Расчет укрепления отверстий в оболочках. Способы укрепления отверстий

При выполнении отверстий в оболочке (обечайке, выпуклой крышке или днище) под штуцеры, люки и лазы происходит уменьшение прочности сосудов и аппаратов. Укрепление отверстий обеспечивается, в первую очередь, за счет избыточной толщины стенки оболочки. Избыточная толщина стенки оболочки – это разность между исполнительной толщиной стенки и расчетной толщиной. Так же отверстие укрепляет избыточная толщина внешней и внутренней частей штуцера. Если этого недостаточно, отверстие дополнительно укрепляют накладным кольцом, вварным кольцом или бобышкой. На рисунке 1 представлена основная расчетная схема соединения штуцера со стенкой сосуда.

Рис.1 Основная расчетная схема соединения штуцера

со стенкой сосуда

Расчет укрепления отверстий в оболочке следует начинать с определения расчетных диаметров. Расчетные диаметры укрепляемых элементов в соответствии с ГОСТ 24755-89 определяют по следующим формулам:

1. для цилиндрической обечайки

, (1)

где внутренний диаметр цилиндрической обечайки, мм;

2. для конической обечайки, перехода или днища

, (2)

где внутренний диаметр конической обечайки (перехода или днища) по центру укрепляемого отверстия, мм;

половина угла при вершине конической обечайки (перехода или днища), град.;

3. для эллиптических днищ (крышек)

, (3)

где внутренний диаметр выпуклого днища (крышки), мм;

расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища (крышки), мм;

внутренняя высота эллиптической части днища (крышки), мм;

4. для эллиптических днищ (крышек) при

, (4)

при x =0 (штуцер расположен коаксиально днищу или крышке, получим, что . При x отлично от 0 значения D будут меньше 2D, соответственно получим и меньшие значения расчетной толщины стенки.

5. для сферических днищ (крышек), а также торосферических днищ (крышек) вне зоны отбортовки

, (5)

где наибольший внутренний радиус выпуклого днища в мм, определяется по ГОСТ 14249-89. В апреле этого года ОАО «НИИХИММАШ» выпустил новую редакцию ГОСТ 14249, которая пока еще не утверждена. В дальнейшем нам придется пользоваться новой редакцией.

Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, перехода или выпуклого днища при наличии штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия, или кругового отверстия без штуцера определяют по формуле:

, (6)

где внутренний диаметр штуцера, мм;

сумма прибавок к расчетной толщине, мм.

Данный случай выполнения отверстия является наиболее распространенным, другие варианты приведены в ГОСТ 24755-89.

Далее находят расчетные толщины стенок. Расчетные толщины стенок укрепляемых элементов определяют в соответствии с ГОСТ 14249-89. Для эллиптических днищ используется зависимость для расчета толщины стенки, записанная в несколько другом виде, чем в указанном стандарте, а именно

, (7)

где расчетное давление в сосуде или аппарате, МПа;

коэффициент прочности сварных соединений обечаек и днищ (крышек);

допускаемое напряжение для материала обечайки, перехода или днища (крышки), МПа.

Сравним формулу (7) с приведенной в ГОСТ 14249 для расчета толщины стенки эллиптического днища, работающего под действием внутреннего избыточного давления, а именно , это связано с тем, что расчетный диаметр по ГОСТ 24755-89 практически в 2 раза больше, чем принятый в ГОСТ 14249.

Формула (7) при дает те же результаты, что и формула для расчета эллиптических днищ по ГОСТ 14249. При расчетная толщина стенки по формуле (7), как мы уже отмечали, будет меньше, рассчитанной по ГОСТ 14249.

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле:

, (8)

где допускаемое напряжение внешней части штуцера при расчетной температуре, МПа;

коэффициент прочности продольного сварного соединения штуцера.

Формула (8) – это та же формула, что и в ГОСТ 14249 для расчета толщины стенки обечайки, работающей под действием внутреннего избыточного давления.

Как уже отмечалось, в первую очередь, отверстие в оболочке укрепляется за счет избыточной толщины стенки оболочки. Естественно, вокруг отверстия существует определенная зона укрепления, ширина которой определяется по формуле:

, (9)

где исполнительная толщина стенки обечайки, перехода или днища (крышки), мм;

сумма прибавок к расчетной толщине стенки обечайки, перехода или днища (крышки).

Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, учитываемые при расчете (рис.1), определяют по формулам:

, (10)

где исполнительная длина внешней части штуцера, мм;

исполнительная толщина внешней части штуцера, мм;

, (11)

где исполнительная длина внутренней части штуцера, мм;

исполнительная толщина внутренней части штуцера, мм;

прибавка на коррозию к расчетной толщине стенки штуцера, мм.

После определения расчетных диаметров находят диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления при наличии избыточной толщины стенки оболочки, по формуле:

. (12)

Если расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию

, (13)

то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется.

Если условие (13) не выполняется, расчет укрепления отверстия проводят следующим образом:

1. В случае укрепления отверстия за счет избыточной толщины стенки оболочки и штуцера должно выполняться условие:

, (14)

где отношение допускаемых напряжений материала внешней части штуцера и оболочки при расчетных температурах;

отношение допускаемых напряжений материала внутренней части штуцера и оболочки при расчетных температурах;

(15)

расчетный диаметр отверстия, не требующего укрепления при отсутствии избыточной толщины стенки оболочки.

Если условие (14) не выполняется, отверстие, в первую очередь, может быть укреплено накладным кольцом. В этом случае условие укрепления отверстия запишется в виде: