Практическая работа по дисциплине «Конструирование и расчет машин и аппаратов отрасли» для СибГУ

Практическая работа 1 Расчет элементов тонкостенных сосудов и аппаратов   Тонкостенные сосуды и аппараты: — толщина стенки не превышает 10 % внутреннего диаметра; —  эксплуатируются при давлении не более 10 МПа. Основной узел аппарата — корпус, определяет форму, размеры, объем, производительность и стоимость аппарата. Надежность работы аппарата зависит от надежности его корпуса, т.к он изолирует обрабатываемую среду, подвергаясь ее химическому воздействию и воспринимая при этом механические и тепловые нагрузки. Корпус аппарата состоит из пластинок и оболочек различной конфигурации, соединенных друг с другом : —  неразъемными (сварными, паяными) соединениями, — разъемными (фланцевыми и др.) соединениями. Корпус работает: — в условиях статических нагрузок под внутренним избыточным давлением, — под вакуумом; — под наружным избыточным давлением, — при действии осевых или поперечных усилий и изгибающих моментов. Рабочее давление р — максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или другого предохранительного устройства. Условное (номинальное) давление Р_у — наибольшее избыточное рабочее давление при температуре рабочей среды 20°С, при котором обеспечивается заданный срок службы соединений трубопроводов и арматуры, имеющих определенные размеры, обоснованные расчетом на прочность при выбранных материалах и характеристиках прочности их при температуре 20°С. ГОСТ 26349-84 определяет параметрический ряд номинальных давлений, состоящий из 27 параметров от 0,1 до 1000 кгс/см², давления менее 0,1 кгс/см² определяется по ГОСТ 8032-56. Например: 0,1 0,25 0,4  0,6  1 1,6  2,5  4 6 6,4 10 16 20 кгс/см². Гидростатическое давление  — давление столба воды над условным уровнем. Расчетное давление р_р определяется по формуле Р_Р = Р + Р_г где р_г — гидростатическое давление среды. Если (р_г/р) 100 % ≤ 5 %, то р_р = р. Для литых стальных сосудов и аппаратов, работающих при давлении, не превышающем 0,2 МПа, расчетное давление следует принимать равным 0,2 МПа. Пробное давление р_u — максимальное избыточное давление, создаваемое при гидравлических (пневматических) испытаниях. Его величина регламентирована Госгортехнадзором и указана в табл. 1. Пробное давление р_u принимается для сосудов и их элементов работающих: — при отрицательной температуре, р_u  таким же, как при температуре 20 °С, — для сосудов, работающих при температуре стенки от +200 до +400 °С, р_u  не должно превышать более чем в 1,5 раза, — при температуре свыше +400 более чем в 2 раза, — для сосудов высотой более 8 м пробное давление с учетом гидростатического давления в рабочих условиях, т. е. р_u определяют по табл. 1, где вместо р принимают р_р. Таблица 1 — Условия проведения гидравлических испытаний

Сосуды	Рабочее давление р, МПа	Пробное давление рu, МПа
Все, кроме литых	< 0,5	но не менее 0,2
Все, кроме литых	≥ 0,5	но не менее Р+0,3
Литые	не зависит от р	но не менее 0,3
Примечание: [σ]20, [σ] – допускаемые напряжения для материала сосудов или его элементов соответственно при температуре 200С и рабочей температуре

  Расчетная температура стенки t определяется на основании тепловых расчетов или результатов испытания. В случае невозможности проведения расчетов и испытаний: — при положительных температурах t = max (t_c; 20 °С), где t_c — наибольшая температура среды; — при отрицательных температурах t = 20 °С. Допускаемое напряжение при статических  нагрузках: для рабочего состояния                [σ] =ƞ·σ*, где σ* — нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре; ƞ — поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки;   Значения поправочного коэффициента ƞ в зависимости от вида заготовки: Листовой прокат                                                                                                              1,0 Отливки, подвергающиеся индивидуальному контролю неразрушающими методами       0,8 Отливки, не подвергающиеся индивидуальному контролю                                            0,7   при испытаниях:     гидравлических — [σ]_и = σ_т20/1,1; пневматических — [σ]_и = σ_т20/1,2, где σ_т20 — минимальное значение предела текучести при температуре +20 °С (см. Михалев, приложении табл. I—VI). Нормативное допускаемое напряжение — для углеродистых и низколегированных сталей приведено в Михалеве табл. 1.2, — для теплостойких и кислотостойких сталей — в табл. 1.3, — для алюминиевых сплавов — в табл. 1.4, — для меди и ее сплавов — в табл. 1.5, — для титановых сплавов — в табл. 1.6. Для марок сталей, не указанных в табл. 1.2 и 1.3, нормативное допускаемое напряжение определяют по формуле: [σ] = min где σ_т — минимальное значение предела текучести при расчетной температуре; σ_в — минимальное значение временного сопротивления (предела прочности) при расчетной температуре; σ_{д 10}⁵ — среднее значение предела длительной прочности за 10⁵ ч при расчетной температуре; σ_{1% 10}⁵  —  средний 1 %-ный предел ползучести за 10⁵ ч при расчетной температуре; п_т, п_в, п_д, п_п — коэффициенты запаса прочности по пределам соответственно текучести, прочности, длительной прочности и ползучести, п_т =1,5; п_в =2,4; п_а =1,5; п_п =1. Расчетные значения модуля продольной упругости Е в зависимости от температуры для углеродистых и легированных сталей, алюминиевых, медных и титановых сплавов приведены в Михалеве, приложение, табл. VII—X. Коэффициент прочности сварных и паяных соединений φ характеризует прочность соединения в сравнении с прочностью основного металла. Значения φ в зависимости от конструкции и способа соединения (при длине контролируемых швов, составляющей 100 %) для стальных, алюминиевых, медных и титановых аппаратов приведены соответственно в Михалеве, табл. 1.7—1.10. Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов: с = с₁ + с₂ + с₃ где с₁ — прибавка для компенсации коррозии и эрозии, т.е. утонение стенки элемента аппарата при технологических операциях (вытяжке, штамповке, гибке); с₂ — прибавка для компенсации минусового допуска; с₃ — технологическая прибавка. Прибавка для компенсации коррозии и эрозии с₁ = Пτ_в + с_э где с_э — прибавка для компенсации эрозии,; П — проницаемость среды в материал (скорость коррозии); τ_в — срок службы аппарата. При двустороннем контакте с коррозионной (эрозионной) средой прибавка с₁ соответственно увеличивается. Для изготовления химического оборудования применяют материалы, у которых скорость коррозии П ≤ 0,1 мм/год. Прибавку с_э рекомендуется учитывать в случаях: — при движении среды в аппарате со значительными скоростями (для жидких сред – более 20 м/с, для газообразных – более 100 м/с); — при наличии в движущейся среде абразивных твердых частиц; — при ударном действии среды на деталь.   Порядок работы: 1 Определить допускаемое внутреннее давление в горизонтальном цельносварном аппарате со сферическими неотбортованными днищами по данным таблицы 2. Порядок расчета:

1. Определить расчетную температуру стенки t = max (t_c; 20 °С),
2. Для стали по справочным данным найти:

допускаемое напряжение при рабочей температуре  , МПа [1, стр. 11-13]; допускаемое напряжение при температуре 20⁰ С  , МПа [1, стр. 11-13]; предел текучести при температуре 20⁰ С  , МПа [1, стр. 282-284]. Допускаемое напряжение при гидравлических испытаниях  , МПа

3. Гидростатическое давление , МПа

(1) Н – высота обечайки, м;    р – плотность среды, кг/м³

4. Расчетное давление , МПа

, если                                                                      (2) , если  .

