Основы проектирования и конструирования оборудования. Расчет оборудования

Проектирование и конструирование промышленного оборудования

Инженерным проектированием называется процесс создания определенного технического проекта. Конструкционное проектирование является одним из направлений инженерного проектирования (технического проектирования/конструирования). Результатом завершенного процесса конструирования является конструкторский проект, который создается инженером-конструктором. Конструкторский проект определяет:

• элементы изделия;
• устройство изделия;
• принцип работы изделия;
• сведения, необходимые для производства изделия, его использования, обслуживания и ремонта.

При создании современного промышленного оборудования для химических производств используют такие направления, как:

• унификация

– использование в различных отраслях химической промышленности аналогичных (очень похожих) по конструкции машин и оборудования (аппаратов). Такой подход дает возможность однообразить не только какие-либо отдельно взятые детали, узлы и сборочные единицы, но и целый ряд машин и аппаратов.

Унификация химического оборудования в значительной мере облегчает не только работу на этапе проектирования машин и оборудования (аппаратов), но и еще делает более легким их изготовление и эксплуатацию. Ко всему прочему, введение унификации в значительной мере повышает эффективность их использования по назначению. К примеру, если унифицировать на химических производствах теплообменные аппараты, это позволит значительно снизить затраты на их ремонт, ТО (техническое обслуживание) и замену, а так же несколько сократит время того же ремонта или аварийного простоя. Кроме этого, унификация помогает совершенствовать методы проведения необходимых ремонтных работ, уменьшает отходы материалов и деталей и сокращает число персонала, занимающегося обслуживанием и ремонтом данных машин и оборудования (аппаратов);

• интенсификация

– резкое повышение интенсивности и эффективности производственного оборудования в силу некоторого увеличения масштаба того или иного химического производства. Это достигается, как правило, путем преобразования технологического процесса за счет использования более высоких температур и давления, увеличения скорости, применения более активно действующих катализаторов, положительных изменений гидравлических режимов в машинах и в оборудовании (аппаратах) и так далее. К примеру, сегодня многие российские химические предприятия уже освоили процесс синтеза таких продуктов, как аммиак, метанол, бутиловый спирт и карбамид, которые осуществляются в оборудовании (аппаратах) под давлением.

Стоит отметить, что осуществлять интенсификацию химических отечественных производств сегодня помогает так же внедрение новейших технологий, в основу которых легли плазменные, мембранные, импульсные, электронно-лучевые и другие химические и физические тонкие процессы. Например, применение плазменной технологии позволяет сложные химические реакции, которые требуют высокой температуры, давления и длительного времени, осуществлять в минимально короткие сроки.

Мембранную технологию нередко используют в промышленных системах газоразделения (для обогащения воздуха кислородом и азотом), а так же при изготовлении таких продуктов, как каустическая сода (едкий натр) и хлор. Также мембранным биполярным электролизером оснащаются новые и модернизирующиеся ртутные производства.

Импульсную технологию сегодня довольно часто применяют в промышленных измельчителях и других установках, выполняющих тонкое измельчение промышленных материалов, а так же в рукавных фильтрах и оборудовании для вакуумных систем.

Ультразвуковое воздействие получило применение в акустических фильтрах, используемых для очистки жидкостей от механических взвесей.

• повышение надежности

– механическую надежность, бесперебойную и длительную работу химического оборудования определяют такие свойства оборудования, как прочность, жесткость, герметичность, устойчивость и долговечность. Надежность в установках химических производств очень тесно связана с температурами, давлением и агрессивностью рабочих сред, одним словом, со специфическими условиями работы производственного оборудования.

Сегодня очень важно повышать надежность современного промышленного оборудования, установок и оборудования (аппаратов), так как они нередко работают при очень высоких или, наоборот, очень низких температурах, давлениях, больших скоростях и могут обрабатывать самые различные среды, в том числе токсичные, взрывоопасные и пожароопасные.

При проектировании такого химического оборудования, как оборудование (аппараты) высокого давления, прочность и надежность ставят на первое место. Особое внимание при их создании уделяют тому, чтобы в процессе эксплуатации сосуды и внутренние устройства оборудования (аппаратов) высокого давления не нужно было вскрывать, осматривать и ремонтировать. Особенно таких действий не должны требовать агрегаты большой единичной мощности, так как их даже небольшие простои ведут к громадным потерям выпускаемой продукции.

Еще одним немаловажным условием надежной работы химического оборудования является герметизация. Особенно важна герметичность тех машин и оборудования (аппаратов), которые работают с токсичными, взрывоопасными и пожароопасными средами, так как любая утечка из них перерабатываемой жидкости или газа в окружающую среду может привести к самым печальным последствиям – может случиться взрыв, возгорание, пожар или отравление рабочего персонала.

Избежать таких ситуаций помогает использование герметичного оборудования. Сегодня надежные и герметичное оборудование (аппараты) находят все более широкое применение в самых различных отраслях отечественной промышленности;

• эргономика

– в связи с тем, что технологические процессы постоянно механизируются и автоматизируются, изменяя условия труда, очень важно, чтобы человеку было удобно работать с новым оборудованием. Поэтому при проектировании химических агрегатов, обязательно учитываются свойства и возможности людей, которые будут заниматься обслуживанием этого промышленного оборудования. Самыми главными элементами эргономики являются эстетические, гигиенические и физиологические требования к конструкции химического оборудования. О качестве машин, устройств и оборудования (аппаратов) нельзя судить только по их эффективности, проектируемые агрегаты не должны создавать на производстве неблагоприятные гигиенические условия труда. Управление и обслуживание оборудования должно быть максимально простым и легким. Человек не должен выполнять на химическом оборудовании слишком много операций, не должен прилагать слишком большие усилия, делать резкие движения и работать в неудобной для него рабочей позе. Производственное оборудование своим внешним видом, окраской и пропорциями должно вызывать у человека только приятные эмоции;

• укрупнение оборудования

– в связи с тем, что сегодня многотоннажные производства все больше требуют увеличения единичной мощности химического оборудования, появляется необходимость создания укрупненных, то есть крупногабаритных машин, комбинированных устройств и совмещенного оборудования (аппаратов). Использование на производстве укрупненного химического оборудования позволяет в разы увеличить его производительность и значительно снизить все капитальные затраты и эксплуатационные расходы, так как сокращается количество машин и оборудования (аппаратов), контрольно-измерительных приборов, уменьшается протяженность производственных коммуникаций и площадей и убавляется количество рабочего персонала.

Проектировщики при создании крупногабаритного химического оборудования обязательно должны учитывать то обстоятельство, что его нужно будет еще и транспортировать. Увеличение производительности машин и оборудования (аппаратов), как сказано выше, неизбежно ведет к их укрупнению, поэтому ранее вполне транспортабельное оборудование может стать совершенно неприспособленным к перевозке в готовом собранном виде, особенно это касается его транспортировки по железной дороге в силу ограниченных размеров подвижного состава.

Поэтому еще на стадии проектирования оборудования разработчики должны обязательно позаботиться о том, чтобы все отдельные части (узлы и блоки) агрегатов были транспортабельны и имели наименьшие размеры в верхней и боковой части.

Основные этапы подготовки конструкторской документации

К основным этапам подготовки конструкторской документации относятся следующие пять:

1. техническое задание;
2. техническое предложение;
3. эскизный проект;
4. технический проект;
5. рабочая документация.

На стадии технического задания разработчик проекта формулирует основные требования к будущему изделию. Стадия технического предложения является первоначальным проектированием. На данном этапе проектировщик отвечает на задачи, сформулированные в техническом задании. Эскизный проект предполагает разработку документации, определяющую:

• основные параметры изделия;
• принцип работы изделия;
• чертежи вида и внутренние схемы и т.п.

В определенных случаях эскизный проект согласовывается с заказчиком и контролирующими органами.

Технический проект предусматривает разработку подробных и окончательных технических решений, которые дают подробное и полное представление об изделии. На этих данных полностью основывается рабочая документация, которая представляет собой конструкторскую документацию, необходимую для изготовления всех элементов изделия и его сборки.

Очередность этапов проектирования

Проектирование оборудования и объектов более высокой иерархии начинается с технического задания, в котором заказчик излагает назначение оборудования (объекта), основные технические характеристики и особые условия. Содержание и оформление технического задания должно соответствовать установленным требованиям.

В ответ на техническое задание проектировщик готовит техническое предложение, в котором на основе анализа собранной по ТЗ информации указывает на целесообразность требований заказчика, возможные технические и технологические способы решения поставленных задач и другие предварительные итоги. Документы, оформляющие техническое предложение, обозначаются литерой «П» и согласовываются с заказчиком.

Следующий этап – эскизный проект, в котором предлагаются конструкторские и технологические решения, составляются принципиальные схемы оборудования и его важнейших узлов, готовятся масштабные макеты и модели. Документация маркируется литерой «Э», утверждается заказчиком и проходит согласование в государственных органах контроля и надзора.

