Расчет и проектирование аппарата высокого давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «Машины и аппараты химических и силикатных производств»

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по расчетам и конструированию машин на тему:

«Расчёт и проектирование аппарата высокого давления»

ВЫПОЛНИЛ: студент 4-го курса 2 группы

факультета ХТиТ Кисель А.В.

ПРОВЕРИЛ: Семененко Д.В.

МИНСК 2007

Реферат

Курсовой проект содержит 34 с., 7 рис., 7 табл., 6 литературных источников, иллюстративный материал 1 лист формата A1, 1 лист формата А3, 1 лист формата А4.

ДАВЛЕНИЕ, НАПРЯЖЕНИЕ, ТЕКУЧЕСТЬ, РУЛОНИРОВАННАЯ ОБЕЧАЙКА, ЗАТВОР, ПЛОСКАЯ КРЫШКА, ГОРЛОВИНА.

В курсовом проекте разработана конструкция аппарата, обоснован выбор материала и сварки.

Цель проекта конструирование и расчёт рулонированной обечайки, фланца, крышки, днища, затвора, опорных конструкций.

Содержание

Реферат

Введение

1. Выбор конструкционных материалов

1.1 Поведение материалов при высокой температуре и воздействии коррозионных сред

1.2 Виды коррозии и методы защиты металла АВД

1.3 Основные принципы выбора материалов для изготовления АВД

2. Предварительный расчет толщины стенки аппарата

3. Выбор конструкции и метода изготовления АВД

3.1 Основные элементы АВД

3.1.1 Многослойная обечайка

3.1.2 Уплотнительное соединение с двухконусным кольцом

3.1.3 Шпильки

4. Выбор конструкции крышки и днища

4.1 Горловина

4.2 Крышка

4.3 Днище

5. Проверочный расчет корпуса аппарата на прочность

6. Проверочный расчет корпуса аппарата по характеристическим давлениям

7.1 Определение толщины днища

7.2 Определение допускаемого рабочего давления для днища

7.3 Расчет двухконусного уплотнительного кольца

7.5 Расчет шпилек АВД

7.6 Расчёт геометрических параметров горловины

7.7 Определение толщины крышки

8. Подбор и расчет опоры аппарата

8.1 Определение размеров опорного фундаментного кольца

8.2 Определение параметров фундаментных болтов с анкерой

9. Расчет и подбор штуцеров

9.1 Определение параметров входных и выходных штуцеров

Список используемых источников

аппарат давление коррозионный материал

Введение

Основной целью проекта является разработка документации, необходимой для сооружения промышленного объекта, обеспечивающего выпуск требуемой для народного хозяйства продукции определённого качества в заданном объёме и в установленные сроки с наилучшими технико-экономическими показателями при соблюдении необходимых санитарно-гигиенических условий.

Конструкция аппарата разрабатывается исходя из основных технических требований, предъявляемых к оборудованию и условий его эксплуатации. К числу основных требований относиться назначение и среда, технологическая характеристика (производительность, емкость, поверхность теплообмена, потребляемая мощность, частота вращения ротора и т.д.), параметры технологического процесса (давление и температура), а так же надёжность и безопасность.

К аппаратам высокого давления относятся аппараты, работающие под давлением свыше 10МПа. Толщина стенки корпуса такого аппарата превышает 10% его внутренний диаметр, т.е. коэффициент толстостенности (отношение наружного диаметра к внутреннему) составляет:

Обычно аппараты высокого давления стараются изготавливать малого диаметра, что позволяет получать относительно небольшое усилие от внутреннего давления на крышку аппарата и тем самым обеспечить конструктивное совершенство её элементов уплотнения.

Наиболее предпочтительные отношения диаметра корпуса к его высоте

и

Аппарат состоит из корпуса (совокупности обечайки и днища), крышки, прочноплотного соединения между ними (затвора). Корпуса аппаратов в зависимости от способа их изготовления бывают литые, кованные, сварные и многослойные.

Литые - наиболее просты в изготовлении, однако прочность стенок таких корпусов ? на 40% меньше, чем у кованых, поэтому толщина стенок и масса аппарата значительно увеличиваются по сравнению с кованными.

Сварные - свариваются из штампованных полуцарг, они дешевле кованных и в настоящее время получили большое распространение.

Многослойные корпуса изготавливаются двух типов: витые и рулонированные. Витые - получают путём навивки по винтовой линии узкой профильной ленты на центральную трубу, рулонированные состоят из центральной обечайки толщиной 12-20 мм. из высоколегирующей стали, на которую плотно навёрнуты слои низколегируемой стали толщиной 4-6 мм.

Применение рулонированных аппаратов даёт значительную экономию металла и снижает стоимость их изготовления.

Изготовленные сосуды и аппараты подвергаются гидравлическому испытанию пробным давлением Р_пр.

1. Выбор конструкции материалов

1.1 Поведение материалов при высокой температуре и воздействии коррозионных сред

Технологические процессы, осуществляемые при высоком давлении, протекают, как правило, при повышенной температуре (200…500 ?С); при этом длительность температурного воздействия на металл СТпВД можем достигать 100000 часов и более. В этих условиях свойствах и работоспособность материалов приобретают основное значение, поскольку по прочностным характеристикам сталей при рабочих температурах рассчитывают допускаемые напряжения и срок службы элементов конструкции.

