Расчету на механическую прочность от внутреннего избыточного или наружного давления и внешних нагрузок (силы тяжести, ветровых, сейсмических и др.) должны подвергаться все основные элементы аппарата (обечайки, днища, крышки и другие несущие нагрузку детали).
Стандартные узлы и детали при применении их в конструируемом аппарате выбираются на ближайшее большее рудля рабочей температуры и, как правило, на прочность не рассчитываются.
Обычно аппараты работают при однократной статической нагрузке, на которую и производятся все расчеты на прочность элементов, узлов и аппарата в целом.
Для многократных статических нагрузок, если число циклов нагружения (от давления, стесненности температурных деформаций или других воздействий) будет N>103 за весь срок эксплуатации, то рассчитываемые элементы подлежат проверке на усталостную прочность.
Расчет элементов стальных сварных аппаратов производится по предельным нагрузкам, допускающим в отдельных напряженных местах рассчитываемой детали, наряду с упругими, наличие пластических деформаций.
Основные расчетные параметры
Основными расчетными параметрами для выбора конструкционного материала и расчета элементов аппарата на прочность являются температура и давление рабочего процесса.
Температура.
Различают рабочую и расчетную температуры.
Рабочая температура t – это температура содержащейся или перерабатываемой среды в аппарате при нормальном протекании в нем технологического процесса.
Расчетная тамператураtR – это температура стенки для определения физико-механических характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений. Она определяется на основании выполнении теплового расчета или результатов испытаний. В случае невозможности выполнения теплового расчета, а также, если при эксплуатации температура элемента аппарата может повыситься до температуры соприкасающейся с ним среды, расчетная температура принимается равной рабочей, но не менее 20°С. При обогревании элемента открытым пламенем, горячими газами с температурой свыше 250°С или открытыми электронагревателями расчетная температура принимается равной температуре среды плюс 50°С. При наличии у аппарата тепловой изоляции расчетная температура его стенок принимается равной температуре поверхности изоляции, соприкасающейся со стенкой, плюс 20°С. При отрицательной рабочей температуре элемента за расчетную (для определения допускаемых напряжений) принимается температура, равная 20°С.
Давление
Различают рабочее, расчетное, условное (номинальное) и пробное давления.
Рабочее давление р– максимальное внутреннее избыточное или наружное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета гидростатического давления и допускаемого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного устройства (клапана и др.). Если технологический процесс в аппарате протекает при разрежении, то рабочим давлением является вакуум.
Расчетное давление pR– максимальное допускаемое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при максимальной их температуре. Как правило, расчетное давление принимают равным рабочему давлению или выше.
Расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях: если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате может повыситься более чем на 10% от рабочего, то расчетное давление должно быть равно 90% давления в аппарате при полном открытии предохранительного устройства; если на элемент действует гидростатическое давление от столба жидкости в аппарате, значение которого свыше 5% расчетного, то расчетное давление для этого элемента соответственно повышается на значение гидростатического давления.
Рекомендуются следующие расчетные давления для аппаратов:
– с рабочим избыточным давлением р>0,07 МПа, снабженных предохранительными клапанами, ря = 1,1 р, но не менее р + 0,2 МПа для огневзрыво-опасных или токсичных сред и не менее р + 0,1 МПа для остальных сред;
– с рабочим избыточным давлением р >0,07 МПа, снабженных предохранительными мембранами, pR=1,2p;
– с рабочим избыточным давлением р 0,07 МПа, независимо от типа предохранительных устройств и для любых сред, кроме углеводородных фракций и других сжиженных газов: при р = 0,05 – 0,07 МПа – pR = 0,1 МПа; при р <0,05 МПа – pR =0,06 МПа;
– с углеродными фракциями и другими сжиженными газами во всех случаях принимать: для фракций С2pR = 2,0 МПа, для фракций С3 на всасывающей линии pR = 1,6 МПа, на нагнетательной линии pR = 2,0 МПа, для фракций С4pR = 0,6 МПа, для фракций С5pR = 0,3 МПа, для аммиака pR = = 1,6 МПа, для фреона 12 pR= 1,0 МПа, для сернистого ангидрида pR = 0,8 МПа, для хлористого метила pR = 0,9 МПа, для углекислого газа pR = 7,6 МПа;
– работающих без избыточного давления при вместимости аппарата менее 30 м3pR = 0,01 МПа, при вместимости свыше 30 м3pR = 0,005 МПа;
– работающих под вакуумом с остаточным давлением до 0,05 МПа, расчетное наружное давление pR = 0,1 МПа.
Для элементов аппарата с раздельными пространствами, имеющими разные давления, за расчетное давление принимается каждое из них (без учета других). Допускается производить расчет на разность давлений, если при эксплуатации в любом случае обеспечивается наличие давлений во всехпространствах.
Расчетным давлением при испытаниях аппарата является пробное давление.
Условное (номинальное) давление ру– избыточное рабочее давление при температуре элемента аппарата 20°С (без учета гидростатического давления).
Пробное давлениерпр – избыточное давление, на которое аппарат испытывается на прочность и плотность после его изготовления и периодически при эксплуатации.
Допускаемые напряжения
Допускаемое напряжение [ ] при расчете по предельным нагрузкам аппаратов, работающих при статистических однократных нагрузках, определяют в соответствии с ГОСТ
– для углеродистых и низколегированных сталей
;
– для аппаратов из аустенитных сталей
Для условий испытания аппаратов из углеродистых и низколегированных сталей допускаемые напряжения определяют по формуле:
– для аппаратов из аустенитных сталей
.
Для сосудов и аппаратов, работающих в условиях ползучести при расчетном сроке эксплуатации от 104 до 2∙105 ч, коэффициент запаса прочности n равен 1,5. При расчетном сроке эксплуатации 2∙105 ч допускается коэффициент запаса прочности nд принимать равным 1,25, если выполняют контроль жаропрочности и длительной пластичности материала в эксплуатации, а отклонение в меньшую сторону длительной прочности и ползучести от среднего значения не превышает 20%.
Расчет на прочность цилиндрических обечаек и конических элементов, выпуклых и плоских днищ для условий испытания проводить не требуется, если расчетное давление в условиях испытания будет меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на .
При расчете на прочность и устойчивость сварных элементов аппаратов в расчетные формулы вводятся коэффициенты прочности сварных швов, значения которых в зависимости от конструкции шва и условий сварки
Исполнительные или принимаемые при конструировании размеры рассчитываемых элементов, как правило, должны быть больше расчетных на значение прибавки:
s ≥ sR+ c;
Общее значение прибавки
с = с1 + с2 + с3.
Прибавка на коррозию и эрозию с, при проницаемости П < 0,05 мм/год принимается равной 1 мм. При большей проницаемости, а также при двусторонней коррозии с, соответственно увеличивается.
Для материалов, стойких в заданной среде, при отсутствии данных о проницаемости рекомендуется принимать с1 = 2мм. Прибавка на минусовое значение предельного отклонения по толщине листа с2, из которого изготовляется элемент аппарата, принимается по соответствующему стандарту на сортамент.
Технологическая прибавка с3 (при вытяжке, штамповке, гибке и т.д.) учитывается в зависимости от принятой технологии изготовления и не включает в себя округление расчетной толщины элемента до номинальной толщины по стандарту.Прибавки с2 и с3 учитываются только в тех случаях, когда сумма их превышает 5% от расчетной толщины элемента.