Расчет колонного аппарата на прочность

Исходные данные для расчета колонного аппарата представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Исходные данные

Параметр	Значение
Давление рабочее (внутреннее избыточное) Рраб., МПа	0,9
Температура среды (рабочая) верха аппарата Tрабв, °С
Температура среды (рабочая) низа Tрабн, °С

4.1.2 Выбор материала корпуса и опорной обечайки.

Материалы должны быть химически и коррозионно-стойкими в заданной среде при ее рабочих параметрах (температуре и давлении), обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать горячую и холодную механическую обработку, а также, возможно, иметь низкую стоимость.

При выборе материалов элементов колонного аппарата учитывается химическая активность перерабатываемых веществ (среды) и рабочие параметры процесса – температура и давления.

Кроме этого при выборе материала должна учитываться температура самой холодной пятидневки в климатическом районе, где установлен аппарат.

Разнообразные условия работы машин и аппаратов, применяемых в нефтегазопереработке, вызывают необходимость искать критерии рационального выбора материалов.

Повышение долговечности деталей машин и аппаратов в значительной мере может быть достигнуто благодаря изучению основных конструкционных материалов, которые могут быть применены для изготовления оборудования, правильным их выбором, знанием требований, предъявляемых к конструкционным материалом.

Основным конструкционным материалом для аппаратуры нефтехимии является сталь, поставляемая в виде листового и сортового проката, труб или отливок.

При проектировании колонного аппарата колонна К 8 , в данной выпускной квалификационной работе выбираем материал корпуса – 09Г2С,

09Г2С – cталь конструкционная низколегированная. Сталь марки 09Г2С содержит: углерода – до 0,12%, кремния - 0,5-0,8%, марганца – 1,3-1,7%, меди - до 0,3% ,азота – до 0,008%,мышьяка до 0,08%, серы и фосфора - до 0,04 и 0,035% соответственно.

Исходные данные и результаты выбора материала корпуса и опорной обечайки представлены в таблицах 4.2. и 4.3 .

Таблица 4.2 – Выбор материала корпуса

Корпус колонного аппарата
Название среды в аппарате	Бутановая фракция
Общая высота колонного аппарата, мм
Диаметр корпуса, Д1, мм
Диаметр корпуса, Д2, мм
Глубина днища, Н1, мм
Глубина днища, Н2, мм
Температура рабочая, 0С
Температура наиболее холодной пятидневки, 0С	-35
Давление рабочее, Мпа	0,9
Воздействие среды	агрессивное
Материал	09Г2С
Высота рабочей среды в корпусе аппарата, h р.ж , мм
Плотность среды (жидкости в кубовой части), r ср , кг/м3
Высота корпуса, заполненная водой
Плотность воды, r воды , кг/м3
Опорная обечайка
Название среды в опоре	воздух
Высота опоры, мм
Температура среды, 0С
Наличие переходного участка в опоре	-
Материал переходного участка	-
Материал опорной обечайки	09Г2С

4.1.3 Определение расчетной температуры, допускаемого напряжения и расчетного давления.

Расчет производится для двух условий: рабочих и условий испытаний на основании ГОСТ Р 52857.1 – 2007, ГОСТ Р 52857.2 – 2007, ГОСТ 14249 – 89.

4.1.3.1. Расчет в рабочих условиях.

Исходные данные для рабочих условий приведены в таблице 4.4.

Расчетную температуру стенки принимаем наибольшую температуру среды, но не ниже 20 ^оС:

. (4.1)

Для рабочих условий и условий испытаний за расчетную температуру корпуса и опорной обечайки принимаем 20 ^оС.

Определение допускаемого напряжения для материала корпуса аппарата производится для рабочих условий и для условий испытания.

Для рабочих условий при расчетной температуре производится по формуле:

[σ]_t=η·σ^*_t, (4.2)

где σ^*_t – нормативное допускаемое напряжение, МПа. σ^*_t= 177 МПа;

η – поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям. Для сварных аппаратов η=1.

[σ]_t=1·177=177 МПа.

Для условий испытаний допускаемые напряжения для материала корпуса аппарата определяются при t=20 ⁰С по формуле

(4.3)

где σ²⁰_Т–предел текучести при t=20 ⁰С. σ²⁰_Т= 300 МПа;

n_Т – коэффициент запаса по пределу текучестиn_Т= 1,1.

МПа.

