Механический расчет кожухотрубчатых ТО

1. Механический расчет начинается с выбора материалов для изготовления нефтезаводского оборудования определяется рядом факторов, которые можно разделить на две группы:

- Зависящие от внешних рабочих условий;

- Связанные со свойствами данного материала.

Руководствуясь общими принципами выбора материалов и учитывая максимальную рабочую температуру, давление и коррозионность среды, выбираем сталь, которая имеет характеристики представленные в [6,221].

2.Подбираем толщину стенки цилиндрической части аппарата.

Цилиндрическая часть теплообменника представляет собой тонкостенный цилиндр. Тонкостенными называют цилиндрические аппараты, толщина стенки которых не превышает 10% внутреннего диаметра. Исполнительную толщину стенки цилиндрической обечайки определяют по формуле:

S=S_p+C;

Где:

(1.36)

Где S_s, S – расчетная и исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки, м;

Р_р – соответственно расчетное давление при гидравлических испытаниях, Па;

D_в – внутренний диаметр обечайки, м;

[σ]_и - соответственно допускаемое напряжение при гидравлических испытаниях, Па;

φ - коэффициент прочности продольного сварного шва;

С – прибавка на коррозию, величину которой принимают в зависимости от коррозионных свойств в пределах 1-6 мм.

При расчете на прочность аппаратов, содержащих взрывопожароопасные и токсичные среды и снабжены предохранительными клапанами, расчетное давление принимают на 10%, но не менее, чем на 0,2 МПа больше технологического. Это позволяет избежать загрязнения окружающей атмосферы и обеспечивает нормальную эксплуатацию технологических установок.

В случае проверочного расчета значение расчетного давления принимается по паспортным данным. Следует отметить, что при механическом расчете аппаратов используют избыточное давление:

P_изб=P-0,1;

И расчетное давление равно:

P_p=P+0,2;

P_p=P+0,1·P;

За расчетное берется большая величина.

Далее проводится расчет величины давления гидроиспытания.

P*=1,25·P_p·([σ]₂₀/[σ]_t);

Где [σ]_t - допускаемое напряжение при рабочей темературе, МПа.

3. Допускаемое напряжение в рабочем состоянии определяют по формуле:

Где η - поправочный коэффициент, учитывающий рабочую среду в апарате;

[σ*] - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре

Допускаемое напряжение при гидравлических испытаниях определяется по формуле:

[σ_u]=[σ_т20]/1,1

Где [σ_т20] – предел текучести стали при +20⁰С, МПa [7, 282].

Примем добавку к расчетной толщине станки для компенсации коррозии с учетом коррозионной среды С, мм.

Определим расчетную и исполнительную толщину стенки обечайки:

(1.37)

Толщина стенки цилиндрической обечайки с учетом прибавки на коррозию равна:

S=S_p+C;

Принимаем ближайшую большую толщину листа по сортаменту S, мм.

Допускаемое внутреннее давление:

- В рабочем состоянии

(1.38)

Должно выполняться условие: P_p<[P].. Расчет толщины стенки эллиптического днища.

Для цилиндрических аппаратов, диаметр которых меньше 4 м, применяют эллиптические днища и крышки (рис 1.).

(1.39)

Для стандартных днищ с R=D_в и Н=0,25D_в толщина стенки днищ близка к толщине стенки цилиндрической обечайки.

В соответствии с рекомендациями [5, 116] выбираем днище 1000-5 ГОСТ 6533-78 со следующими основными размерами:

5. Расчет массы аппарата.

Вес любой части аппарата определяется умножением его объема на удельный вес материала. Определим вес цилиндрической части аппарата:

(1.40)

Где ρ - плотность стали (7500-7900 кг/м³).

Вес днища определим по формуле:

Q_дн=2·m·g; H

Где m, кг, выбирается, исходя из диаметра аппарата D, м и толщина стенки днища δ, мм [2, прил. 10].

Вес воды в аппарате во время гидравлических испытаний определяется по формуле:

Q_в=V_общ·ρ_в; H

Где V_общ – общий внутренний объем аппарата, м³;

ρ- плотность воды (1000 кг/м³).

V_общ=V_цил+2·V_дн,

Где V_дн – внутренняя емкость выпуклой части эллиптического днища, м³;

V_цил – внутренний объем цилиндрической части, м³.

(1.41)

Найдем вес труб:

(1.42)

Вес штуцеров составляет 10% веса аппарата, тогда:

Q_шт=0,1·(Q_ц+2·Q_дн), Н.