Механические характеристики материалов при повышенной температуре, определенные без учета фактора, могут служит критерием их работоспособности лишь до определенного уровня температур.

Опыт выбора сталей для конструкций ВД показывает, что оценка работоспособности при повышенной температуре по прочности и пластичности и пластичности, определенным при испытаниях металла на кратковременный разрыв (без учета временного фактора), допускается при температуре, ?С, не выше: для углеродистой стали 380; для низколегированной стали 420…450; для аустенитной стали 525. При более высоких температурах эксплуатации прочностные и пластические характеристики сталей следует оценивать с учётом влияния длительности воздействия статических нагрузок и температур. В этих условиях для оценки работоспособности стали используют следующие характеристики:

· Предел длительной прочности - напряжений, вызывающее в условиях ползучести разрушение через заданный промежуток времени;

· Предел ползучести - максимальности, длительно действующее напряжение, при котором деформация достигает некоторого допускаемого значения;

· Максимальную пластичность при разрушении.

Процесс ползучести стали определяется:

Деформацией ползучести - пластической деформацией, полученной деталью за данный промежуток времени;

Скоростью ползучести - пластической деформацией, отнесённой к единице времени;

Условным пределом ползучести у_п- напряжением, на катаром скорость ползучести на установившемся участке кривой ползучести или суммарная деформация ползучести за определённый промежуток времени достигают условленных значений.

Оценка работоспособности металла СТпВД по характеристикам ползучести необходима в случаях, когда нарастающая деформация может нарушить взаимодействие деталей в конструкции. Испытания материалов на ползучесть регламентируется ГОСТ 3248-81.

Для надёжной эксплуатации АВД при повышенных температурах важное значение имеет способность материала длительное время выдерживать без разрушения действие напряжений - длительная прочность. Предел длительной прочности представляет собой напряжение, вызывающее разрушение металла за определённое время испытания при постоянной температуре. Обозначение предела длительной прочности включает температуру испытания (?С) и заданную продолжительность (ч) испытания до разрушения; например у⁵⁷⁰₁₀₀₀₀ - напряжение вызывающее разрушение при t=570?С за 10000ч (ГОСТ 10145-81)

В металле ряда конструктивных элементов СТпВД (шпильках, гайках) с течением времени реализуются релаксационные процессы. Вследствие релаксации в металле снижаются механические напряжения при сохранении первоначальных размеров детали. Скорость протекания релаксационных процессов существенно зависит от эксплуатации конструкции. Механизм релаксации подобен механизму ползучести, так как сущность процесса состоит в частичном переходе первоначально заданной упругости в пластическую. Условия развития пластической деформации в этих процессах существенно различны, так как при ползучести суммарная деформация образца (упругая и пластическая) непрерывно растет, а при релаксации напряжений - остаётся постоянной. Способность материалов противостоять релаксации называется релаксационной стойкостью, которую оценивают отношением у_о/у_к (где у_о - начальное напряжение; у_к - конечное напряжение релаксации).

1.2 Виды коррозии и методы защиты металла АВД

Также необходимо отметить тот факт, что в процессе эксплуатации материал СТпВД может подвергаться как отдельным видам коррозионного воздействия, так и их совокупности.

Коррозия - это разрушение металлов вследствие их взаимодействия (химического или электрохимического) с коррозионной средой.

Виды коррозионного воздействия на металлы крайне разнообразны; их классификация приведена в ГОСТ 5272-68.

При выборе материалов СТпВД и разработке конструктивных и технологических решений следует учитывать возможность коррозии местной (щелевой) - под прокладками, в зазорах, в резьбовых соединениях, ножевой (в зоне сплавления сварных соединений при наличии коррозионных сред), избирательной и равномерной коррозии.

Наибольшую опасность для СТпВД представляют водородная и карбонильная коррозия металлов при повышенных температурах, коррозионное растрескивание под напряжением, межкристаллитная коррозия, азотирование металлов. Именно эти виды коррозии наиболее не благоприятно влияют на работоспособность и надёжность материалов, используемых в СТпВД.

Опасный вид коррозионного разрушения - растрескивание элементов СТпВД из аустенитовых сталей в водных растворах, содержащих хлориды. Основные меры защиты металла СТпВД от коррозионного растрескивания: сведение к минимуму уровня напряжений, снижение местной концентрации напряжений, подбор соответствующих материалов, систематический анализ и контроль содержания кислорода, хлоридов, щелочей в составе рабочей среды.

Металл сосудов высокого давления, установок синтеза аммиака в процессе эксплуатации может подвергаться азотированию. Сущность этого явления состоит в том, что в технологичной азотоводородоаммиачной среде газообразный аммиак диссоциирует при повышенной температуре по реакции NH3-3H+N с образованием атомарного азота. Атомарный азот абсорбируется металлом и диффундирует в его поверхностные слои; взаимодействуя с железом и легирующими элементами стали, он образует нитриды, придающие высокую твёрдость и хрупкость азотированному слою. Азотирование слоя сопровождается значительным увеличением объёма металла. Образовавшийся поверхностный азотированный слой вызывает появление значительных напряжений в материале под азотированным слоем.

