Проектирование аппарата, нагруженного внутренним и наружным давлением

Задание на проектирование

Рассчитать основные элементы корпуса аппарата: обечайка, днище, крышка, мотор-редуктор, фланец, патрубок, перемешивающее устройство, штуцер, технологическое отверстие, рубашка, уплотнение, материал аппарата, опоры аппарата.

Введение

Развитие химической и нефтехимической промышленности требует создания новых высокоэффективных, надежных и безопасных в эксплуатации технологических аппаратов. Применение веществ, обладающих взрывоопасными и вредными свойствами, ведение технологических процессов под большим избыточным давлением и при высокой температуре обусловливает необходимость детальной проработки вопросов, связанных с выбором средств защита для обслуживающего персонала, с прочностью и надежностью узлов и деталей аппаратов. Перед химическим машиностроением поставлена задача создания и выпуска высокопроизводительного оборудования. Химическое машиностроение должно внести большой вклад в развитие топливно-энергетического комплекса нашего государства.

Темой проекта является проектирование аппарата, нагруженного внутренним и наружным давлением, и привода для механического перемешивающего устройства аппарата. В ходе проектирования производился расчет основных элементов аппарата в соответствии с рис. 1, находящихся под внутренним и наружным давлением с заданной рабочей средой и температурой.

Рис. 1. Кинематическая схема привода: 1-электродвигатель (асинхронный); 2-муфта (упругая); 3-одноступенчатый косозубый редуктор; 4-аппарат с мешалкой.

К перемешивающему устройству подбирался привод, для которого выполнялся кинематический, энергетический и силовой расчеты. Определялись основные размеры деталей передачи из условий прочности и жесткости, а также подбирались подшипники и муфты.

1. Основная часть

1.1 Расчет оболочек нагруженных внутренним и внешним давлением

Во многих технологических процессах применяют емкостные аппараты с мешалки, которые работают под давлением в соответствии с рис. 1.1.

Рис. 1.1. Аппарат с мешалкой и её приводом: 1-электродвигатель; 2-редуктор; 3-муфта; 4-уплотнение; 5-стойка; 6-крышка; 7-фланцы; 8-обечайка; 9-днище; 10-мешалка; 11-рубашка; 12-днище рубашки; 13-опоры. Штуцеры: А - вход продукта; Б - люк; В - вход теплоносителя; Г - выход теплоносителя; Д - выход продукта.

Основным элементом аппарата является его цилиндрическая часть - обечайка 8. Вертикальное исполнение тонкостных цилиндрических аппаратов более выгодно, чем горизонтальное (в горизонтальных аппаратах появляются дополнительные изгибающие напряжения от силы тяжести самого аппарата и среды). Вертикальная обечайка закрывается днищем 9 снизу и крышкой сверху. В отличие от днищ, имеющих неразъемное соединение, крышки 6 являются отъемными частями, аппаратов. Днища и крышки изготавливают из тех же материалов, что я обечайки. Присоединение к аппаратам крышек и соединение отдельных частей аппарата осуществляется с помощью фланцев 7. Герметичность фланцевых соединений обеспечивается прокладками. Трубопроводы и контрольно-измерительные приборы присоединяются к аппаратам с помощью штуцеров, чаще фланцевых, реже резьбовых. Для осмотра аппарата, загрузки сырья и очистки аппарата, а также для сборки и разборки внутренних устройств служат люки Б. При съемных крышках аппараты могут быть без люков. Аппараты устанавливаются на фундаменте с помощью лап и опор 13. Перемешивание жидких сред в аппаратах производится либо механическими, либо пневматическими способами. Механическое перемешивание осуществляется мешалками 10. Для приведения во вращение механического перемешивающего устройства служит привод, состоящий из электродвигателя 1, редуктора 2 и муфт 3. Устанавливается редуктор на крышке вертикального аппарата с помощью стойки и опоры 5. Вал перемешивающего устройства вводится в аппарат через уплотнение 4, обеспечивающее герметичность. Уплотнение вала производится с помощью сальника, либо торцевым уплотнением. Жидкость вводится в аппарат через штуцер А, а выводится через штуцер Д. Обогрев аппарата осуществляется обычно с помощью рубашки 11, которую приваривают к корпусу стального аппарата. Диаметр рубашки принимают на 40-100мм больше диаметра аппарата. Обогревающую жидкость подают в рубашку через нижний, штуцер Г, а удаляют через верхний В, чтобы рубашка всегда была заполнена теплоагентом. Обогревающий пар подают в рубашку через верхний штуцер, а через нижний отводят конденсат.

