3.4. Элементы механического расчёта основных узлов

и деталей химических аппаратов

Основными расчётными параметрами для выбора конст-

рукционного материала и расчёта элементов аппарата на проч-

ность являются температура и давление.

Различают рабочую и расчётную температуры.

Рабочая температура (tраб) – температура перерабатывае-

мой или содержащейся в аппарате среды при нормальном проте-

кании технологического процесса.

Расчётная температура (tрас) – температура, используемая

для определения физико-механических характеристик конструк-

ционного материала и допускаемых напряжений. Она определя-

ется на основании теплового расчёта или результатов испыта-

ний. При отсутствии надёжных данных теплового расчёта рас-

чётную температуру принимают равной рабочей. В случае кон-

такта элемента с горячими газами с температурой выше 250 ÉС

или обогревании открытым пламенем расчётную температуру

принимают выше рабочей на 20–50 ÉС. При наличии тепловой

изоляции или футеровке аппарата расчётную температуру при-

38

нимают равной температуре поверхности изоляции или футе-

ровки, соприкасающейся со стенкой, увеличенной на 20 ÉС. При

отрицательной рабочей температуре за расчётную принимается

температура, равная 20 ÉС.

Условно расчётную температуру называют низкой (от –254

до –40 ÉС), средней (от –40 до +200 ÉС) или высокой (выше

+200 ÉС).

Различают абсолютное, гидростатическое, рабочее, расчёт-

ное, условное (номинальное), пробное и допускаемое давления.

Абсолютное давление (Р) – максимальное или минималь-

ное давление среды в аппарате с учётом атмосферного давления.

Для аппаратов, работающих под избыточным давлением,

Р = Ратм + Ризб .

Для аппаратов, работающих под вакуумом,

Р = Ратм – Рвак .

Атмосферное давление определяют по показаниям барометра,

избыточное – манометра, вакуум – вакуумметра.

Гидростатическое давление (Ргид) – давление покоящейся

жидкости в аппарате при его полном или частичном заполнении.

Ргид = ρжÁ g Á hж ,

где ρж – плотность жидкости, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

hж – высота слоя жидкости в аппарате, м.

Для высоких колонных аппаратов переменного сечения гидро-

статическое давление определяют по зонам, условно разбив ап-

парат по высоте на несколько зон.

Рабочее давление (Рраб) – максимальное избыточное дав-

ление среды в аппарате (Ризб) при нормальном протекании тех-

нологического процесса без учёта гидростатического давления и

допускаемого кратковременного повышения давления во время

действия предохранительного устройства.

Если технологический процесс протекает при разряжении,

то рабочим давлением является вакуум (Рвак).

39

Расчётное давление (Ррас) – максимальное допускаемое

рабочее давление, на которое производится расчёт на прочность

и устойчивость элементов аппарата при их максимальной тем-

пературе. Рекомендуются следующие расчётные давления для

аппаратов:

- с рабочим избыточным давлением Рраб > 0,07 МПа, снаб-

жённых предохранительными клапанами, Ррас = 1,1Рраб, но не

Рраб + 0,2 МПа для огневзрывоопасных и токсичных

сред и не менее Рраб + 0,1 МПа для остальных сред;

- с рабочим избыточным давлением Рраб > 0,07 МПа, снаб-

жённых предохранительными мембранами, Ррас = 1,2Рраб;

- с рабочим избыточным давлением Рраб ≤ 0,07 МПа незави-

симо от типа предохранительных устройств и для любых сред,

кроме углеводородов и сжиженных газов: при Рраб = 0,05–0,07

МПа Ррас = 0,1 МПа; при Рраб < 0,05 МПа Ррас = 0,06 МПа;

- с углеводородами и сжиженными газами во всех случаях:

для углеводородных фракций С2 Ррас = 2,0 МПа, для фракций

Ррас = 1,6–2,0 МПа, для фракций С4 Ррас = 0,6 МПа, для

фракций С5 Ррас = 0,3 МПа, для аммиака Ррас = 1,6 МПа, для ди-

оксида серы Ррас = 0,8 МПа, для диоксида углерода Ррас = 7,6

МПа;

- работающих без избыточного давления (под наливом) при

вместимости аппарата менее 30 м3, Ррас = 0,01 МПа, при вмести-

мости свыше 30 м3 Ррас = 0,005 МПа;

- работающих под вакуумом с остаточным давлением до

0,005 МПа, наружное Ррас = 0,1 МПа.

Для литых аппаратов, работающих при давлении меньшем

0,2 МПа, расчётное давление принимают равным 0,2 МПа.

По величине рабочего давления химическое оборудование

относят к аппаратам, работающим под вакуумом (Ррас = Рвак),

низким (Ррас ≤ 0,07 МПа), средним (Ррас < 10 МПа) или высоким

(Ррас ≥ 10 МПа) давлением.

менее

С3

40

Условное (номинальное) давление (Ру) – избыточное ра-

бочее давление при температуре элементов аппарата 20 ÉС без

учёта гидростатического давления. Условные давления норма-

лизованы в пределах от 0,10 до100 МПа. Согласно ГОСТ 9493–

80, значения условных давлений (в МПа) выбирают из ряда:

0,10; 0,16; 0,25; 0,30; 0,40; 0,60; 0,80; 1,00; 1,25; 1,60; 2,0; 2,50;

3,20; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32,0; 40,0;

50,0; 63,0; 80,0; 100. Приведённый ряд распространяется на

сварные и кованые химические аппараты, промышленные резер-

вуары и газгольдеры.

Пробное давление (Рпр) – избыточное давление среды в

аппарате при испытаниях на прочность и плотность (герметич-

ность) после изготовления и периодически при эксплуатации.

Пробное давление определяют в зависимости от расчётного дав-

ления и допускаемых напряжений при 20 ÉС ([σ]20) и рабочей

температуре ([σ]t):

- при Ррас < 0,1 МПа (вакуум) Рпр = 1,5РрасÁ[σ]20/[σ]t, но не

менее 0,2 МПа;

- при Ррас = 0–0,07 МПа Рпр = 0,2 МПа;

- при Ррас = 0,07–0,5 МПа Рпр = 1,5РрасÁ[σ]20/[σ]t, но не менее

0,2 МПа;

- при Ррас > 0,5 МПа Рпр = 1,25РрасÁ[σ]20/[σ]t, но не менее

Ррас + 0,3 МПа;

- при Ррас > 0,07 МПа (для литых изделий) Рпр

=1,5РрасÁ[σ]20/[σ]t, но не менее 0,3 МПа.

Пробное давление не должно превышать расчётное более

чем в 1,5 раза при температуре стенки 200–400 ÉС, и более чем в

2 раза при температуре стенки свыше 400 ÉС.

Допускаемое давление [Р] – максимальное избыточное

давление, при котором обеспечивается безопасная работа аппа-

рата с сохранением его прочностных характеристик и без пере-

расхода конструкционного материала. Допускаемое давление

определяют по величине допускаемого напряжения выбранного

41

материала для условий эксплуатации или испытания аппарата с

учётом свойств реакционной среды.

Вопрос о прочности и надёжности химических аппаратов

решают, выполняя механический (прочностной) расчёт, который

бывает двух видов: проектировочный и поверочный. В первом

случае рассчитывают основные размеры разрабатываемого эле-

мента исходя из характера действующих на него нагрузок. Во

втором случае, когда основные размеры элемента конструкции

обусловлены требованиями технологии и уже рассчитаны, рас-

чёт сводится к определению напряжений, действующих в конст-

рукционном материале, и их сравнению с допускаемыми напря-

жениями.