Серьёзную опасность для оборудования ВД, эксплуатируемого в химической промышленности, представляют технологические среды, содержащие газообразный водород или его соединения и вызывающие водородную коррозию металла элементов СТпВД.

Водородная коррозия стали происходит в результате гидрогенизации её карбидной фазы водородом, поглощенным металлом в процессе его контакта с водородсодержащими технологическими средами. В результате водородной коррозии меняется структура стали, происходит межкристаллитное растрескивание; прочностные, пластические и вязкостные характеристики стали необратимо ухудшаются, приводя к преждевременным поломкам и разрушениям элементов СТпВД.

Водород становиться химически активным при температуре выше 200 ?С.

Процессу гидрирования карбидной фазы предшествует стадия растворения (абсорбция, «окклюзии») водорода в металле, которая в свою очередь определяется процессами адсорбции молекул газообразного водорода на поверхности и его диссоциацией на атомы.

Интенсивность химического взаимодействия с карбидной составляющей стали зависит от температуры и давления водорода, определяющих его растворимость и концентрацию в металле, и степени легирования стали карбидообразующими элементами.

Способы предотвращения водородной коррозии металла СТпВД, основанные на использовании соответствующих легирующих элементах.

Следует учесть, что применение сталей, легированных хромом, молибденом и другими дорогостоящими компонентами, может значительно повысить стоимость СТпВД, и не всегда применимо по техническим причинам, например из-за отсутствия поковок необходимых размеров из легированной стали.

Защиту стали от водородной коррозии можно реализовать и другим способом. Сущность которого состоит в уменьшении давления водорода в зоне его контакта со сталью при сохранении давления водорода в газовой фазе в соответствии с заданным технологическим процессом. Давление водорода на границе контакта с металлом следует уменьшить до такой величины, при которой количество водорода, растворённого в стали, недостаточно для протекания реакции гидрогенизации карбидной фазы углеродистой или низколегированной стали.

Для уменьшения давления водорода можно футеровать или плакировать сталь металлом, обладающей низкой водородопроницаемостью; при этом необходимо подбирать соотношение толщин защитного слоя и защищаемого материала. Водородопроницаемость определяется комплексом физико-химических процессов, сводящихся к проникновению газа через металл.

1.3 Основные принципы выбора материалов для изготовления АВД

Анализ конструкции и условий эксплуатации СТпВД показывает, что при выборе конструкционных материалов для их изготовления необходимо учитывать следующие факторы:

· назначение и конструктивное исполнение детали, сборочной единицы или изделия;

· условия работы (давление и температура рабочей среды, степень её коррозионной активности), характер приложения нагрузки (статический, малоцикловой, циклический):

· механические характеристики материала при заданных условиях эксплуатации;

· стоимость материала (с учётом экономного использования дефицитных легирующих элементов);

· возможность обеспечения поставки материалов металлургической промышленностью.

Эксплуатация СТпВД связана с повышенной пожаро- и взрывоопасностью, поэтому материалы, применяемые для их изготовления, должны обеспечивать их надёжную работу в течении расчётного срока службы.

При выборе материалов для СТпВД, предназначенных для установки на открытых площадках или в неотапливаемых помещениях, необходимо учитывать влияние на свойства материалов минимальной температуры окружающей среды для данного района в случае, если температура стенки при работе СТпВД может стать отрицательной от воздействия этой среды.

Согласно перечисленным критериям и на основании результатов исследований изменения механических свойств и микроструктуры сталей, а также по рекомендациям [1] произведём выбор конструкционных материалов для всех элементов аппарата в следующей последовательности:

· Рулонная полоса:

Для изготовления рулонной полосы, применяемой для навивки центральных обечаек многослойных АВД, применяют сталь, которая обладает малой чувствительностью к наклёпу, высокой пластичностью и необходимыми механическими свойствами в зоне термического влияния сварных соединений без последующей высокотемпературной обработки. Сталь 12ХГНМФ соответствует всем перечисленным выше требованиям и имеет химический состав:

Таблица 1

С	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	V	Ni	P	S	ГОСТ, ТУ
								Не более
0,1-0,14	0,3- 0,5	0,6- 1,0	0,5- 0,7	0,25- 0,4	0,5- 0,70	0,1- 0,2	0,02- 0,4	0,025	0,01	ТУ 12-105-450-81

· Центральная обечайка и наружный кожух:

Для центральных обечаек и наружных кожухов рулонированных АВД применяют листовой прокат из низколегированных сталей повышенной прочности со стабильными механическими свойствами в широком температурном интервале и хорошей свариваемостью.

Для центральной обечайки применяем Сталь 12Х18Н10Т которая относится к аустенитовым сталям химический состав, (содержания элементов в %) которой составляет:

Таблица 2

С	Si	Mn	Cr	Ni	Ni	P	S	ГОСТ, ТУ
						Не более
<0.12	<0.8	<2.0	17.0…19.0	9.0…11.0	0,9-11.0	0.035	0.020	ТУ 14-1-1154-74

Сталь поставляют в рулонах, готовых для процесса навивки рулонированных обечаек, с гарантированными показателями качества.

