Вопрос № 5. Элементы проверочных расчетов технологического оборудования на прочность

Проектирование, изготовление, монтаж, эксплуатацию и реконструкцию оборудования производят в соответствии с единой системой конструкторской и технологической документации (ЕСКД и ЕСТД), системой стандартов безопасности труда (ССБТ), на основании действующей нормативно–технической документации, к которой, в частности, относятся: государственные стандарты (ГОСТы), отраслевые стандарты (ОСТы), руководящие технические материалы (РТМ), технические условия (ТУ), нормы проектирования и правила эксплуатации и другие документы.

Каждый аппарат или машину проектируют по определенной методике, принимая в качестве исходных данных рабочие параметры процесса, задаваемые технологами, и физико–химические свойства сырья и продуктов. Обычно проектирование осуществляют в следующей последовательности:

1. Составляют и решают уравнения материального и энергетического
(теплового) балансов для определения неизвестных материальных потоков продуктов, расходов и параметров теплоносителей, производительности оборудования и обоснования рабочих параметров процесса.

2. Выполняют гидравлические расчеты аппарата (машины), т.е. определяют его основные размеры, которые округляют до стандартных значений, и другие характеристики.

3. Выбирают по стандартам, норма, каталогам аппаратуру, имеющую наиболее близкие к расчетным размеры и параметры.

4. Выбирают конструкционные материалы и определяют их механические характеристики при расчетной температуре.

5. Рассчитывают на прочность основные элементы оборудования с учетом их рабочих нагрузок.

Встречающиеся в нормативных документах, в проектных и производственных материалах, паспортах и сертификатах на оборудование термины требуют специального пояснения. Различают рабочее, расчетное, условное и пробное давления, а также рабочую и расчетную температуры.

Рабочее давление рр в аппарате определяется технологическим режимом и представляет собой максимальное внутреннее избыточное или наружное давление при нормальном режиме протекания технологического процесса (без учета допускаемого давления при срабатывании предохранительных устройств).

Расчетным (р) называется давление, на которое производят расчет на прочность элементов аппарата (обечаек, днищ, патрубков, фланцев и др.) при максимальной температуре их стенок. При прочностных расчетах необходимо учитывать гидростатическое давление, если его величина превышает 5 % рабочего давления.

Под условным давлением (р_у) понимают расчетное давление среды при температуре 20 °С (без учета гидростатического давления столба жидкости), которое используют при расчете на прочность стандартного оборудования.

Для прочностных расчетов аппаратов должны быть известны также значения их базовых диаметров. Для аппаратов, изготовляемых из листовых материалов, базовым является внутренний диаметр DB, а для изготовляемых из труб – наружный диаметр DH.

Пробным рПр называется давление, при котором производится испытание аппарата после его изготовления, а также периодически в процессе эксплуатации.

Под рабочей температурой tp понимают максимальную (минимальную) температуру в аппарате при нормальном режиме протекания технологического процесса.

Расчетная температура t стенки – температура, при которой определяются физико–механические характеристики, допускаемые напряжения материала и проводится расчет на прочность элементов аппарата.

При проведении механических (прочностных) расчетов необходимо учитывать повышение напряжений в стенках аппарата не только из–за повышенного пробного давления по сравнению с рабочим, но и вследствие несовершенства контроля и технологии изготовления, неоднородности структуры металла, колебания технологических параметров в допускаемом диапазоне и изменения свойств среды. Кроме того, необходимо учитывать характер приложения и род нагрузок, точность расчетов, а также пожаровзрывоопасные свойства среды.

Все эти факторы учитываются коэффициентами запаса η и n1, при выборе допускаемых напряжений. Напряжение, при котором учитывается наличие взрывопожароопасных веществ в аппарате, обеспечивается его прочность с расчетным запасом и минимальным расходом конструкционного материала, называют допускаемым напряжением и определяют по формуле:

σдоп = [σ]´η

(1.7)

где	[σ]	– нормативное допускаемое напряжение;
	η	– коэффициент, учитывающий пожаровзрывоопасные свойства среды в аппарате, значения, которого определяются следующим образом:

η = 0,9 при φн < 0,05 об.д. или tс_в <3000С;

η = 0,95 при 0,05 об.д. ≤ φн ≤ 0,1 об.д. или 300 °С < tсв <400°С;

η = 1,0 при φн ≥ 0,1 об.д. и t св>400°С.

где	φн	– нижний концентрационный предел распространения пламени;
	tсв	– температура самовоспламенения горючего вещества.

Нормативные допускаемые напряжения [σ] определяют по различным выражениям в зависимости от вида конструкционного материала и температурных условий эксплуатации.

В зависимости от практических целей выполняют проектные и проверочные расчеты. Проектные расчеты обычно сочетаются с конструированием и ставят своей целью определение размеров сечений элементов аппаратов и машин (толщины стенок, диаметров валов, осей и других размеров).

При проверочных расчетах определяют фактические напряжения, возникающие в элементах оборудования, и сравнивают их с допускаемыми при заданной рабочей температуре.

Работники пожарной охраны или привлекаемые ими специалисты соответствующих отраслей народного хозяйства при проведении экспертиз аварий и пожаров проверяют выполнимость условия прочности, непосредственно сравнивая фактические и допускаемые напряжения:

σФ ≥ σДОП

(1.7)

где

σФ

– фактические напряжения в элементе конструкции аппарата (машины).

Величина фактических напряжений зависит от многих факторов: характера приложения и вида нагрузки, размеров детали и ее конструкции, способа изготовления, технологических параметров, характеристик среды и других факторов. Рассмотрим некоторые наиболее простые выражения для определения фактических напряжений в основных конструктивных элементах аппаратов и трубопроводов.

Напряжения в тонкостенной цилиндрической обечайке или трубопроводе (при Dн / Dв < 1,5), работающих под повышенным давлением, определяют по формулам:

	или	(1.8)
		(1.9)

где	рФ	– максимальное давление, зафиксированное контрольно–измерительными приборами в момент повреждения или разрушения аппарата;
	Dн и Dв	– соответственно внутренний и наружный диаметр обечайки;
	φ	– коэффициент прочности продольного сварного шва (для литых, кованных и сваренных автоматической сваркой аппаратов с двухсторонним сплошным проваром шва φ =1);
	Sф	– фактическая наименьшая толщина стенки аппарата, определяемая непосредственным измерением после удаления продуктов коррозии или рассчитываемая по формуле (1.6)

при экспертизе проектных материалов или отсутствии показаний приборов величину р_Ф можно оценить расчетом по специальным методикам с учетом конкретного вида нарушения технологического процесса, приведшего к возникновению аварийной ситуации;

Напряжения в стандартной крышке (днище) эллиптической формы, нагруженной внутренним давлением, определяют по формуле

(1.9)

ВЫВОД ПО ВОПРОСУ:

При проведении прочностных расчетов необходимо учитывать повышение напряжений в стенках аппарата не только из–за повышенного пробного давления по сравнению с рабочим, но и вследствие несовершенства контроля и технологии изготовления, неоднородности структуры металла, колебания технологических параметров в допускаемом диапазоне и изменения свойств среды. Кроме того, необходимо учитывать характер приложения и род нагрузок, точность расчетов, а также пожаровзрывоопасные свойства среды.

Вопросы для контроля и самопроверки

1. Какие виды коррозионных разрушений вы знаете?

2. Как влияет давление процесса на скорость коррозии.

3. Как влияет температура процесса на скорость коррозии.

4. Что понимают под механической прочностью оборудования и чем она обеспечивается.

5. Что такое герметичность оборудования и что она обеспечивает.

6. Что такое устойчивость оборудования и чем она достигается.

7. Что такое надежность и безопасность в эксплуатации и чем они достигаются.

8. Что понимают под рабочим, расчетным и условным давлениями.

9. Что понимают под рабочей и расчетной температурами.

10. Каким образом учитывается наличие пожаровзрывоопасной среды в аппарате при выборе допускаемых напряжений?

11. В какой последовательности выполняют проектирование оборудования?

12. От чего зависят фактические напряжения в элементах деталей или узлов аппаратов или машин.

13. Что входит в перечень работ по техническому освидетельствованию оборудования.

14. Что понимают под пробным давлением.

15. Виды испытаний оборудования на прочность.

16. Чем опасно пневматическое испытание оборудования воздухом.

17. Что понимают под термином технологическое оборудование.

18. Классификацию оборудования в соответствии с физико–химической сущностью протекающего в аппарате или машине технологического процесса.

19. Как отличить пластичные конструкционные материалы от хрупких.

Дата добавления: 2014-01-11