Расчет обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением

Толщина стенки определяется по формуле

Допустимое внутреннее избыточное давление

,

где Р-давление в аппарате,  МПа; S_R-расчетное значение толщины стенки, мм; D-внутренний диаметр обечайки, мм; -допускаемое напряжение, МПа(зависит от марки стали и рабочей температуры).

Марку стали выбирают в зависимости от свойств перерабатываемой среды. Для стыковых и тавровых двусторонних швов, выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварного шва φ=1, для тех же швов, выполняемых вручную, φ=0,9.

Прибавка на коррозию С определяется по формуле С=V∙T, где V-скорость коррозии(обычно принимают 0,1-0,2 мм/год), Т-срок службы аппарата(обычно принимают 10-12 лет). Для материалов, стойких к перерабатываемой среде, при отсутствии данных о проницаемости рекомендуют принимать С=2 мм.

Согласно таблице коррозионной стойкости материалов для 10% водного раствора Al Cl₃ выбираем марку стали 08X17H13M2T, которая к данной среде устойчива к коррозии даже при  20°С. Нормативное допускаемое напряжение для данной стали возьмем при 30°С.

=140 МПа. Коэффициент прочности сварного шва примем φ=1.

Срок службы 10 лет. Скорость коррозии 0,2 мм/год. Прибавка на коррозию С=V∙T=0,2∙10=2 мм/год

S_R + C = 5.865 мм; S ≥ S_R + C.

Толщину стенки, вычисленную по этой формуле, округляют в сторону увеличения до ближайшей стандартной толщины листа (4, 6, 8, 10, 12, 14, 18, 20 мм). Примем S=6 мм.

 

 

Условие надежной эксплуатации P < [P] (0,6 МПа < 0,621 МПа) соблюдается.

1.1.2. Расчет обечаек, нагруженных наружным избыточным давлением

Расчет обечаек, нагруженных наружным избыточным давлением, заключается в определении допускаемого наружного давления, т.к толщина стенки обечайки была определена ранее.

Допускаемое наружное давление:

,

где допускаемое давление, соответствующее условию прочности .

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругих деформаций:

,

где Е-модуль упругости, n_и – коэффициент устойчивости (для рабочих условий n_и=2,4), l_R-расчетная длина обечайки. Для аппаратов типа ВЭЭ: , где l -длина цилиндрической части корпуса; h_ц – высота отбортовки днища, H_D-высота днища, h-расстояние от поверхности фланца до рубашки.

 

Е=1,99∙10⁵ МПа

l =975 мм

H_D=450 мм

h_ц =40 мм

 

Условие надежной эксплуатации P < [P] (0,15Мпа < 0,49Мпа) соблюдается, то принимаем толщину стенки S = 6 мм.

 

Днища и крышки приварные

Толщина стенки эллиптического днища, нагруженного внутренним давлением определяется по формулам:

 .

^Тогда  

Толщина днища, нагруженного наружным давлением определяется по формулам:

.

Тогда

Толщину необходимо проверить по формуле:

.

В этом случае допускаемое наружное давление из условия прочности: ,

а допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругих деформаций:

 

Условие надежной эксплуатации P < [P] (0,15 МПа < 0,37 МПа) соблюдается.

1.3. Расчет элементов рубашки

Толщину стенки цилиндрической части рубашки определяют по формуле

.

Эллиптическое днище рассчитывают по формуле

.

В качестве расчетного давления принимают давление в рубашке. Для корпусов с внутренним диаметром D ≤ 1800 мм диаметр рубашки принимают больше диаметра D на 100 мм.

 

,

Примем S=4 мм.

Допустимое внутреннее избыточное давление

,

Условие надежной эксплуатации P < [P] (0,15МПа < 0,31 МПа) соблюдается.

 

1.4. Крышки отъемные

 

Отъемные крышки присоединяются к корпусу аппарата с помощью фланцев. Эллиптические крышки состоят из стандартизированных днищ, сваренных со стандартными фланцами. При определении толщины стенки эллиптической крышки используют формулу:

Примем S = 6 мм

Допустимое внутреннее избыточное давление:

Условие надежной эксплуатации P < [P] (0,6 МПа < 0,62 МПа) соблюдается.

 

1.5. Фланцевые соединения

 

Выбираем фланцы плоские приварные с гладкой уплотнительной поверхностью, т.к их применяют при Р ≤ 25 МПа и t ≤ 300°С

(0,6 МПа<25 МПа и 30°С< 300°С). Размеры фланцев выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению [1.,стр.47, табл. 3.5]:

 

D, мм	Ру, МПа	Размеры, мм							Число отверстий
		Dф	Dб	D1	H	s	d	dб
1800	0,6	1930	1890	1848	60	10	23	М24	68

Примечание: d_б=М24, H=150 – высота втулки.

Рис.1. Фланец с гладкой уплотнительной поверхностью.

 

Для уплотнения во фланцах применяют прокладки различной конструкции. Плоские неметаллические прокладки применяют для уплотнения гладких поверхностей фланцев. Выберем прокладки из резины, т.к их применяют в диапазоне температур от -33 до 100°С и давлении до 0,6 МПа. Размеры прокладок выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению [1.,стр.68, табл.12]:

 

D, мм	Dn для прокладок на 0.6 МПа, мм	dn для прокладок на 0,6 МПа, мм
1800	1846	1815

Толщина прокладок из резины h=3 мм.

 

Рис.2.Конструкция неметаллической прокладки.

 

 

Фланцы и прокладки, подобранные по стандартам в расчете не нуждаются.

При конструировании аппаратов выполняется проверочный расчет болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82 по следующей методике:

1. Определим нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего давления Р: , где средний диаметр прокладки .

 

 

2. Реакция прокладки , где b ₀ -эффективная ширина прокладки(b ₀ =0,5 b_n -при ширине прокладки b_n =0,5(D_n-d_n) ≤15мм и  при b_n >15мм), m=1 для прокладок из резины.

b_n =0,5(D_n-d_n)=0,5(1880-1837)=21,5мм, значит

b₀ = 0,6 ∙ 4,64 = 2,784

 

 

3. Определим болтовую нагрузку при сборке . Это значение выбирают наибольшим из трех.

а) , где q=20 МПа – для резины.

б) ,

где -допускаемое напряжение для материала болта при 20°С,

-площадь поперечного сечения болта (мм²), -число болтов, равное числу отверстий Z во фланце. Материал болтов сталь 08Х17Н13М2Т

[1.,стр.68,табл.13],

в)

 

Выбираем .

4. Проверяем прочность болтов при монтаже по условию:

_, n_Б=36

 

 

5. Проверяем прочность болтов в период эксплуатации по условию: , где [1.,стр.68,табл.13],болтовая нагрузка в рабочих условиях

.

 

 

Выбор штуцеров

Выбираем штуцера с плоскими приваренными фланцами(гладкая уплотнительная поверхность),т.к. их применяют при t≤300°С и давлении до 1,6 МПа. Размеры штуцеров выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению [1.,стр.76-77,табл.22,табл.23]:

Внутренний диаметр аппарата, мм	Диаметры условного прохода Dу, мм											Установочные размеры, мм
	А	Б	В	Г	Д	Е	Ж	И	К,К1	Л	М	D2	R1	R2	L 1
1800	200	100	100	100	50	250	50	150	80	150	80	1200	580	540	250

 

Таблица 5. Размеры штуцеров с фланцами стальными плоскими приварными (ОСТ 26-1404-76).

1,0

Ру, Мпа	Dу, мм	dт, мм	Размеры, мм					Число отверстий, z	Sт, мм	Нт, мм	Н, мм
			Dф	Dб	D1	H	D
0,6	50	57	130	110	90	13	14	4	3	155	120
	80	89	185	150	128	15	18	4	3	155	120
	100	108	205	170	148	15	18	4	4	155	120
	150	159	260	225	202	17	18	4	6	155	120
	200	219	315	280	258	19	18	8	6	155	120
	250	273	370	335	312	20	18	12	8	160	120

 

Таблица 6. Диаметр резьбы болтов(шпилек) штуцерных фланцев.

d, мм	14	18
dб, мм	М12	М16

 

 

Рис.3.Расположение штуцеров на эллиптическом днище.

 

Рис.4. Конструкция штуцера с плоским приваренным фланцем.

 

Рис.5.Расположение штуцеров на эллиптической крышке при

D = 1000-1800мм.

 

 

Опоры аппаратов

1. Количество опор – 2 (лапы-опоры 1 типа для аппаратов с рубашками без теплоизоляции).мм

2. Вес металла, из которого изготовлен аппарат: G ₁ ≈1,1 FSγ _м,

где внутренняя поверхность корпуса F=12,5м² [1.,стр52,табл.1-4], S=0,006м-исполнительная толщина стенок, - удельный вес металла. Коэффициент 1,1 учитывает вес фланцев, штуцеров и т.д.

 

 

 

3. Вес металлоконструкций, установленных на крышке аппарата:

 

 

4. Вес воды, заполняющей аппарат при гидравлических испытаниях:

,

 

где V=4м³-внутренний объем аппарата, -удельный вес воды.

 

 

5. Максимальная нагрузка на одну опору:

 

,

 

где z=3-число опор, (при z=3).

 

 

 

Выбираем опоры по условию [1.,стр.79,80,табл.24 или26]:

Q, кН	а	а1	в	H	h1	S	К	K1	d	dб	f мах
40	150	190	185	360	20	10	30	60	35	М24	50

 

Рис.6. Конструкция лап.

2. Выбор и расчет комплектующих элементов

Привода

Выбор типа мотор-редуктора

 

Номинальная мощность электродвигателя должна быть не менее потребляемой:

,

где -мощность электродвигателя, кВт, -мощность на валу мешалки, кВт. По таблице 3.1 по частоте вращения вала n=195об/мин определяем, что мотор-редуктор типа МПО1-10. Значения КПД элементов привода: -КПД механической передачи редуктора, -КПД подшипников качения, в которых крепится вал мешалки, -КПД, учитывающий потери мощности в торцевом уплотнении, -КПД, учитывающий потери в компенсирующих муфтах.

 

.

 

Выбираем мотор-редуктор МПО1-10(мощность 2,6 кВт).

Технические данные мотор-редуктора ВОМ-I [1.,стр.84,табл.29]:

Число оборотов тихоходного вала, об/мин	Мощность Р, кВт	Передаточное число	Типоразмер комплектующего электродвигателя
195	2,6	5,74	4А100S4

 

Основные размеры мотор- редуктора ПО1-10[1.,стр.87,табл.34]:

D	D1	D2	L1	L2	L3	L4	d1	d2
300	270	330	220	365	80	860	40	14

 

      Габаритные размеры двигателей серии 4А [1.,стр.36,табл.2.17]:

Типоразмер двигателя	100S
Lдв	365
Dдв	250

 

Рис.7. Мотор-редуктор МПО1-10.

 

Выбор типа муфты

1. Угловая скорость вращения вала: , где n-частота вращения мешалки.

2.  Вращающий момент на валу: , где Р - мощность на валу мешалки, кВт.

3. Величина расчетного момента: , где -коэффициент режима работы, учитывающий условия эксплуатации(   для турбинных и трехлопастных мешалок).

 

 

Выбираем втулочно-пальцевую муфту[1.,стр.89,табл/38]:

D	T,H ∙ м	d1	d2	d3	H	H1	H2	H3	d4	d6	d5	Масса, кг
30	180	100	23	28	120	50	16	16	80	М10	65	3?9

 

 

Рис.8. Конструкция продольно-разъемной муфты.

 

Выбор стойки и опоры

 

По диаметру D расположения центров отверстий в опорном фланце (опорной поверхности) мотор-редуктора выбирают стойку, у которой центры отверстий в верхней опорной поверхности выполнены на том же диаметре D. Опору с помощью шпилек и гаек соединяют со стойкой. Поэтому диаметр центров отверстий  под шпильки, выполненных на нижней опорной поверхности стойки, должен быть согласован с диаметром  центров отверстий с резьбой в опоре.

 

Размеры стойки под редуктор [1.,стр.91,табл.41]:

№ Стойки	D0	D1		D2	D3	D	B	Н	h	h1	S
2	670	500	610	270	330	300	360	650	24	28	12

 

Примечание: Высота стоек Н принимается конструктивно, поэтому в таблице указана минимальная высота Н.

 

Размеры опоры под стойку [1.,стр.36,табл.2.22]:

№ опоры	D	D	D1	D2			B	d1	h	h1
2	65	670	500	178	200	610	360	70	22	40

 

 

Рис.9. Стойка под редуктор.

 

 

 

Рис.10. Опора под стойку.

2.4. Выбор уплотнения

Выбираем торцевое уплотнение (торцевые уплотнения применяются при переработке взрывоопасных сред при давлении до 2,5 МПа), т.к среда взрывоопасная, а давление 0,3 МПа.

В опоре предусмотрен ряд отверстий с резьбой М16 для установки уплотнения. Геометрические размеры уплотнения подбираются по диаметру вала в месте его входа в крышку и по диаметру  центров отверстий с резьбой в опоре, который должен быть равен диаметру D₁ в уплотнении.

 

Параметры и размеры торцевых уплотнений [1.,стр.100,табл.51]:

Тип уплотнения	Р, МПа	D	D	D1	D2	Н	h	Масса. кг
УТ 656	0,6	65	235	200	178	180	48	10,4

 

Рис.11. Конструкция торцевого уплотнения.

4. Проектирование и расчет перемешивающего

Устройства