Температура кожуха рулонированной обечайки будет значительно ниже рабочей в связи с тем, что он обдувается наружным воздухом, то рекомендуется принимать Сталь 09Г2С-З:

Таблица 3

С	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	V	Ni	P	S	ГОСТ, ТУ
								Не более
0,12	0,15- 0.8	1,3- 1,7	<0.3	-	<0.3	-	-	0.035	0.04	ГОСТ 5520-79

· Концевые элементы (крышка, горловина):

Для изготовления поковок применяют углеродистые (спокойные), низко-, средне- и высоколегированные стали, выполненные в мартеновских или электрических печах, а также полученные способами электрошлакового переплава.

Макроструктура травленной поверхности поковки не должна иметь трещин, флокенов, усадочных раковин и др.

Для крышки, днища, а так же горловины будем использовать Сталь 20Х2МА:

Таблица 4

С	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	V	Ni	P	S	ГОСТ, ТУ
								Не более
0,18- 0,24	0,17- 0.37	0,3- 0,7	2,1- 2,4	0,25- 0,35	0,3- 0,7	-	-	0.03	0.03	ТУ 3-811-74

· Детали резьбовых соединений:

Для обеспечения нормального свинчивания гайки и шпильки следует изготавливать из сталей разных марок.

Для шпилек принимаем Сталь 25Х1МФ, для гайки Сталь 25Х1МФ с меньшей твёрдостью чем шпилька (? на 12 НВ).

Физико-механические свойства для выбранных сталей при температуре t=500°С представлены в сводной таблице материалов:

Таблица 5

Наименование детали	Марка материала	ГОСТ или ТУ	Механические свойства, МПа
			у20в	уtв	у20т	уtт
Крышка	20Х2МА	ТУ 3-811-74	600	425	450	270
Обтюратор	02Х18Н13				345
Горловина	20Х2МА	ТУ 3-811-74	600	425	450	270
Обечайка центральная	12Х18Н10Т	ТУ 14-1-1154-74	540	420	240	170
Лента рулонная	12ХГНМФ	ТУ 12-105-450-81	700	350	500	600
Кожух	09Г2С-З	ГОСТ 5520-79	480	370	330	170
Днище	20Х2МА	ТУ 3-811-74	600	425	450	270
Шпильки	25Х1МФ		784	600	637	440
Гайки	25Х1МФ		784	600	637	440

где у²⁰_в; у^t_в - временное сопротивление разрыву при температуре +20°С и при расчётной температуре соответственно.

у²⁰_т; у^t_т - предел текучести при температуре +20°С и при расчётной температуре соответственно.

2. Предварительный расчет толщины стенки аппарата

Результаты исследований многослойных сосудов до разрушения показывают, что они равнопрочные монолитным сосудам из материалов с таким же механическими свойствами. В действительности при использовании одинаковых марок сталей прочность многослойных сосудов несколько выше вследствие применения тонкого листа более высокими механическими свойствами.

Толщину стенки многослойных сосудов рассчитывают в предположении, что разрушение происходит одновременно по всей толщине стенки.

Расчёт распространяется на цилиндрические многослойные обечайки, изготовленные из листов, с концентрическим или спиральным расположением слоёв.

Расчётная схема представлена на рис.1.1.

Расчёт ведётся по следующей методике:

1. По механическим свойствам слоёв принимают приближённое значение [у_ср1]

2. Находим расчётную приближённую толщину стенки S_расч1

3. Находим уточнённое значение [у_ср2]

4. Уточняем расчётную толщину стенки S_расч2

5. Вычисления повторяют до совпадения допускаемых напряжений с точностью до 0.5 МПа.

6. Определяем испытательную толщину обечайки

Согласно описанной методике найдём приблизительное значение [у_ср1]

При изготовлении сосуда из различных материалов, определение [у] должно проводиться по средним механическим свойствам:

где [у]_ц - допускаемое напряжение для центральной обечайки.

[у]_с - для спиральных слоёв (рулонной полосы).

[у]_к - для наружного кожуха.

Допускаемое напряжение материалов многослойной обечайки определяют по формуле:

где n_в=2,4 - коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению разрыву.

n_m=1.5 - коэффициент запаса прочности по пределу текучести таким образом получим:

Для материала центральной обечайки:

Мпа

Для материала спиральных слоёв

Мпа

Для материала наружного кожуха:

Мпа

Среднее приближённое, допускаемое напряжение составит:

Мпа

Расчётная толщина многослойной цилиндрической обечайки определяется по формуле:

где D = 1200 мм - внутренний диаметр центральной обечайки без футеровки.

P = 22 МПа - расчётное давление

у_ср - среднее допускаемое напряжение, МПа.

ц = 1 - коэффициент прочности сварного шва.

При проектировании сосудов, как правило, толщины центральной обечайки S_ц и наружного слоя (кожуха) S_к принимают конструктивно, а все остальные слои изготавливают из одного материала.

Приближение 1

Принимаем:

S_сл = 5мм - толщина рулонной ленты.

n_сл = 16 - количество слоёв спиральной навивки.

S_с=S_сл*n_сл=5*16=80 мм - толщина спиральной навивки.

S_ц=20 мм - толщина центральной обечайки.