В соответствии с правилами /1/ материалы, применяемые для изготовления аппаратов, должны обладать хорошей свариваемостью, а также прочностью и пластическими характеристиками, обеспечивающими хорошую работу аппарата в заданных условиях эксплуатации.

Элементы корпуса рассчитываются по двум вариантам: от действия внутреннего давления P^(в) и наружного давления P^(н).

1.1.1 Прибавки к толщине элементов корпуса на коррозию. Выбор материала для обечайки, днища и крышки

Для изготовления химических аппаратов обычно используют, стали различных марок. При выборе материалов корпуса, рубашки, штуцеров учитываем их коррозионную стойкость в рабочей среде (в глицерин), которую принимаем по /2/ и /3/.

По коррозионной стойкости подходят 5 сталей: 15ХSМ, Х5М, Х18H10T, Х17Н13М2Т, OX23H28MЗДТ, и алюминий (ГОСТ 4785-65).

Рассчитаем скорость проникновения коррозии по формуле (1.1) по /4/:

П= (1.1)

где П - скорость проникновения коррозии (глубинный показатель), мм/год; - показатель убыли массы при равномерной коррозии стали, г/(м²∙ч)(по /4/ принимаем =0,2г/(м²∙ч); - плотность стали (по /5/ принимаем =7,96 г/см³).

П==0,22мм/год - по формуле (1.1).

Отсюда, из условия коррозионной стойкости по /2/ выбираем материал обечайки, днища и крышки – сталь Х18H10Tсо скоростью проникновения коррозии

П<0.1*10^-3м/год.

Для выбранного материала прибавку к расчетной толщине стенки элементов корпуса на коррозию определяем по формуле (1.2):

С=П·Т_а (1.2)

где С - прибавка к расчетной толщине стенки элементов корпуса на коррозию, мм; Т_а - амортизационный срок (T_a=10лет).

С=П·Т_а=0,1∙10^-3·20=2∙10^-3м – по формуле (1.2).

Материалы, у которых С>(2÷3)×10^-3м обычно не используют по /2/. Поправка С находится в пределах допустимых величин, т. к. С=2,0×10^-3м<C_K=3мм, по /3/.

1.1.2 Определение расчетных значений давлений, температур, допускаемых напряжений и модуля упругости применяемых материалов

Расчетное давление принимаем равным рабочему давлению. Рабочее давление в аппарате - максимальное избыточное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса.

Рабочее внутреннее давление для элементов корпуса, находящихся ниже свободной поверхности жидкости определяем по формуле (1.3):

P^(в)=P+P_гидр(1.3)

где P^(в) - рабочее внутренне давление, МПа; Р - избыточное внутреннее давление в аппарате над свободной поверхностью жидкости, P=0,8МПа; P_гидр - гидростатическое давление рабочей жидкости (глицерин), МПа.

Гидростатическое давление P_гидр вычисляем по формуле (1.4):

P_гидр=10ρ_ж·x (1.4)

где ρ_ж - плотность рабочей жидкости (глицерин:ρ_ж=1050кг/м³); х - расстояние от свободной поверхности жидкости до нижней точки днища аппарата, мм.

При заполнении на 0,75 (75%) высоты обечайки найдём x по формуле (1.5):

x=H∙0,75 (1.5)

где H– высота обечайки, мм.

x =2000·0,75=1500мм=1.5м– по формуле (1.5).

P_гидр=10·1050∙1500∙10^-9=0,01575 МПа=15,8∙10^-3МПа - по формуле (1.4).

P_гидр при определении расчетного давления учитываем в том случае, когда его величина составляет 5% и более от рабочего давления по формуле (1.6):

или 5% (1.6)

=1,97% <5% - по формуле (1.6).

Отсюда по формуле (1.3) принимаем: P^(в)=P=0,8МПа.