После утверждения эскизного проекта начинается основная работа – техническое проектирование, в результате которого определяются и готовятся окончательные решения по таким направлениям:

• Общая конструкция оборудования и его отдельных узлов с подготовкой чертежей;
• Схемы основных систем оборудования – кинематика, привод, гидравлика, пневматика, электрическая схема;
• Расчеты надежности оборудования и его узлов;
• Оценка технологичности – требуемые для изготовления оборудования станки, оснастка, инструменты и расходные материалы;
• Эксплуатационные характеристики – удобство обслуживания, контроль работы и защита оборудования, ремонтопригодность, устойчивость к внешним воздействиям и прочее;
• Расчеты и оценка параметров эргономики, эстетичности, экологические показатели;
• Определение уровней стандартизации и унификации оборудования и его узлов;
• Составление перечня материалов и покупных комплектующих изделий с указанием их качественных и эксплуатационных характеристик;
• Полное описание организации и оснащения рабочих мест для эксплуатации, обслуживания и ремонта оборудования включая требования охраны и безопасности труда;
• Определение патентной чистоты, выполнение расчетов технико-экономической эффективности оборудования и другие действия, установленные техническим заданием.

Подготовленная по итогам технического проектирования документация помечается литерой «Т», утверждается и согласовывается в том же порядке, что эскизный проект, после чего становится основой для подготовки рабочей документации.

Рабочие документы (чертежи, технологические карты, спецификации) обеспечивают изготовление опытных образцов оборудования, по итогам испытания которого техническая документация корректируется в меру выявленных недостатков. В этом случае документы маркируются литерой «О» с порядковым номером испытаний.

Удовлетворительные результаты испытаний опытных образцов позволяют перейти на стадию выпуска установочной серии оборудования, для которой готовится техническая документация с литерой «А». Когда изделие будет окончательно готово к полноценному серийному производству, после внесения изменений по итогам работы с установочной серией, проектная документация получает литеру «Б» для массового или литеру «И» для единичного и мелкосерийного производства.

Приемы конструирования промышленного оборудования

В процессе разработки новой технологической конструкции, часто осуществляется упорядоченный поиск оптимального варианта. Данный метод состоит из нескольких этапов:

• определение параметров конструкции
• установление параметров, которые необходимо определить при проектировании;
• определение важности цели;
• выявление зависимости переменных друг от друга;
• прогноз независимых переменных;
• определение пределов значений переменных;
• присвоение каждому фактору решения числового значения и вычисление переменного;
• выбор оптимального варианта конструкции.

Суть метода изменения линейных размеров состоит в изменении производительности оборудования пропорционально изменению всех основных размеров оборудования. Данный метод широко используется при конструировании циклонов, шнеков, вальцовых агрегатов и т.п.

Прием базового агрегата заключается в том, что базовая конструкция остается постоянной, меняются только определенные элементы конструкции. Такой метод применяется для выполнения технологических задач на барабанных агрегатах и колонной аппаратуре.

Прием конвертирования состоит в применении базовой модели для осуществления нового технологического процесса.

Метод секционирования состоит в сепарации на равные секции оборудования и создания нового типа оборудования посредством набора унифицированных секций.

Подходы к конструированию оборудования

Приступая к конструированию оборудования для химических предприятий, специалисты в первую очередь оценивают возможности использования существующих образцов машин и оборудования (аппаратов) аналогичного назначения в качестве отправной точки. Рассматриваются действующие варианты кинематических схем, приводов, рабочих инструментов и степень свободы принятия собственных решений (факторов решения). Простой перебор возможностей может дать слишком большое количество вариантов, поэтому следует воспользоваться принципами упорядоченного поиска, основанными на таких действиях:

• Определяются факторы решения – степень свободы выбора по каждому из параметров проектируемого оборудования;
• Определяются независимые переменные (параметры), которые проектировщики не могут изменить вовсе или в основном;
• Устанавливают взаимосвязи между свободой выбора и независимыми переменными;
• Составляют градацию по степени важности каждого технического параметра;
• Выявляют ограничения по всем параметрам;
• Дают экспертную оценку величинам независимых переменных для конкретных условий эксплуатации оборудования;
• Обобщают полученную информацию для установления оптимальных соотношений между всеми факторами и параметрами, обеспечивающих достижение поставленной цели.

Для реализации принципа упорядоченного поиска в настоящее время используются инженерные компьютерные программы. С помощью этих технологий быстро устанавливают перспективные направления дальнейшей работы по проектированию промышленного оборудования.

Одним из наиболее быстрых способов достижения результата является конструирование по методу изменения линейных размеров. При этом подходе выбирается оборудование (аппарат) или машина аналогичного назначения, определяются параметры рабочей зоны, механизмов или инструментов для получения оборудования нужной производительности, после чего выполняется пропорциональный пересчет взятой за основу конструкции. Таким путем можно быстро подготовить проектную документацию смесителей, грануляторов, циклонов, шнековых механизмов и т. д.

Хорошие результаты дают подходы с использованием базовых агрегатов и конвертации при проектировании машин и оборудования (аппаратов) барабанного типа, когда в готовую конструкцию вносят незначительные изменения или добавляют вспомогательные устройства (механизмы). Так можно получить оборудование для переработки новых видов сырья или изменить его производительность в нужную сторону.

Секционный метод конструирования основан на разработке модулей, из которых собирается оборудование необходимой мощности и производительности. Такой подход практикуют, например, для проектирования химического оборудования по производству кислот, оборудования (аппаратов) и машин колонного типа, систем фильтрования и т. д.

Нормативная база для проектирования оборудования

Проектирование химического и любого другого оборудования производится на единой нормативно-технической базе, которая устанавливает требования к порядку разработки, содержанию и оформлению документации.

Единые системы стандартов подготовки документации

Создание эффективного оборудования невозможно без качественно подготовленной документации, для разработки которой используются единые системы стандартов для каждого этапа проектных работ:

• Конструкторская документация – ЕСКД;
• Технологическая документация – ЕСТД;
• Защита материалов и изделий от коррозии и старения – ЕСЗКС;
• Допуски и посадки – ЕСДП;
• Безопасность труда – ССБТ и другие.

Кроме того при проектировании химического оборудования для работы в особых условиях, например под повышенным и с избыточным давлением, высоких или экстремальных температурах, должны учитываться требования «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» и других регуляторных документов Госгортехнадзора. В отдельных отраслях действуют собственные нормативные документы, которыми устанавливаются дополнительные требования к технологическому оборудованию, учитывающие отраслевую или индивидуальную специфику производства.

Термин «проектирование» является наиболее широким понятием, включающим в себя конструирование, информационную и технологическую подготовку, разработку всех видов технической документации, включая ее корректировку по результатам испытаний опытных образцов оборудования. Существенной особенностью оборудования (аппаратов) и машин для химической промышленности является то, что они являются частью объектов более высокого уровня иерархии (технологических линий, производств и предприятий) с обширной инфраструктурой (инженерные коммуникации, системы защиты среды и прочее). По этой причине создание такого оборудования превращается в процесс, который называется проектирование мегакомплексов.

Конструкторская (инженерная) документация определяет составные части оборудования, принцип его работы, используемые для изготовления материалы, правила эксплуатации, технического обслуживания и ремонта. Технологическая (функциональная) документация определяет правила изготовления деталей оборудования (используемые станки, инструмент, расходные материалы, режимы обработки и прочее), защиту от коррозии, компоновку и монтаж машин, оборудования (аппаратов) и сопутствующей инфраструктуры и т. д.

Документация по безопасности труда предусматривает организацию и оснащение рабочих мест (инструменты, средства индивидуальной защиты, материалы, приспособления), правила (инструкции) обращения с оборудованием, меры личной и производственной безопасности, квалификационный уровень персонала и другое. Полный набор документации составляет проект, который осуществляется в следующей последовательности.

Исходные данные, которые необходимы при проектировании промышленного оборудования

Химическое оборудование характеризуется двумя основными признаками: характером протекающего в нём процесса и достаточной общностью его конструктивных форм, применяемых материалов, используемой машиностроительной технологии.

В соответствии с данными основными признаками всю номенклатуру химического оборудования можно поделить на пятнадцать основных групп, а уже каждую группу подразделить по типам и типоразмерам.

Типовым технологическим процессом называют техпроцесс, применяемый для изготовления группы изделий, обладающих общими конструктивными и технологическими признаками. Он разрабатывается для изготовления некоторого изделия (в определённых условиях производства), которое для данной группы изделий будет являться их типовым представителем. Таким типовым представителям обычно относят изделие, для изготовления которого требуется выполнение наибольшего числа операций (основных и вспомогательных), которые характерны для изготовления всех изделий из данной группы.

Группировка изделий по исходным технологическим и конструктивным признакам – это обязательное условие для типизации техпроцессов, которые способствуют внедрению в жизнь наиболее прогрессивных, инновационных форм производства.

Основываясь на достижениях науки и техники в области инновационных технологий, применение типовых техпроцессов может сократить сроки, требуемые для промышленного освоения самых новейших изделий. Оно приводит также к рациональному использованию материальных и трудовых ресурсов, позволяет создавать банки данных, включающие исходную информацию, впоследствии применяемую при проектировании.

Исходные данные для расчёта и обоснования выбора промышленного оборудования, используемого для процессов фильтрации

1. Данные о характеристиках фильтруемой суспензии:
   1. для жидкой фазы: температура кипения и кристаллизации, вязкость и удельный вес, взрывоопасность и токсичность;
   2. для твердой фазы: химический состав, гранулометрический состав, её удельный вес; характер составляющих её частиц (аморфный или кристаллический); скорость осаждения при отстаивании;
   3. соотношение фаз (содержание в суспензии твердой фазы);
   4. дополнительные сведения, которые характеризуют текучесть суспензии, условия для её транспортировки по трубам.
2. Характеристики осадка:
   1. склонен ли он во время вакуум-фильтрации к растрескиванию; легко ли отстаёт он от ткани; является ли он мажущимся, липким, плотным, рыхлым;
   2. склонен ли он измельчаться в шнеках, во время транспортировки по трубопроводам;
   3. его насыпной вес, содержание в нём жидкой фазы (в зависимости от выбранного способа фильтрации);
   4. его состав как до, так и после промывки.
3. Данные о режиме фильтрации:
   1. имеется ли необходимость выполнять водные промывки или обработку с использованием других жидкостей;
   2. температура промывочной жидкости, её состав, рекомендации по её использованию, расход на один кг осадка;
   3. общее время фильтрации; определённая на опытной установке длительность одного цикла фильтрации; температура фильтрации;
   4. соображения, используемые для выбора выпускающегося промышленностью, современного фильтрующего агрегата;
   5. какова толщина слоя осадка, получаемого на фильтре;
   6. рекомендуемая и применяемая ткань для фильтрации, сетка или пористый материал другой природы;
   7. рекомендуемый материал аппаратуры, применяемой для фильтрации, и как сказывается на него коррозионное воздействие среды;
   8. средства, используемые для регенерации сетки (фильтрующей ткани);
   9. рекомендуемый режим регенерации; время, через которое она должна проводиться;
   10. регенерационные растворы, рекомендации по их использованию.

Исходные данные, используемые при проектировании промышленного оборудования для процессов абсорбции, перегонки, ректификации

1. Рекомендации по используемому в процессе методу разделения
2. Состав участвующей в процессе исходной смеси и возможный диапазон его изменения, а также состав кубового остатка и дистиллята.
3. Тип смеси (гетерогенная или гомогенная), характеристики раствора, с указанием отклонений от идеальной смеси:
   1. наличие и характеристика азеотропных смесей (температура кипения и состав);
   2. влияние pH среды, высоких температур; влияние содержания в исходном сырье примесей на стабильность отдельных компонентов и смеси в целом; возможность образования отложений твердого вида, образования взрывоопасных продуктов
   3. данные (для идеальных растворов) по упругости пара компонентов или парожидкостному равновесию; информация о влиянии давления на значение коэффициента, описывающего относительную летучесть ключевых компонентов смеси
   4. вязкость и плотность компонентов, находящихся в жидком состоянии; теплоёмкость и скрытая теплота при испарении компонентов, как и вязкость смеси, находящейся в паровой фазе.
4. Типовые рекомендации, определяющие выбор типа конструкций для контактных устройств (насадок и тарелок).
5. КПД тарелки в условиях работы или высота насадки, которая эквивалентна в теории одной тарелке; составы кубового остатка, дистиллята и питания, рабочие флегмовые числа, а также общее количество теоретических тарелок
6. Необходимо учесть также особые требования, связанные с конструированием ректификационных агрегатов в случае выпадению твердых солей.
7. Данные, используемые при расчете теплового и материального балансов для процессов абсорбции, перегонки, ректификации.

Исходные данные, которые необходимы при проектировании процесса сушки

1. Влажность продукта, поступающего на сушку в начале процесса.
2. Влажность высушенного продукта в конце процесса.
3. Консистенция обрабатываемого продукта до и после сушки (брикет, порошок, паста).
4. Химические и физические свойства обрабатываемого продукта до и после сушки: способность к комкованию, сводообразованию, слеживанию, налипанию; угол естественного откоса; электролизуемость и абразивные свойства, гранулометрический состав порошка (размеры частиц, истинная и насыпная плотность), химический состав; склонности продукта к самовозгоранию или разложению; температуры разложения, размягчения, сплавления.
5. Рекомендации по выбору типа сушилки и опытные данные по её удельной производительности по готовому продукту.
6. Рекомендации по оптимальному режиму сушки: выбор температуры, расчёт времени пребывания, характеристики среды, необходимое давление.
7. Состав загрязнений окружающей среды и рекомендации по поводу очистки выбрасываемого при сушке воздуха.
8. Данные, которые используются для расчета теплового и материального балансов процесса сушки.

Исходные данные, используемые при расчёте и выборе промышленного оборудования для установок выпаривания

1. Концентрация упариваемого раствора в начале процесса.
2. Его конечная концентрация.
3. Плотность раствора при рабочих температурах и концентрациях.
4. Вязкость раствора при рабочих температурах и концентрациях.
5. Температура замерзания и кипения раствора.
6. Склонность упариваемого раствора к вспениванию, осмолению, разложению, etc. Рекомендации, касающиеся предотвращения данных явлений.
7. Условия, при которых сгущенный раствор можно транспортировать; длительность непрерывной работы оборудования (аппарата) между промывками, чистками, при минимальных расчётных отложениях осадков на поверхности теплообменников;
8. Может ли производиться выпарка до момента выпадения кристаллов; каково соотношение твердая фракция/жидкость при этом; свойства пульпы (скорость осаждения кристаллов, транспортабельность).
9. Рекомендации, касающиеся способа выделения из упаренного раствора твердых веществ.
10. Рекомендации, касающиеся выбора материалов для трубопроводов и самой аппаратуры.
11. Рекомендации, касающиеся выбора типа выпарной системы.
12. Рекомендации, касающиеся утилизации или обезвреживания сокового пара.
13. Информация о стабильности компонентов для случая их многократной рециркуляции во время производственного цикла (рециркуляция маточника).
14. Исходные данные, используемые при расчете теплового и материального балансов для выпарной установки.

Исходные данные, используемые при проектировании процессов кристаллизации

1. Исходные характеристики поступающего на кристаллизацию раствора:
   1. химические и физические свойства раствора, включая растворитель и растворенные вещества: зависимость уровня растворимости смеси от температуры, зависимость плотности раствора от различного содержания растворенных в нём веществ, зависимость теплоемкости раствора от его концентрации и температуры;
   2. концентрация вещества, растворенного в растворе, в начале процесса.
2. Температура, при которой происходит процесс кристаллизации. Рекомендации по скорости охлаждения.
3. Для новых веществ– теплота кристаллизации.
4. Характеристики получаемой в процессе кристаллизации суспензии:
   3. гранулометрический состав (размер кристаллов);
   4. их твердость;
   5. способность к измельчению при перекачке насосами или перемешивании.
5. Время, требуемое для кристаллизации, при учётом времени, потребного для достаточного роста кристаллов, чтобы получить удовлетворительно фильтруемую суспензию.
6. Данные, необходимые для расчёта теплового и материального балансов процесса кристаллизации.

Исходные данные, требующиеся при проектировании технологических узлов, обеспечивающих дозировку, смешение и размол

1. Химические и физические свойства компонентов, которые подаются в оборудование (аппарат), а также их смесей: угол естественного откоса, твердость, способность слеживаться, истинная и насыпная плотности, теплоёмкость, температура размягчения и плавления, сыпучесть, вязкость (для компонентов-жидкостей), сорбционная ёмкость или пористость (в случае необходимости).
2. Точность допустимой дозировки компонентов. Отклонения, которые допускаются от заданного для смеси соотношения. Средние относительные и абсолютные погрешности распределения в смеси её компонентов.
3. Физическое состояние, присущее смеси после прохождения смесителя, потребность в размоле, охлаждении.
4. Рекомендации по охлаждению или нагреванию смеси в технологическом процессе смешения, его оптимальный режим.
5. Выделяемые при смешивании пары и газы. Происходят ли при перемешивании химические процессы.
6. Необходимость в процессе смешения измельчать компоненты, размер частиц, получающихся после прохождения смесителя.
7. Рекомендации для данного процесса по типам дозатора и смесителя.
8. Информация о способности компонентов к размолу (хрупкость, твердость в соответствии со шкалой Мооса, налипаемость, измельчаемость, размягчаемость).
9. Рекомендации по выбору типов измельчителей для стадий предварительного и окончательного измельчения. Информация по рекомендуемым измельчителям о тонкости помола и производительности обработки конкретного материала.
10. Рекомендуемые характеристики транспортировки продуктов:
    1. скорости пневмотранспортирования, рекомендованные для каждого из материалов;
    2. оптимальное соотношение воздуха и твердого вещества;
    3. существует ли необходимость перед подачей в пневмопровод предварительно разрыхлить продукты;
    4. тип питателя;
    5. наличие возможности в процессе пневмотранспортировки образования взрывоопасных концентраций и статистического электричества;
11. Какой вид тары рекомендуется при расфасовке готовой продукции.

