Розрахунок і вибір опор

Встановлення хімічних апаратів на фундаменти або спеціальні несучі конструкції виконують за допомогою опор. У залежності від робочого положення апарата розрізняють опори для вертикальних і горизонтальних апаратів.

Вертикальні апарати, як правило, встановлюють або на стійках, коли їх розміщують на фундаментах, або на підвісних лапах, коли апарати опирають на міжповерхове перекриття або на спеціальних конструкціях у приміщенні.

Всі опори для сталевих зварних апаратів стандартизовано. Конструкції опор для вертикальних апаратів та їх розміри наведені в табл. 14.1 – 14.4 [1].

В процесі проектування опори обирають за стандартами у відповідності з величиною навантаження на одну опору , яке визначають за формулою

 

, (5.1)

 

де Z – кількість опор, на які опирається апарат.

– сумарне навантаження на опори від дії ваги апарата та ваги рідини G_рід, якою заповнено апарат (вага води, яка заповнює апарат під час гідравлічних випробувань).

Вага апарата залежить від його об‘єму та товщини стінок, розрахованих у попередньому розділі, які в свою чергу залежать від тиску в апараті та в сорочці , температури стінки, матеріалу та інше. Тому підлягає розрахунку у кожному конкретному проекті.

Вага апарата складається з ваги окремих його елементів: обичайки, кришки, днища, обичайки сорочки, днища сорочки та ваги приводу.

Вагу вала, мішалки, фланців у більшості випадків можна не враховувати, як незначну відносно ваги апарата. Виняток становлять апарати, в яких вага цих елементів перевищує 2500-3000 Н. Тоді

, (5.2)

 

де – вага циліндричної обичайки апарата, розраховується за формулою

 

, (5.3)

 

де – об‘єм металу, що утворює обичайку, розраховується, як різниця зовнішнього та внутрішнього об‘ємів (рис. 5.1)

 

(5.4)

 

r_м=7850 кг/м³ – густина металу (сталі);

g=9,81 м/c² – прискорення земного тяжіння (в технічних розрахунках припускається використовувати приблизне значення g=10 м/c²).

 

 

Рис. 5.1. Конструкція корпусів і стандартних нероз’ємних сорочок вертикальних стальних зварних апаратів; тип 1, з еліпсоїдним днищем і нижнім випуском продукту; тип 2, з конічним днищем .

Вага кришки, розраховується за формулою

 

, (5.5)

де – різниця між зовнішнім і внутрішнім напівеліпсоїдами, що утворюють кришку (днище), м³;

 

, (5.6)

 

де – зовнішній радіус еліпсоїдної кришки (днища), м;

 

= , (5.7)

 

– зовнішня висота кришки (днища), м;

 

. (5.8)

 

Стандартні еліпсоїдні кришки мають Н=0;25D.

Вага напівеліпсоїдного днища розраховується за цими ж формулами, але замість товщини кришки , при розрахунках і – слід додавати товщину стінки днища , прийняту у пункті 4.3.2.2.

Вага конічного днища корпусу апарата (сорочки) розраховується за формулою

 

, (5.9)

 

де – об‘єм металу, що утворює конічне днище, розрахований як різниця об‘ємів зовнішнього та внутрішнього конусів, м³;

 

. (5.10)

 

Для конусів, які мають кут при вершині , а Н=D/2=R;

R_з=R+S_к, а Н_з=Н+S_{к ;} томуформула (5.10) приймає вигляд:

. (5.11)

 

Вага циліндричної обичайки сорочки розраховується за формулою

 

, (5.12)

 

де – об‘єм метала, що утворює сорочку, м³;

 

, (5.13)

 

де Н₁ – височина циліндричної частини сорочки (табл:9:2), м;

 

.

 

Вага днища сорочки в залежності від його форми розраховується за формулами (5.5), (5.6) для напівеліпсоїдних та (5.7), (5.8) або (5.9) для конічних.

Вага приводу визначається за формулою

 

, (5.14)

 

де m – маса приводу, визначена в процесі попереднього опрацювання завдання (див. розділ 4.2).

 

Вага рідини становить , (5.15)

 

де – об‘єм апарата, м³ (згідно з завданням),

=1000 кг/м³ – густина рідини (води).

Отримані значення ваги складових частин апарата підставляють у формулу (5.2) і (5.1) і розраховують навантаження на одну опору . Згідно з цією величиною обирають підвісну опору (лапу) з табл. 14.1 [1] за умовами, що

 

.

 

Після вибору опори (лапи) викреслюють її ескіз і проставляють на ньому необхідні розміри.

Міцність кутових зварних швів, які поєднують ребра опор з обичайкою сорочки апарата, перевіряють на зрізування за формулою

 

, (5.16)

 

де К – висота катета зварного шва, м;

;

l_ш – довжина зварювального шва, м;

l_ш=2∙h опорної лапи;

– припустиме напруження на зрізання, МПа.

