Расчеты, связанные с обеспечением безопасности труда при работе с баллонами, генераторами, компрессорами и паровыми котлами

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №6

При расчете на прочность отдельных элементов теплосилового и другого оборудования (барабаны котлов, трубопроводы, коллекторы, воздухосборники компрессоров и др. элементы), работающих под давлением, наиболее часто определяется толщина их стенки при конструктивном расчете или допускаемое давление в этих элементах при поверочном расчете.

Методика конструктивного и поверочного расчетов, в основном, одинакова, разница лишь в целях расчета и искомых величинах.

В основу расчета на прочность деталей положен принцип оценки прочности по несущей способности (предельной нагрузке). Этот прогрессивный метод расчета, позволяющий наилучшим образом использовать свойства металла, требует строгого соблюдения правил Госгортехнадзора РФ к материалам, из которых они изготовлены.

Основными расчетными формулами при конструкторском расчете толщины Д стенки труб поверхностей нагрева и трубопроводов являются:

- для бесшовных труб по формуле, мм

- для труб с продольным сварным швом по формуле, мм

,

где - расчетное давление, МПа; - наружный и внутренний диаметры сосуда, мм; - допустимое напряжение, кг/мм²; - коэффициент прочности в продольном направлении. Этот коэффициент характеризует ослабление сосуда отверстиями. При отсутствии отверстий . При расчетах толщины стенки цилиндрической части, например, барабанов котла типа КЕ можно принимать, что . Ослабление сосуда может быть создано не только отверстиями, но и сварными швами. Для стыковых сварных швов в зависимости от конструкции шва и способа сварки принимают ;

C - прибавка к расчетной толщине стенки, учитывающая технологические и другие допуски, мм. При расчетах она обычно принимается в пределах от 0 до 1 мм.

В знаменателе формул (5.17) и (5.18) присутствует расчетное давление . При расчетах плюс принимается, если в сосуде разрежение, и минус, если в сосуде избыточное давление.

Пример 6.1 Рассчитать толщину стенки барабана котла ДКВР-10-13, если барабан выполнен из стали 25К, имеющей допустимое напряжение при температуре пара в барабане котла около 200 ^оС, расчетное давление пара в барабане котла 1,4 МПа, внутренний диаметр барабана – 1004 мм.

Решение. Расчет толщины стенки барабана котла, который ослаблен отверстиями для экранных труб и труб конвективных пучков, проведем по формуле (5.17), мм

В действительности толщина стенки барабана котла ДКВР-10-13 составляет 14 мм. Сравнение с рассчитанной выше величиной показывает, что расчеты выполнены правильно.

Пример 6.2 Определить предельно допустимое термическое напряжение стального трубопровода, если его начальная температура t₁=20°С; температура проходящих по трубе газов t₂=420° С; коэффициент линейного расширения трубы на каждые 100° С; длина трубы L=8 м; модуль упругости для стали Е = 12·1010 Па.

Решение. Определяем тепловое удлинение трубопровода по формуле

Определяем предельно допустимое термическое напряжение трубопровода по формуле

При таком напряжении трубопровод может согнуться и необходимо преду­смотреть компенсатор температурного расширения.

Пример 6.3. Одноступенчатый компрессор воздух в магистраль с подлет давлением р₂ =0,5 МПа, давление воздуха до сжатия р₁=0,1 начальная температура сжимаемого воздуха t₁ = 15°С, показатель адиабаты, k=1,4. Опреде­лить конечную температуру воздуха, если сжатие происходит без охлаждения, и установить степень опасности взрыва паров компрессорного масла, если темпе­ратура вспышки паров данного масла Tвсп=453° К.

Решение. Определяем конечную температуру сжатия воздуха согласно формуле.

Результат расчета показывает, что в данном случае возникает угроза взрыва паров компрессорного масла, так как температура воздуха, сжатого без охлаждения (T₂ = 468°К), на 15° превышает температуру вспышки компрессорного, масла (Т_всп= 453°К).

Следует указать, что для получения сжатого воздуха с давлением больше 0,5 МПа необходимо применять многоступенчатые компрессоры с охлаждением воздуха между ступенями.

