Краткие сведения из теории и практики

1 2 3 4 5 6 7

Определение напряжений

В толстостенных цилиндрических оболочках

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по дисциплинам«Конструирование и расчет элементов оборудования»,

«Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств»

для студентов специальностей 240801, 260601 всех форм обучения

Нижний Новгород 2009

Составители: В.М. Косырев, Н.А. Кудрявцев, А.А. Иванов, С.В. Жестков

УДК 66.02:664.02

Определение напряжений в толстостенных цилиндрических оболочках: метод. указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам «Конструирование и расчет элементов оборудования», «Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств» для студентов спец. 240801 «Машины и аппараты химических производств», 260601 «Машины и аппараты пищевых производств» всех форм обучения / НГТУ им. Р.Е. Алексеева; Сост.: В.М. Косырев, Н.А. Кудрявцев, А.А. Иванов, С.В. Жестков. - Н.Новгород, 2009. – 17 с.

Даны краткие сведения из теории и практики о конструкциях и напряжениях, возникающих в толстостенных цилиндрических оболочках, нагруженных внутренним давлением, о методике опытного и расчетного определения этих напряжений. Описана лабораторная установка. Приведены вопросы для самоконтроля.

Редактор В.И.Бондарь

Подп. в печать 28.05.09 Формат 60´84 1/16. Бумага газетная.

Печать офсетная. Усл.печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,7. Тираж 150 экз. Заказ 422

____________________________________________________________________

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.

Типография НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 603950, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

технический университет

им. Р.Е.Алексеева, 2009

1. Цель работы

Целью работы является:

- изучение работы толстостенной цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением;

- экспериментальное определение напряжений, возникающих в оболочках;

- расчетное определение напряжений, возникающих в оболочках;

- сопоставление полученных опытных и расчётных значений.

Краткие сведения из теории и практики

Толстостенные цилиндрические оболочки являются основным конструктивным элементом разнообразных сосудов и аппаратов высокого давления, широко применяемых в производстве аммиака, карбамида, метанола, синтетических жирных спиртов, при переработке нефтепродуктов и в других производствах. Конструкции сосудов высокого давления определяются требованиями технологических процессов, эксплутационными параметрами, техническими возможностями предприятий-изготовителей, условиями транспортировки, монтажа и эксплуатации. В общем случае конструкция сосудов высокого давления зависит от следующих параметров:

· рабочего и расчетного давления;

· рабочей и расчетной температуры;

· минимальной отрицательной температуры стенки;

· характеристики рабочей среды (взрыво-и пожароопасной, коррозионной и др.);

· геометрических размеров (диаметра, длины или высоты);

· географических и климатических условий эксплуатации;

· срока службы.

В зависимости от назначения, характера протекающего процесса, наличия внутренних устройств сосуды высокого давления могут иметь разнообразную форму. Корпуса сосудов изготовляют в виде цилиндрических, конических или сферических оболочек, соединенных с плоскими или выпуклыми днищами и крышками сварными швами или с помощью механических крепежных устройств. Наиболее часто корпус сосуда высокого давления имеет цилиндрическую форму.

Типы сосудов высокого давления. В зависимостиот конструкции и технологии изготовления сосуды высокого давления делятся на два основных типа:

- с однослойной (монолитной) стенкой – цельнокованые; кованосварные; штампосварные; вальцованосварные;

- с многослойной стенкой – с концентрическим расположением относительно тонких слоев (до 6 мм), с концентрическим расположением относительно толстых слоев (25…60 мм), рулонированные, витые, оплёточные, с проволочной навивкой.

Сосуды высокого давления с однослойной (монолитной) стенкой обладают высокой надежностью, работоспособностью при значительных циклических нагрузках по давлению и температуре как при внутреннем, так и при наружном обогреве. К недостаткам соcудов с монолитной стенкой относятся:

· высокая металлоемкость;

· сложность сварки и термообработки крупногабаритных деталей из-за больших толщин стенок;

· возможность хрупкого разрушения вследствие быстрого развития трещины сразу на всю толщину стенки.

Потребность химической и нефтехимической промышленности в крупногабаритных толстостенных и более экономичных сосудах высокого давления привела к созданию многослойных конструкций их корпусов.

Многослойные сосуды имеют диаметр до 3,6 м, длину более 40 м. Их размеры ограничиваются только условиями транспортировки и монтажа.

Многослойные сосуды высокого давления более экономичны ввиду меньших потерь металла при изготовлении и меньшей трудоемкости. Кроме того, во многих случаях отпадает необходимость в проведении трудоемкой и дорогостоящей термообработки сварных швов, соединяющих обечайки между собой и с концевыми элементами. Существенным преимуществом многослойных сосудов является их большая безопасность. Наличие контрольных отверстий, проходящих в многослойной стенке до центральной обечайки, позволяет своевременно обнаружить утечки рабочей среды и остановить сосуд для ремонта. Дефекты или трещины локализуются в одном слое и не развиваются на всю толщину стенки. Кроме того, при такой конструкции сравнительно просто можно обеспечить коррозионную защиту внутренней поверхности корпуса благодаря установке центральной обечайки из коррозионно-стойкой стали.

К недостаткам многослойных сосудов относятся: большое количество массивных кольцевых швов, в которых из-за сочетания различных конструкционных и сварочных материалов возможно появление дефектов; наличие зазоров между слоями, а следовательно, пониженная теплопроводность стенки, которая обусловливает некоторые ограничения по числу циклов нагружения давлением и температурой, по скорости нагрева и охлаждения, по возможности работы с наружным обогревом.

Цельнокованые сосуды высокого давления имеют монолитный корпус, изготовленный из одной поковки, что определяет их относительно небольшие размеры (внутренний диаметр 0,6 …1,2 м, длину до 18 м).

Их чаще всего применяют при давлении более 32 МПа и высокой температуре, особенно при наружном обогреве корпуса.

Кованосварные сосуды высокого давления имеют корпус из нескольких механически обработанных кованых частей (обечаек, днищ, фланцев, горловин), скрепленных между собой кольцевыми сварными швами. Применение нескольких поковок для изготовления одного корпуса значительно расширяет возможности изготовления кованосварных сосудов по сравнению с цельноковаными.

Штампосварные и вальцованосварные сосуды высокого давления имеют корпус, выполненный из нескольких штампованных или вальцованных обечаек (или полуобечаек), соединенных между собой продольными и кольцевыми сварными швами, и концевые детали (днища, фланцы и горловины), изготовленные отдельно из поковок или штамповок. Такие сосуды более экономичны по сравнению с цельноковаными и кованосварными. Их можно изготовлять значительно большего диаметра. Однако надежность таких сосудов меньше из-за наличия продольных сварных швов.

Многослойные сосуды высокого давления выпускаются трех основных типов:

- с концентрическим расположением тонких слоев (способ изготовления Смита), выполненные из нескольких обечаек, состоящих из слоев (листов толщиной (4…6 мм), обтягивающих с натягом центральную обечайку толщиной 16…24 мм, выполненную из коррозионно-стойкого материала. Обечайки соединены между собой и с концевыми элементами кольцевыми сварными швами;

- с концентрическим расположением толстых слоев, выполненные последовательной напрессовкой нескольких сварных цилиндрических обечаек из толстого листа (25…60 мм);

- рулонированные, имеющие корпус из одной или нескольких многослойных рулонированных обечаек, соединенных между собой и с концевыми элементами корпуса кольцевыми сварными швами. Концевые элементы выполняются из поковок или штамповок. Многослойная рулонированная обечайка состоит из центральной обечайки толщиной 16…24 мм и намотанной на нее по спирали до необходимой толщины рулонной полосы шириной 1400...1800 мм и толщиной 4…6 мм. Снаружи на рулонированную обечайку надевается защитный кожух толщиной 8…12 мм.

Технологичность изготовления (простота механизации процесса навивки рулона), более низкая металлоемкость (меньше отходов тонкого листа) обусловливают более низкую стоимость изготовления рулонированных сосудов по сравнению с многослойными с концентрическими слоями.

Особенностью прочностного расчета толстостенных оболочек по сравнению с тонкостенными является необходимость учета радиальных напряжений, которые при больших толщинах стенок оказываются соизмеримыми с кольцевыми и меридиональными напряжениями. Напряженное состояние материала таких оболочек является уже не двухосным, а трехосным (объёмным).

Условной границей толстостенности оболочек принято считать отношение толщины стенки S к внутреннему радиусу , равное .