Уфимский государственный нефтяной технический университет

САЛАВАТСКИЙ ФИЛИАЛ

АЛГОРИТМ И ПРОГРАММА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ УСИЛИЙ

ДЛЯ АППАРАТОВ КОЛОННОГО ТИПА ОТ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК

И СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Учебно-методическое пособие к расчету и конструированию

машин и аппаратов химических производств

Уфа 2002

Обобщен материал по расчету нагрузок от ветрового и сейсмического воздействия на колонные аппараты на ЭВМ, а также приведена программа на алгоритмическом языке Borland Pascal Version 7.0, Borland International Inc. , которая будет полезна при выполнении курсового и дипломного проектирования для студентов специальности 17.05.01.

Составитель: Клыков М.В., доц., канд. техн. наук

Рецензент Захаров Н.М., доц., канд. техн. наук

 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2002

Введение

При разработке и проектировании применяемых в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности колонных аппаратов одним из трудоемких и ответственных этапов является расчет их на действие ветровых и сейсмических сил. Как правило, расчет выполняют вручную, что не гарантирует оптимальных конструктивных параметров, которые могут быть получены только при многовариантном расчете конструкции, что практически может быть достигнуто только автоматизированным способом проведения расчета с применением ЭВМ.

Применение ЭВМ при выполнении расчета позволяет сократить его время, увеличить точность получаемых результатов и достичь оптимальных конструктивных параметров.

В данной работе программа разработана на алгоритмическом языке Borland Pascal Version 7.0, Borland International Inc. для компьютеров, совместимых с IBM.

Использование ЭВМ требует создания универсального алгоритма. Универсальность его заключается в том, что он может быть применен для проведения расчета колонных аппаратов различной конфигурации при условии ввода всех характеристик, предусмотренных программой.

В результате расчета по приведенной программе будут определены основные конструктивные параметры опоры, период собственных колебаний колонного аппарата, ускорения центров тяжести отдельных участков аппарата, ветровые и сейсмические силы, действующие на эти участки, а также ветровые, сейсмические и расчетные моменты в различных сечениях.

Программа включает элементы обучающей системы. При запросе помощи приводятся разъяснения относительно работы программы, ввода исходных данных и используемых терминов.

Основные обозначения

A _j  площадь проекции площадки обслуживания по наружному контуру, м²;

C_F  коэффициент неравномерности сжатия грунта, МН/м³;

c  общая прибавка к толщине стенки, учитывающая коррозию, компенсацию минусового допуска к технологическим прибавкам, м;

D_{1 i}  наружный диаметр i -го участка колонны, м;

D  внутренний диаметр цилиндрической обечайки днища, м;

D_H  наружный диаметр колонного аппарата, м;

E  модуль нормальной упругости при расчетной температуре, МПа;

G  общий вес колонны, МН;

G _n , G _i  вес n -го и i -го участка колонны, МН;

g  ускорение силы тяжести, м/c²;

H  высота колонны, м;

h_i  высота i -го участка колонны, м;

J₀  момент инерции верхнего основного металлического сечения аппарата относительно центральной оси, м⁴;

J_F  минимальный момент инерции подошвы фундамента, м⁴;

K  аэродинамический коэффициент;

K_S  сейсмический коэффициент;

k  число участков над расчетным сечением;

L_R  расчетная длина обечайки, м;

M_max  максимальный изгибающий момент в нижнем сечении колонны, МHм;

M  расчетный изгибающий момент в сечении X, МНм;

M_V  изгибающий момент в расчетном сечении на высоте X от действия ветра, МНм;

M _R  сейсмический момент, МНм;

M_{V j}  изгибающий момент от действия ветра на обслуживающую площадку j на высоте X, МНм;

m_j , m_n  коэффициент пульсации скоростного напора для середины соответственно n - го участка на высоте X и j -й площадки на высоте X;

P  расчетное давление, МПа;

P_i  горизонтальная сила от действия ветра на i -м участке, МH;

P_{i dyn}  динамическая составляющая ветровой нагрузки на i м участке, МН;

P_{i st}  статическая составляющая от ветровой нагрузки на i -м участке, МH;

q_{i st}  нормативное значение статической составляющей, МH/м;

q_i  нормативный скоростной напор ветра на высоте 10 м над поверхностью земли, МH/м;

x_{n ,} x_i  расстояние от середины n -го и i го участка до поверхности земли, м;

X  высота расчетного сечения аппарата от поверхности земли, м;

X_j  высота обслуживающей площадки от поверхности земли, м;

S_i  расчетная сейсмическая сила в середине i -го участка, МH;

S  толщина обечайки, м;

T  период собственных колебаний, с;

_i , _n  относительное перемещение центров тяжести участков,1/(МHм);

  коэффициент динамичности при сейсмической нагрузке;

  коэффициент динамичности при ветровой нагрузке;

  коэффициент, устанавливающий корреляцию пульсации скорости ветра;

_i , _j  коэффициенты, учитывающие изменение скоростного напора по высоте аппарата;

_i  приведенное относительное ускорение центра тяжести i -го участка.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ УСИЛИЙ ДЛЯ АППАРАТОВ КОЛОННОГО ТИПА ОТ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК И СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

1.1. Расчетная схема и определение периода собственных колебаний колонных аппаратов

Расчету на ветровую нагрузку подлежат аппараты колонного типа высотой более 10 м при H  1,5 D, а также высотой менее 10 м при H  5D где D  наименьший из наружных диаметров аппарата , устанавливаемых на открытом воздухе. Расчет аппарата ведут при различном состоянии в условиях монтажа, испытания и эксплуатации.

В качестве расчетной схемы аппарата колонного типа принимают консольный упруго защемленный стержень (рис. 1.1).

Аппарат по высоте разбивают на k участков. Вес участка аппарата принимают сосредоточенным в его середине. Нагрузку от веса аппарата прикладывают вертикально, а ветровую - горизонтально.

Рис. 1.1. Расчетная схема аппарата колонного типа

Определение периода собственных колебаний колонных аппаратов является составной частью расчета аппаратов на ветровую нагрузку.

Период собственных колебаний аппарата постоянного сечения с приблизительно равномерно распределенной по высоте аппарата массой следует определять по формуле

T = T ₀ , (1)

где T ₀ = 1,8 H . (2)

Период основного тона собственных колебаний аппарата переменного сечения следует определять по формуле

T = 2  H, (3)

где C_F  определяется по данным инженерной геологии; при отсутствии таких данных C_F выбирают в зависимости от плотности грунтов по табл. 1.1;

_i  относительное перемещение центров тяжести участков рассчитываемое по формуле

, (4)

где _i  коэффициент, определяемый по формуле

(5)

  коэффициент, определяемый по формуле

 . (6)

Для аппаратов с двумя переменными J₀ и J₁ в формуле (6) следует принимать Н₂ =0;

 ,  ,   определяют по формулам

, (7)

, (8)

. (9)

Рис. 1.2. Расчетная схема определения 

Таблица 1.1

Грунт	Коэффициент неравномерности сжатия грунта CF , H/м3
Слабые грунты (материал и шлам в пластичном состоянии, пылевой песок в состоянии средней плотности)
Грунты средней плотности (материал и шлам на границе течения, песок средней плотности)
Плотные грунты (твердый глинистый шлам, гравийный песок, плотный лесс)
Скальные грунты

1.2. Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки

При расчете ветровая нагрузка, распределенная непрерывно по высоте аппарата, заменяется сосредоточенными горизонтальными силами P_i, приложенными в серединах участков (рис. 1.1).

Изгибающий момент в расчетном сечении на высоте следует определять по формуле

, (10)

где M_vJ ветровой момент от действия ветра на площадки обслуживания, МНм.

Ветровая нагрузка на i  м участке

. (11)

Статическая составляющая ветровой нагрузки на i  м участке

. ( 12 )

Динамическая составляющая ветровой нагрузки на i  м участке

. ( 13 )

Нормативное значение статической составляющей ветровой нагрузки на середине i  го участка аппарата

, ( 14 )

где q ₀  определяется по табл. 1. 2;

, ( 15 )

для аппаратов круглого сечения K = 0,7.

Таблица 1.2

Ветровые районы	1а	1	2	3	4	5	6	7
Скоростной напор ветра q0106, МH/м 2	170	230	300	380	480	600	730	850
Ветровой район – по СниП 2.01.07-85

Коэффициент динамичности  находится в зависимости от параметра

. ( 16 )

Коэффициент динамичности  определяется по формуле

. ( 17 )

Коэффициент пространственной корреляции пульсации ветра  определяют по формуле:

. ( 18 )

Приведенное относительное ускорение центра тяжести i  го участка

, ( 19 )

где  _i ,  _n  относительное перемещение i  го и n  го участка при основном колебании.

Если X  10, то

. ( 20 )

Если X  10, то m _n = 0,6.

Изгибающий момент в расчетном сечении на высоте от действия ветровой нагрузки на обслуживающую площадку следует определять по формуле

, ( 21 )

где А_J  общая площадь, включенная в контур площадки, м²;

_J и m_J  определяются соответственно по формулам (15) и (20), кэффициент _J  поформуле

. ( 22 )

1.3. Определение расчетного изгибающего момента от сейсмических воздействий

Сейсмические силы являются по существу инерционными силами, действующими на аппарат во время землетрясения. При расчетах сейсмические силы прикладываются горизонтально в середине участков аппарата.