Расчёту на механическую прочность от внутреннего избы-

точного или наружного давления и внешних нагрузок (силы тя-

жести, ветровых, сейсмических и др.) подвергают все основные

элементы аппаратов: обечайки, днища, крышки, опоры и другие

детали, несущие нагрузку. Расчёт элементов стальных сварных

аппаратов производят по предельным нагрузкам. Стандартные

узлы и детали при применении их в конструируемом аппарате

выбирают на ближайшее большее условное давление Ру при со-

ответствующей рабочей температуре tраб и, как правило, на

прочность не рассчитывают.

Допускаемое напряжение [σ] – максимальное напряжение,

возникающее в конструкционном материале в результате воз-

действия нагрузок, при котором обеспечивается безопасная ра-

бота аппарата с сохранением его прочностных характеристик и

без перерасхода конструкционного материала. Допускаемые на-

пряжения при расчётной температуре [σ]t определяют по вели-

чине нормативного допускаемого напряжения выбранного мате-

риала с учётом условий эксплуатации аппарата

[σ]t = η Á [σ]t*,

42

где [σ]t* – нормативное допускаемое напряжение при расчётной

температуре, МПа, выбираемое в соответствии с ГОСТ 14249–

80;

η – поправочный коэффициент, учитывающий условия экс-

плуатации аппарата; значения η принимают дифференцирован-

но в соответствии с табл. 2.

Таблица 2

Рекомендуемые значения коэффициента η

Класс

ПДК,

Нижний

Температура Поправочный

опасности мг/м

предел взры- самовоспламе- коэффициент,

среды

ваемости, %

нения, ÉС

менее 5

менее 1

менее 175

0,85

2

5–50

51–1000

1–5

6–10

175–300

301–450

0,90

0,95

более 1000 более 10

более 450

1,0

Для материалов, предназначенных для работы при отрица-

тельных температурах (tраc < 0 ÎС), принимают [σ]t = [σ]20*.

При отсутствии надёжных сведений о величине [σ]t* его

принимают равным наименьшему из значений, рассчитанных по

формулам:

[σ]t* = σв / nв ;

[σ]t* = σт / nт,

где σв и σт – пределы прочности и текучести материала, соответ-

ственно, при расчётной температуре, МПа;

nв и nт – коэффициенты запаса прочности по пределам

прочности и текучести материала, соответственно; для углеро-

дистой стали при tраc ≤ 380 ÉС, низколегированной стали при tраc

≤ 420 ÉС и высоколегированной стали при tраc ≤ 525 ÉС прини-

мают nв = 2,6 и nт = 1,5 (для рабочих условий) и nт = 1,1 (для ис-

пытаний и монтажа).

3

η

1

3

4

43

Допускаемые напряженияσпр , возникающие в материале

при гидравлических или пневматических испытаниях, проводи-

мых, как правило, при 20 ÉС, определяют по формуле

σпр



η σ т

n т

Коэффициент прочности сварных швов (φ) характеризу-

ет прочность сварного соединения по сравнению с прочностью

целого листа основного материала. Значения коэффициента за-

висят от конструкции шва и способа сварки и принимаются по

ГОСТ 14249–80. Для бесшовных элементов φ = 1,0, для свар-

ных – φ = 0,65–1,0.

Прибавка к расчётной толщине (с) необходима для учёта

влияния химического и механического воздействия рабочей сре-

ды на материал аппарата и технологии его изготовления. Вели-

чину суммарной прибавки рассчитывают по формуле

с = с1 + с2 + с3 ,

где с1 – прибавка для компенсации коррозии или эрозии элемен-

тов аппарата, мм; её рассчитывают с учётом срока эксплуатации

аппарата (τ, год) и проницаемости материала в среде (П,

мм/год)с1 = τ Á П ; с2 и с3 – прибавки для компенсации минусово-

го допуска и утонения в процессе изготовления аппаратуры, со-

ответственно, мм. Для элементов, имеющих защитные покрытия и

футеровку, принимают с = 0. Методики механического расчёта

элементов аппаратов стандартизованы и приводятся в литературе.