5. Пробное давление (давление испытаний) Р_и , МПа

Р_р > 0,5 МПа, Н > 8 м Р_и= = допускаемое напряжение стали при температуре 20⁰ С, ƞ=1

6. Коэффициент прочности сварных соединений обечайки для заданного типа швов φ = 0,93 [Михалев, стр. 13, табл.1.7].
7. Допускаемое внутреннее давление

в рабочем состоянии при гидравлических испытаниях Условие применимости формул            < 0,1

8. Проверочный расчет — сравнить допускаемые давления для рабочих условий и условий испытаний с их заданными значениями ,

Таблица 2 Параметры горизонтального цельносварного аппарата

Номер варианта	Давление МПа	Внутренний диаметр D, мм	Толщина стенки s, мм	Температура среды tс, °С	Плотность среды рс, кг/м3	Марка стали (алюминия)	Скорость коррозии П, мм/год	Срок эксплуатации τв, лет
1	1,5	500	4	20	900	АД1М (алюминий)	0,080	12
2		1000	6	60	1000	ВСтЗсп5	0,060	10
3		1600	8	10	1240	АД00М (алюминий)	0,090	12
4		2000	8	120	920	АДОМ (алюминий)	0,037	15
5		2000	10	200	1200	09Г2С	0,070	10
6		2400	8	100	1160	ВСтЗспб	0,050	12
7		2400	10	-5	1270	09Г2С	0,020	15
8		2600	10	30	860	АДОМ (алюминий)	0,003	20

  2 Рассчитать на прочность элементы конструкции (сферическую и плоскую крышки) вертикального цельносварного аппарата с коническим (табл.3)  и эллиптическим днищами (табл.4). Таблица 3 Параметры аппаратов с коническим (2а = 90°) днищем

Номер варианта	Внутренний диаметр D, мм	Высота цилиндрической части Нц, мм	Объем V, м3	Диаметр люка d, мм	Рабочее давление р, МПа	Рабочая среда		Марка стали	Скорость коррозии П, мм/год	Срок эксплуатации τв, лет
						Плотность рс, кг/м2	Температура, tс,0С
1	1000	800	1	300	1,6	1060	20	20К	0,09	15
2	1400	650	2	400	1,4	950	10	09Г2С	0,08	18
3	1400	1500	3,2	400	1,2	1555	40	16ГС	0,07	12
4	1800	1200	5	450	1,0	873	50	12Х18Н10Т	0,02	10
5	1800	1600	6,3	450	1,6	793	100	10Х17Н13М2Т	0,01	12
6	2200	2300	10	500	0,8	1188	120	20К	0,06	15
7	2600	2500	16	500	0,6	1500	5	Двухслойная 09Г2С+ 12Х18Н10Т	0,01	18
8	2800	3600	25	500	0,4	1250	-10	16ГС	0,04	10

Таблица 4 Параметры аппаратов с эллиптическим  днищем         

Номер варианта	Внутренний диаметр D, мм	Высота цилиндрической части Нц, мм	Объем V, м3	Диаметр люка d, мм	Рабочее давление р, МПа	Рабочая среда		Марка стали	Скорость коррозии П, мм/год	Срок эксплуатации τв, лет
						Плотность рс, кг/м2	Температура, tс,0С
1	1000	900	1,0	250	0,3	1130	20	20К	0,05	15
2	1200	1250	2,0	300	1,6	777	120	09Г2С	0,04	12
3	1600	1000	3,2	400	1,4	1160	180	16ГС	0,02	18
4	1600	1800	5,0	450	1,2	1360	60	12Х18Н10Т	0,06	15
5	1600	2500	6,3	450	1,0	960	100	Двухслойная 09Г2С+ 12Х18Н10Т	0,03	20
6	2000	2500	10,0	500	0,8	1297	160	10Х17Н13М2Т	0,01	18
7	2200	3400	16,0	500	0,6	870	150	16ГС	0,09	10
8	2400	4500	25,0	500	0,4	1530	10	20К	0,04	12

Литература: Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи.