Сосуды давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Описание объекта. Назначение, технические характеристики, нагрузки, особенности эксплуатации

2. Расчет тонкостенных сосудов

3. Частные случаи расчета тонкостенных сосудов

3.1 Сферический сосуд под действием равномерного внутреннего давления газа

3.2 Цилиндрический сосуд под действием равномерного внутреннего давления газа

4. Расчет тонкостенных цилиндрических резервуаров

5. Расчет тонкостенных конических резервуаров

6. Особенности работы резервуаров сложного очертания

7. Пример расчета тонкостенного резервуара сложной формы

Список литературы

1. Описание объекта. Назначение, технические характеристики, нагрузки, особенности эксплуатации

Сосуд -- герметически закрытая емкость, предназначенная для ведения химических, тепловых и других технологических процессов, а также для хранения и транспортировки газообразных, жидких и других веществ. Границей сосуда являются входные и выходные штуцера.

Сосуды давления, магистральные, промысловые и технологические трубопроводы относятся к высоко-рисковым объектам, определяющим безопасность нефтехимического, энергетического, транспортного, атомного и добывающего комплексов страны. Принятые в настоящее время методы проектирования, технологии изготовления и системы обеспечения эксплуатационной безопасности опираются на длительный отечественный и международный опыт функционирования сосудов и трубопроводных систем, с одной стороны, и на новейшие достижения фундаментальной науки и современной техники - с другой. Нормативные документы на проектирование и изготовление сосудов ГОСТ 14249-89, ГОСТ 24755-89, ПО 03-584-04.

Рис.1 Сосуд давления

Сосуды давления сваривают несколькими способами. В результате стеснения пластической деформации и усадки наплавленного металла при сварке в зоне, прилегающей к сварному шву, возникают остаточные напряжения, которые, как правило, достигают предела текучести материала. Считают, что эти напряжения (а чаще вместе с действующими напряжениями) могут инициировать нестабильное развитие трещин. И воздействие термо-деформационного цикла сварки может привести к существенной потере пластичности основного металла. Зона хрупкого разрушения металла находится около сварного шва.

Рис 2. Зоны хрупкого разрушения металла

Изготовление сосудов из плакированного листа (нанесение на поверхность металлических листов, плит, проволоки, труб тонкого слоя другого металла или сплава термомеханическим способом) является наилучшим способом. Пресс мощностью 2000 т для гибки толстых листов. Для сосудов давления, имеющих толщину листа, превышающую 50 мм, наиболее экономичной является электрошлаковая сварка. Большинство высокопрочных сосудов давления изготавливаются различными методами сварки.

В сосудах давления следует предусмотреть отверстия не только для ввода и вывода теплоносителя, но также для опорожнения, очистки и доступа внутрь при осмотре и ремонте. Если же число отверстий велико, то экономичнее сосредоточить отверстия в сферическом или эллипсоидальном днище, выполнив всю его стенку в полтора раза толще, чем стенку обечайки. При таком решении следует располагать отверстия на взаимном расстоянии не менее трех диаметров отверстия во избежание чрезмерных напряжений в промежутках между отверстиями. При любой из приведенных выше схем расположения концентрацию напряжений вблизи отверстий можно значительно снизить, если вварить в отверстия отрезки толстостенных труб, причем рекомендуется, чтобы труба имела свободную длину примерно в один диаметр с каждой стороны стенки сосуда. Дальнейшее увеличение свободной длины трубы оказывает малое влияние на напряжение в стенке вблизи ввода из-за ограниченности действия сдвига.

Рис 3. Сосуд давления в разрезе

При работе сосуды давления могут подвергаться воздействию коррозионной среды при различных температурах. При использовании высокопрочных материалов это может привести к коррозионному разрушению под напряжением. Сталь с пределом текучести ниже 113 кгс / мм2, как правило, нечувствительна к коррозии под напряжением, в то время как стали с более высокой прочностью могут быть склоны к разрушениям этого вида. Поэтому мы выбираем Сталь 10 с пределом текучести в диапазоне от 200 кгс / мм2 до 250 кгс / мм2. Сосуды давления следует конструировать так, чтобы они не подвергались коррозии под напряжением при обычных рабочих условиях.

Рис 4. Сосуд давления горизонтального типа

Выбор метода контроля зависит, в частности, от того, какие типичные дефекты могут возникать в процессе изготовления. При рассмотрении контроля материала и узлов предполагается, что все материалы соответствуют стандартам по данным химического анализа, механическим и физическим свойствам. Ультразвуковой Контроль углового сварного шва. После завершения изготовления сосуд давления подвергается испытанию давлением. Кожухи теплообменников и сосуды давления могут иметь полусферические, эллипсоидальные и плоские днища.

Рис 5. Сосуд давления с полусферическим днищем

Поскольку теоретические расчеты сосудов давления, работающих в условиях ползучести, встречают значительные трудности, часто прибегают к испытаниям на моделях или всего сосуда, или его отдельных узлов. На практике при надлежащем выполнении такие испытания весьма громоздки и требуют больших затрат времени, поэтому в технической литературе результатов подобных экспериментов почти нет. Однако необходимость значительного расширения работ в этом направлении по-прежнему сохраняется. Материалы для корпусов сосудов давления выбирают исходя из следующих четырех основных требований: пригодности для применения в данной конструкции; соответствия стандартам или установленным нормативам; стоимости; освоенности данного материала промышленным производством. Указанные требования ограничивают свободу выбора материала при конструировании, но они необходимы для объективного и критического подхода к выбору материала и для пересмотра традиционной технологии в направлении повышения экономичности использования материалов.

Рис 6. Сосуд давления горизонтального типа

Конструкторам важно знать потенциальные опасности, которые могут встретиться в процессе изготовления, особенно сосудов из высокопрочных материалов, и способы устранения этих опасностей. Обычно стандарты для сосудов давления не содержат регламентированных требований по ударной вязкости материалов при рабочих температурах выше 0 С. Тем не менее для конструкторов становится все более очевидной необходимость использования ударной вязкости в качестве контрольной характеристики, в особенности при оценке качества металла толстолистового проката. В процессе производства сосудов давления опасность возникновения таких чешуйчатых трещин появляется во время приварки к толстостенным обечайкам несквозных штуцеров или других деталей. Поскольку использование в толстостенных сосудах сквозных штуцеров связано с риском образования трещин в процессе термообработки после сварки, для сосудов этого класса обычно применяют несквозные штуцера.

В то же время для предотвращения чешуйчатых трещин необходимо регламентировать нижний допустимый предел пластичности в направлении толщины листа или применять сталь, подвергнутую вакуумной дегазации. Правила контроля для сосудов давления дают предельные значения размеров дефектов определенного типа. Эти предельные значения касаются дефектов, которые могут быть обнаружены на рентгенограммах сварных швов, а для исследования макросечений подобные ограничения применяются для дефектов, обнаруженных визуально

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Стенки сосудов, испытывающие внутреннее давление воды, пара или газа, находятся в состоянии двухстороннего растяжения. К таким сосудам относятся паровые котлы, газгольдеры, нефтебаки, резервуары водонапорных башен и т. п.

Одной из особенностей такого рода конструкций является малая толщина стенки по сравнению с их общими габаритными размерами, что позволяет объединить их общим термином “тонкостенные сосуды”.

Характерной чертой большинства тонкостенных сосудов является то, что они представляют собой тела вращения. Сечение сосуда плоскостью, проходящей через ось вращения, называется меридиональным, а сечение по нормали к меридианам - окружным.

В случае действия на сосуд асимметричной нагрузки элемент, вырезанный окружным и меридиональным сечениями, растягивается по взаимно перпендикулярным направлениям, и, кроме того, искривляется.

Двустороннему растяжению элемента соответствуют равномерно распределенные нормальные напряжения и , действующие по толщине в стенках сосуда .

Изменение кривизны элемента в плоскости меридионального и окружного сечения вызывает появление дополнительных нормальных напряжений, изменяющихся по линейному закону.

В первом случае по граням элемента действуют нормальные силы, во втором - изгибающие моменты.

Однако, для сосудов, имеющих форму тела вращения, стенки которых тонки, не имеют резких переходов и изломов, при действии внутреннего, нормального к стенкам, давления, обладающего осевой симметрией, изгибные напряжения очень малы, и ими можно пренебречь, т.е. пользоваться упрощенной, так называемой "безмоментной" теорией расчета.

2. РАСЧЕТ ТОНКОСТЕННЫХ СОСУДОВ

Расчет таких сосудов сводится к решению двух уравнений: уравнения суммы проекций сил на нормаль к стенке сосуда и уравнения суммы проекций сил на вертикальную ось.

По безмоментной теории, из уравнения равновесия элемента, выделенного около рассматриваемой точки стенки сосуда бесконечно близкими меридиональными и перпендикулярными к ним сечениями (рис. 1), получается уравнение (уравнение Лапласа) для определения окружного и меридионального нормальных напряжений:

где и - радиусы кривизны окружного (кольцевого) и меридионального сечений стенки сосуда на уровне рассматриваемой точки; - интенсивность внутреннего давления; - толщина стенки сосуда.

Исходя из суммы проекций сил на вертикальную ось отсеченной части сосуда на уровне точки, в которой ищется напряжение (рис. 1, б), получаем уравнение:

из которого находим :

где - вес части сосуда и жидкости, лежащий ниже рассматриваемого окружного сечения; - давление жидкости, равное ( - объемный вес жидкости, - глубина рассматриваемой точки). Если жидкость находится под давлением , то

Уравнения (1) и (2) позволяют найти напряжения и в любой точке сосуда.

3. ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ РАСЧЕТА ТОНКОСТЕННЫХ СОСУДОВ

3.1 Сферический сосуд под действием равномерного внутреннего давления газа

Пренебрегая собственным весом газа и стенок сосуда (рис. 2), имеем:

3.2 Цилиндрический сосуд под действием равномерного внутреннего давления газа

Меридианами в цилиндрической части сосуда (рис. 3) являются образующие, для которых , , . Из уравнения Лапласа (1) получаем:

По формуле (2) найдем меридиональное напряжение, полагая

В сферической части цилиндрического сосуда напряжения можно определить как для сферических сосудов (3), приняв в качестве радиуса величину .

4. РАСЧЕТ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ

Для тонкостенного цилиндрического резервуара, опертого сверху по окружности (рис. 4):

По формуле (2):

Из уравнения Лапласа:

при

при

На рис. 4, б показаны эпюры меридиональных и окружных напряжений в резервуаре.

Если резервуар опирается днищем (рис. 7), то распределение напряжений и будет несколько иным. Из уравнения проекций на вертикаль для отсеченной части (рис. 6) получаем:

тонкостенный сосуд давление резервуар

Из уравнения Лапласа (1):

При

При

Эпюра показана на рис. 7, б.

5. РАСЧЕТ ТОНКОСТЕННЫХ КОНИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ

Задавая значения , найдем меридиональные напряжения в различных точках резервуара. Максимальное значение меридиональных напряжений будет при .

Из уравнения Лапласа получим:

Максимальное значение окружных напряжений будет при .

6. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ РЕЗЕРВУАРОВ СЛОЖНОГО ОЧЕРТАНИЯ

Если стенки резервуара имеют резкий излом (рис. 10), то в переходном сечении возникают краевые силы, которые могут вызвать значительные напряжения, не учитываемые безмоментной теорией.

Составляющая по периметру кольца создает радиальную нагрузку (рис. 11), стремящуюся согнуть кромки цилиндрической оболочки внутрь. Для устранения этого изгиба ставится ребро жесткости в виде уголка или швеллера, опоясывающее резервуар в месте перелома. Это ребро помогает воспринять радиальную нагрузку . Из условия равновесия полукольца, получаемого путем разреза ребра жесткости по диаметру, имеем . Если приближенно не учитывать совместной работы ребра и полки, то:

где - площадь поперечного сечения распорного кольца.

7. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТОНКОСТЕННОГО РЕЗЕРВУАРА СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Для стального резервуара, заполненного жидкостью (рис. 12), необходимо:

1. Построить эпюры меридиональных и окружных напряжений

2. Определить толщину стенок резервуара

3. Найти размеры поперечного сечения распорного кольца

Дано:

Решение:

Для конической части резервуара

Из уравнения Лапласа (1) при имеем

На глубине давление жидкости равно

Тогда

При

При

При

Для цилиндрической части

При при

Эпюра окружных напряжений показана на рис. 12, б. Для конической части эта эпюра параболическая. Её математический максимум имеет место в середине общей высоты при при он имеет условное значение. При он попадает в пределы конической части и имеет реальное значение

Меридиональные напряжения отыскиваются отдельно для цилиндрической и конической части резервуара, как это делалось для окружных напряжений. Для конической части резервуара вес жидкости в отсеченной части будет , давление верхних слоев жидкости . Подставляя эти выражения в формулу (3), получаем

При

При

При

Максимальное значение для конической части, будет при . Реальное значение оно имеет только при , когда попадает в пределы конической части, и равно

В цилиндрической части

, ,

Подставляя эти выражения в формулу (3), получаем:

Эпюры меридиональных и окружных напряжений показаны на рис. 12, б. По эпюрам видно, что опасным сечением является верхняя кромка конической части резервуара, при и

Округляя, принимаем

Площадь поперечного сечения распорного кольца резервуара будет:

В качестве распорного кольца используем равнополочный уголок (ГОСТ 2509-86) площадью 4,38 см2.

Список литературы

1 Сопротивление материалов / А.Ф.Смирнов, А.В.Александров, Н.И. Монахов и др.; под ред. А.Ф. Смирнова. - М.: Высш.шк., 1975. - 480 с.

2 Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. - М.: Высшая школа, 1989. - 622 с.

3 Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. - М.: Высшая школа, 1995. - 560 с.

4 Ицкович Г.М., Винокуров А.И., Минин А.С. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов. - М.: Высшая школа, 1999. - 599 с.

5 ГОСТ 14249-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность»

6 ГОСТ 24755-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий»

7 ПБ 03-584-04 « Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных»

Размещено на Allbest.ru