Расчет аппарата высокого давления на ветровую, сейсмическую нагрузку

Задание

аппарат сейсмическая нагрузка расчет Выполнить эскиз АВД;

Составить методику расчета основных узлов и деталей, указать способ изготовления корпуса, подобрать затвор;

Выполнить прочностной расчет с определением толщин корпуса, крышек, днища, шпилек;

Определить максимальный вес аппарата, выполнить расчет на сейсмическую нагрузку, выбрать тип опоры и выполнить ее прочностной расчет;

Выполнить сборочный чертеж АВД, деталировку — затвор.

1. Исходные данные

Диаметр корпуса — 2400 мм;

Высота корпуса — 20 000 мм;

Днище — выпуклое;

Крышка — плоская Давление 20 МПа;

Температура Т=150°С;

Марка стали — 20

Географический район — Уральский.

Узел соединения рассчитываемый на малоцикловые нагружения ;

днище — опора — кольцо жесткости Число циклов нагружения:

эксплуатации — 100

аварийных остановок — 12

технологических остановок — 30

гидравлических испытаний — 15

срабатываний КИП — 25

2. Конструкция аппарата

Для корпуса аппарата принимаем толстостенную кованную обечайку с приварным верхним фланцем и нижним днищем. Днища и крышки — штампованные. Эскиз аппарата приводится на рисунке 1.

Рис. 1. Схема АВД

3. Выбор конструкционного материала и допускаемые напряжения

Расчетное давление Р = 20 МПа.

Принимаем расчетную температуру внутри аппарата t = 150 °C.

Материал аппарата — сталь 20, для которой

?в = 325 МПа, ?т = 163 МПа [1c.120].

Нормативное допускаемое напряжение:

?* = min (?в/nв; ?т/nт)

nв = 2,6; nт = 1,5 — коэффициенты запаса прочности

?* = min (325/2,4 = 135 МПа; 163/1,5=109 МПа) = 109 МПа Допускаемое напряжение:

[?] = ??* = 0,9· 109 = 98 МПа

? = 0,9 — поправочный коэффициент при отсутствии данных о рабочей среде.

С = ПТа =0,0001· 10 = 0,001 м где П = 0,0001 м/год — скорость коррозии Та = 10 — срок службы аппарата Давление гидравлических испытаний Рги = 1,25Р[?]20/[?]500 = 1,25· 20·106/98 = 27 МПа

4. Расчет толщины стенки корпуса аппарата

Толщина стенки по методу максимальных упругих напряжений.

Расчетный коэффициент толстостенности:

? = = [98/(98 — 31/2· 20)]½ = 1,244

Расчетный коэффициент толстостенности в условиях гидроиспытаний:

? = = [98/(98 — 31/2· 27)]½ = 1,383

Исполнительная толщина обечайки:

s > 0,5D (? — 1) = 0,5· 2400(1,383- 1) = 460 мм Принимаем s = 480 мм, тогда коэффициент толстостенности:

? = (D+2s)/D = (2400+2· 480)/2400 = 1,400

Допускаемое рабочее давление:

[p] = [?](?2 — 1)/31/2 = 98(1,4002 — 1)/31/2 = 54 МПа Условие р < [p] выполняется Проверка условия прочности

?? = Р (?2+1)/(?2 — 1) = 20(1,4002+1)/(1,4002 — 1) = 62 МПа

?r = -Р = -20 МПа

?и = Р/(?2 — 1) = 20/(1,4002 — 1) = 21 МПа

?экв = =

{0,5[(62 — 21)2+(62+20)2+(21+20)2]}½ = 71 МПа Условие? экв < [?] = 98 МПа выполняется Проверка по условию пластичной деформации Допускаемое давление

[Р] = [?]?ln? = 98· 1,0ln1,400 = 33,0 МПа Условие [Р] > Рг. и = 27 МПа выполняется Проверочный расчет с учетом температурных напряжений при? t = 50 °C.

