| Курсовая работа "модернизации колонна К-5" | |
| Автор: student | Категория: Технические науки / Проектирование | Просмотров: 1566 | Комментирии: 0 | 01-01-2014 22:47 |
СКАЧАТЬ:
4 Конструкторско – механическая часть
После модернизации колонна К-5 будет эксплуатироваться при условиях, отличных от тех, для которых она конструировалась. Поэтому, необходимо проверить корпус колонны, узлов и деталей на прочность при действии на него нагрузок, возникающих при новых условиях эксплуатации.
4.1 Расчет на прочность и устойчивость узлов и деталей корпуса аппарата от расчетного давления
4.1.1 Расчет обечаек цилиндрических, нагруженных внутренним избыточным давлением
Схема цилиндрической обечайки приведена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 - Схема цилиндрической обечайки
Проверим выполнение условия
, (4.1)
где [р] – допускаемое внутреннее избыточное давление, МПа;
р – расчетное давление в аппарате, р = 0,2 МПа;
[σ] – допускаемое напряжение при рабочей температуре, [σ] = 149 МПа;
φ – коэффициент прочности сварных швов, φ = 0,9;
s – толщина стенки обечайки, s = 10 мм;
с – прибавка на компенсацию коррозии, с = 2 мм;
D – внутренний диаметр аппарата, D = 1600 мм.
МПа;
.
Условие (4.1) выполняется, следовательно прочность обечайки корпуса колонны обеспечена.
Проверяем условие применимости формул
(4.2)
Условие (4.2) выполняется, формулы применимы для данного аппарата.
4.1.2 Расчет эллиптических днищ, нагруженных внутренним избыточным давлением.
Схема эллиптического днища приведена на рисунке 4.2
Рисунок 4.2 – Схема эллиптического днища
Проверим выполнение условия
(4.3)
Подставим числовые значения, получим
МПа;
Условие (4.3) выполняется, следовательно, прочность эллиптического днища корпуса колонны обеспечена.
Проверяем условие применимости формул
(4.4)
0,002<0,003<0,1.
Условие выполняется, формулы применимы для данного аппарата.
4.2 Расчет фланцевых соединений
Цель расчета: рассчитать фланцевые соединения на прочность от действия наружного давления.
Люк – лаз с крышкой и приварным встык фланцем: тип 3, с уплотнением шип – паз, исполнение 1, согласно ОСТ 26 – 2006 – 77. Конструкция люка приведена на рисунке 4.3, а его параметры в таблице 4.1
Таблица 4.1 – Размеры люка с крышкой
рУ, МПа D,мм D1, мм S, мм h, мм H, мм H1, мм H2, мм
0,6 600 740 10 38 220 330 117
Выбираем для фланцевого соединения паронитовую прокладку, согласно ОСТ 26 – 373 – 78. ( Р ≤ 2,5 МПа; t = от минус 200 до плюс 400 °C).
Рисунок 4.3 – Конструкция люка с крышкой и плоским фланцем
Подъемно – поворотное устройство для вертикальных люков: тип 3, крышка люка плоская, ОСТ 26 – 2014 – 77. Конструкция подъемно – поворотного устройства представлена на рисунке 4.4.
Рисунок 4.4 – Конструкция поворотного устройства
Размеры подъемно – поворотного устройства представлены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Размеры подъемно – поворотного устройства
ру, МПа D, мм S, мм l, мм l1, мм l2, мм h, мм d, мм
0,6 600 10 520 400 145 125 45
Фланцевое соединение выбираем по ОСТ 26 – 427 – 79 – стальные при-варные встык фланцы; тип уплотнительной поверхности – выступ-впадина (рисунок 4.5).
Рисунок 4.5 – Схема фланцевого сечения
Основные расчетные параметры фланцевого соединения представлены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 – Расчетные параметры фланцевого соединения
DФ,
мм DБ,
мм D1,
мм D2,
мм D3,
мм h,
мм a,
мм a1,
мм d,
мм z,
мм S0,
мм
740 700 664 672 663 40 14 12 23 28 10
4.2.1 Расчет прокладки
Определим наружный диаметр прокладки
(4.5)
где DБ – диаметр до оси болта, DБ = 700 мм;
е – параметр, выбираемый согласно диаметру под болт е = 34 мм, (ОСТ 26 – 373– 78).
Средний диаметр прокладки определяем по формуле
(4.6)
где bП – ширина уплотнительной прокладки, выбираемая в соответствии с диаметром аппарата (ОСТ 26 – 373 – 78), bП = 25 мм.
Определим эффективную ширину прокладки
(4.7)
Определим толщину у основания втулки приварного встык фланца по формуле:
, (4.8)
где β – коэффициент, β = 2.
.
Определим эквивалентную толщину втулки, для приварного встык фланца
SЕ = S0= 10 мм.
Определим угловую податливость фланца
(4.9)
где ω, λ – безразмерные параметры;
– коэффициент;
Еф – модуль продольной упругости материала фланца, принимаем материал фланца 09Г2С (ОСТ 26 – 2011 – 77), Еф = 1,86·105 МПа;
h – ориентировочная толщина фланца, h = 40 мм.
Определим безразмерные параметры ω, λ
(4.10)
(4.11)
где ψ1 – безразмерные коэффициент,
. (4.12)
Определим коэффициент
(4.13)
где К - безразмерный коэффициент.
(4.14)
Подставляя значения, получим следующие результаты
Определим угловую податливость плоской крышки
(4.15)
где Екр – модуль упругости материала крышки, принимаем материал крышки 09Г2С (ОСТ 26 – 2011 – 77), Екр= 1,86·105 МПа;
hкр – толщина фланцевой части крышки, h = 38 мм;
χкр – безразмерный коэффициент,
(4.16)
где δкр – толщина плоской крышки, δкр = 38 мм;
hкр – толщина фланцевой части крышки, hкр = 38 мм;
К - безразмерный коэффициент.
(4.17)
Подставляя значения, получим следующие результаты
Определим линейную податливость прокладки
(4.18)
где ЕП – модуль упругости материала прокладки, ЕП = 2000 МПа (ОСТ 26 – 373 – 78);
sП – толщина прокладки, sП ≥ 1 мм;
4.2.2 Расчет болтового соединения
В качестве крепежных деталей стандартных люков согласно ОСТ 26 – 2011 – 77 принимаем шпильки из материала сталь 35 (ГОСТ 1759 – 70) и гайки - сталь 25 (ГОСТ 1759 – 70).
Определим расчётную длину шпильки
LБ = LБ.0 + 0,56·d, (4.19)
где LБ0 – длина шпильки между опорными поверхностями гаек, LБ0 = 100 мм;
d – диаметр отверстия под шпильку, мм.
LБ.0 = hКР + δКР + sП; (4.20)
LБ.0 = 38 + 38 + 2 = 78 мм;
Определим линейная податливость шпилек
(4.21)
где ЕБ – модуль упругости материала шпильки, ЕБ = 1,86·105 МПа;
zБ – число болтов, zБ = 28;
fБ – площадь сечения шпильки, fБ = 3,4·10-4 м2 (ОСТ 26-273-78).
Определим коэффициент жесткости фланцевого соединения
(4.22)
где А, В1 и В2 – безразмерные коэффициенты.