Исходные данные, используемые при проектировании установок термообезвреживания кубовых остатков и промышленных стоков на химических производствах

1. Вид кубовых остатков или промышленных стоков, которые подаются для обезвреживания:
   1. суспензия, раствор;
   2. щелочные, кислые, нейтральные;
   3. их склонность к полимеризации;
   4. можно ли транспортировать их по трубам и какие насосы рекомендуется выбрать;
   5. удельный вес, теплоёмкость, теплопроводность, вязкость;
   6. состав исходных продуктов.
2. Физико-химические свойства твердого осадка: температуры кипения, плавления, затвердевания, возгонки, разложения, растворимость в воде.
3. Товарный вид (в случае дальнейшего использования), ГОСТ, ОСТ, ТУ.
4. Возможный состав продуктов, которые образуются при термообезвреживании кубового остатка или раствора.
5. Коррозионные свойства кубового остатка или раствора, а также рекомендуемый выбор материалов и средств для перекачки.
6. Наличие токсичности исходных соединений и вновь образующихся, кубовых остатков, растворов и продуктов, которые получены в результате термообезвреживания.

Данные, используемые при проектировании электролитических процессов

1. Характеристика поступающего на электролиз электролита.
2. Химические и физические свойства раствора (теплоемкость,
3. электропроводность, растворимость, плотность, etc.
4. Характеристика жидких и газообразных продуктов, получаемых при электролизе (теплоемкость, растворимость, плотность, взрывоопасные концентрации, токсические свойства).
5. Рекомендации по конструкции электролизера, основанные на проведении комплексных испытаний (напряжение, выход по току, сила тока, плотность тока, оптимальный температурный режим, диафрагмы, конструктивные материалы для катодов и анодов, установочные чертежи электролизера).
6. Рабочие инструкции по производству монтажа и эксплуатации электролизера, включая инструкции по пуску и остановке процесса.
7. Основные положения по электробезопасности и общей технике безопасности.
8. Графики зависимости показателей электролитического процесса от плотности тока (выход по току, вольтаж, расходы материалов, etc), чтобы иметь возможность в конкретных экономических условиях выявить оптимальный режим работы.
9. Расчётные удельные расходные коэффициенты.
10. Инструкции, касающиеся ремонта электролизеров, как и рекомендации по проектированию ремонтных мастерских (анодная мастерская, замена диафрагм, запивка стержней, пропитка, etc).
11. Перечень мероприятий, обеспечивающих борьбу с токами утечки, необходимую при взятии проб, прокладке трубопроводов, etc.
12. Рекомендации по выбору материалов и арматуры для трубопроводов.
13. Рекомендации по выбору приборов контроля, дистанционного управления, регулирования, местным и вынесенным на шиты, etc.

Расчет на прочность корпусных элементов, подверженных силовым нагрузкам, выполняют в соответствии с расчетной схемой. В тех случаях, когда деформация корпуса под действием нагрузок может повлиять на показатели качества агрегата, нужно обязательно выполнить расчет на жесткость, сопоставляя передвижение определенных точек с допускаемыми. В соединениях составных корпусов, которые не подвергаются нагрузкам, то есть являются ненагруженными, расчет болтовых соединений не производят; выбор диаметра, шага и материала болтов делают по данным, применяемым на практике. Важно добиться такой силы затяжки, чтобы напряжение в болте было (0,5 – 0,6)σ_0,2.

Что касается циклически нагруженных соединений составных корпусов, в число которых входят головки шатунов, соединения крышек с корпусами пневмо- и гидроцилиндров, то болты в них для надлежащей работы стыка должны быть изначально затянуты с такой силой (P₃), которой бы хватало для того, чтобы после приложения рабочего усилия (P_р) в стыке оставался натяг P₀˃0, не допускающий раскрытия стыка, потери герметичности, жесткости системы, а в самом стыке – наклепа и смятия его поверхностей, а также контактной коррозии. Расчет на прочность болтов (стяжных шпилек) выполняют по суммарному усилию, которое появляется после приложения рабочей нагрузки, а расчет на прочность корпусов – по усилию затяжки. В материале болтов (шпилек) и корпуса при этом возникают напряжения:

σ_б= (P₀ + P_р)/F_б; σ_к= P₃/F_к,

где F_б и F_к – площадь соответственно сечения болтов и элементов корпуса.

Коэффициенты асимметрии циклов, которые определяют циклическую прочность болтов и корпуса: r_б = P₃/(P₀ + P_р); r_к = P₀ / P₃. В том случае, когда значения r_би r_к превышают 0,6, влияние пульсаций на циклическую прочность, практически, полностью исчезает.

Усилие первоначальной затяжки при известных P₀ и P_р

P₃ = P₀ + P_р/[1 + E_бP_б/(E_кP_к)],

где E_б и E_к – модуль продольной упругости соответственно болтов и самого корпуса.

В случаях, когда болты и корпус машины работают при других температурах t_б и t_к, чем была температура t₀монтажа, а сами они были изготовлены из материалов с различными значениями температурного коэффициента линейного расширения (α_б≠ α_к), то возникает сила

P₁ = [α_к(t_к- t₀)– α_б(t_б - t₀)] / [1/ E_б F_б+1/ E_к F_к],

которую при расчетах нужно суммировать с усилием первоначальной затяжки P₃ и остаточным натягом P₀. В данном случае P′₃= P₃ + P₁, α_б = (P₀+ P₁+ P_р) / F_б и α_к = (P₃ + P₁) / F_к. Точно так же изменяют формулы для расчета коэффициентов асимметрии r_б и r_к.

Крепление корпуса на фундаменте

Оборудование на фундамент можно устанавливать, используя металлические пакеты 3, у которых есть и еще одно назначение - регулирование положения агрегата. Суммарная площадь опоры подкладок должна минимум в 15 раз быть больше суммарной площади сечения болтов фундамента. После того, как была произведена затяжка фундаментных болтов, зазор между подошвой корпуса (нижним фланцем) оборудования и самим фундаментом заполняют подливкой из бетона, марка которого должна быть не ниже, чем марка бетона фундамента. Предпочтительно применять какой-либо из бесподкладочных способов опирания, к примеру, с использованием установочных болтов, которые предназначены для регулирования положения агрегата.

Произведя затяжку фундаментных болтов, зазор заполняют бетоном, марка которого должна быть на одну позицию выше, чем марка бетона фундамента. Еще один вариант бесподкладочной установки – непосредственное опирание корпуса, применяют, главным образом, для малогабаритных машин и оборудования (аппаратов).

Болты для крепления технологического оборудования к фундаменту по условиям эксплуатации делятся на:

• конструктивные – служат для надежной фиксации машин или оборудования (аппаратов) на фундаменте во избежание их опрокидывания или смещения; устойчивость оборудования обеспечивается собственным весом агрегата;
• расчетные (силовые) – воспринимают нагрузки, возникающие при работе агрегата.

Методика расчета фундаментных болтов, которые в профессиональной среде еще называют анкерными, определена специальной инструкцией. Она основана на соблюдении обязательного условия нераскрытия стыка в системе «машина-фундамент» и предусматривает обязательную проверку фундаментных болтов по пределу выносливости.

Существует несколько способов установки фундаментных (анкерных) болтов, наиболее распространенный из них – установка болтов непосредственно в массив фундамента (так называемые, глухие болты). На рисунке ниже изображен соответственно изогнутый болт (ГОСТ 24379.0) и болт с анкерной плитой (ГОСТ 24379.1), при применении которых монтаж агрегата возможен только «сверху». Рекомендованы следующие соотношения между диаметром (d) болта, глубиной (H) его заложения, шагом (c) и расстоянием (l) от края фундамента: для изогнутого фундаментного болта H ˃25d, c ˃ 6d, l ˃3d; для болта с анкерной плитой H ˃15d, c ˃ 10d, l ˃ 6d. Крепление корпуса оборудования к фундаменту с использованием составного болта позволяет выполнить монтаж агрегата, с так называемым, «надвигом», что существенно снижает трудоемкость данного процесса.

Съемный фундаментный болт (шпилька) устанавливают в массив фундамента с изолирующей трубой (H ˃ 15d, c ˃ 10d, l ˃ 6d). Данные болты, как правило, используют для крепления к фундаменту тяжелого технологического оборудования с динамическими нагрузками. При этом конструкция фундамента должна обеспечивать беспрепятственный доступ к болту снизу.

Прямой фундаментный болт устанавливают в просверленную в теле фундамента скважину, закрепляя на эпоксидном клее (H ˃ 10d, c ˃ 5d, l ˃ 5d). Глухой фундаментный болт устанавливают в колодце. Последний применяют лишь в тех случаях, когда установка болта в просверленную в теле фундамента скважину в силу каких-то причин невозможна.

Сосуд представляет собой некую конструкцию с внутренней полостью для ведения различных (химических, тепловых и так далее) технологических процессов, а также для хранения и транспортировки всевозможных (жидких, газообразных) сред.

Аппарат представляет собой сосуд, оснащенный внутренними узлами, устройствами и контрольно-измерительными средствами, основное предназначение, которого – проведение химико-технологических процессов.