При расчете аппарата с рубашкой за расчетное наружное давление P^(н) принимаем давление, которое может возникнуть при самых неблагоприятных условиях эксплуатации, например, в связи с возможностью сброса внутреннего давления (опорожнение аппарата). P^(н) рассчитаем по формуле (1.7):

P^(н)=P_руб+P_г (1.7)

где P^(н) - рабочее наружное давление, МПа; P_руб - избыточное внешнее давление в рубашке аппарата, МПа; P_г - гидростатическое давление рабочей жидкости (глицерин) в рубашке, МПа.

P_г для рубашки определяется по формуле (1.4), т. е. P_г= P_гидр. При заполнении на 0,75 (75%) высоты рубашки x_руб=x определяется по формуле (1.5), где x_руб - расстояние от свободной поверхности жидкости до нижней точки днища рубашки, мм. P_г при определении расчетного давления учитываем в том случае, когда его величина составляет 5% и более от рабочего давления по формуле (1.8):

или 5% (1.8)

=7,9%>5% - по формуле (1.8).

Отсюда по формуле (1.7) принимаем: P^(н)=P_руб+Р_г=(0,6+0,015)МПа= 0,62 МПа.

Следует отметить, что формула (1.3) соответствует условиям работы корпуса при отключении подачи теплоносителя в рубашку, т. е. при Р_руб=0.

Расчетную температуру стенок корпуса принимаем равной температуре среды, соприкасающейся со стенкой, по формуле (1.9):

t=t_ж(1.9)

где t - расчетная температура стенок корпуса, °С; t_ж - температура перешиваемой среды в аппарате (глицерин; t_ж=160°С).

По формуле (1.9) получаем: t=160°С.

Допускаемое напряжение для материала определяем по формуле (1.10):

[σ]=η·[σ]^*(1.10)

где [σ] - допускаемое напряжение стали, МПа; η - поправочный коэффициент, для невзрывоопасных смесей η=1; [σ]^* - допускаемое нормативное напряжение стали, МПа.

Для стали Х18H10Tпо табл. 1.1 при t=160°C принимаем: [σ]^*=140МПа.

Таблица 1.1

Допускаемые напряжения [σ]^* для коррозионностойкой стали Х18H10Tпринимаем по /5/

*Прим.: для поковок из стали марки Х18H10T применяют допускаемые напряжения при температурах до 550°С умножают на 0,95.

Отсюда по формуле (1.10) получим: [σ]=η·[σ]^*=1·140∙0,95=133МПа.

Расчетное значение модуля упругости E при t=160°С принимаем по табл. 1.2: Е=197∙10³МПа.

Таблица 1.2

Значения модулей упругости Е в зависимости от температуры по /5/

1.1.3 Расчет элементов корпуса, нагруженных внутренним давлением

Элементы сосудов согласно нормам /3/ при нагружении внутренним давлением рассчитываем по формулам, основанным на безмоментной теории оболочек и третьей гипотезе прочности по /6/. При этом вводим соответствующие ограничения по конструктивным параметрам аппарата. Одно из основных ограничений находим по формуле (1.11):

(1.11)

где S - толщина стенки оболочки, мм; Д - расчетный диаметр, (Д=Д_В=1000мм - внутренний диаметр аппарата).

Для рассматриваемой конструкции корпуса аппарата условие (1.11) выполняется со значительным запасом и позволяет напряженное состояние в оболочках считать плоским по уравнениям (1.12), (1.13), (1.14) и (1.15):

σ₁=σ_t(1.12)

σ₂=σ_m(1.13)

σ₃=σ_p≈0 (1.14)

где σ₁, σ₂, σ₃ - напряжения в оболочках корпуса, МПа; σ_t - тангенциальное напряжение, МПа; σ_m - меридиональное напряжение, МПа; σ_p - нормальное (радиальное) напряжение, МПа.

Так как для рассматриваемых оболочек σ_t меньше равно σ_m, то условие прочности при наличии сварных швов имеет вид уравнения (1.15):

σ_экв3=σ₁-σ₃=σ_t≤φ[σ] (1.15)

где σ_экв3 - эквивалентное напряжение, МПа; φ - коэффициент прочности сварного продольного шва.

Таким образом, используя это условие прочности и известные зависимости для определения тангенциальных напряжений в оболочках различных типов можно для любой из них вычислить требуемую толщину.

Расчетные схемы оболочек, составляющих корпус аппарата, при нагружении его газовым и гидростатическим давлениями, приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Расчетные схемы элементов корпуса, нагруженного внутренним давлением: а - крышка аппарата; б - обечайка аппарата; в - днище аппарата.

1.1.3.1 Определение толщины стенки обечайки

Толщину стенки цилиндрической обечайки аппарата в соответствии с рис. 1.3 определяем по формуле (1.16):

S₁= (1.16)

где S₁ - толщина стенки обечайки, мм;

P₁ – расчетное давление на обечайку, МПа;

φ - коэффициент прочности сварного продольного шва, стыковой односторонний шов при ручной сварке φ=7.

Формула (1.16) справедлива при соблюдении условия (1.11).

При отношении гидростатического и рабочего давления меньше 5% принимаем по формуле (1.3): Р₁=Р=0,8МПа, т. к. P_гидр невелико.

S₁==6∙10^-3м - по формуле (1.16).

Так как - условие (1.11) выполняется.

Принимаем по нормальному ряду: S₁=6мм.

1.1.3.2 Определение толщины стенки стандартной эллиптической крышки

Толщину стенки эллиптической крышки аппарата определяем по формуле (1.17):

S₂= (1.17)

где S₂ - толщина стенки эллиптической крышки, мм; P₂=Р=0,8МПа – расчетное давление на крышку, МПа; R - радиус кривизны в вершине крышки или днища, (для стандартных крышек и днищ: R=Д_В=1000мм).

При отношении гидростатического и рабочего давления меньше 5% принимаем по формуле (1.3): Р₂=Р=0,8МПа, т. к. P_гидр невелико.

Для стандартных крышек по формулам (1.18) и (1.19) найдем R и h_В:

R=Д_В (1.18)

h_В=0,25∙Д_В (1.19)

где h_В - высота крышки в соответствии с рис. 1.4. и по табл. 1.3:

По табл. 1.3 принимаем h_В=250мм. По формуле (1.18): R=500мм.

S₂=5∙10^-3м - по формуле (1.17).

Принимаем по нормальному ряду: S₂=5мм

Таблица 1.3

Размеры эллиптически отбортованных стальных крышек (днищ) для сосудов, аппаратов и котлов (ГОСТ 6533-78) по /7/

1.1.3.3 Определение толщины стенки конического днища

Для аппарата диаметром 273-3000мм, работающих под давлением, рекомендуется применять конические отбортованные днища с углами при вершине 60° (ГОСТ 12619-78). Для аппаратов, подведомственных Госгортехнадзору, центральный угол при вершине конуса днища должен быть не более 45°. Днища могут быть изготовлены с толщиной стенки от 4 до 30мм.

Толщина стенки конического днища (рис. 1.5) определяем вначале по напряжениям изгиба в тороидальном переходе по формуле (1.20):

S₀= (1.20)

Где Р₃ – давление на стенки днища, МПа. Из-за незначительности величины гидростатического давления Р₃=Р₁=0,8МПа. Y – коэффициент формы днища.

Для конических днищ с α=45°, Y=1.9

Коэффициент прочности кольцевого шва j принимается равным 1,0 при условии, что расстояние между кольцевым швом и началом дуги не меньше

h₁= (1.21)

Если это расстояние h₁ меньше условия 1.21, то для стыкового кольцевого шва свариваемого с одной стороны, j=0,8; для стыкового шва с подваркой со стороны вершины j=0,95

5∙10^-3м

Проверяем условие:

41,8мм < 50мм, то j=0,8

5мм

По таблице 1.4 для 2α=90° определяем S_0:

Значение S при различных параметрах Д_в, h_в, r_в, h₁.

Таблица 1.4

Принимаем S_o=10мм

Толщина стенки конической части днища определяется по формуле:

(1.22)

Где Д_р расчетный диаметр конического отбортованного днища:

(1.23)

Где r_в=0,15∙Д_в=0,15·1=0,15м

0,86м

0,0063м=6мм

Принимаем по нормальному ряду: S₃=6мм. Однако во всех случаях толщина днища должна быть не меньше толщины обечайки, поэтому окончательно принимаем по стандартному ряду: S₁= S₃=6мм, S₂=5мм, S_o=10мм

Длина цилиндрической части отбортованного конического днища:

0,99м

Длина конической части ниже тороидального перехода:

1,18м

1.1.4 Расчет элементов корпуса, нагруженных наружным давлением, на устойчивость

В тонких стенках аппаратов, работающих под наружным давлением, с рубашкой возникают напряжения сжатия, т. е. возможно вдавливание стенки внутрь. Под действием критического давления поперечное сечение первоначально круглой формы искажается, становится волнообразным, что приводит к потере устойчивости по /9/.