S_к=10 мм - толщина наружного кожуха.

S_с +S_ц +S_к = 110мм < S_расч1=116.308 мм

Уточнённое значение у_ср составит:

Уточняем толщину стенки S.

При таком значении у_ср2 расчётная толщина корпуса аппарата составит:

Приближение до 0.5 МПа составит:

Приближение 2.

Принимаем:

S_сл = 5мм - толщина рулонной ленты.

n_сл = 15 - количество слоёв спиральной навивки.

S_с=S_сл*n_сл=5*15=75 мм - толщина спиральной навивки.

S_ц=20 мм - толщина центральной обечайки.

S_к=10 мм - толщина наружного кожуха.

Уточнённое значение уср составит:

Уточняем толщину стенки S

При таком значении уср3 расчётная толщина корпуса аппарата составит:

Дальнейшее приближение не имеет смысл т.к.

Испытательная толщина многослойной обечайки с учётом прибавок определяется по формуле:

при

С - сумма прибавок к расчётной толщине, мм.

- прибавка для компенсации коррозии

- прибавка для компенсации минусового допуска при изготовлении

- технологическая прибавка (для рулонированных сосудов толщина одного дополнительного слоя).

К проекту принимаем исполнительную толщину цилиндрической части кованого фланца и днища S=120 мм.

3. Выбор конструкции и метода изготовления АВД

Аппараты высокого давления широко используют в различных химических и нефтехимических производствах (аммиака, метанола, карбамида и т.д.), при получении искусственного кварца и других продуктов.

Конструкции сосуда высокого давления определяются требованиями химико-технологического процесса, эксплуатационными параметрами и характеристиками (давление, температура, свойство рабочей среды, режим работы), производительностью, мощностью и оснащённостью технологическим оборудованием заводом изготовителем, условиями транспортирования и монтажа.

Потребность химической и нефтехимической промышленности в крупногабаритных толстостенных и более экономичных АВД привела к созданию многослойных конструкций их корпусов.

Многослойные АВД более экономичны из-за значительно меньших удельных потерь металла при изготовлении, меньшей толщины стенки и общей массы корпуса, в следствии применения более высокопрочных однородных материалов, а также меньшей трудоёмкости. Кроме того во многих случаях отпадает необходимость в проведении трудоёмкой и дорогостоящей термообработки сварных швов, соединяющих многослойные обечайки между собой и с монолитными элементами.

Существенным преимуществом многослойных АВД является их большая безопасность. Наличие контрольных отверстий, проходящих в многослойной стенке до центральной обечайки, позволяет своевременно обнаружить утечки рабочей среды и остановить сосуд для ремонта. Применение в конструкции тонкого листа из высокопрочной стали с однородной структурой, повышенной пластичностью делает всю конструкцию боле надёжной. Любой дефект или трещина локализуется в одном слое и не развивается на всю толщину стенки, как это бывает в монолите.

Разрушение многослойных АВД имеют пластический характер, без осколков и с меньшими последствиями.

Основной отличительной особенностью многослойной стенки корпуса любой конструкции является то, что в процессе изготовления в такой стенке создаются предварительные напряжения сжатия за счёт обтягивания, обжатия внутренних слоёв наружными. В рабочих условиях, когда в АВД подаётся давление, возникающее в стенке
растягивающие напряжения гасятся созданными при изготовлении напряжениями сжатия, что выравнивает уровень напряжений по всей толщине стенки АВД и позволяет работать ей более равномерно. Однако этот положительный эффект снижается в следствие повышенной податливости стенки из-за неплотности прилегания слоёв, ведущей к повышению напряжений на внутренней поверхности и в зонах стыка с однослойным элементом.

К общим недостаткам многослойных АВД относятся:

Большое количество массивных кольцевых швов в соединениях «многослой - многослой» и «пногослой - паковка», в которых из-за сочетания различных конструкционных и сварных материалов возможно появление дефектов;

Зазоры между слоями и пониженная теплопроводность стенки, что вызывает некоторые ограничения по числу циклов нагружения давлением и температурой, скорости подъёма и сброса температуры, возможности работы с наружным обогревом.

3.1 Основные элементы АВД

Рулонированный сосуд высокого давления имеет корпус из одной или нескольких многослойных рулонированных обечаек, сваренных между собой и с концевыми элементами корпуса кольцевыми сварными швами. Концевые элементы корпуса выполнены из поковок или штамповок.

Детально рассмотрим конструктивное оформление АВД.

3.1.1 Многослойная обечайка

Многослойная рулонированная обечайка (рис. 3.1), называемая в практике «многослойная царга», содержит центральную обечайку (толщина которой должна быть не менее суммы толщин 3-х слоёв спиральной навивки) и закрепленную на ней клиновую вставку, к которой приварена рулонная полоса (толщиной 4-6 мм). Рулонная полоса наматывается по спирали Архимеда до необходимого размера. Конец полосы приваривают к последнему слою по кривой линии (для снижения напряжений), а затем накладывают ещё одну клиновую вставку (для придания округлости формы). Снаружи вся царга закрыта защитным кожухом суммарной толщиной не менее 2-х слоев спиральной навивки.

Число спиральных слоёв в многослойной рулонированной обечайке должно быть не менее семи без учёта клиновых вставок.