Для стали 20:? = 12,4· 10−6 1/?С;? = 0,3; Е = 1,86· 105 МПа Вспомогательный коэффициент k1:

k1 = = 12,4· 10−6·1,86·105[(1,4002−1)/2ln1,400- 1]/(1 — 0,3) = 1,41

Эквивалентное напряжение

?экв = = (3· 202+3·20·1,41·50+1,412·502)0,5/(1,4002 — 1) =106 МПа Условие прочности:

?экв =106 < ?т/1,1 = 163/1,1 = 148 МПа выполняется

5. Расчет толщины стенки выпуклого днища корпуса

Внутренняя высота эллиптической части днища:

Нд = 0,25D = 0,25· 2,4 = 0,60 м Расчетная толщина эллиптического днища

sд.р =

? = 1,0 — коэффициент прочности сварных соединений

sд.р = 20· 2.4·2,4/[(4·98·1,0 — 20)2· 0,60] = 0,258 м Исполнительная толщина днища

sд = sд. р + С = 0,258 + 0,001 = 0,259 м Принимаем sд.= 0,30 м Рабочее допускаемое давление

[p] = 4· 98·1,0/[2,4·2,4/2·0,60(0,30−0,001) + 1] = 23,1 МПа Условие р < [p] выполняется.

Фактический коэффициент толстостенности

? = (D+2s)/(D+2C) = (2,4+2· 0,30)/(2,4+ 2· 0,001) = 1,249

Высота отбортовки днища

ho > 0,5D (? — 1) = 0,5· 2,4(1,249 — 1) = 0,298 м Принимаем ho = 0,30 м Масса днища m =18 440 кг, объем днища V = 2,35 м³

Рис. 2. Эллиптическое днище

7. Расчет затвора соединения горловины с крышкой

Выбираем затвор с двухконусным обтюратором. Размеры обтюратора:

Dcp = 2416 мм; h=120 мм; h2 = 64 мм; hcp= 92,0 мм;? = 30? [1c.146]

Рис. 4. Конструкция двухконусного затвора Равнодействующая внутреннего давления на крышку:

Fp = ?Dcp2pp/4 = ?2,4162· 20/4 = 91,7 МПа Равнодействующая внутреннего давления на обтюраторное кольцо:

Fo = 0,5?k3ppDcphcptg?

k3 — коэффициент, учитывающий влияние предварительной затяжки.

При рр < 24,52 МПа:

k3 = 1 + (24,53 — pp)/4,9 = 1 + (24,53 — 20)/4,9 = 1,92

Fo = 0,5?1,92· 20·2,416·0,092tg30? = 7,7 МПа Расчетное усилие для затвора

F = Fo+Fp = 91,7+7,7= 99,4 МПа Расчетный диаметр шпилек

dс.р =

k4 = 1 — коэффициент учитывающий тангенциальные напряжения, возникающие в шпильке при ее затяжке.

k5 = 1,3 — при контролируемой затяжке

dм = 18 мм — для шпилек с резьбой более М85

n = 24 — число шпилек.

[?] - допускаемое напряжение для шпилек Материал шпилек — сталь 34ХН3М, для которой предел текучести

?т = 680 МПа, тогда нормативное допускаемое давление

?* = ?т/nт = 680/1,5 = 453 МПа Допускаемое напряжение для шпилек

[?] = ??* = 0,9· 453 = 408 МПа

? = 0,9 — поправочный коэффициент.

dc.p = (4· 1,0·1,3·99,4/?24·408+0,0182)½ = 0,131 м.

Принимаем шпильки М140

Диаметр окружности центров шпилек:

Dб = D+dp+2a = 2400+140+2· 100 = 2740 мм

a > 0,5dp = 0,5· 140= 70 мм > а = 100 мм Наружный диаметр фланца:

Da = Dб+2dp = 2740+2· 140 = 3020 мм Конструкция шпильки приводится на рисунке Рис. 5. Конструкция шпильки Толщина стенки плоской крышки:

sк > 0,45= 0,45{[3,8· 99,4(2,740- 2,416)+20· 2,4163]/(3,020 — 2· 0,140 — 0,06)98}½+0,001 = = 0,431 м Принимаем толщину крышки sк = 450 мм.

Масса крышки 25 130 кг

8. Расчет массы аппарата

Масса корпуса аппарата

mк = 0,785(Dн2-Dвн2)Н?