При разработке сосуда или оборудования (аппарата) очень важно добиться того, чтобы он был технологичным и надежным в течение всего срока службы. Также необходимо обеспечить безопасность при его изготовлении, установке, эксплуатации и ремонте, предусмотреть возможность осмотра (включая внутреннюю поверхность), очистки, продувки, промывки и ремонта, контроля технического состояния сосуда при проведении диагностики, а также контроля отбора сред и давления.

Все аппараты, в зависимости от расчетного давления и температуры, а также характера рабочей среды классифицируются на несколько групп.

Классификация технологического оборудования (аппаратов)

Любой из аппаратов наряду с присутствием у него специальных устройств, состоит, как правило, из цилиндрического корпуса, днища, крышки, люков, опор, фланцев, штуцеров и строповых устройств.

У стального цилиндрического оборудования (аппаратов), корпуса которых изготавливают из листового проката, базовым принято считать именно внутренний диаметр, который выбирают из следующего ряда (в миллиметрах): 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400 и так далее. Промежуточные диаметры: 450, 550, 650, 1100, 1300, 1500, 1700, 1900 используют исключительно для рубашек оборудования (аппаратов). Что касается стального оборудования (аппаратов), корпуса которых выполняют из металлических труб, то за базовый диаметр у них принято принимать именно внешний диаметр, который выбирают из следующего ряда (в миллиметрах): 133, 159, 168, 219, 273, 325, 377, 426, 480, 530, 630, 720 и так далее.

Каждое из внутренних устройств, которое затрудняет или делает невозможным осмотр других частей и узлов оборудования (аппарата), обязательно должно быть съемным. Рубашки для наружного обогрева или охлаждения допускается делать приварными. Оборудование (аппараты) должны быть оснащены люками-лазами для внутреннего осмотра, расположенными в удобных и легкодоступных местах. Если у оборудования (аппарата) имеются съемные крышки или днища и фланцевые штуцера большого диаметра, то наличие люков-лазов в агрегате не обязательно. Неустойчивое оборудование (аппараты) должны иметь специальные приспособления, не допускающие самопроизвольного опрокидывания.

Чтобы была возможность проводить гидроиспытания, оборудование (аппарат) должен быть оснащен штуцерами для наполнения и слива жидкости, а также для подачи и удаления воздуха. Для данной задачи допускается использование и технических штуцеров. Эти штуцера на вертикальном оборудовании (аппаратах) должны располагаться таким образом, чтобы предоставлялась возможность проводить гидроиспытания в горизонтальном положении агрегата. Во всех глухих внутренних элементах и частях сборочных единиц необходимо предусмотреть дренажные отверстия для полного удаления жидкости, размещая их в самых низкорасположенных местах.

На оборудовании (аппарате) для его подъема и установки должны присутствовать строповые устройства. Для этих же задач допускается использование элементов оборудования (аппарата) (к примеру, уступов, горловин, технических штуцеров и прочих), при условии, что их прочность для этого достаточна (проверяется расчетом).

В оборудовании (аппаратах) все сварные соединения (к примеру, соединения обечаек и труб, днищ и обечаек, люков и штуцеров с корпусом и так далее) должны выполняться с применением стыковой двухсторонней сварки или приварки и быть обязательно доступными для контроля и осмотра. Рекомендуется применять автоматическую электродуговую сварку под слоем флюса. В местах, где опоры присоединяются к оборудованию (аппарату), сварные швы недопустимы. Если все же под опорой без сварного шва не обойтись, то необходимо обеспечить возможность его контроля.

Чтобы избежать перегрева сварных швов и не допустить снижения их качества, нужно выполнить смещение швов относительно друг друга на расстояние a ≥ 3∙s, где s – толщина стенки элемента оборудования (аппарата), но не меньше, чем на 100 миллиметров (см. рис.). Не стоит одним швом соединять сразу несколько деталей оборудования (аппарата).

Отверстия для люков-лазов и штуцеров необходимо выполнять за пределами сварных швов, отступ от них должен составлять b≥ 0,9d (см. рис.). Между двумя соседними отверстиями рекомендуется соблюдать расстояние A ≥ 0.7 (d₁ + d₂), а для днищ штампованных эллиптических – b ≥ d_min(см. рис.).

Люки, штуцера, трубы, трубные решетки, плоские днища и фланцы допускается приваривать угловым, тавровым или стыковым соединением. При сварке плоских днищ, обечаек и фланцев разной толщины следует выполнять плавные переходы от одного элемента к другому, постепенно делая тоньше более толстый элемент (см. рис.). Все сварные швы должны быть доступными для контроля качества, визуального осмотра и устранения в них возможных дефектов.

При создании оборудования (аппаратов) из высоколегированных сталей стоит учитывать достаточно высокую их стоимость и помнить о том, что они требуют сохранения коррозийной стойкости. Рациональнее всего из высоколегированных сталей изготавливать лишь те элементы корпуса, которые будут подвергаться воздействию агрессивных сред, а все остальные детали оборудования (аппарата) лучше выполнять из углеродистых сталей. Высоколегированная сталь и углеродистая являются разнородными сталями, и при их сварке происходит проникновение легирующих компонентов в углеродистый металл, что заметно снижает коррозионную стойкость первой. Поэтому необходимо места стыка разнородных сталей отдалять от мест воздействия агрессивных сред путем введения промежуточных элементов (см. рис.). Во избежание перегрева в процессе сварочных работ, при котором происходит выгорание легирующих компонентов и, как следствие, ухудшение коррозийной стойкости, нужно позаботиться о том, чтобы у свариваемых элементов была одинаковая толщина, причем, сваривать их лучше встык, а сварные швы располагать друг от друга на определенном расстоянии.

Важно также учесть, что физические свойства высоколегированных и углеродистых сталей различны. Так, для аустенитной стали температурный коэффициент линейного расширения примерно в 1,5 раза больше, чем для углеродистой стали, а теплопроводность меньше в 3-4 раза. Ввиду этого могут возникнуть значительные температурные напряжения. Поэтому нередко необходим ввод в конструкцию промежуточных упругих элементов.

Применяемые в промышленности сосуды и оборудование (аппараты), у которых толщина стенки составляет не более 10% от их внутреннего диаметра, принято считать тонкостенными. Эксплуатируются такие сосуды и оборудование (аппараты), как правило, при давлении, не превышающем 10 МПа.

Цилиндрические обечайки – очень важные и ответственные элементы технологического оборудования (аппаратов). Они изготавливаются обычно вальцовкой (гибка металла) из листового проката (чаще всего), труб или же поковок. Из одной, двух или более обечаек, свариваемых встык между собой, получается цилиндрический корпус технологического оборудования (аппаратов) (см. рис.).

В зависимости от поставленных целей проводят проектные и проверочные расчеты на прочность элементов оборудования (аппаратов).

Основной задачей при проведении проектных расчетов является определение тех или иных размеров отдельных элементов и частей агрегатов (толщина днищ, стенок корпусов, трубных решеток, диаметр болтов и так далее). Проектные расчеты обычно выполняют при создании нового оборудования (аппаратов) и машин.

При проведении проверочных расчетов в элементах определяют фактически возникающие напряжения при определенных условиях эксплуатации и сопоставляют их с допускаемыми напряжениями. Проверочные расчеты позволяют проверить возможности использования того или иного оборудования (аппарата) в конкретно взятых условиях.

Нормы и методы расчета на прочность сосудов и оборудования (аппаратов), используемых в нефтеперерабатывающей, химической промышленности и смежных с ними отраслях, которые работают в условиях статистических нагрузок под избыточным наружным или внутренним давлением, вакуумом, под действием поперечного и осевого сжатия, изгибающих моментов или при одновременном действии сразу нескольких этих нагрузок, приведены в ГОСТ Р 52587.1 – 52587.11 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность». Этим стандартом также установлены значения модуля продольной упругости (модуля Юнга), допускаемых напряжений и коэффициентов прочности сварных швов.

При проектировании стальных сварных сосудов и оборудования (аппаратов), а также при их изготовлении, установке, ремонте, модернизации и консервации руководствуются ПБ 03-584-03 «Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и оборудования (аппаратов) стальных сварных» и ГОСТ Р 52630 – 2012 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия». Указанные документы распространяются на создаваемые, вновь изготавливаемые и модернизированные стальные сварные сосуды и оборудование (аппараты), которые работают под давлением не более 16 МПа (160 кгс/см²), вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па (5 миллиметров ртутного столба), внутренним давлением 0,07 МПа (0,7 кгс/ см²) и менее (под налив) и при температуре стенки не ниже минус 70 градусов по Цельсию, а также на действующие сосуды и оборудования (аппараты), которые эксплуатируются на опасных производствах.

Отклонения диаметра (наружного и внутреннего) обечаек и любых других элементов оборудования (аппаратов), которые изготовлены из металлических листов и поковок, не должны превышать ±1% от номинального наружного диаметра. При этом относительная овальность (a) в любом поперечном сечении не должна превышать 1%. Величину относительной овальности определяют по следующим формулам:

в сечении, где нет штуцеров и люков:

a = [(2∙(D_max-D_min)) / (D_max+D_min)]∙100%

в сечении, где присутствуют штуцера и люки:

a = [(2∙(D_max-D_min-0,02d)) / (D_max+D_min)]∙100%,

где
D_max – наибольший наружный (внутренний) диаметр сосуда или оборудования (аппарата),
D_min – наименьший наружный (внутренний) диаметр, измеряются в метрах;
d – диаметр (внутренний) штуцера, измеряется в метрах.