Для защиты от коррозии центральная обечайка может выполняться из биметалла с плакирующим слоем или целиком из листа, обладающего коррозионной стойкостью против соответствующей рабочей среды.

Рисунок 3.1 Расчётная схема многослойной обечайки АВД

3.1.2 Уплотнительное соединение с двухконусным кольцом

Это соединение широко используется в промышленности с 1940г. Уплотнительное кольцо (рис. 3.2) представляет собой стальное кольцо с сечением в виде равнобокой трапеции. Конические уплотнительные поверхности кольца прилегают в рабочих условиях к коническим поверхностям корпуса и крышки.

Рисунок 3.2 Расчётная схема обтюратора

В затянутом состоянии с внутренней стороны кольцо по всей высоте охватывает цилиндрический выступ крышки. В свободном состоянии между внутренней поверхностью кольца и выступом крышки имеется зазор, величину которого определяют из условия обеспечения упругой работы кольца при наличии значительных сжимающих кольцевых напряжений, возникающих в результат затяжки соединения. Для облегчения доступа рабочей среды в зазор, когда затянутое кольцо прижато к поверхности ограничительного выступа крышки, на последнем выполняют кольцевые и продольные канавки. Уплотнительное кольцо поджато к крышке прижимным кольцом или выступом расположенного на наружной цилиндрической поверхности уплотнительного кольца. Геометрические размеры прижимного кольца и выступа принимают конструктивно.

3.1.3 Шпильки

Наиболее распространены в качестве крепёжных деталей ЗСВД являются шпильки (рис. 3.2), ввёрнутые одним концом в резьбовые гнёзда. Шпилечное крепление крышки к корпусу сосуда предусмотрено действующими нормативными документами (РД РТМ 26 01-126-80, ГОСТ 26303-84). Размеры, форма, резьба, предельное отклонения и параметры шероховатости поверхностей должны соответствовать ОСТ 26 01-139-81 … ОСТ 26 01-143-81.

Рисунок 3.3 Расчётная схема шпильки

4. Выбор конструкции крышки и днища

4.1 Горловина

Учитывая, что проектируемый сосуд будет эксплуатироваться при высоких рабочих параметрах (расчетный срок службы 20 лет), с целью обеспечения надёжной герметичности при эксплуатации, снижения металлоемкости и простотой изготовления применяем горловину (рис. 3.3) с внутренним уплотнительном диаметром крышки = Ш800 мм, что позволит снизить вес крышки, уменьшить количество и диаметр шпилек, а также усилие затяжки. Все это в конечном итоге приведёт к снижению общей себестоимости аппарата и меньшим трудозатратам при ремонтах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.4 Расчётная схема горловины АВД

4.2 Крышка

Для АВД малых и средних диаметров при наличии у изготовителя поковок широко применяются плоские крышки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.1 Расчётная схема плоской крышки

4.3 Днище

В аппаратах высокого давления применяют в основном плоские днища, это целесообразно как экономически так и по простоте в изготовлении.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.2 Расчётная схема днища АВД

5. Проверочный расчет корпуса аппарата на прочность

Суммарные напряжения по первой теории прочности с учётом температурных напряжений составляют:

где - кольцевые напряжения на внутренней поверхности сосуда.

- температурные напряжения в тангенциальном направлении на внутренней поверхности сосуда.

Кольцевые напряжения на внутренней поверхности сосуда определяют:

где - расчётное давление

- наружный радиус сосуда

- внутренний радиус сосуда

Температурные напряжения в тангенциальном направлении на внутренней поверхности сосуда определяют:

где E - модуль упругости, МПа

б =13,3*10^-6 - температурный коэффициент линейного расширения

м = 0.3 - коэффициент Пуассона

?T=T_в-T_н=30 °С - температурный перепад по толщине стенки

Максимально допускаемое давление определяется по формуле:

где n=3 - число слоёв стенки сосуда.

- коэффициент толстостенности

у_а - среднеарифметическое допускаемое напряжение

Мпа

у_г - среднегеометрическое допустимое напряжение

Допускаемое давление для корпуса аппарата определяется по формуле:

где - расчётное допускаемое напряжение

ц = 1 - коэффициент прочности сварного шва

в = 1.2 - коэффициент толстостенности

Проверка:

[P]=24.896 ? P_раб=22

т.е. условие выполняется.

6. Проверочный расчет корпуса аппарата по характеристическим давлениям

Помимо разрушения при достижении допускаемых напряжений из-за ползучести в расчёт вводятся три характеристических давления.

При заданных давлениях и температурах в металле появляется трещина на внутренней поверхности. Это соответствует 1-му характеристическому давлению:

где в - коэффициент толстостенности,

у_Т - температурное напряжение, у_Т =54.292 МПа,

МПа

[P]=24.896 ? P₁=9.578

С течением времени трещина распространяется от внутренней поверхности к наружной и в основном металле появляется 2-ое характеристическое давление, соответствующее пределу упругого сопротивления:

где ув =136.548 МПа,

[P]=24.896 ? P₂=23.747

Трещина распространяется от внутренней поверхности к наружной, что характеризуется 3-им характеристическим давлением, которое называется критическим и соответствует пределу пластического сопротивления:

[P]=24.896 ? P₃=24.01Мпа

Все условия на прочность по 3-ём характеристическим давлениям выполняются, следовательно расчёт был выполнен правильно.