где Dн = 3,36 м — наружный диаметр корпуса;

Dвн = 2,40 м — внутренний диаметр корпуса;

Н = 18,2 м — высота цилиндрической части корпуса

? = 7800 кг/м3 — плотность стали

mк = 0,785(3,362−2,42)18,2· 7800 = 616 211 кг Общая масса аппарата. Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, фланцев и т. д.) составляет 10% от основной массы аппарата, тогда

m = 1,1(mк + mд + mкр) = 1,1(616 211+25130+18 440) = 725 759 кг = 7,11 МН Масса аппарата заполненной водой при гидроиспытании.

Масса воды при гидроиспытании

mв = 1000(0,785Dк2Hц.к + Vд) = 1000(0,785· 2,42·18,2 + 2,35) = 84 643 кг Максимальный вес аппарата

mmax = m + mв = 725 759 + 84 643 = 810 402 кг = 7,94 МН

9. Расчет колонны на ветровую нагрузку

Отношение H/D = 21/3,36 = 6,3 < 15, следовательно, расчетная схема принимается в виде упругозащемленного стержня. Условно разбиваем по высоте аппарат на 3 участка по 7 метров, вес участка принимается сосредоточенным в середине участка; ветровая нагрузка, равномерно распределенная по высоте аппарата, заменяется сосредоточенными силами, приложенными в середине участка:

Период собственных колебаний для максимального и минимального веса колонны. При H/D < 15

где Н = 21 м — высота колонны;

G — максимальный или минимальный вес колонны;

J — момент инерции верхнего поперечного сечения корпуса аппарата относительно центральной оси;

Е — модуль упругости;

J = ?Dcp3(S-C)/8 = ?

где Dcp — средний диаметр корпуса

Dcp = D + (S-C) = 2,4 + (0,48−0,001) = 2,879 м

J = ?2,8793(0,48−0,001)/8 = 4,498 м4

?0 = 1/СфJф = 1/50· 2,12 = 0,009 1/МН· м где Сф = 50 МН/м3 — коэффициент неравномерности сжатия грунта;

Jф — момент инерции подошвы фундамента относительно центральной оси

Jф = 1, 3Jк = 1,3· 1,63 = 2,12 м4

где Jк — момент инерции фундаментного кольца

Jк = ?D3l/8 = ?2,43· 0,3/8 = 1,63 м4

где l = 0,3 м — ширина кольца Тmax = 1,79· 21[7,94(21/1,86·105·4,498 + 4· 0,009)/9,8]0,5 = 6,42 c

Тmin = 1,79· 21[7,11(21/1,86·105·4,498 + 4· 0,009)/9,8]0,5 = 6,08 c

Нормативный скоростной напор для II географического пояса q = 0,035· 10−2 МН/м2 [2c.636]

Поправочный коэффициент к нормативному скоростному напору для участков аппарата высотой Н > 10 м? = 1,4 [2 c. 686]. Расчетный скоростной напор по участкам

q1 = q2 = ?q = 1,4· 0,035·10−2 = 0,049· 10−2 МН/м2

q3 = 0,035· 10−2 МН/м2

Коэффициент динамичности определяем по графику [2c.687]:

для Т = 6,42 с —? = 3,3

для Т = 6,08 с —? = 3,2

Коэффициент пульсации скоростного напора определяем по графику [2c687]:

для участка 1 — m1 = 0,34

для участка 2 — m2 = 0,35

для участка 3 — m3 = 0,35

Коэффициент увеличения скоростного напора

? = 1 + ?m

при максимальной массе аппарата

?1 = 1 + 3,3· 0,34 = 2,122

?2 = 1 + 3,3· 0,35 = 2,155

?3 = 1 + 3,3· 0,35 = 2,155

при минимальной массе аппарата

?1 = 1 + 3,2· 0,34 = 2,088

?2 = 1 + 3,2· 0,35 = 2,120

?3 = 1 + 3,2· 0,35 = 2,120

Сила от ветровой нагрузки, действующей на каждый участок аппарата Рi = 0,6?iqiDihi

при максимальной силе тяжести аппарата

Р1 = 0,6· 2,122·0,049·10−2 · 3,36·7 = 0,0147 МН Р2 = 0,6· 2,155·0,049·10−2 · 3,36·7 = 0,0149 МН Р3 = 0,6· 2,155·0,035·10−2 · 3,36·7 = 0,0106 МН при минимальной силе тяжести аппарата