Расчетная сейсмическая сила в середине i  го участка для первой формы колебаний определяется по формуле

, ( 23 )

где  - коэффициент динамичности находят по формуле (24), но во всех случаях  принимают не менее 0,8 и не более 2,5.

 = 1,9/T. ( 24 )

Сейсмический коэффициент K_S выбирают в зависимости от района установки колонны по табл. 1.3;

 _i и  _n определяют по формуле ( 4 ).

Таблица 1.3

Расчетная сейсмичность, баллы	7	8	9
Значение сейсмического коэффициента K S	0,1	0, 2	0,4
Сейсмичность населенных пунктов - по СНиП 11-7-81

Максимальный изгибающий момент в нижнем сечении колонны при учете только первой формы колебаний определяют по формуле

. ( 25 )

Расчетный изгибающий момент M_{R C} в сечении с учетом влияния высших форм колебания рассчитывают по следующим формулам

Если  0, 75 H,

. ( 26 )

Если  0, 75 H ,

. ( 27 )

Рис. 1.3. Эпюра определения изгибающего момента М_R

1.4. Расчетные сечения колонного аппарата

При расчете колонного аппарата устанавливаются следующие основные расчетные сечения:

 поперечные сечения корпуса колонны в месте изменения толщины стенки или диаметра;

 поперечное сечение корпуса в месте присоединения к опорной обечайке;

 поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения к корпусу колонны;

 поперечное сечение опорной обечайки в местах расположения отверстий;

 поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения опорного кольца.

1.5. Расчетные нагрузки, действующие на колонный аппарат

Расчетное давление Р_R в рабочих условиях для каждого расчетного сечения определяют по ГОСТ 14249  89.

Давление испытания Р_пр определяют по "Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением" ПБ 10-115-96.

При расчете колонн должны быть учтены следующие весовые нагрузки от собственного веса:

G₁  вес колонны в рабочих условиях , включая вес обслуживающих площадок , изоляции, внутренних устройств и рабочей среды, МH;

G₂  вес колонны при гидроиспытании, включая вес жидкости, заполняющей колонну, МH;

G₃  максимальная нагрузка колонн от собственного веса в условиях монтажа, H;

G₄  минимальная нагрузка колонны от собственного веса в условиях монтажа ( после установки колонны в вертикальное положение ), МH.

Необходимо учитывать, что нагрузка от веса воды, заполняющей колонну в условиях испытания, действует только на нижнее днище и расчетные сечения опорной обечайки.

При расчете должны быть учтены следующие расчетные изгибающие моменты:

M_G  изгибающий момент от действия эксцентрических весовых нагрузок, в том числе от присоединяемых трубопроводов и других нагрузок, необходимо определять для каждого расчетного сечения, МHм;

M_V  изгибающие моменты от действия ветровых нагрузок, МHм;

M_R  изгибающие моменты от сейсмических воздействий, МHм.

Расчетную температуру для каждого элемента колонного аппарата следует определять по ГОСТ 14249 80.

Для элементов нижнего опорного узла обечаек, которые приварены к корпусу колонны и изолированы, расчетную температуру в рабочих условиях определяют по стандарту Р 51274-99.

1.6. Сочетание нагрузок

Колонный аппарат необходимо рассчитывать для следующих трех условий работы аппарата:

 рабочие условия;

 условия испытания;

 условия монтажа.

Примечание:

1. При расчете моментов M_V1 и M_G1 исходят из общей весовой нагрузки в рабочих условиях.

2. При расчете момента M_V2 исходят из общей весовой нагрузки в условиях испытания.

3. При расчете моментов M_V3 и M_R3 исходят из общей весовой нагрузки в условиях монтажа; при расчете M_V4 учитывают изоляцию.

Таблица 1.4

Сочетание нагрузок для условий работы аппарата

Индекс условий работы	Условия работы	Давление, MПа	Осевое сжи- мающее уси- лие, H	Расчетный изгибающий момент M , Hмм
1	Рабочие условия	РR	G 1	M 1 = M G1 + M V1 В районах с сейсмичностью 7 и более баллов принимается большее из двух значений: M1 = MG1 + MV1 ; M1 = MG1 + MR1 ;
2	Условия испытания	Р пр	G 2	M2 = MG2 + 0,6 MV2
3	Условия монтажа	0	G 3 ; для анкерных болтов G 4	Принимается большее из следующих значений: M3 = MG3 + MV3 ; M3 = MG3 + 0,8 MV4; M3 = MG3 + MR3.

1.7. Расчет вспомогательных величин

Диаметр фундаментного кольца:

 внутренний:

м, ( 28 )

 наружный:

м, ( 29 )

где S _оп  толщина стенки опорной обечайки, м.

Момент инерции сечения аппарата

( 30 )

Момент инерции подошвы фундамента

( 31 )

Общая площадь, включенная в контур площадки

м². ( 55 )