Для тех элементов сосудов и оборудования (аппаратов), которые работают под наружным давлением или вакуумом, относительная овальность не должна превышать 0,5%, а для тех, что работают без давления, то есть под налив – не должна превышать 2%.

Расчет на прочность следует выполнять для всех возможных состояний технологических оборудования (аппаратов), возникающих во время их транспортировки, установки, испытаний и эксплуатации. При этом необходимо учитывать абсолютно все нагрузки и все внешние факторы (температуру, контакт с различными коррозионными средами и так далее), которые могут повлиять на прочность, и учитывать возможность их одновременного воздействия. Так, нужно обязательно следующие факторы: рабочие и климатические температуры; внешнее или внутреннее давление; статистическое давление в условиях работы и испытаний; нагрузки от веса сосуда и содержимого в оборудовании (аппарате); инерционные нагрузки при колебаниях, движении и остановках; нагрузки от ветровых и сейсмических воздействий; нагрузки, вызванные появлением температурных деформаций; реактивные усилия, передаваемые от креплений, опор и трубопроводов; усталость при разных нагрузках; эрозию, коррозию и так далее.

Для определения физико-механических характеристик (прочности, твердости, гибкости, выносливости и так далее) конструкционных материалов и допускаемых напряжений используют расчетную температуру, которую находят либо на основании теплотехнических расчетов, либо беря за основу результаты испытаний, либо же исходя из опыта эксплуатации точно таких же сосудов. За расчетную температуру стенки сосуда (аппарата) берут максимальное значение температуры стенки. При температуре стенки ниже 20 градусов по Цельсию за расчетную температуру для определения допускаемых напряжений берут температуру 20 градусов по Цельсию. В случаях, когда тепловые расчеты или же необходимые измерения провести просто невозможно, за расчетную температуру следует брать максимальную температуру соприкасающейся со стенкой среды, но она должна быть не ниже 20 градусов по Цельсию.

Под понятием рабочее давление для сосуда (аппарата) P_p принято понимать избыточное максимальное наружное или внутреннее давление, которое появляется в ходе нормального рабочего процесса, при этом гидростатическое давление среды и возможное кратковременное повышение давления в момент работы предохранительного устройства (клапана или иного) не учитывается.

Под расчетным давлением в рабочих условиях p следует понимать давление, на которое делают расчет на прочность тех или иных элементов сосудов и оборудования (аппаратов). Расчетное давление для элементов принимают обычно равным рабочему давлению для сосуда (аппарата) или же выше. При этом важно, чтобы расчетное давление учитывало внешнее или внутреннее давление; гидростатическое давление от находящейся в сосуде среды; инерционные нагрузки, возникающие при движении, колебании или сейсмическом воздействии, а также непостоянность перерабатываемых сред и самого технологического процесса.

Если сосуд или подводящий к нему трубопровод оснащен специальным ограничивающим давление устройством, которое не позволяет превышать максимально допустимое рабочее давление, то, определяя расчетное давление, кратковременное превышение рабочего давления в пределах 10 процентов не учитывают.

Для тех элементов, которые разделяют зоны с разными давлениями (к примеру, элементы оборудования (аппаратов) с обогревающими рубашками), за расчетное давление может быть принято каждое давление по отдельности, или же давление, требующее большей толщины стенки рассчитываемого элемента. В тех случаях, когда происходит одновременное действие давлений, разрешается выполнять расчет на разность давлений. За расчетное давление может быть принята разность давлений и тех элементов оборудования (аппарата), которые отделяют зоны с внутренним избыточным давлением от зон с абсолютным давлением, меньшим, чем атмосферное. Когда нет точных данных о разности между абсолютным и атмосферным давлением, то первое из них следует принимать равным нулю.

После изготовления все сосуды и оборудование (аппараты) обязательно должны пройти гидравлическое (или пневматическое) испытание, которое проводится с целью проверить их на прочность и герметичность. При испытаниях сосудов и оборудования (аппаратов) возникает избыточное давление, которое принято называть пробным давлением P_пр. То же давление, которому подвергаются сосуды и оборудование (аппараты) при пробном испытании, включая и гидростатическое давление (при условии, что оно составляет 5% или более от пробного давления), принято называть расчетным давлением в условиях испытаний. В соответствии с утвержденным ГОСТ Р 52630 гидравлическое испытание сосудов и оборудования (аппаратов) должно проводиться при величине пробного давления равной:

P_пр = 1,25p·([σ]₂₀/[σ]_t),

где [σ]₂₀, [σ]_t – допускаемые напряжения для материала сосуда (аппарата) и его элементов при температуре соответственно 20 градусов по Цельсию и расчетной температуре, измеряется в МПа.

Испытание (гидравлическое) тех элементов оборудования (аппаратов), которые были произведены методом литья, следует проводить пробным давлением:

P_пр = 1,5p·([σ]₂₀/[σ]_t).

Под расчетным пробным давлением в условиях испытаний для элементов сосудов (аппаратов) надо принимать то давление, которому они подвергаются при пробном испытании, включая также гидростатическое давление.

Для проведения обязательных гидравлических испытаний, как правило, используют воду, температура которой может варьироваться в пределах от 5 до 40 градусов по Цельсию. Сосуд с толщиной стенки до 50 миллиметров, должен находиться под пробным давлением не менее 10 минут, сосуд с толщиной стенки от 50 до 100 миллиметров – не менее 20 минут. Тот же сосуд, у которого толщина стенки составляет более 100 миллиметров, должен быть под пробным давлением не менее чем полчаса.

Величину расчетного пробного давления для того оборудования (аппаратов), которое работает под вакуумом, следует принимать равной 0,1 МПа.

Под условным (номинальным) давлением P_у принято понимать избыточное рабочее давление в оборудовании (аппаратах) при расчетной температуре 20 градусов по Цельсию (гидростатическое давление при этом не учитывается). ГОСТом 9493 рекомендован следующий ряд номинальных давлений, в МПа: 0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10,0; 16,0 и 20,0.

За расчетные усилия и моменты обычно принимают действующие при определенных состояниях нагружения (к примеру, при установке, проведении испытаний или эксплуатации) усилия и моменты, которые появляются в результате действия таких факторов, как собственный вес оборудования (аппарата), местные нагрузки от присоединенных трубопроводов, ветровые, сейсмические, снеговые, локальные и другие виды нагрузок. Расчетные усилия и моменты от таких нагрузок, как ветровые и сейсмические, обычно определяют по утвержденному ГОСТ Р 51273.

При расчете по предельным нагрузкам сосудов и оборудования (аппаратов), которые эксплуатируются при однократных статистических нагрузках, допускаемое напряжение [σ] определяют следующим образом:

для низколегированных, углеродистых, мартенситных, аустенитно-ферритных, ферритных сталей и сплавов на основе железа и никеля:

[σ] = η∙min⁡{(R_T или R_T0,2)/n_T; R_B/n_B; R_∂10^ч/n_Д; R_1%10^ч/n_П};

для аустенитной хромоникелевой стали, меди, алюминия и их сплавов сталей:

[σ] = η∙min⁡{R_T1,0/n_T; R_B/n_B; R_∂10^ч)/n_Д; R_1%10^ч/n_П},

где η – поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям (как правило, он принимается равным 1, кроме стальных отливок, для которых принимают либо значение 0,8 – для отливок при индивидуальном контроле неразрушающими методами, либо значение 0,7 – для всех остальных отливок);
R_T – наименьшее значение предела текучести при расчетной температуре, измеряется в МПа;
R_T0,2 и R_T1,0 – наименьшее значение условного предела текучести (при нем остаточное удлинение составляет 0,2 и 1 процент соответственно) при расчетной температуре, измеряется в МПа;
R_B – наименьшее значение временного сопротивления при расчетной температуре, измеряется в МПа;
R_∂10^ч – значение (среднее) длительной прочности за 10^ч часов при расчетной температуре, измеряется в МПа;
R_1%10^ч – средний однопроцентный предел ползучести за 10^ч при расчетной температуре, измеряется в МПа.

Если данных по пределу длительной прочности нет или по условиям эксплуатации требуется ограничивать деформацию (перемещения), то для определения допускаемого напряжения [σ] следует использовать предел ползучести.

Если нет данных об условном пределе текучести при однопроцентном остаточном удлинении, то следует использовать значение условного предела текучести при 0,2 процентном остаточном удлинении.

Для титановых сплавов, а также для меди, алюминия и их сплавов при отсутствии у них данных о пределе текучести и длительной прочности, допускаемые напряжения находят по следующей формуле:

[σ] = {R_B/n_B}.

