Газгольдеры и сферические резервуары

Газгольдеры конструируют в форме сосудов постоянного дав­ления или постоянного объема. Последние более просты в изго­товлении и позволяют хранить газ под высоким давлением. Газ­гольдеры переменного объема эксплуатируются при низком дав­лении. Чаще применяют мокрые газгольдеры, в нижней части ко­торых помещается вода (см. рис. 10.10 б). Над водой находятся телескоп и колокол. Колокол под давлением газа может подниматься вверх вместе с телескопом. Колокол и телескоп зачерпы­вают воду своими карманами, которые служат затвором, не про­пускающим газ наружу. Толщина стенок 4 мм, крыши колокола 2-3 мм. Газгольдеры, постоянного объема (рис. 10.11) обычно имеют цилиндрическую форму диаметром несколько метров с вы­пуклыми, нередко полусферическими днищами. Продольные и кольцевые швы - стыковые. Все швы (продольные и поперечные в цилиндрической части, а также в сферах) являются рабочими.

Рис.10.10. Негабаритные емкости: а – вертикальный цилиндрический резервуар; б – мокрый газгольдер; в – сухой газгольдер; г – сферический резервуар

 

Напряжения в продольном шве цилиндрической части радиу­сом R с толщиной стенки s

σ = pR / s,                                                                                                   (10.19)

а в поперечном шве

σ₁= pR / (2s).                                                                                                  (10.20)

Напряжения в сферической части радиуса R_o   с толщиной s_o составляют

σ_o = pR_o /(2 s_o).                                                                                         (10.21)

Подбор толщины стенок производят обычно по допускаемым напряжениям с учетом в первую очередь прочности продольного шва.

Газгольдеры постоянного объема могут быть цилиндрическими (рис. 10.11) и сферическими (рис. 10.10 г). При замене цилиндрических газгольдеров сферическими достигается экономия металла около 20%. В таких резервуарах соединения лепестков стыковые. Толщина лепестков обычно составляет            10-30 мм и, как правило, не превышает 40 мм. Это ограничение толщины диктуется отсутствием термообработки конструкции после сварки.

 

Рис.10.12. Цилиндрический газгольдер постоянного объема

 

Напряжения в стенке сферического резервуара определяют по формуле (11.21). Они в два раза меньше, нежели в цилиндри­ческом, при одинаковых радиусах и толщинах стенок. Поэтому вес сферических резервуаров меньше, но их сложнее изготовлять.

 

Тонкостенные сосуды

С позиций конструктивного оформления сварных соединений и технологии изготовления сосуд считают тонкостенным, если толщина стенки не превышает 7-10 мм.        

Тонкостенным сосудам обычно придают форму цилиндра, сферы или тора (рис. 10.12).

Рис.10.12. Характерные типы тонкостенных сосудов:

а – сферический; б – цилиндрический; в - торовый

 

Выбор формы может определяться различными соображениями. Сферический сосуд при заданной емкости имеет минимальную массу, торовый можно компактно разместить, например, вокруг камеры сгорания ЖРД, цилиндрическая форма сосуда обеспечивает наиболее технологичное конструктивное оформление. Соединения осуществляют продольными, кольцевыми и круговы­ми швами. Тонкостенные сосуды обычно являются конструктивными элементами различных транспортных установок. В тех случаях, когда не требуется экономия массы, использу­ют хорошо сваривающиеся материалы невысокой прочности. В зависимости от свариваемости металла и его чувствительности к концентрации напряжений пред­ставления о технологичности одного и того же конструктивного оформления могут ока­заться различными. Характерная для низкоуглеродистых сталей хорошая свариваемость и малая чувствительность к концентрации напряжений позволяют использовать любые типы сварных соединений. Поэтому при использовании таких материалов главной задачей ставится снижение трудоемкости изготовления изделия. Примером этого служат конструкции тормозных воздуш­ных баллонов грузовых автомобилей, изготовляемых в условиях крупносерийного и массового производства, когда технологичность изделия особенно важна. Такой баллон (рис. 10.13 а) имеет обечайку из горячекатаной стали 20кп и два штампованных днища из стали 08кп толщиной 2,5 мм. К днищу дуговой или рельефной сваркой приварены бобышки. Соединение днища с обечайкой нахлесточное. Такое решение облегчает механизацию сборки путем одновременной запрессовки обоих днищ в обечайку. Для этого отбортованной части днищ придают коническую форму, обеспечивающую центровку их относительно обечайки при сборке. Ацетиленовый баллон (рис. 10.13 б) выполнен из более прочной низколегированной стали 15ХСНД, и нахлесточные соединения при его изготовлении недопустимы. Все рабочие соединения стыковые, причем кольцевые швы допускается выполнять на подкладках.

Рис.10.13. Тонкостенные сосуды:

а – тормозной резервуар грузового автомобиля; б – ацетиленовый баллон; в – сосуд высокого давления; г – шар-баллон из титанового сплава

  

При использовании высокопрочной стали 25ХСНВФА (σ_в =1400 МПа) подкладные кольца у стыковых соединений уже применять нельзя (рис. 10.13 в).

Иногда для понижения рабочих напряжений в зоне сварного соединения увеличивают толщину металла в местах расположе­ния швов (рис. 10.13 г).

Напряжения в продольном шве цилиндрической части радиу­сом R с толщиной стенки s

σ = pR / s,                                                                                                   (10.22)

а в поперечном шве

σ₁= pR / (2s).                                                                                                   (10.23)

Напряжения в сферической части радиуса R_o   с толщиной s_o составляют

σ_o = pR_o /(2 s_o).                                                                                           (10.24)

Действительная конструктивная прочность сосудов в результате концентрации напряжений может оказаться ниже предельной. Большое влияние оказывает отношение σ _т / σ _в. В случае если σ _т / σ _в =0,6 - 0,75, конструктивная прочность сосуда приближается к предельной. Если σ _т/ σ _в =0,9, то конструктивная прочность может оказаться значительно меньше предельной.                                                                            

Если в тонкостенном сосуде создается вакуум, то оболочки на­до проверить на устойчивость. Цилиндрические оболочки при дли­не L <10 r, где r -радиус цилиндра, проверяются по формуле

                            σ _кр =0,55Е r (s / r)^3/2 / L,                                      (10.25)

где σ _кр - критическое напряжение; s -толщина оболочки, Е - модуль упругости.

Устойчивость сферической оболочки определяется формулой

σ _кр =0,1 Es / r.                                                                                        (10.26)

Допускаемое напряжение [ σ ]≤ σ _кр m, где m =0,8 - коэффици­ент условий работы.

Тонкостенные сосуды в виде различных тормозных баллонов для наземного транспорта изготовляют крупными сериями, ис­пользуя хорошо свариваемые материалы относительно невысокой прочности. Примером может служить воздушный тормозной ре­зервуар железнодорожного вагона из углеродистой стали. Он име­ет отбортованные днища, приваренные к обечайке стыковым со­единением. Его выполняют либо на остающемся подкладном коль­це (рис 10.14 а), либо с проточкой отбортованной части днища (рис 10.14 6).

Рис.10.14. Воздушный тормозной резервуар железнодорожного вагона

 

Чем больше диаметр D_H, тем более нагруженными оказываются резервуары; при расчете на прочность учитывают возможность уменьшения толщины стенок в результате коррозии на 0,7-1 мм. Коэффициент запаса прочности n = σ _в / [ σ ]_р   принимают не менее 3,5.

Сосуды со стенками средней толщины (до 40 мм) широко ис­пользуются в химическом аппаратостроении, а также как емкости для хранения и транспортирования жидкостей и сжиженных га­зов. Нередко требуется защита рабочей поверхности аппарата от коррозионного воздействия среды и сохранение вязкости и пластичности материала несущих конструктивных элементов при низкой температуре. Поэтому используемые материалы весьма разнообразны: углеродистые и высоколегированные стали, медь, алюминий, титан и их сплавы. Так как для обеспечения необхо­димого срока службы аппарата достаточно иметь слой коррози­онно-стойкого материала толщиной всего несколько миллиметров, то нередко используют двухслойный прокат. Аппаратуру емкостного типа обычно выполняют в виде цилиндрических сосудов. При избыточном давлении 0,4-1,6 МПа и выше, а также в емкостях, используемых для транспортировки жидкостей, соединения листовых элементов обечаек и днищ выполняют только стыковыми.