Вес теплоизоляции составляет 5-10% минимального веса аппарата, тогда:

Q_т=0,07·(Q_ц+2·Q_дн+Q_шт), Н.

Общий вес аппарата составит:

Q=Q_ц+2·Q_дн+Q_в+Q_тр+Q_шт+Q_т.

6. Расчет опор

При установке горизонтального цилиндрического аппарата на опоры расчетом проверяется прочность и устойчивость корпуса аппарата при действии силы тяжести самого аппарата и его содержимого с учетом возможных дополнительных внешних нагрузок. Расчет корпуса аппарата на изгиб от всех указанных нагрузок производится как у неразрезной балки кольцевого сечения постоянной жесткости, лежащей на соответствующем количестве опор. Наиболее частом в практике химического аппаратостроения являются случаи установки горизонтальных цилиндрических аппаратов на двух и трех опорах.

В этом случае реакции опор определяются по уравнению: PA=PB·Gmax, MH. Где Gmax=Q, МН – общая сила тяжести аппарата с содержащейся в нем средой и вертикальные внешние нагрузки (с учетом их знака). Приведенная длина днища (при заполнении средой в аппарат) определяется по формуле: (1.43) Где g=9,81 м/с2 – ускорение силы тяжести, Gдн=Qдн, МН – сила тяжести днища, Dн, Dв – соответственно наружный и внутренний диаметр цилиндрической обечайки корпуса, м. ρ, ρc - соответственно плотность материала и среды в аппарате, кг/м3. Приведенную длину аппарата определяем по формуле: Lпр=Lц+2·Lдн, м. Где Lц – длина цилиндрической части корпуса, м. Расчетный изгибающий момент от силы тяжести определяем по формуле: σ=Mизг/W, MH/м2. Где W – момент сопротивления поперечного сечения аппарата в м3, определяемый по формуле: W=0,8·D2в·(S-C). Если напряжения малы, на устойчивость корпус не проверяем. Выбираем ширину опоры: B=0,2·Dв, м. Момент сопротивления расчетного сечения стенки корпуса аппарата от действия реакции опоры определяем по формуле: (1.44) Напряжение на изгиб в стенке аппарата от действия реакции опоры определяем по формуле: (1.45) Где Р – реакция опоры, МН. Проверяем условие: σu<[σ]u, Где [σ]u - допускаемые напряжения материала на изгиб, МПа. Если условие не выолняется, то необходимо усилить стенку над опорной накладкой. Требуемый момент сопротивления усиленного сечения элемента стенки определяем по формуле: (1.46) принимаем толщину накладки Sн>S подбором. Расчетную площадь поперечного сечения стенки корпуса определяем по формулe: Fc=[b+8·(S-C)]·(S-C), м2. Расчетную площадь поперечного сечения накладки определяем по формуле: Fн=(b+4·Sн)·Sн,м2. Момент инерции площади Fc определяем по формуле: (1.47) Момент инерции площади Fн определяем по формуле: (1.48) Расстояние от нижней поверхности накладки до центра тяжести площади определяем по формуле: (1.49) Расчетный момент сопротивления, усиленного накладного сечения корпуса определяем по формуле: (1.50) Pначение W должно быть выше, значения до принятия накладки. Следовательно, прочность корпуса аппарата обеспечена. Иначе необходимо подобрать другую толщину прокладки Sн.

7. Расчет на жесткость. Проверка жесткости материала аппарата особенно важна при динамической и переменой нагрузках: гибкий материал аппарата с малым значением EJ легко приходит в колебательное движение, раскачивается. Иногда, наоборот, приходится выбирать тот или иной материал, работающий на изгиб, достаточно гибким, например, когда имеется ударная нагрузка. Из курса «сопротивление материалов» для нахождения прогиба можно воспользоваться правилом Симпсона: Находим реакции RA и RB. ΣMA=-q·2+4·RA=0, RB=q/2, MH, ΣMA=-q·2-4·RB=0, RB=q/2, MH, ΣY=RB+RA-8·q=0. Построим грузовую эпюру Мр следующим образом: Рассмотрим отрезок Х1 (рис. 3.) в интервале от 0 до Х1 м. С помощью уравнений по оси У можно найти значения перерезывающих нагрузок: M=M(X)+q·X2/2=0, M(X)=-q·X2/2, M(0)=0.