Принцип расчёта заключается в проверке на устойчивость толщин элементов корпуса, полученных из ранее полученных расчетных данных по /10/. Конструкция рубашки такова, что под действием наружного давления Р_руб находятся обечайка, днище и крышка.

Эти элементы аппарата и рассчитываем на устойчивость по /11/. Расчетные схемы оболочек, составляющих корпус аппарата, при нагружении его наружным давлением, приведены на рис. 1.6.

Расчетное наружное давление для элементов корпуса P^(н) определяем по формуле (1.7).

1.1.4.1 Расчет обечайки

Исполнительная толщина цилиндрической обечайки должна удовлетворять условию устойчивости (1.21):

(1.21)

где σ_С - напряжение от сжимаемой осевой нагрузки, которое определяется по формуле (1.22), МПа; [σ_С] - допускаемое напряжение сжатия, которое определяется по формуле (1.23), МПа; - расчетное наружное давление на обечайку, =Р_руб=0,8МПа по формуле (1.7); [P] - допускаемое боковое давление обечайки, которое определяется по формуле (1.25), МПа.

σ_С= (1.22)

σ_С==12,5МПа – по формуле (1.22).

Допускаемое напряжение сжатия определяется по формуле:

[σ_C]= (1.23)

где K_С - коэффициент, который рассчитывается по формуле (1.24):

К_С (1.24)

где - параметр, зависящий от по табл. 1.4:

Значения для различных Д_В

Таблица 1.5

зависит от =125, отсюда =0,12 по табл. 1.4.

Для стали Х18H10Tкоэффициент продольной деформации (модуль упругости) при t=160°С: E=197∙10³ МПа в соответствии с табл. 1.2.

К_С=0,112 - по формуле (1.24).

[σ_C]= =88,26МПа - по формуле (1.23).

Допускаемое боковое давление для цилиндрических обечаек корпусов вертикальных аппаратов, работающих в области упругих деформаций, рассчитаем по формуле (1.25):

[P]=(1.25)

где l₁ - расчетная длина обечайки (рис1.7), определяемая по формуле (1.27) при соблюдении условий: S₂-S₁≤2мм и S₃-S₁≤2мм, мм.

При этом должно выполняться условие (1.26):

(1.26)

l₁=h+h₁+h₂ (1.27)

где h - высота, определяемая по формуле (1.28), мм; h₁ - высота борта (по табл. 1.3: h₁=25мм); h₂ - высота, определяема по формуле (1.29), мм.

h=H-100 (1.28)

h₂=(1.29)

H_ЭЛ - высота, которая находится по формуле (1.30), мм:

H_эл== (1.30)

H_эл=125мм - по формуле (1.30) и по табл. 1.3.

h₂==41,67мм≈42мм - по формуле (1.29).

h=2000-100=1900мм - по формуле (1.28).

l₁=1900+25+42=1967мм - по формуле (1.27).

Проверяем условие (1.26):

1,97>0,20 – условие (1.26) выполняется.

[P]==0,066МПа – по формуле (1. 25).

Проверяем условие устойчивости обечайки по формуле (1.21):

12,26>1 – условие устойчивости (1.21) не выполняется.

Рассчитаем по формуле (1.31):

(1.31)

где - расчетная наружная толщина обечайки, мм.

=12,79мм - по формуле (1.31).

Принимаем по стандартному ряду с запасом: =14мм.

1.1.5 Исполнительная толщина стандартной эллиптической крышки, работающей в области упругих деформаций

Исполнительная толщина крышки должна удовлетворять условию устойчивости (1.32):

(1.32)

где - расчетная наружная толщина крышки, которая вычисляется по формуле (1.33), мм:

(1.33)

где К_Э - параметр, зависящий от зависящий от по табл. 1.6; R=Д_в=1000мм, - расчетное наружное давление на крышку, =Р_руб=0,8МПа по формуле (1.7).

Значения К_Э для различных R

Таблица 1.6

К_Э зависит от =333,33≈350, отсюда К_Э=0,98 по табл. 1.6.

=8,58мм - по формуле (1.33).

151,98>140,71 - условие (1.32) выполняется.

Принимаем по стандартному ряду: =10мм.

1.1.6 Исполнительная толщина стандартного конического днища, работающего в области упругих деформаций

Исполнительную толщину конического днища проверяют на устойчивость при действии наружного давления, согласно рис. 1.6 (1.34):

(1.34)

где - расчетное наружное давление на днище, =Р_руб=0,62МПа по формуле (1.7), [p] определяется по формуле (1.25), в которой l₁ заменяют на , Д_в на _, на (Д₀ – диаметр отверстия в днище (Д₀=50мм),

, К_э=0,96 (1.35)

Расчетная длина конического днища

Диаметр конического днища

Допускаемое наружное давление

15,54МПа

Принимаем по нормальному ряду: =6мм. 0,62<15.54 – условие (1.34) выполняется. Однако во всех случаях толщина днища должна быть не меньше толщины обечайки по /8/, поэтому окончательно принимаем по стандартному ряду: =14мм. =6мм.

1.2 Подбор фланцев, прокладок и расчет фланцевых болтов

Фланцы являются деталями массового изготовления. С помощью фланцев осуществляются разъемные соединения аппаратов и трубопроводов. Фланцы, подобранные по ГОСТу или нормали, в расчете не нуждаются, их размеры таковы, что обеспечивается прочность и плотность соединения. Фланцы аппаратов с взрывоопасными, ядовитыми и пожароопасными веществами рассчитываем на давление 1÷1,6МПа по /10/, даже если давление в аппарате меньше.

Подбираем приварные фланцы для крепления крышки к обечайке аппарата по следующим данным: давление в аппарате P=0,8МПа; температура стенок t=160°С; внутренний диаметр аппарата Д_В=1000мм; толщина стенок обечайки S₁^(H)=14мм, толщина стенок днища S₃^(H)=14мм, а толщина стенок крышки: S₂^(H)=6мм. В аппарате находится не токсичная, не обладающая взыво-, пожароопасностью среда – глицерин.

По ОСТ 26-427-70 подбираем размеры приварных фланцев с уплотнительной поверхностью выступ-впадина, которые имеют утолщенную шейку, придающую фланцам большую жесткость по /13/ в соответствии с рис. 1.8. Этот вид фланцев обычно применяют при более высоких давлениях и температурах. С увеличением температуры механическая прочность стали понижается и допускаемые рабочие давления в аппаратах оказываются ниже условных. Для аппаратов с высокой температурой средой выбираем фланцы, рассчитанные на большее условное давление по /14/. Болты для соединения фланцев применяют при давлении в аппарате до 1,6МПа, т. к. при более высоких давлениях у головки болта возникают местные напряжения, поэтому в таких случаях используют шпильки.

Для фланцев выбираем по ОСТ 26-426-79 материал - Х18Н10Т, для шпилек - сталь 4Х12Н8Г8МФБ, для гаек - Х18Н10Т. Наибольшее расчетное давление Р_р=1,6МПа в аппарате (типа А) при выбранных материалах и температуре до 200°С при условном давлении P_y= 1,6МПа, по рис. 1.9. и по /13/. Выбираем размеры фланцев по табл. 1.7 при P_y=1,6МПа: Д_В=1000мм; Д_Н=1145мм; Д₁=1105мм; Д₃=1064мм; Дn=1024мм; Дm= 1050мм; b₁=55мм; h₁=95мм; d₀=23мм; количество шпилек М20 - 44.

Таблица 1.7

Размеры в мм приварных встык фланцев с уплотнительной поверхностью выступ-впадина по /13/

Прокладки обеспечивают герметичность фланцевого соединения. Картон применяют при низких температурах и давлениях для воды и других нейтральных сред; паронит - для горячей воды, пара и многих химических веществ; резину - для кислых сред; металлические прокладки - для высоких давлений.

Выбираем материал прокладки - асбестоалюмминиевую гофрированную по табл. 1.8 и рис. 1.10.

Таблица 1.8

Пределы применения прокладочных материалов по /15/

По табл. 1.9. выбираем размеры прокладок при P_y=1,6МПа:

Д_В=1000мм; Д₁=1065мм; Д₂=1037мм; m_п=0,244кг - масса прокладки, а≈3,6

Таблица 1.9.