 

Барабаны котлов

В состав котельных агрегатов входят барабан, экономайзеры, пароперегреватели и камеры. Барабаны котлов высокой произво­дительности имеют диаметры 1600-1800 мм, толщина их стенок достигает 100 мм. Барабан по длине состоит из отдельных обечаек; днища барабанов, как правило, штампованные. Все соедине­ния выполняются электрошлаковой и дуговой сваркой.

Для котельных сосудов типа барабанов (рис. 10.15) характер­но большое число штуцеров различного назначения.

Рис.10.15. Общий вид сварного барабана котла

 

Поэтому при проектировании котельного оборудования большое внимание уделяют определению допустимого размера неукрепленного отвер­стия и расчету укрепления отверстий. Учет ослабления стенки отверстием осуществляют введением коэффициента φ. При про­дольном расположении отверстий

φ_прод = (t - d)/ t,                                                                                                                          (10.27)

где t - расстояние между центрами отверстий в продольном направлении;         d - диаметр отверстия.

Если диаметр отверстия превышает допускаемый (d _пр), то должна быть увеличена толщина стенки сосуда или отверстие должно быть укреплено приваркой утолщенного штуцера или на­кладки (рис. 10.16).

В сосудах, работающих при температуре выше 300 °С при тол­щине обечайки более 40 мм, применение накладок не рекоменду­ется из-за опасности появления значительных температурных на­пряжений. Для них более рационально укрепление от­верстия штуцером (рис. 10.16 б) или вваркой стыко­вым швом элемента боль­шей толщины (рис. 10.16 г). Площадь сечения свар­ных швов f _св. присоединяю­щих штуцера или накладки к укрепляемому элементу, принимают без учета уси­ления.

Рис.10.16. Типы укрепления отверстий сосудов: а – утолщенным штуцером; б – штуцером, не испытывающем давления; в – накладкой; г – вваркой утолщенного листа

 

Разделка под приварку штуцеров должна обеспечивать соеди­нение их с барабаном или камерой по всей толщине штуцера. Раз­решается приваривать штуцера без разделки, если при ручной дуговой сварке толщина их стенки не более 10 мм и при автома­тической дуговой сварке под флюсом - не более 15 мм.

Рассмотренный метод расчета не учитывает влияния местной концентрации напряжений у отверстий. Полагают, что при высокой пластичности сталей появление местных небольших упругопластических деформаций не снижает работоспособности конструкций. При действии переменных нагрузок прочность сосудов может снижаться, особенно при использовании высокопрочных сталей (σ _в =800 - 900 МПа). Разрушения образуются в зонах концентрации напряжений: в местах приварки фланцев, труб, патрубков, штуце­ров. Вероятность малоциклового разрушения заметно возрастает, когда в зоне концентрации оказываются дефекты.

Для надежной работы котлов и сосудов большое значение име­ют пластические свойства металла и низкий уровень остаточных напряжений. Поэтому сварные конструкции котлов подвергают термической обработке. Для устранения остаточных напряжений в конструкциях из низкоуглеродистой стали достаточно высокого отпуска при T=600 - 650 °С.

 

Трубы и трубопроводы

 Сварные трубы большого диаметра широко используют при сооружении магистральных газонефтепроводов. Для изготовления таких труб применяют низколегированные стали 14ХГС, 17ГС, 17Г1С и др. Толщина стенок труб      8-20 мм, диаметр 529-1420 мм.

Из сварных труб сооружают также трубопроводы металлурги­ческих и других заводов, гидротехнических сооружений, а также трубопроводы атомных и тепловых электростанций. При этом тру­бы, работающие при температуре от -10 до 350°C и давле­нии р <=9 МПа, изготовляются из стали Ст3сп и низколегированных сталей 10Г2СД, 14ХГС, трубы, работающие при температуре от -50 до +350°С и p <=70 МПа,- из сталей 20 и 30ХМА, трубы, ра­ботающие при высоких температурах (до 600°С), - из молибдено­вых сталей, например, 15ХМ и др. Для работы в агрессивных средах трубы изготовляют из аустенитных нержавеющих сталей, алюминиевых, титановых и других сплавов. Кроме того, сварные трубы широко применяют в санитарно-техническом строительстве и в ряде специальных областей техники.

Сварные трубы имеют продольные или спиральные швы; при монтаже трубопроводов отдельные трубы сваривают между собой поперечными кольцевыми швами. Прочность трубопроводов оцени­вают с учетом различного рода усилий, действующих в процессе эксплуатации. Расчет продольных стыков при внутреннем давлении р производят по формуле

                   σ= pR / s;                                                                                (10.28)

в кольцевых стыках создается напряжение, определяемое по формуле

             σ₁₌ pR /(2 s),                                                                                (10.29)

где R и s - соответственно радиус и толщина стенки трубы.

При понижении внешней температуры в кольцевых стыках образуются напряжения

σ₂ = αΔTE,                                                                                             (10.30)

где α - коэффициент температурного расширения металла; ΔT - изменение температуры; Е - модуль упругости.

При поповышении внешней температуры в кольцевых стыках образуются напряжения сжатия, определяемые по формуле 10.30, где   ΔT следует взять со знаком минус.

Если труба будет испытывать изгибающий момент М от собст­венного веса и веса жидкости, то при расчете следует учитывать образование в кольцевых швах напряжений

σ₃ = M / W,                                                                                                (10.31)

где W - момент сопротивления сечения трубы. Момент М опреде­ляется по специальным техническим условиям. Суммарное напряжение в кольцевых швах

σ₁+σ₂+σ₃ ≤ [ σ ′]_р.                                                                                          (10.32)

Допускаемое напряжение в трубопроводах зависит от расчет­ного сопротивления R_p (обычно R_p =0,9 σ _Т ), коэффициента условий работы т и коэффициента перегрузки n; m =0,8-0,9, а в местах перехода через препятствия m =0,75; n =1,2 для газопроводов и n =1,15 для нефтепроводов.

Трубопроводы иногда устанавливают на опорах: анкерных, располагаемых в конечных точках и в местах изменения направ­ления оси, промежуточных, не препятствующих продольным пере­мещениям. Конструкции опор зависят от диаметров труб. При относительно малых диаметрах (d ≤0,6м) допускается применение опор простейшего типа - скользящих, при средних диаметрах (d =0,6-1,5 м) - седловых, при больших (d >1,5 м) - катковых, или качающихся.

Если трубопровод большого диаметра (d >l,5 м) (рис. 10.17 а) выполняет функции газопровода низкого давления, он подвержен воздействию собственного веса (рис. 10.17 в), обледенения (рис 10.17 г), внутреннего давления газа (рис. 10.17 д), возмож­ного разрежения (рис. 10.17 б), а также ветра и изменения темпе­ратуры.

Рис.10.17. Схема загружения трубопровода (а), от вакуума (б), от собственного веса (в), от обледенения (г), от внутреннего давления (д)

 

Нагрузка q от собственного веса трубопровода равномерно распределенная. Приближенно трубопровод можно принять за многоопорную неразрезную балку. При этом изгибающий момент на опоре

                                     M_q = ql ²/8.                                                         (10.33)

Напряжение от момента

                                      σ _q = M_q / W,                                                           (10.34)

где W = π (r ₁ ⁴ - r ₂ ⁴)/(4 r ₁) - момент сопротивления кольца; r ₁ - на­ружный радиус кольца; r ₂ - внутренний радиус.

Аналогично определяют усилия и напряжения при обледенении. Если принять толщину слоя льда в нижней точке 2 h, а в верхней точке-равной нулю, то отношение веса обледенения к длине, вы­раженное в кН/м, определяется по приближенной формуле

q_o =7 rh γ ,                                                                                                  (10.35)

где γ - удельный вес льда.

Примем h = 0,1 м. Тогда получим q_o =0,7 r γ; момент от обледе­нения

                                  M_{q 0} = q ₀ l ² /8;                                                             (10.36)

напряжение от момента

                                   σ _{q 0} = M_{q 0} / W                                                            (10.37)

Если замыкание трубопровода производилось при температуре Т₁ то при понижении температуры до значения Т₂ в нем возникает продольное растягивающее усилие

                                   N_T = 2 πrs (Т₁ - Т₂) E α,                                          (10.38)

где α - коэффициент температурного расширения; для стали α =12·10^-6;                s - толщина стенки трубы.