Пример 6.4 Определить, какую часть сосуда со сжиженным газом составит паровая подушка, если начальная температура (температура наполнения) равна - 15°С; конечная температура в результате нагрева баллона равна 60°С, коэффициент теплового объемного расширения .

Решение. Объем паровой подушки определяется из формулы.

Если в этой формуле положить объем сосуда V=1, то получим, какую часть от V составляет объем паровой подушки V_н:

V_H = 0,002-1 [60-(-15)] =0,002-1-75 = 0,15.

Таким образом, 15% объема-сосуда должно оставаться не заполненным сжиженным газом.

Пример 6.5. Определить давление, развивающееся при взрыве газовоздушной смеси пропана и воздуха, если эта смесь до взрыва находилась при абсолютном давлении 0,1 МПа и температуре 20° С. Температура горения (жаропроизводительность) пропана 2155° С.

Решение. Определяем число молекул газов смеси до и после взрыва в ре­акции горения:

Определяем давление при взрыве смеси по формуле

Пример 6.6. Редуктор прямого действия (проходящий через редуктор газ стремится открыть редукционный клапан) установлена кислородном баллоне и отрегулирован на давление 0,5 МПа. За время работы давление в баллоне сни­жается с 15 до 25 МПа. Площадь сечения клапана редуктора 0,4 см², рабочая площадь мембраны 30 см2, усилие нажимной пружины 1000 Н, усилие возвратной (запорной) пружины 100 Н. Усилие пружин считать постоянным.

Установить, потребуется ли дополнительная регулировка редуктора, если давление кислорода, подаваемое в горелку, менее 0,4 МПа недопустимо из-за возможности обратного удара.

Решение. Уравнение равновесия давлений для редукторов прямого действия имеет следующий вид:

где - давление газа в баллоне, МПа; - площадь сечения клапана, Q₁- усилие, создаваемое нажимной пружиной, Н; - рабочее давление газа в магистрали, МПа; - рабочая площадь мембраны, см²; Q₂ - усилие, соз­даваемое запорной пружиной, Н. Подставляя в уравнение значения параметров, получим: , откуда

Следовательно, в конце работы, когда давление газа в баллоне снизится до 2,5 МПа, рабочее давление в магистрали и горелке упадет до 0,33 МПа, что не­желательно. Поэтому нужна дополнительная регулировка редуктора. Остаточное давление, при котором должна быть осуществлена дополнительная регулировка, определяется из того же уравнения равновесия при:,

Откуда

Пример 6.7. Редуктор обратного действия кислородного баллона (проходящий через редуктор газ стремится закрыть редукционный клапан) отрегулирован на давление 0,5 МПа. В процессе работы давление в баллоне снижается с 15 до 2,5 МПа. Площадь сечения клапана 0,4 см², рабочая площадь мембраны 30 см². Усилие главной (нажимной) пружины 2000 Н, усилие запорной пружины 100 Н.

Объяснить значение редукторов обратного действия в обеспечении произво­дительной и безопасной работы сварщиков.

Решение. Уравнение равновесия газа для редукторов обратного действия имеет следующий вид:

где - усилие, создаваемое главной (нажимной) пружиной, Н; - давление газа в баллоне, МПа; - площадь сечения клапана, см²; - рабочее давле­ние газа в сети, МПа; - рабочая площадь мембраны, см²; Q₂ - усилие, соз­даваемое возвратной (запорной) пружиной, Н.

Уравнение равновесия давлений в редукторе при давлении газа в баллоне 2,5 МПа: откуда

Небольшое повышение рабочего давления при снижении давления газа в баллоне не оказывает существенного влияния па процесс сварки или резки металла. Понижение давления даже в небольших пределах, которое имеет место при применении редукторов прямого действия, резко снижает производительность труда сварщиков и ухудшает условия безопасности их работы. При обратном ударе в редукторах прямого действия взрывная волна стремится открыть редукционный клапан, в редукторах обратного действия, наоборот, взрывная волна его захлопывает. Поэтому для обеспечения более безопасных условий и повышения производительности труда сварщиков целесообразно применять редукторы обратного действия.

Дата добавления: 2014-10-23