Для испытания сосудов из таких сталей как: низколегированная, углеродистая, мартенситная, ферритная и аустенитно-ферритная, а также сплавов на основе железа и никеля, допускаемое напряжение находят по следующей формуле:

[σ]₂₀ = η∙{(R_T20 или R_T0,2/20)/n_T},

для тех же сосудов, что выполнены из аустенитных сталей, меди, алюминия и их сплавов, по такой формуле:

[σ]₂₀ = η∙{(R_T0.2/20 или R_T1,0/20)/n_T}.

для титановых сплавов, а также для меди, алюминия и их сплавов при отсутствии у них данных о пределе текучести и длительной прочности, допускаемое напряжение для условий испытаний находят по следующей формуле:

[σ]₂₀ = {R_B/20/n_B}.

Коэффициенты запаса прочности должны соответствовать тем значениям, что указаны в таблице.

Таблица "Значения коэффициентов запаса прочности"

Если сосуды и оборудование (аппараты) при работе испытывают многократные статистические нагрузки, но число циклов нагружения от стесненности температурных деформаций, давления или иных воздействий на них составляет не более 10³, то такую нагрузку в расчетах на прочность условно принято считать однократной. При определении количества циклов нагружения в данном случае колебание нагрузки в пределах 15% от расчетной нагрузки просто не учитывают.

Стальные сосуды и оборудование (аппараты), которые при работе испытывают многократные статистические нагрузки и количество циклов нагружения от стесненности температурных деформаций, давления или иных воздействий на них составляет более 10³, необходимо в течение всего срока службы проверять на малоцикловую усталость в соответствии с утвержденным ГОСТ Р 52857.6.

Проводить расчет на прочность конических элементов, цилиндрических обечаек, плоских и выпуклых днищ для условий испытаний не нужно, если в условиях испытаний расчетное давление будет ниже расчетного давления в рабочих условиях, умноженное на 1,35·[σ]₂₀/[σ].

При выполнении расчета на прочность сварных элементов сосудов (аппаратов) в расчетные выражения следует добавлять коэффициент прочности сварных швов φ. Данный коэффициент характеризует прочность сварного шва по отношению к прочности свариваемого металла. Коэффициент прочности сварных швов имеет различную величину, которая зависит, прежде всего, от способа сварки и вида сварного шва, его нахождения и отношения длины контролируемых швов к общей их длине. К примеру, для таврового шва с двухсторонним сплошным проваром, который был выполнен вручную, при 100 процентном контроле шва φ равен 1,0, а при 50 процентном контроле – равен 0,9; для стыкового шва, выполненного вручную с одной стороны при точно таких же условиях контроля φ равен 0,9 и 0,65 соответственно.

Таблица "Коэффициенты прочности сварных швов для стальных сосудов и оборудования (аппаратов)"

Для бесшовных стальных элементов сосудов (аппаратов) φ равен 1.

При выполнении расчета сосудов и оборудования (аппаратов) нужно обязательно учитывать прибавку c к расчетным толщинам их элементов. Исполнительную толщину s стенки элемента сосуда и оборудования (аппарата) определяют по следующей формуле:

s ≥ s_p+c, (формула 1)

где s_p – расчетная толщина стенки сосуда (аппарата), измеряется в м.

Прибавку к расчетным толщинам элементов определяют по такой формуле:

c = c₁ + c₂ + c₃,

где c₁ – прибавка к расчетным толщинам для компенсации эрозии и коррозии, измеряется в м;
c₂ – прибавка к расчетным толщинам на минусовой допуск, измеряется в м;
c₃ – технологическая прибавка к расчетным толщинам для компенсации утонения стенки при штамповке, гибке, вытяжке и иных технологических операциях, измеряется в м.

Прибавку к расчетным толщинам элементов сосудов и оборудования (аппаратов) для компенсации эрозии и коррозии определяют по следующей формуле:

c₁ = П∙ τ_л+ c_э,

где П – проницаемость среды в металл (скорость коррозии), измеряется в м/год;
τ_л – расчетный срок службы оборудования (аппарата), измеряется в годах;
c_э – прибавка к расчетным толщинам элементов для компенсации эрозии, измеряется в м.

Прибавку к расчетным толщинам элементов для компенсации эрозии c_э учитывают лишь в случаях, если среда в оборудовании (аппарате) движется с довольно значительными скоростями (жидкая более 20 метров в секунду, газообразная – более 100 метров в секунду), если в движущейся среде присутствуют абразивные частицы или же среда оказывает на элемент ударное воздействие.

Для определения проницаемости П используют справочные данные или руководствуются данными, взятыми из экспериментальных исследований. Для изготовления технологического оборудования обычно используют материалы, скорость коррозии которых меньше или равна 0,1 метра в год (П ≤ 0,1 м/год). При проницаемости П ≤ 0,05∙10^-3 м/год рекомендуется принимать c₁ равное 1∙10^-3, а в случае отсутствия данных о проницаемости используемых материалов, следует c₁ принимать равное 2∙10^-3. Если элементы сосудов и оборудования (аппаратов) контактируют с эрозионной или коррозионной средой с двух сторон, то прибавку к их расчетным толщинам для компенсации данных сред следует соответственно увеличить. Прибавку на минусовое значение предельного отклонения по толщине стального листа c₂, из которого был изготовлен элемент, следует принимать по соответствующему стандарту на сортамент.

Прибавка на минусовый допуск c₂ и технологическая прибавка c₃, которая компенсирует утонения стенки сосуда (аппарата) при штамповке, гибке, вытяжке и иных технологических операциях, учитываются лишь в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5% номинальной толщины стального листа.

При выполнении расчета эллиптических днищ, которые изготавливаются методом штамповки, прибавку на минусовый допуск c₂ не учитывают, если ее значение не превышает 15% исполнительной толщины листа. Исполнительную толщину стенки, которую определяют с помощью расчетной формулы 1, обычно округляют в большую сторону до ближайшей стандартной толщины стального листа.

Станина – это основная, обычно неподвижная часть агрегата на фундаменте, которая обеспечивает взаимное расположение, крепление и перемещение рабочих деталей, механизмов и узлов. Как правило, станину создают в виде корпуса (оболочка из металла) или же рамы (конструкция из брусьев). Во время работы оборудования станине от рабочих органов передаются действующие на них усилия технологического сопротивления, в самой станине в это время происходит замыкание силовой нагрузки, что же касается фундамента машины или оборудования (аппарата), то ему передаются лишь силы тяжести и инерции.

Корпуса агрегатов, как правило, имеют сложную форму и состоят из множества, связанных между собой, частей и элементов (ребра, стенки, фланцы, бобышки и так далее). Корпуса небольших машин или оборудования (аппаратов) изготавливают методом сварки или литья, что же касается крупного оборудования, то его корпуса и рамы делают, как правило, составными.

На этапе конструирования корпусных деталей очень важно обеспечить жесткость системе, а при создании составных корпусов – обеспечить взаимное центрирование элементов и прочность крепежных соединений (болтов).

Литые корпусные детали

Такие детали лучше всего использовать для серийно выпускаемого оборудования. Выбор материала для изготовления литых корпусных деталей зависит, прежде всего, от того, какие нагрузки они будут испытывать. Так, детали, подверженные статической сжимающей нагрузке, выполняют обычно из серого чугуна, а те, на которые воздействуют растягивающие или циклически меняющиеся нагрузки – из углеродистой конструкционной стали, высокопрочных чугунов. Если требуется ограничить массу агрегата, то используют легкие сплавы, основу которых составляет алюминий. При создании литых корпусных деталей очень важно учитывать такие аспекты, как особенности используемой технологии литья и последующую механическую обработку.

Необходимо, чтобы у литой корпусной детали толщина стенки была постоянной и минимальной, однако она должна быть достаточной для надлежащего заполнения ее формы жидким металлом. Рекомендуемая толщина δ (измеряется в мм) стенки детали тесно связана с габаритом N (измеряется в м) корпуса соотношением:

N = (2L+B+H)/3

Где, L – длина, B – ширина, а H – высота корпуса (измеряются в м).

Для отливок из чугуна выбор значения толщины (δ) делают в зависимости от габаритов корпуса (N).

Те участки деталей, для которых необходимы повышенные прочность и жесткость, укрепляют ребрами. В местах взаимного пересечения стенок во избежание появления остаточных напряжений лучше осуществлять конструкцию элемента корпуса по примеру, изображенному на рисунке (вид а). Стенки корпусных деталей, которые пересекаются под острым углом, нужно соединять по схеме, изображенной на рисунке (вид б), где r = 0,5δ; R = 1,5δ.

В местах, где расположены бобышки, фланцы, крышки, платики довольно часто возникает необходимость утолщать стенки корпуса; при отношении толщин δ₁/δ₂ ≥ 2 переход одного сечения в другое необходимо выполнять плавно; рекомендовано принимать (рисунок, виды д и е) h ≥ (δ₁ – δ₂); δ₃ = 1,5δ₂; R₁ = 0,5δ₂; R = 1,5δ₂. В некоторых случаях бобышки и фланцы требуют усиления ребрами жесткости. Тогда толщину внутренних ребер жесткости принимают 0,7δ, а наружных – 0,8δ.