Наряду с продольной силой в стенке трубопровода при нерав­номерном охлаждении возникают напряжения изгиба

                                    σ_т= αE (Т_н-Т_в)/2,                                                      (10.39)

где Т_н - температура наружной поверхности трубы; Т_в - темпера­тура внутренней поверхности.

Усилие от внутреннего давления р в зоне изменения направле­ния трубопровода вызывает в его поперечном сечении напряжение

                                       σ _поп = pr /(2 s).                                                    (10.40)

Таким образом, полное напряжение в поперечном сечении, а также в кольцевом шве трубопровода

σ _расч = σ _q + σ _{q 0} + αE (Т₁ - Т₂) + αE (Т_н-Т_в)/2 + pr /(2 s)<= [ σ ′]_р.                       (10.41)

В продольном напрвлении трубопровода образуются продольные напряжения, определяемые формулой

                                σ _прод = pr/2s<= [σ′] _р.                                                   (10.42)

В одних случаях большим по значению оказывается напряже­ние σ _расч, в других - σ _прод

Если возможно образование разрежения (рис. 10.17 б), внешнее давление воздуха вызывает в продольных сечениях оболочки трубопровода напряжения сжатия, которые могут достигать крити­ческого значения и вызывать по­терю устойчивости. Если принять трубопровод за длинную цилиндрическую трубу без закреплений, то критическое давление p _кр определяется по формуле

                                     p _кр = 3 Е J ₁ / r ³                                                                                             (10.43)

где J ₁ - момент инерции относительно собственной оси продольного сечения стенки трубопровода длиной 1 м; r - средний радиус оболочки.

Для повышения устойчивости оболочки иногда предусматрива­ют постановку кольцевых ребер жесткости. Их типы уголкового и таврового профилей изображены на рис. 10.18. Критическое давле­ние р_кр в этом случае находят из соотношения

                                    р_кр=3E J /(Lr ³),                                                 (10.44)

где L - расстояние между смежными ребрами жесткости; J - мо­мент инерции кольца и оболочки на длине

                                      a = 1,6 √ rs.                                                            (10.45)

При вычислении р_кр по формулам (10.43) и (10.44) должно вы­полняться неравенство р_кр>= m (Р_внеш - Р_внутр). В этом случае m = 1,7.

Чтобы уменьшить продольные усилия, возникающие в трубо­проводе вследствие изменения температуры, применяют различные способы. В некоторых случаях трубопроводы укладывают на катковые опоры, усиливая трубопровод в этом месте кольцом жест­кости. Для повышения податливости в продольном направлении трубопроводы иногда опирают на качающиеся стойки; используют также компенсаторы. Трубопроводы с высоким внутренним давлением (напорные), применяемые в гидротехнике, проектируются согласно изложен­ным принципам.

Для наземных напорных трубопроводов основными видами нагрузок являются внутреннее давление жидкости с учетом гидростатического давления и динамического коэффициента при гидравличе­ском ударе, собственный вес трубопровода с водой, осевые усилия, вызванные давле­нием жидкости на поворотах и при изменении диаметра, и температурные воздействия. Определение расчетных напряжений в про­дольном и поперечном сечениях трубопро­вода (продольных и кольцевых швах) про­изводится по формулам (10.41) и (10.42).

Рис.10.18. Кольца жесткости уголкового и

таврового профилей, приваренные к трубопроводу

 

Подземные трубопроводы помимо внут­реннего давления и температурного воздей­ствия испытывают нагрузку от насыпного грунта. Нагрузка, отнесенная к длине трубопровода,

                                    Q =2 qr,                                                             (10.46)

где q - давление грунта.

Под нагрузкой Q трубопровод приобретает эллиптическое очер­тание (рис. 10.19)

Рис.10.19. Деформирование профиля трубы

 

и в стенке трубы возникает изгибающий мо­мент

                        M_Q = Qr cos2θ/8.                                                           (10.47)

С другой стороны, внутреннее давление р в трубе эллиптиче­ского очертания вызывает момент М_р. Суммарный момент при θ =0

M = М_р + M_Q =                                                       (10.48)