Для рабочих условий расчетное давление определяется по формуле:

(4.4)

где р_раб– рабочее давление в аппарате, МПа;

- гидростатическое давление среды, МПа, которое рассчитывается по формуле:

МПа, (4.5)

где - плотность среды, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

h – высота рабочей жидкости, м, которая определяется видом технологического процесса а в аппарате.

м, (4.6)

где – высота кубовой части аппарата;

Н_ДН – высота днища аппарата, м, которая определяется в зависимости от типа днища.

Н_дн = 0,25·Д_в= 0,25·2,8 = 0,7 м, (4.7)

где Д_в – внутренний диаметр днища, м.

МПа.

Расчетное давление для условий испытаний определяется по формуле

, (4.8)

где Р_ПР – пробное давление, МПа;

МПа. (4.9)

где Р²⁰_Г - гидростатическое давление воды при t=20 ⁰С, МПа;

МПа, (4.10)

где - удельный вес воды, МН/м³;

Н – высота корпуса (без опоры), заполненная водой, м;

[σ]₂₀ – допускаемое напряжение, МПа, при температуре t=20 ºС.

МПа.

4.1.1.4 Определение коэффициента прочности сварного шва.

Коэффициент прочности сварного шва показывает, равна или меньше прочность сварного шва по отношению к прочности основного металла.

Коэффициент φ может изменяться от 0,6 до 1. Если φ = 1, то сварной шов равнопрочен основному металлу, если φ меньше 1, то прочность сварного шва меньше, чем прочность основного металла.

Коэффициент прочности сварного шва φ зависит от вида сварного шва, а также от длины контролируемых швов (от 10 до 100 % от общей длины).

Длина контролируемых швов в процентах от общей длины сварных швов зависит от группы аппарата. Стальные сварные аппараты, в зависимости от расчетного давления, температуры стенки и свойств рабочей среды на пять групп.

Длина контролируемых швов для аппаратов 1-й группы – 100 % всех сварных швов; 2-й и 3-й групп – 50 %; 4-й группы – 25 %; для остальных – 10 %.

Результаты определения коэффициента прочности сварного шва представлены в таблице 4.6.

На основании данных, приведенных в таблице 4.4, коэффициент прочности сварного шва φ = 0,9.

Для определения исполнительной толщины стенки любой обечайки (то есть толщину листа, из которого в дальнейшем будут изготавливаться элементы аппарата) необходимо определить расчетную толщину стенки обечайки и определить сумму прибавок к расчетной толщине.

Таблица 4.6 – Определение коэффициента прочности сварного шва

Наименование параметра	Значение
Название жидкой фазы (среды)	Бутановая фракция
Название газообразной фазы	Воздух
Пожаро- или взрывоопасные свойства среды	ГЖ
Класс опасности среды (степень воздействия на организм человека)
Группа аппарата определяется в зависимости от расчетного давления, расчетной температуры стенки и от рабочей среды: – взрыво- или пожароопасная; – класс опасности	II
Длина контролируемых швов, в % от общей длины Длина контролируемых швов для аппаратов 1-й группы – 100 % всех сварных швов; 2-й и 3-й групп – 50 %; 4-й группы – 25 %; для остальных – 10 %
Категория аппарата (для аппаратов, транспортируемых целиком)
Аппарат транспортируется целиком или частями (по железной дороге, водным или автомобильным транспортом)	По железной дороге целиком
Вид сварного шва	Стыковой с двусторонним сплошным проваром
Способ сварки	Шов, выполняемый автоматической сваркой

4.1.5 Расчет исполнительной толщины стенки цилиндрической обечайки и днищ, находящихся под воздействием внутреннего избыточного давления.

Расчет выполняется либо для рабочих условий, либо для рабочих условий и условий испытаний.

Определение толщины стенки цилиндрической обечайки в общем случае производится для рабочих условий и условий испытания по следующей формуле:

, (4.11)

где D_B – внутренний диаметр цилиндрической обечайки, м;

- коэффициент прочности сварного шва.

4.1.5.1 Определение расчетной и исполнительной толщины стенки
цилиндрической обечайки и днищ для рабочих условий.

Определение суммы прибавок к расчетной толщине показано в таблице 4.5. Результаты расчета толщины стенки цилиндрической обечайки и днищ для рабочих условий представлены в таблице 4.6.

Расчетная толщина стенки без учета суммы прибавок вычисляется по формулам:

- для цилиндрической обечайки

; (4.8)

- для эллиптического днища

, (4.9)

где (для эллиптического днища).

Вычислим по (4.8) и (4.9) расчетную толщину стенки для обечайки и днища

Определение толщины стенки днищ аппарата, соответствующей рабочим условиям и условиям испытаний, производится по следующему выражению:

, (4.12)

где R – расчетный радиус днища, м.

R = Д_в=2,8 м.

где Д_в – внутренний диаметр днища, м.

.

Величина прибавки С для различных элементов корпуса (цилиндрических обечаек и днищ) определяется по формуле

, (4.13)

где С₁-прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм;

С₂ – прибавка для компенсации минусового допуска, мм;

С₃ – прибавка технологическая, мм.

,

.

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки S^ц_исп и днищ S^дн_исп корпуса аппарата рассчитывается по формулам

S^ц_исп= S^ц_R + С^ц, (4.14)

S^дн_исп= S^дн_R + С^дн. (4.15)

S^ц_исп=9,8+2,8=12,6 мм,

S^дн_исп=9,8+3,9=13,7 мм.

S_испл округляем до ближайшего большого значения S_испл=16 мм

Таблица 4.7 – Значения прибавок к расчетной толщине

Наименование параметра	Значение
Цилиндрическая обечайка	Днище
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм (при отсутствии данных С1 может приниматься равной 2 мм)	С1 = 2 мм	С1 = 2 мм
Прибавка для компенсации минусового допуска, мм (определяется по значениям Sцр и Sднр)	С2 = 0,8 мм	С2 = 0,8 мм
Прибавка технологическая, С3, мм	С3= 0 (для цилиндрической обечайки принимаем С3 =0)	С3=0,15*7,3 = 1,1мм (для эллиптического и полусферического днищ, изготавливаемых штамповкой С3 принимаем равной 15 % от Sднр)
Сумма прибавок С2 и С3 (прибавки учитываются в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5 % расчетной толщины Sцр или Sднр)	С2 +С3=0,8+0=0,8 мм (<или>5 % расчетной толщины Sцр )	С2 + С3 =0,8+1,1=1,9 мм (<или>% расчетной толщины Sднр)
Сумма прибавок к расчетной толщине стенки, мм	Сц=С1+С2 +С3=2+0,8=2,8	Сдн=С1+С2 +С3=2+0,8+1,1=3,9
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм (при отсутствии данных С1 может приниматься равной 2 мм)	С1 = 2 мм	С1 = 2 мм
Прибавка для компенсации минусового допуска, мм (определяется по значениям Sцр и Sднр)	С2 = 0,8 мм	С2 = 0,8 мм
Прибавка технологическая, С3, мм	С3= 0 (для цилиндрической обечайки принимаем С3 =0)	С3=0,1 * 7,3 = 1,1мм (для эллиптического и полусферического днищ, изготавливаемых штамповкой С3 принимаем равной 15 % от Sднр)
Сумма прибавок С2 и С3 (прибавки учитываются в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5 % расчетной толщины Sцр или Sднр)	С2+ С3 =0,8+0=0,8 мм (<или>5 % расчетной толщины Sцр )	С2 + С3 =0,8+1,1=1,9 мм (<или>5% расчетной толщины Sднр)
Сумма прибавок к расчетной толщине стенки, мм	Сц=С1+С2 +С3=2+0,8=2,8	Сдн=С1+С2 +С3=2+0,8+1,1=3,9
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм (при отсутствии данных С1 может приниматься равной 2 мм)	С1 = 2	С1 = 2
Прибавка для компенсации минусового допуска, мм (определяется по значениям Sцр и Sднр)	С2 = 0,12	С2 = 0,12
Прибавка технологическая, С3, мм	С3= 0 (для цилиндрической обечайки принимаем С3 =0)	С3= 0,13 (для эллиптического и полусферического днищ, изготавливаемых штамповкой С3 принимаем равной 15 % от Sднр)
Сумма прибавок С2 и С3 (прибавки учитываются в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5 % расчетной толщины Sцр или Sднр)	С2 + С3 = 0,12   (>5 % расчетной толщины Sцр )	С2 + С3=0,25   (>5 % расчетной толщины Sднр)
Сумма прибавок к расчетной толщине стенки, мм	Сц=С1+С2 +С3=2,12	Сдн=С1+С2 +С3=2,25

Таблица 4.8 – Результаты определения исполнительной толщины стенки
цилиндрической обечайки и днищ для рабочих условий

Наименование параметра	Значение
Исполнительная толщина цилиндрической обечайки, мм	16
Исполнительная толщина эллиптического днища, мм	16

4.1.6 Проверка условий применения расчетных формул.

Результаты проверки условий применения расчетных формул представлены в таблице 4.9.

Таблица 4.9 – Результаты проверки условий применения расчетных формул

Наименование параметра	Значение
Условие применения расчетных формул дляцилиндрической обечайки корпуса аппарата	(SГОСТ – С)/Dв ≤ 0,1; (14 – 2,8)/2800 = 0,004≤ 0,1 условие выполняется или не выполняется
Условие применения расчетных формул для эллиптической оболочки	0,002 ≤ (14 – 3,9)/2800 ≤ 0,1000,002 ≤ 0,00361 ≤ 0,100 0,2 ≤ 700/2800 ≤ 0,50,2≤ 0,25 ≤ 0,5 условие выполняется

Так как условия применения расчетных формул для цилиндрической обечайки корпуса и эллиптического днища выполняются, следовательно, расчет был проведен корректно.

4.1.7 Выбор стандартного днища.

Параметры выбранного днища приведены в таблице 4.10.

Таблица 4.10 – Параметры эллиптического днища

Dв,мм	Sдн, мм	Ндн, мм	hц, мм	Fдн,м2	mдн, кг	Vдн, м3
				9,03		3,2298

Эскиз эллиптического днища приведен на рисунке 4.2.

D – внутренний диаметр цилиндрической обечайки, днища, м; D₁ – наружный диаметр цилиндрической обечайки, днища, м; Н – высота выпуклой части днища, м; h₁ – высо-та отбортовки, м; S₁, – толщина стенки; R – внутренний радиус выпуклого днища, м.

Рисунок 4.2 – Эскиз эллиптического днища

4.1.8 Проверка прочности.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для рабочих условий и условий испытаний для цилиндрической оболочки равно 0,6 МПа и 0,92 МПа. Расчетное давление в рабочих условиях равно 0,085 МПа, а расчетное давление для условий испытаний равно 0,5 МПа.

Из полученных данных видно, что расчетное давление в рабочих условиях и расчетное давление для условий испытаний меньше внутреннего избыточного давления для рабочих условий и условий испытаний. Прочность цилиндрической обечайки и днища обеспечена при данных параметрах.

Допускаемое избыточное давление для цилиндрической обечайки вычисляется по формуле

- для рабочих условий

; (4.10)

- для условий испытания

. (4.11)

Вычислим по (4.10) и (4.11) значения избыточного давления для цилиндрической обечайки

Определяем допускаемое внутреннее избыточное давление для рабочих условий и условий испытаний для цилиндрической оболочки:

. (4.16)

МПа.

. (4.17)

МПа.

Таблица 4.11 – Результаты проверки прочности цилиндрических обечаек и днищ

Наименование	Расчет
Для рабочих условий	Для условий испытания
Допускаемое внутреннее избыточное давлении для цилиндрической оболочки	=(2·1·177(12 – 2,8))/(2800+(12-2,8))=1,16	=(2·1·272,7(14 – 2,8))/(2800+(14-2,8))=2,173
Допускаемое внутреннее избыточное давлении для днищ	=(2·1·177(12 – 3,9))/ (2800+0,5(12-3,9)) = 1,023	=(2·1·272,7(14 – 3,9))/ (2800+0,5(14-3,9)) = 1,964
Условие прочности для цилиндрической обечайки	Ррасt ≤ [Р]t 0,92 ≤ 1,16 условие прочности выполняется	Рраси ≤ [Р]и 1,91 ≤ 2,173 условие прочности выполняется
Условие прочности для днища (эллиптического или полусферического)	Ррасt ≤ [Р]t 0,92 ≤ 1,023 условие прочности выполняется	Рраси ≤ [Р]и 1,91 ≤ 1,964 условие прочности выполняется

Таблица 4.12 – Результаты, полученные при выполнении раздела 4.1

Наименование параметра	Значение
Сумма прибавок к расчетной толщине, С, мм	С=2,12
Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки без учета суммы прибавок, мм	Sцр=3,12
Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки по ГОСТ, мм	Sцгост=10
Расчетная толщина стенки эллиптического днища без учета суммы прибавок	Sднр=5,24
Исполнительная толщина стенки эллиптического днища по ГОСТ, мм	Sднгост=8