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

Практическая работа 2 Укрепление отверстий   Любой вырез в стенке оболочки не только ослабляет ее сечение, но и вызывает высокую концентрацию напряжений вблизи края отверстия. Результаты ряда исследований показывают, что напряжения на краю отверстия могут достигать 300-500% от номинальных напряжений в сосуде. Напряжения, как и в случае краевой нагрузки, быстро затухают с удалением от края отверстия. Способы компенсации повышения напряжений:

1. увеличение толщины стенки всей оболочки исходя из напряжений у края отверстия

Применяют редко, нерационален, т.к. область повышенных напряжений незначительна и ограничивается диаметром d_н = d + 2 (D_р(s-c))^1/2 d – диаметр отверстия, D_р – расчетный диаметр оболочки.

2. укрепление края отверстия добавочным материалом, вводимым по возможности ближе к месту распределения максимальных напряжений.

Чаще всего используют накладное кольцо, приваренное к корпусу и штуцеру (рисунок 1). Толщину кольца принимают обычно равной толщине стенки. Кольцо можно приваривать изнутри или снаружи аппарата, или с обеих сторон стенки. Рисунок 1 Снижение концентрации напряжений накладным кольцом   Существенно снижает концентрацию напряжений отбортовка отверстия (рисунок 2). Рисунок 2 Снижение концентрации напряжений отбортовкой отверстия     Расчеты укреплений отверстий в обечайках, переходах и днищах стандартизованы и выполняются в соответствии с ГОСТ 24755-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий». Укреплению подлежит ограниченная зона стенки около отверстия – зона повышенных напряжений. Отверстия считаются одиночными, если расстояние между краями соседних отверстий больше, чем суммарная ширина зон повышенных напряжений, то есть когда отсутствует взаимная накладка этих напряжений, когда расстояние между наружными поверхностями соответствующих штуцеров удовлетворяет условию . Порядок работы: Рисунок 3 Основная расчетная схема   Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления при наличии избыточной толщины стенки   d₀ – наибольший допускаемый диаметр одиночного отверстия, мм s_р – расчетная толщина стенки, мм D_р – расчетный диаметр оболочки по центру укрепляемого отверстия, м для цилиндрической обечайки Если расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию  , то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется. Расчетная толщина стенки Расчетная толщина стенки укрепляемого элемента определяется в соответствии с ГОСТ 14249. φ — коэффициент прочности сварного соединения σ  — допускаемое напряжение для материала обечайки, МПа [Михалев стр.11] p – расчетное давление в аппарате, Мпа Допускаемые давления в рабочем состоянии и при испытаниях     Расчетная толщина стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением . p – расчетное давление в аппарате, МПа σ₁  — допускаемое напряжение для материала внешней части штуцера при расчетной температуре, МПА [Михалев стр. 11] Принять s_р по стандартному ряду, посчитать d₀.   Расчетный диаметр круглого отверстия штуцера     ось штуцера совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия   d – внутренний диаметр штуцера, мм, с_s – прибавка к расчетной толщине стенки штуцера, мм   Расчетные длины штуцеров Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, участвующие в укреплении отверстий:     l_1р – расчетная длина внешней части штуцера, мм l_3р – расчетная длина внутренней части штуцера, мм l₁ – длина штуцера, мм   Расчетная ширина Ширина зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах в окрестностях штуцера, м Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки, перехода или днища в окрестности штуцера при наличии торообразной вставки или вварного кольца . l – длина не укрепленной части оболочки, м В случае отбортовки (рис.5), а также при отсутствии торообразной вставки или вварного кольца .   Рисунок 4                                             Рисунок 5   Расчетная ширина накладного кольца   Отношения допускаемых напряжений:

• для внешней части штуцера ;

σ  — допускаемое напряжение для материала обечайки, МПа [Михалев стр.11] σ₁  — допускаемое напряжение для материала внешней части штуцера при расчетной температуре, МПА

• для накладного кольца ;

σ₂  — допускаемое напряжение для материала накладного кольца при расчетной температуре, МПА

• для внутренней части штуцера .

σ₃ — допускаемое напряжение для материала внутренней части штуцера при расчетной температуре, МПА   Расчетный диаметр отверстия, не требующий дополнительного укрепления   Условие укрепления одиночных отверстий     l_1p (s₁ –s_1p — c_s)χ₁ – площадь внешней части штуцера, м²      l_2p s₂χ₂                  – площадь накладного кольца, м²      l_3p (s₃ – с_s — c_s1)χ₃ – площадь внутренней части штуцера, м² l_p (s – s_p — c)         — площадь обечайки, м²      0,5(d_р – d_op)s_p      — площадь отверстия, м² s_1р — расчетная толщина стенки штуцера, мм s₁ — исполнительная толщина стенки штуцера, мм s₂ — исполнительная толщина накладных колец, мм s₃ – исполнительная толщина внутренней части штуцера, мм Проверка условия, укрепление отверстия обеспечивается материалом штуцера, если не выполняется, то требуется укрепление. Выбрать вид укрепления (накладное кольцо, торообразная вставка, вварное кольцо увеличение толщины стенки). При укреплении накладным кольцом рассчитать площадь накладного кольца l_2p s₂χ₂,  м² 0,5s < s₂ <2s Проверить условие Укрепление отверстия штуцера накладным кольцом на эллиптической крышке выполняется Величины, которые определяются по ГОСТ 14249: c — сумма прибавок к расчетной толщине стенки обечайки перехода или днища, мм c_s — прибавка на коррозию к расчетной толщине стенки штуцера, мм p —  допускаемое давление в элементах сосудов и аппаратов, МПа [s] —  допускаемое напряжение для материала обечайки, перехода или днища при расчетной температуре, МПа [s]₁— допускаемое напряжение для материала внешней части штуцера при расчетной температуре, МПа [s]₂ — допускаемое напряжение для материала накладного кольца при расчетной температуре, МПа [s]₃ —  допускаемое напряжение для материала внутренней части штуцера при расчетной температуре, МПа j — коэффициент прочности сварных соединений обечаек и днищ j₁ — коэффициент прочности продольного сварного соединения штуцера   Задание   По данным таблицы 1 рассчитать укрепление отверстия, предварительно выбрав тип укрепления (отверстия в медных и латунных аппаратах укреплять отбортовкой). В расчетах принимать исполнительную толщину стенки штуцера разной 0,7-1,0 от исполнительной толщины стенки обечайки (днища). Коэффициент прочности сварных швов принимать: для стали φ=1, для меди и латуни φ=0,9. Таблица 1 Параметры укрепляемых оболочек  

Номер вари­ анта		Тип оболочки	Внутрен­ний Диаметр оболочки (макси­мальный) D, мм	Марка стали	Расчетное давление, МПа		Расчетная темпера­тура /, °С			Длина неукрепленной части оболочки /, мм			Исполнительная тол­щина стенки оболочки S, мм			Диаметр отверстия d, мм		Расстояние от центра укрепления отверстия до оси оболочки г, мм		Длина внешней части штуцера llt мм		Длина внутренней ча­сти штуцера /2, мм		Внутренний радиус от- бортовки rQ, мм		Прибавка к расчетной толщине стенки с, мм
				Оболочки, нагруженные внутренним давлением
1		Цилиндрическая	2400	ВСтЗсп	0,60		100			2 500					7	500				300		15				0,8
2		»	2400	12Х18Н10Т	1,00		100			2 500					10	150		___		250		5				1,0
3		»	2400	08Х18Н10Т	1,60		100			2 500					18	200		_		250		5				1,2
4		»	2800	09Г2С	0,30		200			7 200					5	200		_		150				_		1,0
5		»	2800	20К	0,80		200			9 000					12	300		___		150		5		_		0,8
6		»	2800	10Х17Н13М2Т	1,20		200			12 000					16	300		___		250		5				1,0
7		»	3000	ВСтЗсп	1,00		300			13 000					18	500		___		250						1 }2
8		»	2000	ВСтЗсп	0,60		100			2 500					8	150		___		150		_		_		1,0
9		»	2800	09Г2С	0,58		150			7 200					8	200		—		150		___		_		0,8
10		»	2400	20К	0,50		200			4 500					8	250		—		200		5		_		1,0
11		»	2800	10Х17Н13М2Т	0,49		250			9 000					8	300		____		200						1,2
12		»	2800	08Х18Н10Т	0,52		300			7 200					10	400		___		300		10				1,0
13		»	2000	08Х18Н10Т	1,60		20			2 500					16	200		___		200		5		_		1,2
14		»	1800	20К	0,60		20			2 800					6	180		—		200				_		1,0
15		»	1000	12Х18Н10Т	1,20		20			1 800					8	120		—		150		10		_		1,0
16		»	1000	ВСтЗсп	1,00		20			2 000					8	150		___		250				_		1,2
17		»	1200	12Х18Н10Т	0,60		20			1 500					5	200		___		250		_		_		1,0
18		»	1800	12Х18Н10Т	0,80		20			2 800					7	100				120		_		_		1,0
19		»	1800	12Х18Н10Т	0,80		20			2 500					7	200		—		200		10		_		1,0
20		»	1200	09Г2С	0,80		100			2 500					6	150		—		200				—		1,2
21	»		1000	12Х18Н10Т		1,60		100			2 800			10			120		—		150		—		—		1.0
22	»		2000	15ХМ		0,60		20			3 000			7			200		—		150		5		—		1,0
23	Эллиптическая		2400	12Х18Н10Т		0,30		100			—			5			250		600		250		—		—		0,8
24	»		2800	12Х18Н10Т		0,50		150			—			8			200		700		150		—		—		1,0
25	»		2000	08Х18Н10Т		0,40		200			—			6			100		700		300		5		—		1,0
26	»		2000	16ГС		0,30		150			—			5			150		600		300		5		—		1,0
27	»		2400	ВСтЗсп		0,20		250			—			4			200		500		200		5		—		0,8
28	»		2800	09Г2С		0,30		300			—			6			150		400		200		—		—		1,0
29	»		2400	09Г2С		1,20		200			—			14			250		750		250		5		—		2,0
30	»		2300	20К		1,40		250			—			16			300		800		250		5		—		1,0
31	Коническая		2200	20К		0,90		100			—			10			300		800		100		—		—		0,8
32	(2а = 90°) То же		1400	16ГС		0,80		200			—			10			400		700		200		2		—		1,0
33	»		1800	12Х18Н10Т		0,70		300			—			10			500		600		200		—		—		1,2
34	»		1000	ВСтЗсп		0,30		150			—			4			200		600		200		2		—		1,0
35	»		1400	08Х18Н10Т		0,35		200			—			5			150		700		100		—		—		0,8
36	»		1800	10Х17Н13М2Т		0,40		250			—			7			200		800		100		2		—		1,0
37	Цилиндрическая		1400	М2		0,40		100			1 000			9			60		—		125		—		10		1,0
38	»		1800	М3		0,30		120			1 200			9			70		—		115		—		5		0,8
39	»		1400	МЗр		0,20		150			1 200			6			80		—		115		—		8		1,0
40	»		1600	МЗр		0,30		200			1 200			9			60		—		125		—		10		0,8
41	»		1200	М3		0,40		250			1 000			12			100		—		135		—		15		1,0
42	»		1000	М2		0,30		150			900			6			50		—		115		—		5		1,2
43	Эллиптическая		1000	М2		0,50		150			—			9			60		400		115		—		5		1,0
44	»		1200	МЗр		0,20		200			—			5			50		500		115		—		8		0,8
45	Коническая		1000	ЛС59-1		0,50		100			—			7			60		400		115		—		8		1,0
	(2а = 90°)																50								8		1,2
46	То же		1200	ЛЖМц-59-1-1		0,60		60			—			5					300		125		“
				Оболочки, нагруженные наружным давлением
47	Цилиндрическая		1800	16ГС		0,3			150			2 000		12			150		—		150		———-		—		0,8
48	»		1800	08Х18Н10Т		0,4			150			2 000		14			150		—		250		5		—		1,0
49	»		600	ВСтЗсп		0,5			200			600		6			200		—		250		5		—		1,2
50	»		2000	20К		0,4			200			2 000		16			200				150						1,0