ления. Уплотнительное соединение с двухконусным кольцом (рис. 11.8, а). Расчетная сила, действующая на крепежные элементы в рабочих условиях,
Q = Qд + Qв
где Qд - равнодействующая внутреннего давления на крышку; Qв - осевая составляющая равнодействующей внутреннего давления на уплотнительное кольцо.
Рис. 11.7. Основные конструкции уплотнений затворов высокого давления:
а - двухконусное уплотнение; б - конусное уплотнение; в - уплотнение с плоской прокладкой; г и д - волнообразное уплотнение; е - треугольное уплотнение («дельта-затвор»)
Эти величины рассчитываются по формулам
Qд = 0,25πDсррр; Qв = 0,5k1πDсрhср pр tgγ.
Здесь γ = 30° - угол конуса уплотнительных поверхностей; k1 - коэффициент, учитывающий влияние силы предварительной затяжки на расчетное усилие
(k1 = 4 - 0,102pр при расчетном давлении меньше29,4 МПа; k1 = 1 при больших давлениях). Приближенно можно принять Qв = 0,06k1 Qд.
Уплотнительное соединение с кольцом треугольного сечения (рис. 11.8,б).
Рис, 11.8. К расчету усилий, действующих на затворы высокого давления
Расчетное усилие
Q = Qд+Qв,
причем
Qд = 0,25πD2крр; Qв = 0,5πDкh0 pр tgγ.
где γ = 47° - угол конуса уплотнительной поверхности крышки и фланца;
Dк - диаметр контакта уплотнительных поверхностей.Приближенно можно принять Qв = 0,05 Qд.
Уплотнительное соединение с кольцом восьмиугольного сечения (рис. 11.8, в). Общее усилие
Q = Qд+Qв; Qд = 0,25πDсррр; Qв = 0,5k1πDсрσсм/(sin(γ + ρ)/cosρ,
где k1 = 4 - 0,102pр при расчетном давлении меньше29,4 МПа; k1 = 1 при больших давлениях; σсм = 1,2σ20т - герметизирующее напряжение при смятии уплотнитель
ного кольца в условиях эксплуатации; l - ширина уплотнительной поверхности;
ρ = 11040' - угол трения в уплотнительных поверхностях.
Уплотнительное соединение с плоской мягкой металлической прокладкой (рис. 11.8, г). Расчеты проводятся по формулам
Q = Qд+Qпр; Qд = 0,25πDсррр; Qв = πDсрbσсм.
где b - расчетная ширина прокладки b > bр; σсм = 1,2σ20т;
где [σ]t и [σ]20 - допускаемое контактное напряжение на уплотнительных поверхностях при температуре соответственно расчетной и 20 °С; σсм и
σсм пр - напряжение смятия материала прокладки при давлении соответственно рабочем и пробном гидравлическом; рр - пробное гидравлическое давление.
Расчет основных размеров шпилек. Расчетный диаметр стержня шпильки по ГОСТ 26303-84 (рис. 11.9):
Рис. 11.9. К расчёту шпилек | d1 ≥ [6K2K3Q/(πzσтш) + d0]1/2 где К2 - коэффициент, учитывающий тангенциальные напряжения при ее затяжке (для плоских прокладок - К2 = 1,1; для остальных - 1,0); K3 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между шпильками (К3 = 1,5); Q - расчетное усилие, действующее на все шпильки; z - число шпилек (должно быть кратно четырем); d0 - диаметр центрального отверстия в шпильке (назначается конструктивно или по ОСТ 26 01-139-81); σтш - предел текучес- ти материала шпильки. |
Расчетную длину l свинчивания резьбы для сопряжения «шпилька - гнездо» кор-
пуса определяют из соотношений
l = 1,25d при σвш/σвф ≤ 1,5
и l = 0,5d(1 + σвш/σвф) при 1,5 < σвш/σвф ≤ 2
Пример 11.2. Рассчитатьтолщину стенки кованой обечайки колонны синтеза аммиака. Исходныеданные к расчету:
- давление в аппарате 32 МПа;
- внутренний диаметр аппарата 1,2 м;
- материал аппарата сталь 12ХМ;
- расчетная температура стенки аппарата 200°С.
Решение: Определим допускаемое напряжение для стали 12ХМ при расчетной температуре. Предел прочности и предел текучести для этих условий равны со-
ответственно:
σ200в = 458 МПа; σ200т = 254 МПа.
Запасы прочности по пределу прочности и пределу текучести равны:
nв = 2,5; nт = 1,5.
Тогда номинальное допускаемое напряжение выбирается как меньшее из двух:
σ*в = σ200в/ nв = 458/2,5 = 183 Мпа; σ*т = σ200т/nт = 254/1,5 = 169 Мпа.
Номинальное допускаемое напряжение σ* = 169 МПа. Полагая коэффициент
η = 1, получим окончательно [σ] = 169 МПа. Толшина стенки обечайки аппарата, работающего под высоким давлением определяется условиями:
где sR - расчетная толщина стенки; s - исполнительная толщина стенки;
с - конструктивная прибавка к расчетной толщине стенки; R - внутренний радиус обечайки аппарата; pR - расчетное давление в аппарате; [σ] - допускаемое напря-
жение; φ- коэффициент прочности сварного шва (для кованых обечаек φ = 1).
Подставляя известные значения, получим:
Принимая конструктивную прибавку равной 10 мм, получим окончательно
S = 0,125 + 0,01 = 0,135 м;
Наружный диаметр аппарата:
Dн = 1,2 + 2∙0,135 = 1,47 м.
Уточненный расчет толщины стенки обечайки толстостенного аппарата предполагает определение осевых, радиальных и тангенциальных напряжений от внутреннего давления и температуры на внутренней стороне стенки с дальнейшим расчетом эквивалентных напряжений и сравнение их с допускаемыми.
Пример 11.3. Рассчитать кованое плоское днище колонны синтеза аммиака. Основ-
ные размеры приведены на рис. 11.10. Исходные данные к расчету:
- расчетная температура 200 °С;
- расчетное давление 32 МПа;
- материал сталь 12ХМ;
- табличное номинальное допускаемое напряжение 140 МПа.
Рис. 11.10. К примеру 11.3 | Решение: Толщина плоского днища аппаратов высокого давления определяется по формуле: Исполнительная толщина днища равна sд = sRд+ С. |
Коэффициент φ определяется по уравнению
φ = (Dв – Σdотв)/Dв = [1,2 – (0,25 + 0,12)]/1,2 = 0,7
Определим расчетную толщину днища
Примем конструктивную прибавку равной 9 мм, тогда окончательно
sд = 0,281 +0,009 = 0,29 м.
Пример 11.4, Рассчитать толщину стенки катализаторной коробки колонны синтеза аммиака. Исходные данные к расчету:
- расчетное наружное давление 2 МПа
- расчетная температура 550 °С
- внутренний диаметр обечайки 1,06 м
- материал (сталь) 12Х18Н10Т
- номинальное допускаемое напряжение материала 101 МПа
- его модуль упругости 1,6∙105 МПа
- расстояние между кольцами жесткости 2 м.
Решение: Примем коэффициент ψ = 1, тогда расчетное допускаемое напряжение будет равно номинальному. Определим толщину обечайки. Рассчитаем коэффициенты К1 и К3:
Из номограммы на рис. 11.1 определим коэффициент К2. Он равен 1,35. Тогда толщина обечайки будет определяться соотношением
Примем конструктивную прибавку равной 6 мм. Тогда s = 0,014 + 0,006 = 0,02 м Пример 11.5. Рассчитать обтюрацию колонны синтеза аммиака с двухконусным уплотнительным кольцом по размерам, приведенным на рис. 11.11.
Исходные данные к расчету:
- диаметр Dв = 1200 мм;
- высота кольца Н = 100 мм;
- высота зазора h = 50 мм;
- величина δ = 0,6 мм;
- угол трения на уплотнительной поверхности ρт= 15°.
Рис. 11.11. К примеру 11.5 | Решение: ширина кольца определяется по форму- ле где Dп - средний диаметр уплотнительной поверх- ности, Dп = Dв+0,5(H - h)tgγ, где γ - угол конусности прокладки, равный 30°; |
α = 0,16 м; σ20см = 68,6 МПа (для алюминия); σ20т = 343 МПа (для материала кольца).
Dп = 1,2+0,5(0,1 – 0,05)tg300 = 1,214 м.
Примем S = 0,04 м. Тогда наружный диаметр кольца будет равен
1,214 + 0,07= 1,22 м. Внутренний диаметр кольца
D0 =1,22 + 2 0,04 = 1,14 м.
Расчетная сила, действующая на крепежные элементы в рабочих условиях, равна
Q = Qд + Qв
где Qд - равнодействующая внутреннего давления р на крышку; Qв – осевая составляющая равнодействующей внутреннего давления на уплотнительное коль-
цо.
При этом:
Qд = 0,25πDпр; Qв = 0,5kπDпhср p tgγ.
где k - коэффициент, учитывающий влияние силы предварительной затяжки (при р > 29,4 МПа - k = 1); hср = 0,5(H+h).
Тогда
Qд =0,25∙3,1416∙ 1,214∙ 32 = 30,51 МН;
Qв = 0,5∙ 1∙ 3,1416∙1,214 ∙0,5 (0,1+0,05) 32tg30° = 2,642 МН;
Q = 30,51 + 2,642 = 33,142 МН.
Расчетный диаметр стержня шпильки по ГОСТ 26303-84
d1 ≥ [6K2K3Q/(πzσтш) + d0]1/2
где К2 - коэффициент, учитывающий тангенциальные напряжения при ее затяжке (для плоских прокладок - К2 = 1,1; для остальных - 1,0); K3 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между шпильками
(К3 = 1,5); Q - расчетное усилие, действующее на все шпильки; z - число шпилек (должно быть кратно четырем); d0 - диаметр центрального отверстия в шпильке (назначается конструктивно или по ОСТ 26 01-139-81); σтш - предел текучести материала шпильки.
Примем 24 шпильки. Определим диаметр шпильки:
Примем диаметр шпильки 150 мм. Определим диаметр болтовой окружности:
Примем D3 = 2,1 м. Длина болтовой окружности l3 = πD3 =3,1416∙2,1 = 6,6м.
Шаг шпилек
t = lз/z = 6,6/24 = 0,275 м.
Отношение шага к диаметру шпилек 0,275/0,15 = 1,8. Такое отношение допус-
тимо для аппаратов высокого давления.
Расчетную длину l свинчивания резьбы для сопряжения «шпилька - гнездо» корпуса определяют из соотношений
l = 1,25d1 при σвш/σвф ≤ 1,5
l = 1,25d1 = 1,25∙0,15 = 0,19м.