5.2. Вибір фланців та розрахунок болтових з‘єднань

5.2.1. Загальні положення

Фланцеве з’єднання – найбільш вживаний в хімічному машинобудуванні вид роз‘ємних з‘єднань, які забезпечують герметичність, міцність, швидке збирання та розбирання, технологічність з‘єднання. Їх застосування для приєднання до апаратів та машин трубопроводів, запірних пристроїв, контрольно-вимірювальних приладів, а також для з‘єднання між собою окремих частин машин та апаратів.

Фланцеве з‘єднання складається з двох симетрично розташованих фланців, ущільнюючого пристрою та кріпильних елементів (болтів або шпильок, гайок та шайб).

Болти дозволяється застосовувати при умовному тиску до 4,0 МПа і температурі до 300°С. За умовним тиском більшим за 4 МПа і температурі вищій за 300^оС застосовують шпильки.

Фланцеві з‘єднання стандартизовані для труб і трубної арматури з Dy=10-1600 мм (ГОСТ 12820-80, ГОСТ 12822-80, ГОСТ 12821-80) і окремо для апаратів з Dy=600-4000 мм (ОСТ 26-426-79, ОСТ 26-427-79). Конструкції стандартних сталевих фланців для трубної арматури і труб див. табл. 13.1; 13.2; 13.3; 13.4 [1].

Фланці до апаратів та штуцерів обирають з відповідних стандартів за умовним проходом Dy та умовним тиском Ру, а матеріали – у залежності від температури, середовища та Ру.

Під умовним проходом слід розуміти номінальний внутрішній діаметр апарата або труби. Умовний прохід позначається буквою Dу, з додаванням його розміру. Наприклад, умовний прохід розміром 200 мм позначають: Dy=200.

Умовний тиск, регламентований ГОСТ 356-80, відповідно якому арматура та з‘єднувальні частини трубопроводів повинні виготовлятись на такі умовні тиски, МПа:

0,1; 0,25; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10;

16; 20; 25; 32; 40; 50; 64; 80; 100.

Умовний тиск позначають літерою Ру з додаванням величини тиску. Наприклад, умовний тиск 6,4 МПа позначають Ру6,4. Умовний тиск слід приймати найближчим до робочого, але більший. Наприклад, якщо робочий тиск середовища Рр=0,7 МПа, то фланець слід приймати з умовним тиском Ру=1,0 МПа.

Частіше використовують площинні приварні фланці ГОСТ 12820-80, фланці з конічною шийкою, приварні до труби впритул ГОСТ 12821-80, вільні фланці на приварному кільці і на відбортованій трубі ГОСТ 12822-80, а також фланці відлиті або ковані разом з трубою.

Фланці литі використовують для литої сталевої або чавунної арматури; плоскі приварні – для зварної арматури; фланці з шийкою рекомендовано використовувати для штуцерів відповідальних апаратів із вуглецевої та легованої сталей, оскільки шийка підвищує міцність фланця і забезпечує якісне зварювання його з трубою. Сталеві вільні фланці на відбортованій трубі (ГОСТ 12822-80) слід використовувати для вхідних штуцерів в апаратах і машинах з алюмінію, міді та інших кольорових металів або кераміки, ферросиліду та інших неметалевих та крихких матеріалів. Крім того, вони рекомендуються до використання з метою економії дефіцитних і дорогих конструкційних матеріалів.

5.2.2. Порядок виконання вибору та розрахунків фланцевих з’єднань

У зв‘язку з тим, що всі фланці стандартизовано, при виконанні проектних робіт, пов‘язаних з використанням будь-яких (круглих) фланців, їх не розраховують, а обирають за відповідними стандартами.

У цьому проекті студенту потрібно, з огляду на конструкцію апарата (роз‘ємний, нероз‘ємний), вирішити питання: треба встановлювати люк-лаз на кришці апарата (нероз‘ємний), чи не треба, зважаючи на те, що апарат роз‘ємний, встановлювати додатково люк-лаз не потрібно.

Якщо виникла потреба встановлювати люк-лаз, необхідний для обслуговування апарата, то його треба обрати з урахуванням робочого тиску в апараті, користуючись Ру ≥ Ра (якщо Ра<Ру, слід прийняти Ру найближче більше від Ра), та Dy люк-лаза, який обирають у залежності від того, де має бути встановлено апарат: у приміщенні чи надворі? Для апаратів, встановлених у приміщенні, діаметри люк-лазів мають бути меншими (400-450 мм), надворі, зважаючи на низькі температури взимку, більші (450-500 мм).

Вибір конструкції люк-лаза виконують згідно з рис.8.4; 8.5 і таблиці 8.2 [1].

Після вибору необхідно зробити ескіз люк-лаза з постановкою всіх розмірів, вказаних у табл. 8.2.

