Обечайка теплообменного аппарата
Главным составным элементом корпуса является обечайка — наиболее материалоемкий и ответственный узел любого химического аппарата. Форма корпуса, а следовательно, и обечайки определяется химико-технологическими требованиями, предъявляемыми к тому или иному аппарату, а также конструктивными соображениями и может быть цилиндрическая, коробчатая, коническая, сферическая и т. д.
Наибольшее распространение в химическом аппаратостроении получили цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и хорошей сопротивляемостью давлению среды.
Поэтому при конструировании аппаратов, если это не идет в разрез с какими-либо особыми требованиями, предъявляемыми к аппарату, рекомендуется применять цилиндрические обечайки.
В зависимости от назначения цилиндрические аппараты находят применение как в вертикальном, так и в горизонтальном исполнении, причем предпочтение следует отдавать вертикальному исполнению, особенно для тонкостенных аппаратов, работающих при небольшом избыточном давлении в них. В этом случае исключаются дополнительные изгибающие напряжения в корпусе от силы тяжести аппарата и среды, имеющие место в горизонтальных аппаратах, лежащих на отдельных опорах.
Цилиндрические обечайки из пластичных материалов (сталь, цветные металлы и большинство их сплавов, винипласт и др.) при избыточном давлении среды в аппарате до 10 Мн/м2 изготовляются преимущественно из листов вальцовкой с последующим соединением стыков чаще всего сваркой. Применявшаяся ранее для этого клепка
в настоящее время в химическом аппаратостроении не употребляется.
Соединение стыков цилиндрических обечаек из медных и латунных листов помимо сварки осуществляется также пайкой как твердыми, так и мягкими припоями. Кроме указанного, соединение стыков обечаек из любых металлических и неметаллических материалов возможно производить с помощью различных клеев. Однако данный вид соединения в химическом аппаратостроении широкого применения пока не имеет.
Свальцованные из листов цилиндрические обечайки после соединения стыка сваркой или пайкой проходят технологическую правку (калибровку). Обработка наружной и внутренней поверхностей обечаек на станке обычно не производится.
Цилиндрические обечайки из пластичных материалов (в основном стали) для аппаратов высокого избыточного давления среды в них (10 Мн/м2 и более) изготовляются большей частью из поковок (цельных или составных) с соответствующей термообработкой и последующей обработкой внутренней и наружной поверхностей на станке. Кованые цилиндрические обечайки иногда выполняются заодно с днищем.
Наряду с цельными коваными конструкциями обечаек для аппаратов высокого давления находят применение составные конструкции —многослойные, витые и др.
Цилиндрические обечайки из хрупких материалов (чугуны, бронзы, кварцевое стекло и др.) для аппаратов с незначительным избыточным давлением среды в них — не более 0,8 Мн/м2 — изготовляются литыми с последующей обработкой внутренней поверхности или без обработки. Литые обечайки обычно выполняются совместно с днищем.
В ряде случаев с помощью литья изготовляются обечайки и из пластичных материалов (различные стали, цветные металлы и сплавы и др.).
При конструировании цилиндрических обечаек, независимо от материала и технологии их изготовления, преимущественно следует придерживаться внутренних базовых диаметров согласно табл. 7.1.
7.2.1 Расчет обечаек, работающих под внутренним давлением
Определение номинальной расчетной толщины стенки s' таких обечаек исходя из прочности рекомендуется производить по формулам, приведенным в табл. 7.2, в зависимости от конструкционного материала, величины отношения заранее известных определяющих параметров ад и ρ с учетом коэффициента ослабления обечайки в продольном направлении φ и от того, какой задан базовый диаметр обечайки (внутренний Dв или наружный Dн).
Таблица 7.1
Внутренние базовые диаметры DВ (в мм) цилиндрических обечаек (ГОСТ 9617-67)
Таблица 7.2
Формулы для определения номинальной расчетной толщины стенки s’ цилиндрических металлических и не металлических вальцованных(сварных, паянных, клееных) и литых обечаек, работающих под внутренним давлением
р – расчетное давление в аппарате в Мн/м2
- допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки в Мн/м2
- коэффициент прочности сварных и паянных соединений
7.2.1.1 Расчетное давление
Одной из главных определяющих величин при расчете на прочность узлов и деталей химических аппаратов, работающих под избыточным давлением, является давление среды в аппарате
Под расчетным давлением (внутренним р, наружным рн) понимается избыточное давление среды в аппарате, на которое производится расчет аппарата на прочность и устойчивость.
