Механический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата

 

Конструктивный механический расчет обеспечивает прочность элементов в процессе эксплуатации. Для цилиндрических теплообменных аппаратов выполняется расчет следующих элементов конструкции: толщины стенок корпуса, крышек и днищ; укреплений отверстий; трубных досок; фланцевых соединений, опор.

 

При выполнении расчета за нормативное допускаемое напряжение принимается наименьшее из двух напряжений и :

 

= , = ; (45)

где и - значения предела прочности и предела текучести при расчетной температуре, МПа.

 

Значения нормативных допускаемых напряжений для некоторых марок сталей приведены в табл. 3.

 

Таблица 3

Нормативные допускаемые напряжения и предел текучести σ _тдля различных марок сталей

 

Расчетные температуры стенки, ^0С	Марка стали
Ст3		20 и 20К	09Г2С, 16ГС	12ХМ, 12МХ	15ХМ	Х5М	Х18Н10Т	0Х18Н12Т	Х17Н13М3Т
	-	-	-	-
	-	-	-	-	-	-	-
σ т 20					-		-		-	-

 

Расчет корпуса аппарата

 

Толщина стенки корпуса , м, цилиндрического аппарата, работающего с избыточным давлением , МПа, определяется выражением

, (46)

Величину прибавки С, м, суммируют из трех поправок:

С=С₁ +С₂ +С₃, (47)

где С₁ – прибавка на коррозию, исходя из условий разъединения материала стенки и срока службы аппарата, м;

С₂ – технологическая прибавка на отклонение от правильной геометрической формы при изготовлении, м;

С₃ - прибавка на минусовый допуск по толщине листа, из которого изготовлен корпус, м.

Величина поправки принимается (3-4)·10^{-3 м}.

где D _вн - внутренний диаметр корпуса, м;

j - коэффициент прочности сварного шва, принимается от 0,65 до 0,9;

- нормативное допускаемое напряжение, МПа.

 

Рассчитанная толщина стенки, м, должна выдерживать давление гидравлических испытаний, поэтому во всех случаях она подлежит контрольной поверке на напряжение при гидравлическом испытании аппарата:

(48)

В случае, если не будет соблюдено это условие, принятая толщина стенки должна быть соответственно увеличена.

 

Расчет днищ и крышек

 

Днища и крышки изготавливаются из того же металла, что и корпус аппарата. В теплообменных аппаратах чаще всего применяются эллиптические или сферические днища с отбортовкой для обеспечения качественной сварки с цилиндрической части корпуса или крышки. Размеры днищ регламентируются [2].

 

Расчетная толщина стенки днища, м, подверженной внутреннему давлению, определяется по формуле

, (49)

где k – коэффициент, ,

здесь d – наибольший диаметр неукрепленного отверстия в крышке;

j - коэффициент прочности сварного шва, для днищ без швов ;

h _в - высота выпуклой части днища, м;

С – прибавка на коррозию, м.

Принятая толщина стенки крышки подлежит контрольной проверке на допустимые напряжения при гидравлическом испытании аппарата, МПа:

. (50)

При невыполнении условия толщина стенки крышки увеличивается и расчет по (50) повторяется.

 

Расчет укрепления отверстий

 

Неукрепленными считаются отверстия под развальцовку, под резьбу, а также отверстия, уплотненные лазовыми лючками или другими затворами, но не имеющие укреплений по контуру.

Наибольший диаметр, м, неукрепленных отверстий сосудов и аппаратов, работающих под давлением, не должен превышать предельное значение, определяемое по формуле:

, (51)

- предельный диаметр, м, неукрепленного отверстия. Отверстия, имеющие больший диаметр, укрепляются штуцерами или накладками (см. рис.3) либо тем и другим вместе. При этом суммарная площадь сечений укрепляющих элементов должна компенсировать изъятый отверстием металл и удовлетворять условию

, (52)

где . Если ось сварного шва корпуса или днища удалена от наружной поверхности укрепляющего штуцера больше чем на 3 , следует принимать .

 

Расчетная высота, м, внешней части укрепляющего штуцера и наименьшая толщина стенки штуцера , м, вычисляются по формулам

 

;

(53)

где d – диаметр укрепляемого отверстия, м;

- нормативное допускаемое напряжение, МПа.

При определении размеров укрепляющей накладки сначала принимают ее толщину , затем определяют ширину , м, по формуле

 

, (54)

где S – толщина стенки укрепляющего элемента, м.