7. Расчет крышки и днища на прочность

7.1 Определение толщины днища

Принимаем плоское днище конструкции и формы согласно рис.4.2.

Расчётную толщину плоского днища следует рассчитывать по формуле

где К₀ - коэффициент ослабления днища неукреплёнными отверстиями для плоских днищ всех типов с одиночным центральным отверстием:

d₀=0.05м - диаметр сквозного отверстия

D_расч - расчётный диаметр

r - радиус закругления

D - внутренний диаметр аппарата

P=22 МПа - рабочее давление

[у] - допускаемое напряжение материала днища (20Х2МА) определяют по формуле

где n_в=2,4 - коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению разрыву.

n_m=1.5 - коэффициент запаса прочности по пределу текучести

С - сумма прибавок к расчётной толщине, мм.

- прибавка для компенсации коррозии

- прибавка для компенсации минусового допуска при изготовлении

- технологическая прибавка.

таким образом получим:

К проекту принимаем исполнительную толщину плоского днища S_дн=0.175 м

7.2 Определение допускаемого рабочего давления для днища

Допускаемое рабочее давление на плоскую крышку определяется по формуле

Данный расчёт применим для плоских днищ при условии

- условие выполняется

Высоты отдельных конструктивных частей днища согласно [1] принимаем:

принимаем h₁=0.3м

принимаем h₂=0.180м

7.3 Расчет двухконусного уплотнительного кольца

Расчётная схема двухконусного обтюратора представлена на рис.3.2.

Геометрические размеры кольца принимаем согласно [1] и представлены в табл.6.

Таблица 6

D

h1

h2

b

D0

t

t1

t2

t3

R1

R2

R3

0.6м

0.060м

0.030м

0.030м

0.561+0.110м

4мм

5мм

6мм

0.5мм

2мм

4мм

1мм

Средний диаметр Dcp уплотнительной поверхности обтюратора:

где г = 30° - угол конуса уплотнительных поверхностей (угол между осью вращения детали и образующей уплотнительной поверхности).

Расчётная ширина уплотнительной поверхности L_p определяется по формуле:

Диаметральный зазор д между внутренней поверхностью кольца и наружной поверхностью упора крышки

где E₀²⁰ = 20*10⁵- модуль упругости материала при температуре 20 °С

Диаметр наружной поверхности упора крышки

Высота кольца по средней линии уплотнительной поверхности

Внутренний диаметр прокладки принимаем:

7.4 Расчёт усилий действующих на крепёжные элементы в рабочих условиях

Расчётная сила, действующая на крепёжные элементы в рабочих условиях:

где Q_д - равнодействующая внутреннего давления P на крышку

Q_в - осевая составляющая равнодействующей внутреннего давления на уплотнительной кольцо

Таким образом получим:

7.5 Расчет шпилек АВД

Расчётная схема шпилек представлена на рис.3.3.

Расчётный диаметр стержня шпильки определяется по формуле:

где K₂=1.1 - коэффициент учитывающий наличие тангенциальных напряжений возникающих при в шпильке при затяжке.

K₃=1.5 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между шпильками.

Q=*10⁶ Н - расчётное усилие, действующее на все шпильки (определяется по соответствующим формулам п.7.4., данного курсового расчёта).

z=16 - число шпилек в затворном узле

d₀ = 18 мм - диаметр центрального отверстия в шпильке (выбирают конструктивно по ОСТ 26 01-139-81)

Учитывая то, что шпилька удалена от источника тепла и частично обдувается воздухом, то принимаем допустимые напряжения для резьбового соединения шпилька-гайка:

при t=300 °С

получаем:

Конструктивно принимаем шпильку с резьбой 76х6, имеющую d=76мм и d_sr=68мм - внутренний диаметр резьбы

Проверка:

Нагрузка выдерживаемая одной шпилькой:

Q_1шп=F_шп*у_шп=3630*293,33=1064740.967Н

Нагрузка (усилие) удерживаемое всеми шпильками

Q_16шп=Q_1шп*Z=1064740.967*16=17035855.5Н

Q_16ш>Q

17035855.5Н > Н

Окончательно принимаем 16 шпилек с резьбой М76х6

Минимальный шаг между шпильками определяется из условия:

мм

7.6 Расчёт геометрических параметров горловины

Конструкция и расчётная схема горловины представлена на рис.3.4.

Диаметр окружности центров шпилек определяется по формуле:

где D=600мм - диаметр горловины без футеровки

d_в = 76 мм - наружный (внешний) диаметр резьбы без футеровки

z=16 - количество шпилек

Конструктивно принимаем D₃=900мм

Наружный диаметр горловины определяется из условия:

Принимаем D₂=1440мм

Расчётная толщина горловины определяется по формуле:

где K₀ - коэффициент ослабления

D_r = 1200мм - расчётный диаметр горловины без футеровки

P=22МПа - расчётное давление

[у] - допускаемое давление материала горловины, МПа

Коэффициент ослабления К₀ определяется по формуле:

где di - диаметр отверстия в горловине, мм

Для несквозного отверстия, гнездо под шпильку М85х6 - расчётный диаметр определяется неравенством:

где d₃=76мм - диаметр несквозного отверстия

- глубина несквозного отверстия

мм принимаем l=125мм

Тогда сумма диаметров отверстий составит:

Допускаемые напряжения для материала горловины определяют по формуле:

Так как внутренняя поверхность горловины защищена футеровкой и в неравенстве

С - сумма прибавок к расчётной толщине, мм.