(4.23)
; (4.24)
. (4.25)
При стыковке фланца с плоской крышкой справедливо следующее
Подставляя значения, получаем следующие результаты
4.2.3 Расчет фланцевого соединения, работающего под действием внутреннего давления
Определим нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления
(4.26)
Сила реакция прокладки в рабочих условиях определяем по формуле
RП = 2 • DП.СР • bE • m • pR, (4.27)
где m – коэффициент для паранитовой прокладки, по ОСТ 26 – 373 – 78 m=2,5.
RП = 23,14 0,641 0,0127 2,5 0,2 = 0,02 МН.
Определим усилие, возникающее от температурных деформаций
(4.28)
где αф, αБ – коэффициенты линейного расширения фланца и шпильки соответственно, αф = 13,1∙106 1/К, αБ = 13,2·10-6 1/К;
tф, tБ – температура фланца и шпильки соответственно, °C;
γ – безразмерный коэффициент, определяемый по формуле.
(4.29)
Определим температуры фланца и шпильки согласно рабочей температуре в изоляции
tФ = tR = 100 ºС;
tБ = 0,97 • tR; (4.30)
tБ = 0,97 • 100 = 97 ºС.
Подставляя полученные значения в формулу (4.24), получим
Определим болтовую нагрузку в условиях монтажа
(4.31)
Принимаем максимальное значение
РБ1 = 0,51 МН.
Определим болтовую нагрузку в рабочих условиях
(4.32)
Проверим условие прочности шпилек
(4.34)
(4.35)
где [σ] - допускаемое напряжение для шпилек.
[σ]20 = 130 МПа;
[σ]100 = 123 МПа.
Подставляя значения в условия (4.34) и (4.35), получим
53,57 МПа < 130 МПа;
61,24 МПа < 123 МПа.
Условия выполняются, т. е. данное количество шпилек z = 28 достаточ-но.
Проверим условие прочности прокладки
(4.36)
где q - параметр, [q] = 20 мм.
Условие выполняется, значит, принятая ширина прокладки достаточна.
4.2.4 Расчет плоских приварных фланцев и буртов
Определим максимальные напряжения в сечении фланца, ограниченном размером S1
(4.37)
где Т – безразмерный параметр, определяемый по графику согласно коэффициенту К, Т = 1,82;
М0 – приведенный изгибающий момент.
Определим приведенные изгибающие моменты в диаметральном сече-нии фланца
(4.38)
(4.39)
За расчетное значение М0 принимаем большое значение
М0 = 0,019 МН•м.
Подставляя значения в формулу (4.37), получим
Определим максимальные напряжения в сечении фланца, ограниченном размером S0, по формуле:
(4.40)
где ψ3 – коэффициент, ψ3 =1,6.
Определим окружное напряжение в кольце фланца по формуле:
(4.41)
где ψ2 – коэффициент, ψ2 = 9,34.
Определим напряжения во втулке фланца от внутреннего давления:
(4.42)
(4.43)
где Р – рабочее давление, Р = 0,2 МПа.
Проверим условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S1 = 20 мм
(4.44)
где [σ] - допускаемое напряжение.
[σ] = 1,5 • [σ]100; (4.45)
[σ] = 1,5 • 123 = 184,5 МПа.
Условие прочности выполняется.
Проверяем условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S0 = 10 мм, по формуле
[σ]; (4.46)
Условие прочности выполняется.
Проверяем условие герметичности углом поворота фланца:
(4.47)
где [θ] = 0,009 рад – допускаемый угол поворота приварного встык фланца при D = 600 мм <2000 мм.
Условие герметичности выполняется.
4.2.5 Расчет крышки
Конструкция отъемной плоской круглой крышки представлена на рисунке 4.6.
Рисунок 4.6 - Конструкция отъемной плоской круглой крышки с уплотннием выступ – впадина
Определим расчетную толщину крышки по формуле:
(4.48)
где DR = DБ;
К0 – коэффициент определяемый в зависимости от числа и размера отверстий, К0 = 1;
К1 – коэффициент, определяемый по формуле.
(4.49)
Толщина в средней части крышки равна
(4.50)
где с - прибавка на коррозию, c = 2 мм.
Примем S1 = 16 мм.
Толщина плоской круглой крышки с дополнительным краевым момен-том в месте уплотнения определяется по формуле
(4.51)
где РБ = 0,51 МН∙м;
К2 – безразмерный коэффициент.
(4.52)
Округляем толщину до значения 20 мм.
Допускаемое давление для плоской круглой крышки с дополнительным краевым моментом определяем по формуле:
(4.53)
Формулы для расчета применимы только в случае выполнения следующего условия
(4.54)
Условие применение формул выполняется.
4.3 Описание и расчет внутренних устройств колонны
Произведем расчет внутренних устройств которые будут устанавливаться в колонну К-5 после модернизации.
Для распределения жидкости по поверхности насадки в колонне К-5 примем конструкцию распределителя трубчатого типа.
4.3.1 Описание конструкции и расчет оросительного устройства
Цель расчёта: определение диаметра отверстий и их количество необходимое для орошения колонны.
На рисунке 4.7 представлена схема оросительного устройства.
Рисунок 4.7 – Схема оросительного устройства
Оросительное устройство представляет собой разборную конструкцию из перфорированных труб различного диаметра, устанавливается в верхней части колонны и предназначено для распределения СЩС по сечению колонны. Для получения разъёмного соединения к главной трубе 2 приварены короткие патрубки 1 с трубной резьбой, которые при помощи муфты 7 и контрагайки 6 соединяются с перфорированными трубками 5. С одной стороны трубки заварены (заглушка 8), с другой нарезана трубная резьба. Главная труба с одной стороны заварена (заглушка 3), с другой приварен переходник с резьбой 4, в который вворачивается труба подающая СЩС. Конец главной трубы размещается на опоре приваренной внутри корпуса колонны.
Исходя из того, что на каждый 0,01 м2 поверхности должна приходится одна точка орошения, находим число отверстий минимально необходимое для орошения. Для этого определяем площадь орошаемой поверхности
, (4.55)
где D – диаметр верхней части колонны, м;
.
Определяем минимально необходимое число отверстий для орошения
; (4.56)
Необходимо, чтобы выполнялось следующее условие
, (4.57)
где n – реальное число отверстий, исходя, из конструктивных соображений принимаем ;
Условие выполняется.
Определяем потерю напора для коллектора с двумя рядами ответвлений перфорированных труб
, (4.58)
где − скорость вначале коллектора, м/с;
− скорость вначале самой длинной трубки, м/с;
− скорость вначале самой короткой трубки, м/с;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Скорости определяем по формуле
, (4.59)
где Qi – расход СЩС, м3/с;
di – диаметр трубки, м.
Принимаем, что в самой длинной трубке 9 отверстий. Определяем расход в самой длинной трубке
, (4.60)
где 9 – число отверстий в трубке, шт;
м3/с.
Принимаем, что в самой короткой трубке 3 отверстия. Определяем расход в самой короткой трубке
, (4.61)
где 3 – число отверстий в трубке, шт;
м3/с.
Для основного коллектора выбираем стальную бесшовную горяче-деформированную трубу 84×5,5 по ГОСТ 8732-78, материал Ст4сп.
Для ответвлений выбираем стальную бесшовную горячедеформированную трубу 30×5 по ГОСТ 8732-78, материал Ст4сп.
Подставляя в формулу (4.59) числовые значения, получаем
м/с;
м/с;
м/с.
Подставляя найденные величины скоростей в формулу (4.4), получаем
м.
Определяем суммарную площадь всех отверстий
, (4.62)
где Q − общий расход СЩС, м3/с;
=0,00145 м2.
Принимаем диаметр одного отверстия равным: d=0,003 м.
Определяем площадь одного отверстия
; (4.63)
м2.
Определяем общее число отверстий
; (4.64)
Сравнивая полученное значение с принятым из конструктивных сообра-жений: 204 шт = 204 шт, делаем вывод, что расчёт произведён верно.
4.3.2 Описание конструкции и расчёт распределительной тарелки
Цель расчёта: определение числа прорезей необходимых для равномерного распределения жидкости по сечению колонны.
Исходные данные: диаметр колонны , расход жидкости , рабочая температура °С.
На рисунке 4.8 представлена схема распределительной тарелки.
Рисунок 4.8 – Схема распределительной тарелки
Полотно тарелки состоит из трех секций 2, 3. Секции установлены на опорное кольцо 1 и опорные балки 4, для обеспечения герметичности между полотном тарелки и опорными поверхностями устанавливают прокладки, плотность прилегания которых обеспечивается при помощи струбцин, болтов и специальных шайб.
К полотну тарелки приварены патрубки 5. Схема расположения патрубков по треугольной сетке, с шагом 90 мм. На концах патрубков выполнены переливные прорези. К патрубкам также приварены колпачки 6.
В полотнах тарелки также предусмотрены дренажные отверстия диамет-ром 5 мм.
Произведём расчёт распределительной тарелки, которую необходимо установить в средней части колонны, для распределения жидкости стекающей с верхнего слоя насадки.
Определяем напор над порогом водослива по формуле
, (4.65)
где m – коэффициент расхода;
b – протяжённость порога водослива, принимаем ;
Q – расход жидкости через прорези патрубков, м3/с;
N – общее число прорезей в патрубках.
Определяем общее число прорезей
, (4.66)
где n – число прорезей в одном патрубке, шт;
184 – число патрубков, шт;
.
Определяем расход жидкости через дренажное отверстие заданного диа-метра
, (4.67)
где μ – динамический коэффициент вязкости, для круглого отверстия, Па•с;
f – площадь отверстия, определяем по следующей формуле
; (4.68)
Нп – полный напор, принимаем равным 70 мм;
м3/с.
Принимая из конструктивных соображений число отверстий равное e = 32, определяем общий расход жидкости через дренажные отверстия
; (4.69)
.
Вычитая из общего расхода жидкости проходящей через тарелку – расход проходящий через дренажные отверстия, получаем количество жидкости проходящей через патрубки
; (4.70)
.
Принимая, что l/d < 3 определяем коэффициент расхода. Коэффициент расхода зависит от числа Re, следовательно, и от вязкости жидкости ν.
Определяем число Рейнольдса
, (4.71)
где d – внутренний диаметр патрубков, м;
Н – высота жидкости над прорезью, м;
.
По графику принимаем коэффициент расхода равный m = 0,58 [4].
Подставляя числовые значения в формулу (4.65), получим
Определяем расход жидкости через одну прорезь
; (4.72)
м3/с.
Сравнивая расход жидкости через дренажное отверстие и через одну прорезь видим , что они одного порядка: 14,2•10 -6 м3/с и 20,3•10-6 м3/с.
4.3.3 Описание конструкции и расчёт опорной решетки
Цель расчёта: расчёт на прочность балки опорной решётки от действия весовой нагрузки.
Опорная решётка представляет собой разборную трёх-секционную конструкцию. Каждая секция представляет собой сваренную определенным образом решётку.
Секции устанавливаются на опорное кольцо и балки оставшиеся после демонтажа тарелок. Секции изготавливают из полос стали Ст3сп.
Между собой секции соединяют болтами, для обеспечения устойчивости предусмотрены металлические полосы фиксирующие положение решётки на опоре.
На рисунке 4.9 представлена конструкция опорной решётки.
1 – обечайка; 2 – опорная балка; 3 – опорное кольцо; 4 – первая секция; 5 – вторая секция; 6 – третья секция
Рисунок 4.9 – Схема опорной решётки
Исходные данные: длина балки LБ, мм 1375;
внутренний диаметр колонны D, мм 1600;
высота слоя насадки Н, мм 4350;
масса 1 м3 насадки М, кг 314.
На рисунке 4.10 представлена схема нагружения балки.
Рисунок 4.10 – Схема нагружения балки
Схема расположения сечения балки представлена на рисунке 4.11
Рисунок 4.11 – Схема расположения сечения балки
Произведём расчёт на прочность балки из уголка с номером профиля 10/6,3 по ГОСТ 8509-93.
Определяем нагрузку на каркас
(4.73)
где QБ – вес балки Н, определяем по формуле
(4.74)
где m – масса одного метра уголка, кг;
LБ − длина балки, м;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
– вес одного человека, определяем следующим образом
– вес насадки, определяем по формуле
(4.75)
где D – внутренний диаметр колонны, м;
H − высота слоя насадки, м;
М – масса 1 м3 насадки, кг;
Подставляя найденные значения в формулу (4.56), получим
Определяем удельную нагрузку на единицу площади каркаса
; (4.76)
Определяем распределённую нагрузку действующую на одну балку
; (4.77)
Определяем максимальный изгибающий момент, действующий в балке
; (4.78)
Так как уголок неравнобокий, то определяем наименьший момент сопротивления уголка
, (4.79)
где Iy – момент инерции уголка, см4;
В – высота уголка, см;
у0 – расстояние от центра тяжести до наружной грани полки, см;
Проверим условие прочности
, (4.80)
где [σ]100 – допускаемое напряжение для стали Ст3сп при температуре 100 °С;
Условие прочности выполняется.
Также проверим на прочность металлические полосы из которых изготовлены секции опорной решётки.
Проверим на прочность наиболее длинную полосу, длина которой , высота , толщина .
Учитывая прибавку на коррозию , определяем толщину полосы
(4.81)
Определяем нагрузку действующую на одну полосу
(4.82)
где – вес насадки приходящийся на одну полосу, Н;
– вес человека, Н.
Определяем вес насадки приходящийся на одну полосу
(4.83)
где l – длинна полосы, м;
r – расстояние между полосами, м;
H − высота слоя насадки, м;
М – масса 1 м3 насадки, кг;
Определяем вес одного человека
Подставляя числовые значения в формулу (4.82), получаем
Определяем максимальный изгибающий момент действующий в балке
, (4.84)
где
l – длинна полосы, м;
На рисунке 4.12 представлена схема нагружения полосы (выбран наиболее неблагоприятный вариант).
Рисунок 4.12 – Схема нагружения
Схема расположения сечения балки представлена на рисунке 4.13
Рисунок 4.13 – Схема расположения сечения балки
Определяем осевой момент сопротивления для сечения полосы
, (4.85)
где s – толщина полосы, см;
h – высота полосы, см;
W= см3.
Проверим условие прочности, используя формулу (4.80)
Условие прочности выполняется.
4.3.4 Расчёт на прочность сварных швов опорной решётки
Расчётная схема углового шва в тавровом соединении представлена на рисунке 4.14.
Рисунок 4.14 – Расчётная схема углового шва
Определяем напряжение от срезающей силы P
, (4.86)
где а – катет сварного шва, мм;
l – длина сварного шва, мм;
Определяем напряжение в шве от момента P•H
, (4.87)
где W – момент сопротивления сварного шва, определяем по формуле
; (4.88)
Определяем суммарное напряжение
; (4.89)
Проверяем выполняется ли условие
, (4.90)
где [τ]ср – допускаемое напряжение на срез сварного шва при статической нагрузке, определяем по формуле
, (4.91)
где [σ]р – допускаемое напряжение на растяжение при ручной сварке электродами с толстой обмазкой: [σ]р=130 МПа;
Условие выполняется.
4.4 Расчет весовых характеристик аппарата
Цель расчета: определить вес аппарата и его отдельных частей.
Исходные данные: мм, мм, мм,
Определим вес аппарата без опоры в рабочих условиях
(4.92)
Определим вес цилиндрической части аппарата
(4.93)
Определим вес эллиптического днища
(4.94)
Определим вес внутренних устройств
(4.95)
(4.96)
где GНАС – вес насадки, Н;
GТАР – вес тарелки, Н;
GОТ – вес отбойника сетчатого, Н.
Подставляя значения в формулу (4.96), получим
Определим вес изоляции
(4.97)
где GИЗ Ц – вес изоляции цилиндрической части, Н;
GИЗ Д – вес изоляции эллиптического днища, Н.
Определим вес изоляции цилиндрической части
(4.98)
Определим вес изоляции эллиптического днища
(4.99)
Подставляя значения в формулу (4.97), получим
Определим вес наружных устройств
(4.100)
Подставляя значения в формулу (4.92), получим
4.5 Расчет воздействия ветровых усилий на аппарат
В результате реконструкции аппарата значительно изменится его масса, следовательно, изменится и нагрузка на аппарат от действия ветровых усилий. Поэтому необходимо произвести расчет действия ветровых усилий на колонну.
Расчет действия ветровых усилий на аппарат произведен на ЭВМ на программе "Weter 200" – "Расчет колонных аппаратов на действие ветровых нагрузок и сейсмических сил". Программа выполнена с учетом ГОСТ Р51273-99. Результаты расчета приведены в приложении Б.
Из расчета были определены:
- период собственных колебаний колонны Т = 0,9 с;
- нагрузка от веса аппарата, G = 0,127 МН.
Расчетная схема приведена на рисунке 4.7.
Рисунок 4.7 – Расчетная схема аппарата
4.6 Расчет корпуса аппарата на совместное действие всех нагрузок
Исходные данные: рR = 0,065 МПа; G = 127 кН; МН; 0,78 МПа.
На аппарат действуют следующие силы: рR = 0,065 МПа; F = GАП = 127 кН.
Из расчёта на прочность цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним давлением, имеем: 1,337 МПа.
Из расчета цилиндрической обечайки, на устойчивость формы, нагруженной осевым сжимающим усилием, имеем: МН.
Для обеспечения работоспособности аппарата при совместном воздейст-вии нагрузок необходимо выполнение условия
; (4.101)
;
0,095 < 1.
Условие выполняется.
4.7 Расчет опоры аппарата
Исходные данные: внутренний диаметр опоры Dоп=1,6 м; толщина стенки опоры sоп=0,01 м; с = 0,001 м – прибавка к расчётной толщине стенки; модуль упругости для материала опоры Eоп=1,99∙105 МПа; допускаемое напряжение для материала корпуса колонны [σ]K=153 МПа; допускаемое напряжение для материала опоры [σ]оп=183 МПа; нагрузка и изгибающий момент в сечении Z–Z FZ=0,51306 МН, MZ=0,487 МН/м–; FY=0,519 МН, MY=0,551 МН/м– нагрузка и изгибающий момент в сечении Y–Y; а1=0,008 м–толщина сварного шва в месте приварки опорной обечайки; φs=0,7–коэффициент прочности сварного шва, присоединяющего опорную обечайку к корпусу колонны.
Проверим условие прочности сварного шва, соединяющего корпус колонны с опорной обечайкой (сечение Z–Z).
Рисунок 4.8 – Расчетные сечения
(4.102)
где а1 = 0,008 м – толщина сварного шва в месте приварки опорной обечайки.
Подставляя значения, получим
11 МПа < 105 МПа.
Таким образом, условие прочности сварного шва выполняется.
Проверим условие устойчивости опорной обечайки в зоне отверстия (сечение Х–Х) по формуле
(4.103)
где [F]–осевое сжимающее усилие, МН;
[M]–допускаемый изгибающий момент, МН/м;
ψ1, ψ2, ψ3–коэффициенты.
Определим допускаемое осевое сжимающее усилие из условия проч-ности
[F]П=π∙(Dоп+sоп–c)∙(sоп–c)∙[σ]О; (4.104)
Подставив значения, получим
[F]П=3,14∙(1,2+0,01–0,002)∙(0,01–0,002)∙183=5,7 МН.
Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия устойчивости
[F]E=min{[F]E1;[F]E2}, (4.105)
где [F]E1, [F]E2–соответственно допускаемое осевое сжимающее усилие из условия местной устойчивости и допускаемое осевое сжимающее усилие из условия общей устойчивости, определяются по формулам
(4.106)
(4.107)
где ny = 2,4 – коэффициент запаса устойчивости;
λ – гибкость опоры, определяется по формуле
(4.108)
где lпр = 2 м – приведенная расчетная длина.
Подставляя последовательно значения в формулы (4.108), (4.107), (4.106) и (4.105), получим
[F]E = min{4,6 МН; 3355 МН} = 4,6 МН.
Допускаемое осевое сжимающее усилие определяется по формуле
(4.109)
где [F]П–допускаемая нагрузка из условия прочности, МН;
[F]Е– допускаемая нагрузка из условия устойчивости, МН.
Подставив значения в, получим
Допускаемый изгибающий момент для рабочих условий определяется по формуле
(4.110)
где φ3 = 0,8 –коэффициент.
Подставив значения, получим
Определим коэффициенты ψ1, ψ2, ψ3 по формулам
(4.111)
(4.112)
(4.113)
где A,W,Ys–соответственно площадь, наименьший момент сопротивления и координата центра тяжести наиболее ослабленного поперечного сечения (определяются из рисунка 4.9).
Площадь сечения определим по формуле
(4.114)
где Dл = 0,5 м– диаметр лаза.
Подставив значения, получим
А= (3,14∙(1,6+0,01–0,002)–0,5)∙(0,01–0,002) = 0,042 м2.
Центр тяжести и наименьший момент сопротивления найдем, используя формулы сопромата. Получим: Ys=0,08 м, W=0,057 м3.
Подставляя значения в формулы (4.63),(4.62) и (4.61), получим
Рисунок 4.9 – Схема расчетного сечения опоры аппарата
Для проверки найдем значения коэффициентов ψ1, ψ2 и ψ3 по графику, для чего найдем значения следующих отношений
(4.115)
(4.116)
(4.117)
где d1 =0,508 м – средний диаметр укрепляющего патрубка;
D3 =1,6 м – внутренний диаметр опоры;
s6 = 0,01 м – исполнительная толщина укрепляющего патрубка;
s3 = 0,01 м – исполнительная толщина опоры;
b3 = 0,1 м – длина укрепляющего патрубка.
Подставляя значения, получим
По полученным значениям из графиков найдем ψ1 = 0,9, ψ2 = 0,86, ψ3 = 0,02.
Сравнивая полученные по формулам значения коэффициентов ψ1, ψ2 и ψ3 со значениями определенными по графикам видим, что они приблизительно равны, следовательно, расчет коэффициентов был проведен правильно.