Расчетным давлением, как правило, является рабочее давление. Гидростатическим давлением в аппарате (при наличии в нем жидкости), если величина его до 5% от рабочего, пренебрегают. В противном случае расчетное давление ρ в Мн/м2 (кгс/см2) для нижней части аппарата следует определять по формуле (7.3)
(7.3)
где рс – рабочее избыточное давление среды в Мн/м2 (кгс/см2);
g – ускорение силы тяжести в м/сек2 (см/сек2);
– плотность жидкости в кг/м3
– высота столба жидкости в м (см)
Для высоких колонных аппаратов расчетные давления целесообразно определять по зонам, условно разбив аппарат по высоте на несколько зон.
Для литых аппаратов при рабочем давлении в них, меньшем
0,2 Мн/м2, расчетное давление принимается не менее 0,2 Мн/м2.
7.2.1.2 Расчет допускаемого напряжения
Допускаемые напряжения в узлах и деталях при расчете их на прочность и устойчивость выбираются в зависимости от прочностных характеристик конструкционного материала при расчетной температуре. Прочностные характеристики, в свою очередь, зависят от технологии изготовления (сварки, литья, ковки, штамповки), термообработки, характера действия нагрузок (статической, динамической), размеров деталей (толщины стенок из проката, литья, поковок), а также с учетом особенностей среды в аппарате и условий эксплуатации.
Для узлов и деталей аппаратов из основных конструкционных металлических материалов (стали, цветных металлов и их сплавов), подверженных статическим нагрузкам от внутреннего или наружного избыточного давления, и при вакууме в аппарате, а также при действии
на них ветровых и сейсмических нагрузок, установлены
номинальные (нормативные) — без учета условий эксплуатации аппарата — допускаемые напряжения .
Эти допускаемые напряжения применяются при расчете деталей на растяжение, сжатие и изгиб. При расчете на кручение и срез номинальные допускаемые напряжения при прочих равных условиях рекомендуется применять с коэффициентом 0,6.
Величина номинального допускаемого напряжения в Мн/м2 в зависимости от прочностных характеристик конструкционного материала при расчетной температуре определяется по одной из следующих формул:
(7.4)
(7.5)
(7.6)
(7.7)
Выбор расчетной формулы при определении номинального допускаемого напряжения производится по табл. 7.3
Таблица 7.3
Выбор расчетной формулы при определении номинального допускаемого напряжения для основных конструкционных материалов
| Конструкционный материал | Расчетная температура, 0С | Расчетная формула при определении | |
| Сталь | Углеродистая | 380 | (7.4) и (7.5) |
| >380 | (7.5), (7.6) и (7.7) | ||
| низколегированная | 420 | (7.4) и (7.5) | |
| >420 | (7.5), (7.6) и (7.7) | ||
| легированная аустенитного класса | 525 | (7.4) и (7.5) | |
| >525 | (7.5), (7.6) и (7.7) | ||
| Алюминий, медь и их сплавы | Не регламентировано | (7.4) и (7.6) | |
| Титан и его сплавы | (7.4), (7.5) и (7.6) |
7.2.1.3 Расчет прибавки к номинальным расчетным толщинам
При расчете узлов, деталей и отдельных элементов аппаратов на прочность необходимо учитывать химическое и механическое воздействие рабочей среды на материал аппарата. Поэтому к номинальной расчетной толщине детали или элемента аппарата дается прибавка С.
Величина суммарной прибавки С в мм в общем виде определяется по формуле:
(7.8)
где - прибавка на коррозию или другой вид химического воздействия рабочей среды на материал в мм;
- прибавка на эрозию или другой вид механического воздействия рабочей среды на материал в мм;
- дополнительная прибавка по технологическим, монтажным и другим соображениям в мм;
- прибавка на округление размера в мм.
Величина прибавки Ск зависит от химической проницаемости среды в конструкционный материал и расчетного срока службы аппарата.
Расчетный срок службы аппарата, если это специально не оговорено в техническом задании, на основании статистических данных принимается 10—15 лет.
Значения прибавки Ск в зависимости от химической проницаемости среды, исходя из расчетного срока службы
аппарата 10 лет, рекомендуется выбирать согласно следующим данным:
для стойких материалов в заданной среде с проницаемостью не более 0,05 мм/год Ск= 0;
для материалов с проницаемостью более 0,05 до 0,1 мм/год, а также для стойких материалов в заданной среде при отсутствии данных о проницаемости Ск = 1 мм. Применение материалов, проницаемость которых в заданной среде более 0,1 мм/год, следует избегать.
В случае применения защитного покрова, стойкого к заданной среде (антикоррозионный слой биметалла, обкладка металлическими и неметаллическими материалами, нанесение металлического покрова, эмалирование, гуммирование и т. д.) Ск = 0.
При двустороннем контакте с агрессивной средой прибавка Ск соответственно увеличивается.