Р1 = 0,6· 2,088·0,049·10−2 · 3,36·7 = 0,0144 МН Р2 = 0,6· 2,120·0,049·10−2 · 3,36·7 = 0,0147 МН Р3 = 0,6· 2,120·0,035·10−2 · 3,36·7 = 0,0105 МН Изгибающий момент от ветровой нагрузки на аппарат относительно основания при максимальной силе тяжести аппарата

Мв1 = 0,0147· 17,5 = 0,257 МН Мв2 = 0,0149· 10,5 = 0,156 МН Мв3 = 0,0106· 3,5 = 0,037 МН

?Мв = 0,450 МН при минимальной силе тяжести аппарата

Мв1 = 0,0144· 17,5 = 0,252 МН Мв2 = 0,0147· 10,5 = 0,154 МН Мв3 = 0,0105· 3,5 = 0,037 МН

?Мв = 0,443 МН

10. Расчет аппарата на сейсмическую нагрузку

Величина сейсмической силы в середине i-го участка.

При Н/D < 15

где Кс = 0,05 — сейсмический коэффициент при 8 балах [2c693];

? = 0,55 — коэффициент динамичности;

Кi — относительное перемещение центров тяжести участков;

Gi — сила тяжести i-го участка.

Принимаем, что масса аппарата распределена по высоте равномерно, тогда

Gi = 7,94/3 = 2,65 МН Аi — параметр определяемый по графику [2c.688];

?0 = хi/Н — относительные координаты центров тяжести.

К1= 21· 0,72/3·1,86·105·4,498 + 0,009· 0,83 = 0,748 1/МН· м К2= 21· 0,31/3·1,86·105·4,498 + 0,009· 0,50 = 0,450 1/МН· м К3= 21· 0,04/3·1,86·105·4,498 + 0,009· 0,17 = 0,153 1/МН· м

Предварительно рассчитываем суммы

?GiKi = 2,65(0,748+0,450+0,153) = 0,3 580

?GiKi2 = 2,65(0,7 482+0,4 502+0,1 532) = 2,081· 10−4

Сейсмическая сила в середине каждого участка Р1 = 0,05· 0,55·2,65·0.748·0.3 580/2,081·10−4 = 0,0938 МН Р2 = 0,05· 0,55·2,65·0.450·0.3 580/2,081·10−4 = 0,0564 МН Р3 = 0,05· 0,55·2,65·0.153·0.3 580/2,081·10−4 = 0,0191 МН Расчетный изгибающий момент в нижнем сечении опоры аппарата от сейсмической нагрузки при учете первой формы колебаний

0,0938· 17,5+0,0564·10,5+0,0191·3,5 = 2,301 МН· м Расчетный изгибающий момент в том же сечении опоры с учетом влияния высших форм колебаний Мс1 = 1,25Мс = 1,25· 2,301 = 2,88 МН· м Суммарный расчетный изгибающий момент от сейсмической и ветровой нагрузок Мсум = Мс1 + 0,3Мв = 2,88+0,3· 0,45 = 3,015 МН· м Поскольку ветровая нагрузка на колонну меньше суммарной, то расчет опоры ведем по суммарной нагрузке.

11. Расчет опоры аппарата

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке.

Принимаем толщину цилиндрической стенки опоры S= 20 мм.

Материал опоры сталь Ст 3 ГОСТ 380–88

?в = 380 МПа; ?т = 220 МПа; Е = 2,10· 105 МПа;? = 146 МПа Диаметр опоры равен наружному диаметру аппарата 3,36 м.

Размеры опорного кольца.

Внутренний диаметр кольца

D2 = D — 0,06 = 3,36 — 0,06 = 3,30 м Принимаем D2 = 2,5 м Наружный диаметр кольца

D1 = D + 2S + 0,2 = 3,36+ 2· 0,020 + 0,2 = 3,60 м Принимаем D1 = 3,60 м Опорная площадь кольца

F = 0,785(D12 — D22) = 0,785(3,62 — 3,302) = 1,625 м²

Момент сопротивления опорной площади кольца

W = ?(D14 — D24)/32D1 = ?(3,64 — 3,304)/32· 3,6 = 1,35 м4

Напряжение сжатия в стенке опоры с учетом отверстия для лаза d = 0,5 м

?с = Gmax/[?(D+S) — d](S-C) = 7,94/[?(3,36+0,020) — 0,5](0,020−0,001) = 39,1 МН/м2

Напряжение на изгиб в стенке опоры

?и = М/?(D+S)2(S-C) = 0,450/?(3,36+0,020)2(0,020−0,001) = 0,7 МН/м2

Отношение

D/2(S — C) = 3,36/2(0,032- 0,001) = 54

по этой величине по графику [2c.418] находим коэффициенты:

kи = 0,05; kc = 0,04

Kc = 875? тkc/E = 875· 220·0,05/2,1·105 = 0,046

Kи = 875? тkи/E = 875· 220·0,04/2,1·105 = 0,037

Допускаемые напряжения на сжатие и изгиб в обечайке опоры

?сд = КсЕ (S-C)/D = 0,046· 2,10·105(0,020 — 0,001)/3,36 = 55 МПа

?ид = КиЕ (S-C)/D = 0,037· 2,10·105(0,020 — 0,001)/3,36 = 44 МПа Устойчивость цилиндрической опоры

= 39,1/55 +0,7/44 = 0,73 < 1

устойчивость обеспечена Максимальное напряжение на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору с корпусом аппарата, при коэффициенте сварного шва? ш = 0,7

7,94/0,7?(3,36+0,020)(0,020 — 0,001) + 4· 0,450/0,7?(3,36+0,020)2(0,020- 0,001) = 32,6 МПа < ?сд Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца

7,94/1,625+ 0,45/1,35 = 5,2 МПа < 10 МПа Номинальная расчетная толщина опорного кольца при l = 0,1 м

1,73· 0,1(5,2/146)0,5 = 0,033 мм с учетом прибавки на коррозию принимаем округляя размер s = 0,040 м Наименьшее напряжение на опорной поверхности кольца:

при максимальной силе тяжести аппарата

7,94/1,625- 0,450/1,35 = 4,55 МПа при минимальной силе тяжести аппарата

7,11/1,625- 0,443/1,35 = 4,05 МПа Расчетным является наибольшее по абсолютной величине значение? — при максимальной силе тяжести аппарата, а знак минус указывает на необходимость установки фундаментных болтов.

Общая условная расчетная нагрузка на фундаментные болты Рб = 0,785(D12 — D22)? = 0,785(3,602 — 3,302)4,55 = 7,39 МН Принимаем количество фундаментных болтов z =24, тогда нагрузка на один болт

Рб1 = 7,39/24 = 0,31 МН Расчетный внутренний диаметр резьбы фундаментных болтов

(4· 0,31/?146)0,5 + 0,001 = 0,052 м принимаем болты М54

Диаметр болтовой окружности

Dб = D + 0,12 = 3,36+ 0,12 = 3,48 м

12. Расчет на малоцикловые напряжения

Амплитуда напряжений где? = 3;? = 1,5 — коэффициенты

?Р = Pги — Рр = 27 — 20 = 7

?а = 98· 3·1,5·7/2·20 = 77 МПа Допускаемое число циклов нагружений где, А = 0,45· 105

?А* = max{?A; B/n} = max{77; 72} принимаем? А* = 77 МПа

B = 0,66?в — 0,43?т = 0,66· 325 — 0,43· 163 = 144 МПа

Коэффициенты запаса прочности: n = 2; nN = 10

?N/[N] =[100(12+30+25)+15]/70 779 = 0,095

Условие ?N/[N] < 1 выполняется. Следовательно, нормальная работа колонны в течении всего нормативного срока службы (10 лет) обеспечена.

Список использованной литературы:

1. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник/ Е. Р. Хисматулин, Е. М. Королев, В. И. Лившиц и др. — М.: Машиностроение, 1990. — 384 с.

2. Миронов В. П., Фрякин Н. В. Расчет сосудов. Учебное пособие. Иваново. ИХТИ, 1981. — 94 с.

3. А. А. Лащинский, А. Р. Толчинский Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Л.: Машиностроение.- 1970.