Подставляя значения в условие (4.103), получим
0,3<1,0.
Таким образом, условие (4.103) выполняется.
4 Конструкторско – механическая часть
После модернизации колонна К-5 будет эксплуатироваться при условиях, отличных от тех, для которых она конструировалась. Поэтому, необходимо проверить корпус колонны, узлов и деталей на прочность при действии на него нагрузок, возникающих при новых условиях эксплуатации.
4.1 Расчет на прочность и устойчивость узлов и деталей корпуса аппарата от расчетного давления
4.1.1 Расчет обечаек цилиндрических, нагруженных внутренним избыточным давлением
Схема цилиндрической обечайки приведена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 - Схема цилиндрической обечайки
Проверим выполнение условия
, (4.1)
где [р] – допускаемое внутреннее избыточное давление, МПа;
р – расчетное давление в аппарате, р = 0,2 МПа;
[σ] – допускаемое напряжение при рабочей температуре, [σ] = 149 МПа;
φ – коэффициент прочности сварных швов, φ = 0,9;
s – толщина стенки обечайки, s = 10 мм;
с – прибавка на компенсацию коррозии, с = 2 мм;
D – внутренний диаметр аппарата, D = 1600 мм.
МПа;
.
Условие (4.1) выполняется, следовательно прочность обечайки корпуса колонны обеспечена.
Проверяем условие применимости формул
(4.2)
Условие (4.2) выполняется, формулы применимы для данного аппарата.
4.1.2 Расчет эллиптических днищ, нагруженных внутренним избыточным давлением.
Схема эллиптического днища приведена на рисунке 4.2
Рисунок 4.2 – Схема эллиптического днища
Проверим выполнение условия
(4.3)
Подставим числовые значения, получим
МПа;
Условие (4.3) выполняется, следовательно, прочность эллиптического днища корпуса колонны обеспечена.
Проверяем условие применимости формул
(4.4)
0,002<0,003<0,1.
Условие выполняется, формулы применимы для данного аппарата.
4.2 Расчет фланцевых соединений
Цель расчета: рассчитать фланцевые соединения на прочность от действия наружного давления.
Люк – лаз с крышкой и приварным встык фланцем: тип 3, с уплотнением шип – паз, исполнение 1, согласно ОСТ 26 – 2006 – 77. Конструкция люка приведена на рисунке 4.3, а его параметры в таблице 4.1
Таблица 4.1 – Размеры люка с крышкой
рУ, МПа D,мм D1, мм S, мм h, мм H, мм H1, мм H2, мм
0,6 600 740 10 38 220 330 117
Выбираем для фланцевого соединения паронитовую прокладку, согласно ОСТ 26 – 373 – 78. ( Р ≤ 2,5 МПа; t = от минус 200 до плюс 400 °C).
Рисунок 4.3 – Конструкция люка с крышкой и плоским фланцем
Подъемно – поворотное устройство для вертикальных люков: тип 3, крышка люка плоская, ОСТ 26 – 2014 – 77. Конструкция подъемно – поворотного устройства представлена на рисунке 4.4.
Рисунок 4.4 – Конструкция поворотного устройства
Размеры подъемно – поворотного устройства представлены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Размеры подъемно – поворотного устройства
ру, МПа D, мм S, мм l, мм l1, мм l2, мм h, мм d, мм
0,6 600 10 520 400 145 125 45
Фланцевое соединение выбираем по ОСТ 26 – 427 – 79 – стальные при-варные встык фланцы; тип уплотнительной поверхности – выступ-впадина (рисунок 4.5).
Рисунок 4.5 – Схема фланцевого сечения
Основные расчетные параметры фланцевого соединения представлены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 – Расчетные параметры фланцевого соединения
DФ,
мм DБ,
мм D1,
мм D2,
мм D3,
мм h,
мм a,
мм a1,
мм d,
мм z,
мм S0,
мм
740 700 664 672 663 40 14 12 23 28 10
4.2.1 Расчет прокладки
Определим наружный диаметр прокладки
(4.5)
где DБ – диаметр до оси болта, DБ = 700 мм;
е – параметр, выбираемый согласно диаметру под болт е = 34 мм, (ОСТ 26 – 373– 78).
Средний диаметр прокладки определяем по формуле
(4.6)
где bП – ширина уплотнительной прокладки, выбираемая в соответствии с диаметром аппарата (ОСТ 26 – 373 – 78), bП = 25 мм.
Определим эффективную ширину прокладки
(4.7)
Определим толщину у основания втулки приварного встык фланца по формуле:
, (4.8)
где β – коэффициент, β = 2.
.
Определим эквивалентную толщину втулки, для приварного встык фланца
SЕ = S0= 10 мм.
Определим угловую податливость фланца
(4.9)
где ω, λ – безразмерные параметры;
– коэффициент;
Еф – модуль продольной упругости материала фланца, принимаем материал фланца 09Г2С (ОСТ 26 – 2011 – 77), Еф = 1,86·105 МПа;
h – ориентировочная толщина фланца, h = 40 мм.
Определим безразмерные параметры ω, λ
(4.10)
(4.11)
где ψ1 – безразмерные коэффициент,
. (4.12)
Определим коэффициент
(4.13)
где К - безразмерный коэффициент.
(4.14)
Подставляя значения, получим следующие результаты
Определим угловую податливость плоской крышки
(4.15)
где Екр – модуль упругости материала крышки, принимаем материал крышки 09Г2С (ОСТ 26 – 2011 – 77), Екр= 1,86·105 МПа;
hкр – толщина фланцевой части крышки, h = 38 мм;
χкр – безразмерный коэффициент,
(4.16)
где δкр – толщина плоской крышки, δкр = 38 мм;
hкр – толщина фланцевой части крышки, hкр = 38 мм;
К - безразмерный коэффициент.
(4.17)
Подставляя значения, получим следующие результаты
Определим линейную податливость прокладки
(4.18)
где ЕП – модуль упругости материала прокладки, ЕП = 2000 МПа (ОСТ 26 – 373 – 78);
sП – толщина прокладки, sП ≥ 1 мм;
4.2.2 Расчет болтового соединения
В качестве крепежных деталей стандартных люков согласно ОСТ 26 – 2011 – 77 принимаем шпильки из материала сталь 35 (ГОСТ 1759 – 70) и гайки - сталь 25 (ГОСТ 1759 – 70).
Определим расчётную длину шпильки
LБ = LБ.0 + 0,56·d, (4.19)
где LБ0 – длина шпильки между опорными поверхностями гаек, LБ0 = 100 мм;
d – диаметр отверстия под шпильку, мм.
LБ.0 = hКР + δКР + sП; (4.20)
LБ.0 = 38 + 38 + 2 = 78 мм;
Определим линейная податливость шпилек
(4.21)
где ЕБ – модуль упругости материала шпильки, ЕБ = 1,86·105 МПа;
zБ – число болтов, zБ = 28;
fБ – площадь сечения шпильки, fБ = 3,4·10-4 м2 (ОСТ 26-273-78).
Определим коэффициент жесткости фланцевого соединения
(4.22)
где А, В1 и В2 – безразмерные коэффициенты.
(4.23)
; (4.24)
. (4.25)
При стыковке фланца с плоской крышкой справедливо следующее
Подставляя значения, получаем следующие результаты
4.2.3 Расчет фланцевого соединения, работающего под действием внутреннего давления
Определим нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления
(4.26)
Сила реакция прокладки в рабочих условиях определяем по формуле
RП = 2 • DП.СР • bE • m • pR, (4.27)
где m – коэффициент для паранитовой прокладки, по ОСТ 26 – 373 – 78 m=2,5.
RП = 23,14 0,641 0,0127 2,5 0,2 = 0,02 МН.
Определим усилие, возникающее от температурных деформаций
(4.28)
где αф, αБ – коэффициенты линейного расширения фланца и шпильки соответственно, αф = 13,1∙106 1/К, αБ = 13,2·10-6 1/К;
tф, tБ – температура фланца и шпильки соответственно, °C;
γ – безразмерный коэффициент, определяемый по формуле.
(4.29)
Определим температуры фланца и шпильки согласно рабочей температуре в изоляции
tФ = tR = 100 ºС;
tБ = 0,97 • tR; (4.30)
tБ = 0,97 • 100 = 97 ºС.
Подставляя полученные значения в формулу (4.24), получим
Определим болтовую нагрузку в условиях монтажа
(4.31)
Принимаем максимальное значение
РБ1 = 0,51 МН.
Определим болтовую нагрузку в рабочих условиях
(4.32)
Проверим условие прочности шпилек
(4.34)
(4.35)
где [σ] - допускаемое напряжение для шпилек.
[σ]20 = 130 МПа;
[σ]100 = 123 МПа.
Подставляя значения в условия (4.34) и (4.35), получим
53,57 МПа < 130 МПа;
61,24 МПа < 123 МПа.
Условия выполняются, т. е. данное количество шпилек z = 28 достаточ-но.
Проверим условие прочности прокладки
(4.36)
где q - параметр, [q] = 20 мм.
Условие выполняется, значит, принятая ширина прокладки достаточна.
4.2.4 Расчет плоских приварных фланцев и буртов
Определим максимальные напряжения в сечении фланца, ограниченном размером S1
(4.37)
где Т – безразмерный параметр, определяемый по графику согласно коэффициенту К, Т = 1,82;
М0 – приведенный изгибающий момент.
Определим приведенные изгибающие моменты в диаметральном сече-нии фланца
(4.38)
(4.39)
За расчетное значение М0 принимаем большое значение
М0 = 0,019 МН•м.
Подставляя значения в формулу (4.37), получим
Определим максимальные напряжения в сечении фланца, ограниченном размером S0, по формуле:
(4.40)
где ψ3 – коэффициент, ψ3 =1,6.
Определим окружное напряжение в кольце фланца по формуле:
(4.41)
где ψ2 – коэффициент, ψ2 = 9,34.
Определим напряжения во втулке фланца от внутреннего давления:
(4.42)
(4.43)
где Р – рабочее давление, Р = 0,2 МПа.
Проверим условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S1 = 20 мм
(4.44)
где [σ] - допускаемое напряжение.
[σ] = 1,5 • [σ]100; (4.45)
[σ] = 1,5 • 123 = 184,5 МПа.
Условие прочности выполняется.
Проверяем условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S0 = 10 мм, по формуле
[σ]; (4.46)
Условие прочности выполняется.
Проверяем условие герметичности углом поворота фланца:
(4.47)
где [θ] = 0,009 рад – допускаемый угол поворота приварного встык фланца при D = 600 мм <2000 мм.
Условие герметичности выполняется.
4.2.5 Расчет крышки
Конструкция отъемной плоской круглой крышки представлена на рисунке 4.6.
Рисунок 4.6 - Конструкция отъемной плоской круглой крышки с уплотннием выступ – впадина
Определим расчетную толщину крышки по формуле:
(4.48)
где DR = DБ;
К0 – коэффициент определяемый в зависимости от числа и размера отверстий, К0 = 1;
К1 – коэффициент, определяемый по формуле.
(4.49)
Толщина в средней части крышки равна
(4.50)
где с - прибавка на коррозию, c = 2 мм.
Примем S1 = 16 мм.
Толщина плоской круглой крышки с дополнительным краевым момен-том в месте уплотнения определяется по формуле
(4.51)
где РБ = 0,51 МН∙м;
К2 – безразмерный коэффициент.
(4.52)
Округляем толщину до значения 20 мм.
Допускаемое давление для плоской круглой крышки с дополнительным краевым моментом определяем по формуле:
(4.53)
Формулы для расчета применимы только в случае выполнения следующего условия
(4.54)
Условие применение формул выполняется.
4.3 Описание и расчет внутренних устройств колонны
Произведем расчет внутренних устройств которые будут устанавливаться в колонну К-5 после модернизации.
Для распределения жидкости по поверхности насадки в колонне К-5 примем конструкцию распределителя трубчатого типа.
4.3.1 Описание конструкции и расчет оросительного устройства
Цель расчёта: определение диаметра отверстий и их количество необходимое для орошения колонны.
На рисунке 4.7 представлена схема оросительного устройства.
Рисунок 4.7 – Схема оросительного устройства
Оросительное устройство представляет собой разборную конструкцию из перфорированных труб различного диаметра, устанавливается в верхней части колонны и предназначено для распределения СЩС по сечению колонны. Для получения разъёмного соединения к главной трубе 2 приварены короткие патрубки 1 с трубной резьбой, которые при помощи муфты 7 и контрагайки 6 соединяются с перфорированными трубками 5. С одной стороны трубки заварены (заглушка 8), с другой нарезана трубная резьба. Главная труба с одной стороны заварена (заглушка 3), с другой приварен переходник с резьбой 4, в который вворачивается труба подающая СЩС. Конец главной трубы размещается на опоре приваренной внутри корпуса колонны.
Исходя из того, что на каждый 0,01 м2 поверхности должна приходится одна точка орошения, находим число отверстий минимально необходимое для орошения. Для этого определяем площадь орошаемой поверхности
, (4.55)
где D – диаметр верхней части колонны, м;
.
Определяем минимально необходимое число отверстий для орошения
; (4.56)
Необходимо, чтобы выполнялось следующее условие
, (4.57)
где n – реальное число отверстий, исходя, из конструктивных соображений принимаем ;
Условие выполняется.
Определяем потерю напора для коллектора с двумя рядами ответвлений перфорированных труб
, (4.58)
где − скорость вначале коллектора, м/с;
− скорость вначале самой длинной трубки, м/с;
− скорость вначале самой короткой трубки, м/с;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Скорости определяем по формуле
, (4.59)
где Qi – расход СЩС, м3/с;
di – диаметр трубки, м.
Принимаем, что в самой длинной трубке 9 отверстий. Определяем расход в самой длинной трубке
, (4.60)
где 9 – число отверстий в трубке, шт;
м3/с.
Принимаем, что в самой короткой трубке 3 отверстия. Определяем расход в самой короткой трубке
, (4.61)
где 3 – число отверстий в трубке, шт;
м3/с.
Для основного коллектора выбираем стальную бесшовную горяче-деформированную трубу 84×5,5 по ГОСТ 8732-78, материал Ст4сп.
Для ответвлений выбираем стальную бесшовную горячедеформированную трубу 30×5 по ГОСТ 8732-78, материал Ст4сп.
Подставляя в формулу (4.59) числовые значения, получаем
м/с;
м/с;
м/с.
Подставляя найденные величины скоростей в формулу (4.4), получаем
м.
Определяем суммарную площадь всех отверстий
, (4.62)
где Q − общий расход СЩС, м3/с;
=0,00145 м2.
Принимаем диаметр одного отверстия равным: d=0,003 м.
Определяем площадь одного отверстия
; (4.63)
м2.
Определяем общее число отверстий
; (4.64)
Сравнивая полученное значение с принятым из конструктивных сообра-жений: 204 шт = 204 шт, делаем вывод, что расчёт произведён верно.
4.3.2 Описание конструкции и расчёт распределительной тарелки
Цель расчёта: определение числа прорезей необходимых для равномерного распределения жидкости по сечению колонны.
Исходные данные: диаметр колонны , расход жидкости , рабочая температура °С.
На рисунке 4.8 представлена схема распределительной тарелки.
Рисунок 4.8 – Схема распределительной тарелки
Полотно тарелки состоит из трех секций 2, 3. Секции установлены на опорное кольцо 1 и опорные балки 4, для обеспечения герметичности между полотном тарелки и опорными поверхностями устанавливают прокладки, плотность прилегания которых обеспечивается при помощи струбцин, болтов и специальных шайб.
К полотну тарелки приварены патрубки 5. Схема расположения патрубков по треугольной сетке, с шагом 90 мм. На концах патрубков выполнены переливные прорези. К патрубкам также приварены колпачки 6.
В полотнах тарелки также предусмотрены дренажные отверстия диамет-ром 5 мм.
Произведём расчёт распределительной тарелки, которую необходимо установить в средней части колонны, для распределения жидкости стекающей с верхнего слоя насадки.
Определяем напор над порогом водослива по формуле
, (4.65)
где m – коэффициент расхода;
b – протяжённость порога водослива, принимаем ;
Q – расход жидкости через прорези патрубков, м3/с;
N – общее число прорезей в патрубках.
Определяем общее число прорезей
, (4.66)
где n – число прорезей в одном патрубке, шт;
184 – число патрубков, шт;
.
Определяем расход жидкости через дренажное отверстие заданного диа-метра
, (4.67)
где μ – динамический коэффициент вязкости, для круглого отверстия, Па•с;
f – площадь отверстия, определяем по следующей формуле
; (4.68)
Нп – полный напор, принимаем равным 70 мм;
м3/с.
Принимая из конструктивных соображений число отверстий равное e = 32, определяем общий расход жидкости через дренажные отверстия
; (4.69)
.
Вычитая из общего расхода жидкости проходящей через тарелку – расход проходящий через дренажные отверстия, получаем количество жидкости проходящей через патрубки
; (4.70)
.
Принимая, что l/d < 3 определяем коэффициент расхода. Коэффициент расхода зависит от числа Re, следовательно, и от вязкости жидкости ν.
Определяем число Рейнольдса
, (4.71)
где d – внутренний диаметр патрубков, м;
Н – высота жидкости над прорезью, м;
.
По графику принимаем коэффициент расхода равный m = 0,58 [4].
Подставляя числовые значения в формулу (4.65), получим
Определяем расход жидкости через одну прорезь
; (4.72)
м3/с.
Сравнивая расход жидкости через дренажное отверстие и через одну прорезь видим , что они одного порядка: 14,2•10 -6 м3/с и 20,3•10-6 м3/с.
4.3.3 Описание конструкции и расчёт опорной решетки
Цель расчёта: расчёт на прочность балки опорной решётки от действия весовой нагрузки.
Опорная решётка представляет собой разборную трёх-секционную конструкцию. Каждая секция представляет собой сваренную определенным образом решётку.
Секции устанавливаются на опорное кольцо и балки оставшиеся после демонтажа тарелок. Секции изготавливают из полос стали Ст3сп.
Между собой секции соединяют болтами, для обеспечения устойчивости предусмотрены металлические полосы фиксирующие положение решётки на опоре.
На рисунке 4.9 представлена конструкция опорной решётки.
1 – обечайка; 2 – опорная балка; 3 – опорное кольцо; 4 – первая секция; 5 – вторая секция; 6 – третья секция
Рисунок 4.9 – Схема опорной решётки
Исходные данные: длина балки LБ, мм 1375;
внутренний диаметр колонны D, мм 1600;
высота слоя насадки Н, мм 4350;
масса 1 м3 насадки М, кг 314.
На рисунке 4.10 представлена схема нагружения балки.
Рисунок 4.10 – Схема нагружения балки
Схема расположения сечения балки представлена на рисунке 4.11
Рисунок 4.11 – Схема расположения сечения балки
Произведём расчёт на прочность балки из уголка с номером профиля 10/6,3 по ГОСТ 8509-93.
Определяем нагрузку на каркас
(4.73)
где QБ – вес балки Н, определяем по формуле
(4.74)
где m – масса одного метра уголка, кг;
LБ − длина балки, м;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
– вес одного человека, определяем следующим образом
– вес насадки, определяем по формуле
(4.75)
где D – внутренний диаметр колонны, м;
H − высота слоя насадки, м;
М – масса 1 м3 насадки, кг;
Подставляя найденные значения в формулу (4.56), получим
Определяем удельную нагрузку на единицу площади каркаса
; (4.76)
Определяем распределённую нагрузку действующую на одну балку
; (4.77)
Определяем максимальный изгибающий момент, действующий в балке
; (4.78)
Так как уголок неравнобокий, то определяем наименьший момент сопротивления уголка
, (4.79)
где Iy – момент инерции уголка, см4;
В – высота уголка, см;
у0 – расстояние от центра тяжести до наружной грани полки, см;
Проверим условие прочности
, (4.80)
где [σ]100 – допускаемое напряжение для стали Ст3сп при температуре 100 °С;
Условие прочности выполняется.
Также проверим на прочность металлические полосы из которых изготовлены секции опорной решётки.
Проверим на прочность наиболее длинную полосу, длина которой , высота , толщина .
Учитывая прибавку на коррозию , определяем толщину полосы
(4.81)
Определяем нагрузку действующую на одну полосу
(4.82)
где – вес насадки приходящийся на одну полосу, Н;
– вес человека, Н.
Определяем вес насадки приходящийся на одну полосу
(4.83)
где l – длинна полосы, м;
r – расстояние между полосами, м;
H − высота слоя насадки, м;
М – масса 1 м3 насадки, кг;
Определяем вес одного человека
Подставляя числовые значения в формулу (4.82), получаем
Определяем максимальный изгибающий момент действующий в балке
, (4.84)
где
l – длинна полосы, м;
На рисунке 4.12 представлена схема нагружения полосы (выбран наиболее неблагоприятный вариант).
Рисунок 4.12 – Схема нагружения
Схема расположения сечения балки представлена на рисунке 4.13
Рисунок 4.13 – Схема расположения сечения балки
Определяем осевой момент сопротивления для сечения полосы
, (4.85)
где s – толщина полосы, см;
h – высота полосы, см;
W= см3.
Проверим условие прочности, используя формулу (4.80)
Условие прочности выполняется.
4.3.4 Расчёт на прочность сварных швов опорной решётки
Расчётная схема углового шва в тавровом соединении представлена на рисунке 4.14.
Рисунок 4.14 – Расчётная схема углового шва
Определяем напряжение от срезающей силы P
, (4.86)
где а – катет сварного шва, мм;
l – длина сварного шва, мм;
Определяем напряжение в шве от момента P•H
, (4.87)
где W – момент сопротивления сварного шва, определяем по формуле
; (4.88)
Определяем суммарное напряжение
; (4.89)
Проверяем выполняется ли условие
, (4.90)
где [τ]ср – допускаемое напряжение на срез сварного шва при статической нагрузке, определяем по формуле
, (4.91)
где [σ]р – допускаемое напряжение на растяжение при ручной сварке электродами с толстой обмазкой: [σ]р=130 МПа;
Условие выполняется.
4.4 Расчет весовых характеристик аппарата
Цель расчета: определить вес аппарата и его отдельных частей.
Исходные данные: мм, мм, мм,
Определим вес аппарата без опоры в рабочих условиях
(4.92)
Определим вес цилиндрической части аппарата
(4.93)
Определим вес эллиптического днища
(4.94)
Определим вес внутренних устройств
(4.95)
(4.96)
где GНАС – вес насадки, Н;
GТАР – вес тарелки, Н;
GОТ – вес отбойника сетчатого, Н.
Подставляя значения в формулу (4.96), получим
Определим вес изоляции
(4.97)
где GИЗ Ц – вес изоляции цилиндрической части, Н;
GИЗ Д – вес изоляции эллиптического днища, Н.
Определим вес изоляции цилиндрической части
(4.98)
Определим вес изоляции эллиптического днища
(4.99)
Подставляя значения в формулу (4.97), получим
Определим вес наружных устройств
(4.100)
Подставляя значения в формулу (4.92), получим
4.5 Расчет воздействия ветровых усилий на аппарат
В результате реконструкции аппарата значительно изменится его масса, следовательно, изменится и нагрузка на аппарат от действия ветровых усилий. Поэтому необходимо произвести расчет действия ветровых усилий на колонну.
Расчет действия ветровых усилий на аппарат произведен на ЭВМ на программе "Weter 200" – "Расчет колонных аппаратов на действие ветровых нагрузок и сейсмических сил". Программа выполнена с учетом ГОСТ Р51273-99. Результаты расчета приведены в приложении Б.
Из расчета были определены:
- период собственных колебаний колонны Т = 0,9 с;
- нагрузка от веса аппарата, G = 0,127 МН.
Расчетная схема приведена на рисунке 4.7.
Рисунок 4.7 – Расчетная схема аппарата
4.6 Расчет корпуса аппарата на совместное действие всех нагрузок
Исходные данные: рR = 0,065 МПа; G = 127 кН; МН; 0,78 МПа.
На аппарат действуют следующие силы: рR = 0,065 МПа; F = GАП = 127 кН.
Из расчёта на прочность цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним давлением, имеем: 1,337 МПа.
Из расчета цилиндрической обечайки, на устойчивость формы, нагруженной осевым сжимающим усилием, имеем: МН.
Для обеспечения работоспособности аппарата при совместном воздейст-вии нагрузок необходимо выполнение условия
; (4.101)
;
0,095 < 1.
Условие выполняется.
4.7 Расчет опоры аппарата
Исходные данные: внутренний диаметр опоры Dоп=1,6 м; толщина стенки опоры sоп=0,01 м; с = 0,001 м – прибавка к расчётной толщине стенки; модуль упругости для материала опоры Eоп=1,99∙105 МПа; допускаемое напряжение для материала корпуса колонны [σ]K=153 МПа; допускаемое напряжение для материала опоры [σ]оп=183 МПа; нагрузка и изгибающий момент в сечении Z–Z FZ=0,51306 МН, MZ=0,487 МН/м–; FY=0,519 МН, MY=0,551 МН/м– нагрузка и изгибающий момент в сечении Y–Y; а1=0,008 м–толщина сварного шва в месте приварки опорной обечайки; φs=0,7–коэффициент прочности сварного шва, присоединяющего опорную обечайку к корпусу колонны.
Проверим условие прочности сварного шва, соединяющего корпус колонны с опорной обечайкой (сечение Z–Z).
Рисунок 4.8 – Расчетные сечения
(4.102)
где а1 = 0,008 м – толщина сварного шва в месте приварки опорной обечайки.
Подставляя значения, получим
11 МПа < 105 МПа.
Таким образом, условие прочности сварного шва выполняется.
Проверим условие устойчивости опорной обечайки в зоне отверстия (сечение Х–Х) по формуле
(4.103)
где [F]–осевое сжимающее усилие, МН;
[M]–допускаемый изгибающий момент, МН/м;
ψ1, ψ2, ψ3–коэффициенты.
Определим допускаемое осевое сжимающее усилие из условия проч-ности
[F]П=π∙(Dоп+sоп–c)∙(sоп–c)∙[σ]О; (4.104)
Подставив значения, получим
[F]П=3,14∙(1,2+0,01–0,002)∙(0,01–0,002)∙183=5,7 МН.
Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия устойчивости
[F]E=min{[F]E1;[F]E2}, (4.105)
где [F]E1, [F]E2–соответственно допускаемое осевое сжимающее усилие из условия местной устойчивости и допускаемое осевое сжимающее усилие из условия общей устойчивости, определяются по формулам
(4.106)
(4.107)
где ny = 2,4 – коэффициент запаса устойчивости;
λ – гибкость опоры, определяется по формуле
(4.108)
где lпр = 2 м – приведенная расчетная длина.
Подставляя последовательно значения в формулы (4.108), (4.107), (4.106) и (4.105), получим
[F]E = min{4,6 МН; 3355 МН} = 4,6 МН.
Допускаемое осевое сжимающее усилие определяется по формуле
(4.109)
где [F]П–допускаемая нагрузка из условия прочности, МН;
[F]Е– допускаемая нагрузка из условия устойчивости, МН.
Подставив значения в, получим
Допускаемый изгибающий момент для рабочих условий определяется по формуле
(4.110)
где φ3 = 0,8 –коэффициент.
Подставив значения, получим
Определим коэффициенты ψ1, ψ2, ψ3 по формулам
(4.111)
(4.112)
(4.113)
где A,W,Ys–соответственно площадь, наименьший момент сопротивления и координата центра тяжести наиболее ослабленного поперечного сечения (определяются из рисунка 4.9).
Площадь сечения определим по формуле
(4.114)
где Dл = 0,5 м– диаметр лаза.
Подставив значения, получим
А= (3,14∙(1,6+0,01–0,002)–0,5)∙(0,01–0,002) = 0,042 м2.
Центр тяжести и наименьший момент сопротивления найдем, используя формулы сопромата. Получим: Ys=0,08 м, W=0,057 м3.
Подставляя значения в формулы (4.63),(4.62) и (4.61), получим
Рисунок 4.9 – Схема расчетного сечения опоры аппарата
Для проверки найдем значения коэффициентов ψ1, ψ2 и ψ3 по графику, для чего найдем значения следующих отношений
(4.115)
(4.116)
(4.117)
где d1 =0,508 м – средний диаметр укрепляющего патрубка;
D3 =1,6 м – внутренний диаметр опоры;
s6 = 0,01 м – исполнительная толщина укрепляющего патрубка;
s3 = 0,01 м – исполнительная толщина опоры;
b3 = 0,1 м – длина укрепляющего патрубка.
Подставляя значения, получим
По полученным значениям из графиков найдем ψ1 = 0,9, ψ2 = 0,86, ψ3 = 0,02.
Сравнивая полученные по формулам значения коэффициентов ψ1, ψ2 и ψ3 со значениями определенными по графикам видим, что они приблизительно равны, следовательно, расчет коэффициентов был проведен правильно.
Подставляя значения в условие (4.103), получим
0,3<1,0.
Таким образом, условие (4.103) выполняется.