Розміри діаметра болтового кола D_б, діаметра отворів d_o, кількість отворів Z, розміри ущільнюючих поверхонь фланців обрати за таблицями 13.7, 13.8.

Зробити ескіз фланця з нанесенням на ньому всіх необхідних розмірів. Розрахунки виконати для фланцевого з‘єднання люк-лаза за методикою вказаною нижче.

Якщо апарат роз‘ємний, то до нього не потрібен люк-лаз, тому розрахунку підлягає фланцеве з‘єднання корпусу апарата з його кришкою.

Відповідно до ОСТ 26-373-78 загальний порядок розрахунку та конструювання фланцевого з‘єднання такий:

1. За діаметром апарата Da=Dy і умовним тиском Ру≥Ра або за діаметром люк-лаза (для нероз‘ємних апаратів) та Ру≥Ра вибирають конструкцію (плоский приварний або приварний в притул) фланця і, в залежності від Ру, призначають форму ущільнюючої поверхні фланців (з’єднуючий гладкий виступ, виступ-западина або шип-паз). Далі за ОСТ 26-426-79 для площинних приварних або за ОСТ 26-428-79 для приварних впритул, виписують конкретні розміри фланців (Dф, Dб, D1 ……. do, Z).

2. За тиском Ру, температурою середовища t°С, а також враховуючи агресивність середовища обирають конструкцію, матеріал прокладки (табл. 13.24) і її ширину bп (табл. 13.25) [1].

3. Викреслюють ескіз фланцевого з‘єднання, з урахуванням необхідних розмірів елементів з‘єднання.

У зв’язку з тим, що фланці для апаратів стандартизовані та їх геометричні розміри наведені в таблицях стандартів, розрахунки підлягають тільки болтові з‘єднання. Тому метою розрахунку є визначення, з якого матеріалу повинні бути виготовлені болти цього з‘єднання, за умови що напруження, які виникають у болтах під дією внутрішнього надлишкового тиску, мають бути меншими за припустимі напруження вибраного матеріалу в межах наявних температур. Основним критерієм працездатності болтів є .

Для визначення напружень σ, які виникають у болтах фланцевого з‘єднання, необхідно визначити навантаження на болти Рб1 при затяжці з‘єднання (ta=20˚с) за формулою

 

, (5.17)

 

і при робочих умовах (ta>20˚C):

 

, (5.18)

 

де – навантаження, яке діє на фланцеве з‘єднання від внутрішнього тиску , МН;

– сила осьового стискання прокладки, необхідна для забезпечення герметичності з‘єднання, МН;

α – константа жорсткості фланцевого з‘єднання, обирається за таблицею.

Тип фланця	Ру, МПа	Dy, мм	α
Площинні	≤ 0,6 ≤ 0,6 ≤ 1,0 ≤ 1,0 1,0<Py<1,6 1,0<Py<1,6	≤ 1000 > 1000 ≤ 1000 > 1000 ≤ 1000 > 1000	1,3 1,1 1,1 1,25 1,5 1,35
Приварні впритул	1-1,6 1-1,6	< 1500 > 1500	1,1 1,1

 

Для фланців з гумовими прокладками α =1,0.

Dп.ср. = Dп.–bп – середній діаметр прокладки, м;

Dп. – зовнішній діаметр прокладки, м; визначається за табл.13.14 [1];

be – ефективна ширина прокладки, м;

якщо bп≤0,015 м, то ;

якщо м, то ,

b_п – визначають за табл.13.25.

У випадках, коли прокладка встановлюється у з‘єднання типу шип-паз:

 

,

 

m – розрахунковий параметр, який залежить від матеріалу і конструкції прокладки (табл.13.28) [1].

Для визначення напруження у тілі болтів під час монтажу, отримане значення Рб1 ділять на підсумкову площу болтів:

 

, (5.19)

 

а напруження, які виникають у болтах під час експлуатації при підвищеній температурі t˚:

 

, (5.20)

 

де f_б – площа найменшого поперечного перетину одного болта (табл.13.27 [1]), діаметр якого визначається у залежності від діаметра отвору, передбаченому у стандартному фланці (див. ескіз);

z – кількість болтів у фланцевому з‘єднанні (дивись там же).

Після визначення напружень, які виникають у перетинах болтів на стадії монтажу при температурі t=20˚c - σ²⁰, та на стадії експлуатації при заданій температурі – σ^t з таблиці 13.22 [1] обирають матеріал, з якого будуть виготовлені болти, припустимі напруження в якому (при відповідній температурі) будуть більшими або рівними за розраховані σ²⁰ та σ^t.

Висновок:Для забезпечення надійної експлуатації апарата болти необхідно виготовити із сталі (вказати марку сталі), яка має

[σ ]²⁰=…….МПа., що більше за розраховане ,а [σ]^t=………..МПа, що більше за розраховане σ^t,= МПа.