Размеры в (мм) прокладки из асбометалических материалов (OCT 26-431-79) по /15/

Проверяем прочность шпилек М20 (44 штуки) из стали 4Х12Н8Г8МФБ.

Податливость шпильки

Где l_ш– расчетная длина шпильки

l_ш=В₁+В₂+6=55+60+6=120мм=0,12м

Е_ш=215∙10³Мпа

Площадь поперечного сечения шпильки

А_ш=πd₁²/4=3.14*20,5²/4=329,90мм²

Податливость прокладки, приходящейся на одну шпильку

Размеры металлических прокладок для аппаратов в зависимости от P_у и типа уплотнительной поверхности фланцев – для фланцев с поверхностью выступ-впадина по рис. 2.4.

Фланец типа А приваривается к крышке в соответствии с рис. 2.1.

Проверяем прочность шпилек М20 (24шт) из стали 4Х12Н8Г8МФБ. Шпильки к выбранным фланцам проверяем на прочность по допускаемым нагрузкам по условию (2.1):

F≤[F] (2.1)

где F - суммарная сила, действующая на шпильку, которая находится по формуле (2.3), кН; [F] - допускаемая нагрузка для шпилек, которая находится по табл. 2.5, при расчетной температуре t_п, которая определяется по формуле (2.2), кН:

t_п=0,95∙t_ж (2.2)

t_п - расчетная температура для шпилек, °С; t_ж=80°С.

t_п=0,95∙80=76°С - по формуле (2.2).

F=Q[K_СТ(1-χ) +χ] (2.3)

где Q - сила, действующая на одну шпильку, которая определяется по формуле (2.4), кН; K_СТ - коэффициент затяжки запаса против раскрытия стыка (по /9/ K_СТ=1,4); χ - безразмерный коэффициент основной нагрузки, который рассчитывается по формуле (2.6).

(2.4)

Д_СП - средний диаметр прокладки, который находится по формуле (2.5), мм; P - давление в аппарате (Р=1,25МПа).

(2.5)

Д_СП==550,5мм - по формуле (2.5) и табл. 2.3.

Q==12,4кН - по формуле (2.4).

χ= (2.6)

где λ_п-податливость части прокладки, приходящейся на одну шпильку, МПа, которая находится по формуле (2.7);

λ_ш-податливость шпильки, МПа, которая рассчитывается по формуле (2.9).

(2.7)

где l_п - толщина прокладки, мм (l_п=а=2мм) по рис. 2.3; Е_п - модуль упругости для прокладки из паронита, который находим по табл. 2.4, МПа; А_п - площадь поперечного сечения прокладки, приходящаяся на одну шпильку, которая находится по формуле (2.8), мм².

Таблица 2.4

Модули упругости некоторых материалов по /15/

Е_п=3∙10³МПа - по табл. 2.4.

(2.8)

где z - число шпилек (z=24шт).

А_п==900,75мм² - по формуле (2.8).

λ_п==7,4∙10^-4МПа - по формуле (2.7).

Податливость шпильки рассчитываем по формуле (2.9):

(2.9)

где l_ш - расчетная длина шпильки, которая определяется по формуле (2.10), мм; Е_ш - модуль упругости стали для шпильки, который находим по табл. 2.4, МПа; А_ш - площадь поперечного сечения шпильки, которая находится по формуле (2.12), мм².

(2.10)

где B₂ - размер, который определяется по формуле (2.11):

(2.11)

B₂=35+5=40мм - по формуле (2.11).

l_ш=35+40+6=81мм - по формуле (2.10)

Е_ш=215∙10³МПа - по табл. 2.4.

(2.12)

где d₁ - внутренний диаметр резьбы, мм (по /15/ находим, что d₁=20мм)

А_ш==314,16мм² - по формуле (2.12).

λ_ш==1,2∙10^-3МПа - по формуле (2.9).

χ==0,38 - формуле (2.6) .

F=12,4[1,4(1-0,38)+0,38]=15,48кН.

[F]=24кН - возьмем по табл. 2.5 с запасом при температуре 200°С для шпильки М20.

15,48≤24 - условие (2.1) выполняется.

Таблица 2.5

Допускаемые нагрузки F (кН) для шпилек в зависимости от температуры при неконтролируемой затяжке по /15/

Условие прочности для выбранных шпилек выполняется со значительным запасом.