4 Конструктивные меры усиления оболочек и уменьшения затрат на изготовление

Один из способов увеличения устойчивости оболочек (т.е. увеличения допускаемой нагрузки), находящихся под воздействием наружного давления, как следует из анализа зависимостей 1.12 и 1.13 – это увеличение толщины стенки. Однако это приведет к существенному удорожанию конструкции.

Из расчетных формул следует, что есть еще один параметр, изменяя который можно увеличить допускаемую нагрузку – это расчетная длина., с уменьшением которой жесткость оболочки увеличивается и, соответственно, возможно повышение допускаемой нагрузки. Отсюда вытекает вывод, что увеличение жесткости аппарата можно достигнуть уменьшая расчетную длину оболочки.

Доказано, что такая задача может быть решена путем установки колец жесткости вместо увеличения толщины стенки (рисунок 1.4). В этом случае в качестве расчетной длины выступает. расстояние между кольцами, которое существенно меньше расчетной длины (например, при дине цилиндрической обечайки 20-30 метров, расстояние между кольцами жесткости может быть равно 1-3 метрам).

Усиление обечаек кольцами жесткости вызывает возникновение местных напряжений в месте установки колец. Поэтому рекомендуется устанавливать кольца только на обечайках, изготовленных из пластичных материалов. В этом случае пластические деформации в зоне колец жесткости заметно не снижают несущей способности обечайки.

Рисунок 1.4 - Цилиндрическая обечайка, подкрепленная кольцами жесткости

В качестве подкрепляющих стенку обечайки элементов могут быть использованы фланцы, опорные кольца колосниковых решеток, опорные кольца тарелок ректификационных и абсорбционных колонн и другие детали внутренних устройств, если их конструкция и размеры сечения удовлетворяют условиям жесткости.

На рисунке 1.5 приведена фотография колонного аппарата с кольцами жесткости, который находится в цехе, где он изготавливался.

Рисунок 1.5 – Колонный аппарат, усиленный кольцами жесткости

Основные способы укрепления, например горизонтальных оболочек, кольцами жесткости представлены на рисунке 1.6.

;

Рисунок 1.6 - Способы укрепления горизонтальных аппаратов кольцами жесткости

а - внутреннее кольцо (в месте опоры- горизонтальный аппарат); б - наружное кольцо (в месте опоры - горизонтальный аппарат); в - внутренние кольца (вблизи опоры при 1>1е -горизонтальный аппарат); г - наружные кольца (вблизи опоры при 1> 1е - горизонтальныйаппарат); д - внутренние кольца (вблизи опоры при 1< 1е- горизонтальный аппарат); е - наружные кольца (вблизи опоры при 1< 1е- горизонтальный аппарат)

5 Прикладные методы расчета на устойчивость цилиндрических обечаек корпусов при действии осевой сжимающей силы

Под действием осевых нагрузок находятся колонные аппараты, дымовые трубы, различные высотные сооружения. В качестве сжимающей нагрузки здесь выступает собственный вес конструкции (рисунок 1.7).

Кроме этого, под действием осевой сжимающей силы находятся трубопроводы и трубки в теплообменных кожухотрубчатых аппаратах (рисунок 1.8). Под действием температурных усилий такие трубы могут изогнуться и потерять устойчивость.

Потеря устойчивости оболочек при осевом сжатии происходит по-разному в зависимости от длины оболочки и условий закрепления торцов.

Потеря устойчивости цилиндрических оболочек от действия осевой сжимающей силы может быть общей или местной в зависимости от соотношения расчетной длины l_p к внутреннему диаметру D.

а) При l_p/D 10 оболочка рассматривается как длинный стержень, происходит общая потеря устойчивости.

Допускаемая и критическая осевая сжимающая сила из условия общей потери устойчивости определяются по формуле

[F]_E2=, (1.15)

где - гибкость оболочки;

l_пр - приведенная расчетная длина центрально сжатой оболочки, определяемая в зависимости от способа закрепления, м;

Рисунок 1.7 – Труба печи на НПЗ

Рисунок 1.8 – Трубки трубного пучка ТА

б) При l_p/D < 10 происходит местная потеря устойчивости

Обычно потеря устойчивости в этом случае происходит внезапно, хлопком, с образованием глубоких ромбических вмятин, обращенных к центру кривизны согласно рисунку 1.9, а. Вдоль образующей располагаются несколько поясов вмятин. Такую форму потери устойчивости называют несимметричной. Реже наблюдается осесимметричная форма с образованием в окружном направлении одной кольцевой вмятины, как на рисунке 1.9, б (обычно это происходит при одновременном действии осевой сжимающей силы и внутреннего давления).

:

Рисунок 1.9 - Формы потери устойчивости цилиндров при осевом сжатии

а – несимметричная, б - осесимметричная

Допускаемая и критическая осевая сжимающая сила из условия местной потери устойчивости определяется по формуле

, (1.16)

Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности и устойчивости рассчитывают по формуле (1.3), где допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности определяется по формуле

, (1.17)

а допускаемое осевое сжимающее усилие из условия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле

{}. (1.18)

Необходимо отметить, что формулы, приведенные выше. применимы при условии, что расчетная температура не превышает для углеродистых сталей – 380 ⁰С, для низколегированных – 420 ⁰С, для аустенитных – 525 ⁰С, т.е. в условиях, когда исключается ползучесть материала.

На рисунках 1.9 и 1.10 показана панорама завода с объектами, которые могут потерять устойчивость от осевых нагрузок.

Рисунок 1.9 – Трубы печей и трубопроводы

Рисунок 1.10 – Стержневые конструкции, которые могут потерять устойчивость под действием осевой сжимающей нагрузки