Прибавка СЭ на эрозию или другое механическое воздействие среды на детали в химических аппаратах большей частью не учитывается. Учитывать такое воздействие рекомендуется в тех случаях, когда имеет место движение среды в аппарате со значительными скоростями
(для жидких сред при м/сек, для газообразных сред при м/сек), при наличии в движущейся среде абразивных твердых частиц, а также при ударном действии среды на деталь. Величина прибавки во всех этих случаях берется на основании опытных данных с учетом срока службы данной детали аппарата.
Величина дополнительной прибавки Сд зависит от вида детали, технологии ее изготовления и ряда других соображений.
Применявшаяся ранее при конструировании прибавка на минусовый допуск по толщине листа (для деталей, выполняемых из соответствующего проката) в последнее время при расчетах большей частью во внимание не принимается. Это обусловливается тем, что расчет производится по допускаемым напряжениям, определяемым исходя из минимальных значений механических характеристик,
гарантированных соответствующими ГОСТами и ТУ.
Кроме того, номинальные расчетные размеры увеличиваются разного рода прибавками и округляются в большую сторону до размеров, определенных сортаментом.
Толщина стенки обечайки s в мм с учетом прибавок определяется по формуле:
(7.9)
Выбор прибавки С смотри выше. При этом прибавку на округление толщины следует принимать, исходя из ближайшего большего размера по соответствующему сортаменту на листовой прокат, из которого изготовляется обечайка.
Коэффициент φ в формулах табл. 7.2 учитывает ослабление обечайки в продольном направлении, которое может быть за счет сварного, паяного или клееного швов и, кроме того, за счет наличия неукрепленных (или частично укрепленных) отверстий в обечайке.
Значения коэффициента прочности цилиндрической стенки при ослаблении ее неукрепленными отверстиями зависят от расположения отверстий и их диаметра.
При коридорном расположении отверстий одного диаметра на равном расстоянии друг от друга (рис. 7.2) коэффициент прочности φо определяется:
в продольном направлении по формуле:
(7.10)
в поперечном направлении по формуле:
(7.11)
При шахматном расположении отверстий одного диаметра (рис. 7.3) коэффициент прочности определяется: в продольном направлении по формуле (7.10); в поперечном направлении по формуле (7.11); в косом направлении по формуле
(7.12)
Рис. 7.2 Коридорное расположение отверстий Рис. 7.3 Шахматное расположение отверстий
в цилиндрической обечайке в цилиндрической обечайке
В случае чередующихся по величине диаметров отверстий в рядах в формулы (7.10)—(7.12) вместо d подставляется средне-арифметическое значение чередующихся диаметров.
При ряде единичных неукрепленных отверстий разного диаметра в обечайке, расположенных по одной образующей, коэффициент прочности определяется по формуле:
(7.13)
где L—длина (высота) цилиндрической обечайки;
— максимальная суммарная величина всех отверстий по одной образующей (при частично укрепленных отверстиях принимается для неукрепленной части отверстий).
Если обечайка ослаблена рядом отверстий, частично укрепленных приваренными трубами, штуцерами, втулками, то величина приведенного коэффициента прочности определяется по формуле:
(7.14)
где φ0 — коэффициент прочности, определенный без учета укрепления отверстий соответственно по формулам (7.10)—(7.12);
— сумма сечений укрепляющих элементов для одного отверстия;
— номинальная (при φ = 1 и С = 0) расчетная толщина стенки обечайки.
При расчете обечаек по формулам табл. 7.2 значения коэффициента прочности φ следует принимать:
при отсутствии отверстий в стенке или при полностью
укрепленных отверстиях — для продольного сварного, паяного или клееного шва;
при наличии в стенке рядов неукрепленных отверстий (расположенных вне шва) в зависимости от расположения последних – наименьшее значение из φ0 по (7.10), 2φ0 по (7.11), φ0 по (7.12) и — для продольного сварного, паяного, клееного шва;
при наличии в стенке рядов частично укрепленных отверстий, так же как и в предыдущем случае, но вместо φ0 в (7.10)—(7.12)
берется по (7.14);
при наличии в стенке единичных неукрепленных отверстий, расположенных по одной образующей (не по продольному шву), меньшее из значений φ0 по (7.13) и —для продольного шва.
При проверочных расчетах допускаемое избыточное давление рд в Мн/м2 для обечаек при соблюдении условия:
(7.15)
определяется по формуле:
(7.16)
В случае несоблюдения условия (7.15) допускаемое давление
определяется:
для пластичных металлических материалов — по формуле:
(7.17)
для неметаллических и хрупких металлических материалов по
формуле:
(7.18)