Глава 11 механический расчет

Целью механического расчета химического и нефтехимического оборудования является определение размеров отдельных элементов, обеспечивающих бе-

зопасную эксплуатацию машин и аппаратов за счет достаточной механической прочности, плотности разъемных соединений, устойчивости к сохранению формы и необходимой долговечности.

При выполнении дипломного проекта механический расчет производится только для основного оборудования проектируемого цеха или участка. При этом следует с максимальной возможностью использовать стандартизованные или нормализован-

ные размеры отдельных элементов оборудования.

Все сосуды и аппараты, работающие под давлением, должны проектироваться, изготовляться и эксплуатироваться в соответствии с правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением Госгортехнадзора Украины. Эти правила распространяются на:

а) сосуды, работающие под давлением свыше 0,07 МПа (без учета гидростатичес-

кого давления);

б) цистерны и бочки для перевозки сжиженных газов, давление паров которых при температуре до 50 °С превышает 0,07 МПа;

в) сосуды, цистерны для хранения, перевозки сжиженных газов, жидкостей и сыпучих тел без давления, но опорожняемые под давлением газа свыше 0,07 МПа;

г) баллоны, предназначенные для перевозки и хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением свыше 0,07 МПа.

Эти правила не распространяются на:

а) приборы парового и водяного отопления;

б) сосуды и баллоны емкостью не выше 25 л, у которых произведение емкости в литрах на рабочее давление в мегапаскалях составляет не более 20;

в) сосуды из неметаллических материалов;

г) трубчатые печи независимо от диаметра труб и т.д.

11.1. Расчет сварных химических аппаратов

Специфические условия работы химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном давлений (от вакуума до давлений 250 МПа и выше), большим интервалом температур (от -250 до +1000 °С и выше) при агрессивном воздействии среды, предъявляют высокие требования к выбору конструкционных материалов. Так, наряду с требованиями высокой коррозионной стойкости в заданных агрессивных средах, к конструкционным материалам одновременно предъявляют требования высокой механической прочности, жаростойкости и жаропрочности, сохранения пластических свойств при высоких и низких температурах, циклической прочности, малой склонности к старению и др.

11.1.1. Основные расчетные параметры

Основными расчетными параметрами для выбора конструкционного материала и расчета элементов аппарата на прочность являются температура и давление рабочего процесса.

Температура. Различают рабочую и расчетную температуру.

Рабочая температура t - это температура содержащейся или перерабатываемой среды в аппарате при нормальном протекании в нем технологического процесса.

Расчетная температура t_R - это температура для определения физико-механичес-

ких характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений.

Расчетная температура определяется на основании тепловых расчетов или резуль-

татов испытаний. При положительных температурах за расчетную температуру стенки аппарата принимают наибольшее значение температуры стенки. При отри-

цательной температуре стенки элемента сосуда или аппарата за расчетную темпе-

ратуру при определении допускаемых напряжений следует принимать температу-

ру 20 ⁰С.

При невозможности произвести тепловые расчеты или измерения и в тех случаях, когда во время эксплуатации температура стенки повышается до температуры среды, соприкасающейся со стенкой, за расчетную температуру следует принимать наибольшую температуру среды, но не ниже 20 ⁰С.

Давление. Различают рабочее, расчетное, условное (номинальное) и пробное давления.

Рабочее давление р - максимальное внутреннее избыточное или наружное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного устройства (клапана и др.).

Расчетное давление р_R - максимальное допускаемое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при макси-

мальной их температуре. Расчетное давление принимают, как правило, равным рабочему давлению или выше.

Расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях:

- если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате мо-

жет повыситься более чем на 10% от рабочего, то расчетное давление должно быть равно 90% от давления в аппарате при полном открытии предохранительного уст-

ройства;

- если на элемент действует гидростатическое давление от столба жидкости в аппарате, значение которого свыше 5% от расчетного, то расчетное давление этого элемента соответственно повышается на значение гидростатического давления.

Для элементов аппарата с раздельными пространствами, имеющими разные давления, за расчетное давление принимается каждое из них (без учета других). Допускается производить расчет на разность давлений, если при эксплуатации в лю-

бом случае надежно обеспечивается наличие давлений во всех пространствах.

Расчетным давлением при гидравлическом или пневматическом испытании аппарата является пробное давление.

Пробное давление - избыточное давление, на которое аппарат испытывается на прочность и плотность после его изготовления и периодически при эксплуатации. Значение пробного давления в зависимости от рабочего приведено в табл. 11.1

Таблица 11.1. Значения пробных давлений

Сосуды	pR, МПа	Пробное давление рпр, МПа
Все, кроме литых	<0,5	mах{1,5p[σ]20/[σ]; 0,2}
	>0,5	mах{1,25p[σ]20/[σ]; p + 0,3}
Литые	Независимо от давления	mах{1,5p[σ]20/[σ]; 0,3}

Примечание: [σ]₂₀ и [σ] - допускаемые напряжения для материала сосуда или его элементов при температуре 20 °С и при рабочей температуре соответственно.

Условное (номинальное) давление р_у - избыточное рабочее давление при температуре элемента 20 °С (без учета гидростатического давления). Для более высоких температур элементов аппарата условное давление снижается соответственно уменьшению прочности конструкционного материала.

Условные давления применяются при стандартизации аппаратов и их отдельных элементов. Согласно ГОСТ 356-68 применительно к рассматриваемым аппаратам рекомендуется следующий ряд условных давлений, МПа: 0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10; 16; 20.