайок, днищ, фланців, кріпильних деталей, патрубків та ін.), для якого воно є найменшим.Під розрахунковим тиском в умовах випробувань Рв , МПа, мають на увазі тиск, якому піддаються посудини під час випробувань, включаючи гідростатичний тиск, якщо він складає 5 % та більше від пробного.
Розрахунок на міцність елементів апаратів (обичайок, днищ) для умов випробувань проводити не потрібно, якщо розрахунковий тиск в умовах випробувань менше ніж розрахунковий тиск у робочих умовах, помножений на 1,3520
.Приклад 3.1
Визначити розрахунковий та пробний тиски для вертикальної посудини з еліптичними днищами (рисунок 3.1), виготовленої зі сталі марки 09Г2С, якщо робочий тиск у посудині складає Рроб 0,2 МПа, температура робочого середовища t =150 °С, густина середовища с 1200 кг/м3, висота посудини зі штуцерами H1 4,0 м, висота рівня робочого середовища Нс 3,5 м. Перевірити умову необхідності розрахунку в умовах випробувань.
Тиск у посудині під час дії запобіжного клапана визначаємо за формулою (3.2)
Рк Pроб 0,05 0,2 0,05 0,25 МПа.
Тиск у посудині, що враховує короткочасне підвищення його при спрацюванні запобіжного клапана, без урахування гідростатичного тиску середовища визначаємо за формулою (3.3)