Расчет толщины обечайки корпуса

Исходные параметры:

	Объем аппарата	V=5
	Внутренний диаметр аппарата	D=1800
	Высота аппарата	Н=2230 мм
	Внутреннее избыточное давление	Р= 1,5 МПа
	Наружное избыточное давление	Рн= 1,0Мпа
	Рабочая температура	200С
	Среда в аппарате	HNO3
	Долговечность аппарата
	Днище и крышка	эллиптические
	Крышка	Съемная
	Днище	Приварное
	Рубашка	гладкая, приварная
	Мешалка	Листовая

2.1. Для заданной среды (HNO₃) (табл. 1 МУ, стр.27) принимаем:

плотность                                            ρ=1510 кг/м³

коэффициент динамической вязкости μ=0.8 н.с/м²

Для корпуса аппарата выбираем высоколегированную сталь марки 08Х21Н6М2Т. Эта сталь по способу выплавки спокойная, легко сваривается всеми видами сварки.

Для рубашки, в которой будет циркулировать горячая вода или водяной пар, принимаем по таблице № 1(МУ, стр.27) углеродистую конструкционную сталь 20К. Скорость коррозии принимаем П =0,05 мм/год для рубашки и П=0,1мм/год для корпуса, поскольку температура больше 20⁰С.

2.2. Допускаемые напряжения и модуль упругости:

а) для стали 08Х21Н6М2Т по таблице № 2 (МУ, стр.28) –

20⁰С =233МПа Е=2,0 × 10^-5 МПа

 

   

б) для стали 20К находим:

при 20⁰С ²⁰ = 147 МПа Е²⁰= 1,99×10⁵ МПа

2.2.1. Высота корпуса аппарата при снятой крышке

    , где

    – высота элептической части крышки,

100 мм – размер, который ориентировочно учитывает высоту цилиндрической отбортовки крышки и толщину фланца крышки.

    h₁=2230-(0,25×1800+100)=1680 мм

2.2.2. Высота жидкости в аппарате

h_ж=h₁-(50…100)=1680-(50…100)=1630…1580 мм

    Принимаем к расчету. h_ж=1600 мм = 1,6 М

2.2.3. Расчетное внутреннее давление в аппарате

    , где

    Р_г – гидростатическое давление –

    Рг= × g×h_ж=1510×9,81×1,6=23700Па=0,024МПа

    g = 9,81 – ускорение свободного падения;

    r = 1510 – плотность среды;

    h _ж = 1600 – высота жидкости в аппарате.

    Оцениваем величину гидростатического давления

р% =рг/р×100=0,024/1,5 ×100=1,6%<5%

    Р = 1,5 МПа – внутреннее избыточное давление в аппарате,

   

    Если , то Р_Г не учитывается

2.2.3.1 Расчет обечайки корпуса

2.2.3.2 Толщина стенки обечайки при нагружении внутренним расчетным избыточным давлением

    , где

    j = 0,9 – коэффициент сварного шва. Обечайка имеет сварной шов.

Р_р = 1,5 Н/мм² – расчетное давление (см. п.3.3.3)

    Д_вн = 1800 мм

    [ ] = 233 Н/мм² – допускаемое напряжение (см. п.3.2)

    S_R = (1,5×1800)/(2×233×0.9-1,5)=6,46 мм

2.2.4. Толщина стенки обечайки при нагружении осевой растягивающей силой.

Осевая растягивающая сила

F_R = (p×r²×r_r)/4=(3.14×1800²×1,5)/4=3,82 ×10⁶ H

Толщина стенки

S_R = F_R /(p×r× ×j)=(3,82 ×10⁶)/(3.14×1800×233×0.9)=3,22 мм

2.2.5. Толщина стенки обечайки, нагруженной наружным давлением. Для корпуса нагруженным давлением является давление в рубашке

    P_H = 1,0МПа =1,0 н/мм²

2.2.6. Расчетная длина (высота) обечайки

, где

    - принимается конструктивно для удобного выполнения сварки рубашки и корпуса;

   

    l =1680-150-(2/3)×0.25×1800=1230 мм

2.2.7 Толщина стенки обечайки

   

    Коэффициент , где

    = 2,4 – коэффициент запаса устойчивости при рабочих условиях.

    К₁=(2,4×1,0)/(2,4×10^-6×2×10⁵) = 5

    E =2×10⁵ н/мм ²– модуль предельной упругости для стали 08Х21Н6М2Т (см. п.2.2.)

    Коэффициент К₃= l / D =1230/1800 =0,68

    Коэффициент К₂ определяем по таблице 6 (МУ, стр.30) в зависимости от К₁ и

    K₂ =0.7

    Толщина стенки

   

    Принимаем S_{R max} = 12,6 мм

2.2.8 Из трех условий (п.2.4.1, п.2.4.2, п.2.4.3) получены три значения толщины стенки обечайки корпуса: 6,46;4,25;12,6мм из тех S_R =12,6 мм

2.2.8.1 Прибавки к толщине стенки обечайки                                      

    , где

    С₁ – прибавка для компенсации коррозии и эрозии –

    С₁ = С_к + С_э

    С_э – прибавка для компенсации эрозии. С_э = 0, т.к. скорость движения среды в аппарате менее 20 м/с и отсутствует абразивные частицы.

      мм, где

t = 5 лет долговечность,

П = 0,1 мм/год – скорость коррозии для стали 08Х21Н6М2Т

    Таким образом

    С₂ – прибавка для компенсации минусового допуска. Минусовой допуск выбираем по таблице 3. Для толщины от 8 до 20 мм С₂ = 0,8 мм.

    С₃ – прибавка технологическая; учитывает утонение места при вальцовке; для толщины от 4 до 30 мм принимаем значение равным 0,3 мм: С₃ = 0,3 мм.

С =1,5+0,8+0,3 = 2,6 мм

    Примечание: обечайка корпуса в наружной стороны омывается водой и паром, но при температуре 20…100⁰С вода (пар) не вызывают коррозии легированных сталей, поэтому принимаем П_нар = 0 мм/год.

2.2.8.2. Толщина стенки обечайки с учетом прибавок

      мм

2.2.8.3 Исполнительная толщина стенки обечайки корпуса, принятая по стандарту (табл. 3)

    S =  16 мм

2.2.8.4. Проверочные расчеты для обечайки корпуса

2.2.9. Допускаемое внутреннее избыточное давление при S =16 мм, С = 2,6 мм

  Н/мм²

условие прочности

3,099> 1,5 Н/мм² – условие прочности выполняется

2.3.1. Допускаемая осевая растягивающая сила

   

     

    [ F_p ] > F_p – условие прочности соблюдается.

2.3.2. Допускаемое наружное избыточное давление

    , где

– допускаемое давление из условий прочности

      Н/мм²

    – допустимое давление из условий устойчивости в пределах упругости

    , где

    n_y = 2,4 – коэффициент запаса устойчивости при рабочих условиях

   

    а) В₁ = 1,0

    б)

    Принимаем В₁ = 1,0

      Н/мм²

      Н/мм²

    1,13 Н/мм² > 1,0 Н/мм²

> P_n, т.е. условие прочности выполняется.

2.3.3. Проверка обечайки корпуса при нагружении осевой сжимающей силой

Осевая сжимающая сила

  Н

    Допускаемая осевая сжимающая сила

    , где

– допускаемая осевая сжимающая сила из условий прочности

      Н

     – допускаемая осевая сжимающая сила из условий местной устойчивости в пределах упругости.

    При соотношении  величину  можно рассчитать по формуле

   

      Н

   

     – условие прочности выполняется.

2.3.4. Проверка на устойчивость обечайки корпуса при совместном действии наружного давления и сжимающей силы.

           

    Условие устойчивости выполняется.

    Так как проверочный расчет по всем нагрузкам удовлетворяет условиям прочности, окончательно принимаем исполнительную толщину стенки обечайки корпуса S = 16 мм.

 

РАСЧЕТ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ДНИЩА

    Согласно заданию в аппарате предусмотренные эллиптические днища (нижнее днище и верхнее перевернутое днище – крышка).

    Для днища корпуса аппарата принята сталь 08Х21Н6М2Т (см. п.2.2)

   

3.1. Толщина стенки днища, нагруженного внутренним расчетным избыточным давлением

      мм

    R – радиус кривизны в вершине днища,

для эллиптического днища R = D = 1800 мм

j = 1 – принимаем днище не сварное, а цельное, штампованное.

3.2. Толщина стенки днища, нагруженного наружным давлением

    , где

    К_э – коэффициент приведения радиуса кривизны эллиптического днища. Предварительно принимаем К_э = 0,9.

    а)   мм

    б)   мм

    Из двух значений 10,99 мм и 3,86 мм принимаем большее – S _{1 R} = 10,99 мм

    Из полученных значений толщины 5,8 мм и 10,99 мм принимаем

    S _{1 R} = 10,99 мм

3.3. Прибавка для днища

   

      мм

   

    С_э принимаем С_э = 0

    С₂ – минусовый радиус на толщину

    С₂ = 0,8 мм

    С₃ = 0,3 мм (п.2.4.5)

      мм

3.4. С учетом прибавок

      мм

    Исполнительная толщина стенки, принятая по стандарту S= 16 мм.

3.5. Для эллиптических днищ, если длина цилиндрической отбортованной части  больше параметра , т.е. , то толщина стенки днища S ₁ должна быть не меньше толщины стенки обечайки, т.е. . Определяем параметр = 124,24>50 мм,

    Определяем h = 50 мм при толщине S = 16 мм и диаметре Д = 1800 мм по таблице 16.5 (стр.449).

    Принимаем    S ₁ < S

                                 S ₁ = 16 мм           

3.6. Проверочные расчеты для днища корпуса.

3.6.1. Допускаемое наружное давление на днище

   

    Допускаемое наружное давление из условия прочности

      Н/мм²

    Допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругости

   

    Уточняем коэффициент радиуса кривизны К_э

   

       п.3.3.1

   

   

      Н/мм²

      Н/мм²

   . условие прочности выполняется

Принимаем к расчету толщину стенки днища S _{1 R} = 16 мм.

3.6.2. Допускаемое внутреннее избыточное давление

    н/мм²

     – условие прочности выполняется

    Масса эллиптического днища при Д = 1800 мм, S ₁ = 16 мм – m_g = 486 кг (табл.16.1, стр.441)

РАСЧЕТ РУБАШКИ

Рубашка гладкая приварная (неотъемная). Для рубашки выбрана (см. п.3.1, 3.2) качественная углеродистая конструкционная сталь 20К.

  Мпа (п.3.1)

  Н/мм² (п.3.2)

4.1. Выбираем диаметр рубашки (табл.4) При диаметре аппарата 1800 мм находим Д_{рубашки} = 1900 мм;

    а – зазор между днищем корпуса и рубашкой:

    а = 30 мм

4.2. Высота рубашки с учетом днища

 

 = 1680 мм   (п.3.3.1)

= 150 мм      (п.3.4.3.1)

  м

 

4.3. Расчет обечайки рубашки.

4.3.1. Рубашка нагружена внутренним давлением, которое равно наружному давлению для корпуса аппарата:

  МПа

4.3.2. Расчетное давление в рубашке

    , где

    Р_Г – гидростатическое давление в нижней части рубашки.

    Нагрев аппарата производится горячей водой и паром

    МПа, где

     = 1000 кг/м³ – плотность воды,

    h_p – высота рубашки (см. п.3.6.2)

    Оцениваем величину гидростатического давления

   

Если , то Р_Г не учитывается. У нас Р% = 1.53%, поэтому

.

4.3.3. Толщина стенки обечайки рубашки от внутреннего расчетного давления

      мм.

      Н/мм²

     – коэффициент сварного шва.

4.3.4. Осевая растягивающая сила для рубашки

      Н

4.3.5. Толщина стенки обечайки рубашки от осевой растягивающей силы

      мм

    Из значений принимаем большее – 7.2 мм.

4.3.6. Прибавка к толщине стенки рубашки (см. п.3.4.5)

, где

      мм

П_руб = 0,1 мм/год (Принимаем по табл. 1 при 20⁰С).

    С₂ = 0,8 мм для толщины 8 мм. и более

    С₃ = 0,3 мм.

С_руб = 1.5+ 0,8 + 0,3 = 2.6 мм

4.3.7. Толщина стенки обечайки рубашки с учетом прибавок

      мм

4.3.8. Исполнительная толщина стенки обечайки корпуса, принятая по стандарту (табл. 3)

    S _руб = 10 мм

4.4. Проверочные расчеты для обечайки корпуса

4.4.1. Допускаемое давление в рубашке

 МПа

, т.е.  – условие прочности выполняется

4.4.2. Допускаемая осевая растягивающая сила

   

    [ F_p ]_руб > F _руб – условие прочности соблюдается.

4.5. Расчет днища рубашки. Поскольку корпус аппарата имеет эллиптическое днище, то и для рубашки тоже принимаем эллиптическое днище с диаметром Д_руб = 1900 мм.

4.5.1. Толщина стенки днища рубашки при нагружении внутренним давлением

      мм

    R – радиус кривизны в вершине днища,

для эллиптических днищ R = Д_руб = 1900 мм

j = 1 – коэффициент сварного шва; принимаем днище не сваренное из отдельных частей, а изготовленное из цельной заготовки.

4.5.2. Толщина стенки днища рубашки с учетом прибавок

      мм

4.5.3. Исполнительную толщину днища рубашки принимаем согласно с табл.16.1 равной 10 мм.

    При диаметре Д = 1900 мм и S_1руб = 10 мм находим по таблице 16.2 (стр.443) длину отбортованной части   мм.

4.5.4. Допускаемое внутреннее давление на днище рубашки

 МПа

МПа

 – условие прочности соблюдается.