Принимаем исполнительную толщину горловины S₁ = 280 мм.

7.7 Определение толщины крышки

Конструкция и расчётная схема плоской крышки приведены на рис.4.1.

Расчётная толщина крышки определяется по формуле:

где D_r=D_cp = мм - средний диаметр уплотнительной поверхности

P =22МПа- расчётное давление

D₃=900 мм - диаметр окружности центров шпилек

D₄ - наружный диаметр крышки

d₀=80мм - диаметр отверстия под шпильку (в связи с проблемами монтажа).

d₁=80 мм- диаметры отверстий в крышке (принимаем технологически)

F_в - расчётное усилие, действующее на шпильку

F_Q - осевая сила от действия среды на крышку

F_в=Q_д = *10⁶ Н

F_Q=Q = *10⁶ Н

D₄ = 1060мм

Допускаемые напряжения для материала крышки определяют по формуле:

Принимаем H₃=140мм

8. Подбор и расчет опоры аппарата

Высокие вертикальные аппараты нефтеперерабатывающих заводов, как например, ректификационные колоны, испарители, реакторы и др., устанавливают на открытом воздухе.

Опоры таких аппаратов чаще всего выполняют в виде цилиндрической обечайки, приваренной к корпусу, фундаментного кольца из полосовой стали, приваренного к опорной обечайке.

Цилиндрическую опору аппарата крепят в таких случаях к рабочей части корпуса цилиндрическим сварным швом.

Расчёт опорных частей вертикальных аппаратов на их устойчивость сводится к определению:

· размеров опорного фундаментного кольца,

· количества и диаметра фундаментных болтов,

· проверке устойчивости цилиндрической опоры и прочности сварного шва, соединяющего опору с рабочей частью корпуса.

8.1 Определение размеров опорного фундаментного кольца

Высота сварного шва:

мм

Расчётные диаметры расчётных поверхностей (опорных колец):

Внутренний диаметр кольца принимаем D_вн=1110мм.

Внешний диаметр опорного кольца принимаем 1400мм.

В расчётных формулах K₀ = 0.12

Высота опоры принимается согласно Н=0,15*Н_{колонны}, но не менее шести рабочих температур в днище.

Н=0,15*2800=420 мм.

Высоту лап h₀ принимаем обычно в пределах 0,15*Н < h₀ <0.25*H.

Принимаем h₀ = 100 мм

Опорные лапы аппарата: 1 - ребро; 2 - накладка; 3 - шайба

Рис. 8.1

Толщина верхней накладки или кольца (табл.14.11[1]):

S_р=10мм

8.2 Определение параметров фундаментных болтов с анкерой

Расчёт требует предварительного выбора количества болтов и назначения их диаметра. Согласно [1]:

Таблица 7

Диаметр аппарата D, мм	Диаметр фундаментного болта с анкерой d, мм	Количество болтов при высоте аппарата Н, мм
		<10	10-15	15-20
1200-1600	30	6	10	12

9. Расчет и подбор штуцеров

Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле:

d ? d₀-2C

d₀ = 0.25

d₀ = 0.25

d ? 95-2*10=75 мм

Принимаем ближайший стандартный d=60 мм

Следовательно все предохранительные клапана и ряд мелких одиночных штуцеров диметр которых меньше d₀ не требуют укрепления (ГОСТ 24755-89 (СТ СЭВ 1639-88))

9.1 Определение параметров входных и выходных штуцеров

К расчету принимаем штуцер с поясом уплотнения варенный в цилиндрическую обечайку.

Обоснование выбора данного штуцера приведено в таблице 9.1.

Таблица 9.1

Тип и исполнение	Обозначение стандарта	Пределы применения	Допускаемая рабочая температура
		Pу, МПа	Dу, мм	От	До
Штуцера с поясом уплотнения	ОСТ 26-1412-76	16-24	60	-70	+550

Принимаем диаметр штуцера 60 мм.

Вылет стандартного штуцера ОСТ 26-1412-76 Н=200мм

Толщина стенки штуцера S_t=20 мм

Список используемых источников

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

2. ГОСТ 25215-82 - Сосуды и аппараты высокого давления. Обечайки и днища. Нормы и методы расчёта на прочность. Издание официальное от 01.07.83.

3. ГОСТ 24756-81 - Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность.

4. ГОСТ 14249-89 - Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность. Издание официальное от 01.01.90.

5. ОСТ 26-1046-87 - Сосуды и аппараты высокого давления. Нормы и методы расчёта на прочность. Издание официальное от 01.01.88.

6. Плудек В. Защита от коррозии на стадии проектирования: Пер. с англ. / Под ред. А.В.Шрейдера. М.: Мир, 1980.

Размещено на Allbest.ru

...