Конструктивные уклоны, равно, как и технологические, необходимо выполнять в направлении извлечения модели из литейной формы. Корпусная деталь должна иметь конфигурацию, способную обеспечивать беспрепятственное вытеснение воздуха из полости формы при заполнении ее жидким металлом.

Конструируя литые корпусные детали коробчатой формы с внутренними полостями необходимо предусмотреть окна и отверстия максимального размера в достаточном количестве для того, чтобы обеспечить точность установки и устойчивость стержней в литейной форме, а затем и легкую их выемку из отливки. Внутренние стенки корпуса, как правило, тоньше наружных на 20-ть процентов. Наружные отверстия в стенках, диаметр которых составляет более 50-ти миллиметров, нужно укреплять небольшим выступом – буртиком. Для того чтобы можно было отличить обработанную поверхность корпуса от «черной», то есть необработанной, необходимо выполнить преднамеренные специальные уступы – платики (рисунок виды в и г). Высота платика (своеобразного наплыва) обычно составляет от 3 до 6 миллиметров, что же касается его основания, то его размеры должны быть на 3-5 миллиметров больше, чем размер опорной поверхности присоединяемой детали. Это позволяет избежать смещения платика при отливке.

При конструировании литых корпусных деталей желательно не допускать заметно выступающих частей на их вертикальных внутренних и наружных стенках, так как они значительно усложняют как саму конструкцию, так и процесс формовки. Элементы деталей лучше выполнять таким образом, чтобы отъемных частей на модели не было. Если сопоставить конструкцию платика, изображенную на рисунках (вид в) с той, что показана на рисунке (вид г), то выяснится, что первая более технологична, чем вторая.

В единичном и мелкосерийном производствах последовательную обработку плоскостей корпусных деталей выполняют на фрезерных или строгальных станках, а всевозможные отверстия – на сверлильно-расточных станках, либо координатно-расточных. Те отверстия, что находятся на одной оси, лучше выполнять одного диаметра. Резьбу, диаметр которой более 60-ти миллиметров, в крепежных отверстиях нарезают твердосплавным резцом. В корпусных деталях нарезать резьбу большего диаметра не рекомендуется.

Чтобы избежать поломки сверл во время сверления отверстий, необходимо, чтобы поверхность детали, с которой соприкасается сверло на входе и выходе сверления, было строго перпендикулярно оси сверла. Гладкие отверстия, равно, как и резьбовые, для удобства сверления рекомендуется выполнять сквозными. У гладких отверстий длина должна быть как можно наименьшей, не желательно, чтобы она превышала величину трех диаметров.

При отливке корпусов из стали, толщина их стенок получается примерно на треть больше, чем при отливке из чугуна, что обусловлено меньшей жидкотекучестью сплава.

Сварные корпусные детали

Корпуса, рамы и станины в единичном и мелкосерийном производстве целесообразно с экономической точки зрения выполнять именно сварными. Заготовкой для их изготовления может служить как сортовой прокатный металл (профильный, листовой, трубы), так и штамповки, отливки и детали, полученные путем свободной ковки из стали. У сварного корпуса толщина стенки составляет в среднем 0,7 толщины стенки чугунного литья.

Конструктор, учитывая требования к точности размеров, сам принимает решение, какие поверхности корпуса после его сварки будут подвержены механической обработке. К примеру, при выполнении втулки из сортового металла (см. рисунок), наружный ее диаметр принят равным 55-ти миллиметрам. Согласно сортаменту на горячекатаную круглую сталь по государственному стандарту 2590 ближайшими значениями являются 53 и 56 миллиметров. По всей вероятности, для наружного диаметра втулки надо выбрать какое-то одно из значений, прописанных в ГОСТе, однако если наружный диаметр 55 миллиметров был выбран не случайно, а в силу каких-то существенных причин, то в данном случае механическую обработку надо будет выполнить до сварочных работ. Что касается другого отверстия во втулке, диаметр которого составляет 28 миллиметров, то оно должно быть проделано уже после сварки, если к положению его оси предъявлены особые требования. Конструктор в подобных случаях должен на рабочих чертежах деталей указать размеры с припусками и допусками на механическую обработку, а на сборочном чертеже сделать соответствующие указания.

У косынок и ребер не должно быть острых углов (см. рисунок). Элементы сварных деталей из сортового проката по возможности должны иметь наиболее простую конфигурацию; очертания всех элементов, изготовленных из листового материала, должны быть ограничены прямыми линиями (см. рисунок), криволинейные контуры допустимы лишь тогда, когда они обусловлены конструктивными требованиями и соображениями.

Такие элементы сварных корпусов, как люки, крышки и тому подобное, которые не несут никаких нагрузок, а служат лишь для защиты внутренней полости корпуса от попадания внутрь загрязнений, обычно изготавливают из стальных листов толщиной от 1 до 3 миллиметров и оснащают прокладкой. При серийном производстве крышки выполняют из пластмассы, усиливая ее ребрами жесткости.

Составные корпуса

В случаях, когда машина имеет достаточно внушительные габариты или требуется облегчить монтаж привода, рабочих органов или других систем агрегата, корпус допускается делать составным, соединяя все отдельные части между собой с помощью болтов или стяжных шпилек.

Для такой операции сборки, как центрирование, которое заключается в выверке соосности соединяемых деталей с осью основной поверхности, применяют специально предназначенные для этого центрирующие бурты или штифты. Чтобы повысить точность центрирования и уменьшить влияние температурных деформаций, желательно для центрирования применять минимальный диаметр, который только допускает конкретно взятая конструкция. Центрирование деталей рекомендуется проводить только по одной поверхности, пригонку одновременно по двум поверхностям лучше избегать, так как при этом требуется очень высокая точность исполнения соответствующих элементов и центрирование резьбой. Центрирование деталей коническим буртом гарантирует правильную посадку одной детали в другую, обеспечивает полную затяжку и герметичность соединения. При назначении посадки одной детали в другую обязательно учитывают температурный режим работы соединения, ведь при нагревании изначальные размеры могут измениться, причем, довольно сильно, особенно в случае, когда конструкционные материалы, из которых изготовлены охватываемая и охватывающая деталь, имеют различные значения температурного коэффициента линейного расширения. Так, если охватывающая деталь при нагревании расширяется несколько больше, чем охватываемая, следует назначить более тугие посадки, а если наоборот – более свободные. Чтобы получилась правильная посадка одной детали в другую, обязательно выполняют тепловой расчет соединения.

На практике принимают высоту буртика H = 0,5·√D, где D – диаметр центрирующей поверхности, измеряется в миллиметрах (мм).

Центрирование установочными цилиндрическими штифтами выполняют следующим образом: стержни, выполненные из стали (иногда из другого материала), запрессовывают в одну из деталей, после чего соединяют с другой деталью по скользящей посадке. Для повышения точности центрирования необходимо увеличить расстояние между самими штифтами.

Чтобы рассчитать устойчивость, прочность и жесткость корпусных элементов нужно выполнить переход от реальной конструкции к расчетной схеме, то есть выявить наиболее существенные особенности конкретно рассматриваемого объекта и, опустив все второстепенные обстоятельства, схематизировать его. Однако такой анализ иногда вызывает некоторые трудности в виду того, что не всегда можно сразу безошибочно оценить влияние того или иного фактора, в результате чего заранее можно предложить не одну, а сразу несколько расчетных схем. Кроме того, неоднозначность выбора расчетной схемы еще тесно связана и с тем, какую именно решают задачу – расчет на устойчивость, прочность или же жесткость. К примеру, выполняя расчет на прочность такого оборудования, как многоопорная барабанная машина, корпус этого агрегата для удобства расчета можно рассматривать как многопролетную балку с кольцевым сечением, однако такая расчетная схема не позволяет оценить возможность потери устойчивости цилиндрической оболочки при воздействии на нее сосредоточенных нагрузок.

Большинство конструкционных материалов – это сплошная, однородная изотопная среда. Такие материалы обычно работают в области упругих, а иногда и пластических деформаций.

Конструкцию корпусных элементов, как правило, представляют в виде двух вариаций – либо как оболочку, либо же, как стержневую систему. Действующие нагрузки, которые приложены к конструкции, обычно являются распределенными по некоторым поверхностям.

Их на расчетной схеме наиболее часто изображают в виде сосредоточенных сил, что позволяет сделать расчеты наиболее простыми. Однако всегда нужно оценивать влияние принятых допущений на результат расчетов.

При определении расчетной толщины стенки обечайки, нагруженной данным усилием, используют следующую формулу:

s_R = F/(πD[σ]φ_T)

где
F – осевое растягивающее усилие, измеряется в МН;
φ_T – коэффициент прочности кольцевого сварочного шва.

Для определения исполнительной толщины стенки обечайки, нагруженной осевым растягивающим усилием, используют следующую формулу:

[F] = π(D+s-c)(s-c)[σ] φ_T

Обечайки, нагруженные осевым сжимающим усилием. Действие осевого сжимающего усилия может тоже привести тому, что обечайка потеряет устойчивость. Однако при этом характер деформаций будет несколько иной – вдоль стенки обечайки появятся волны, нарушая тем самым ее прямолинейность.

Для расчета осевого сжимающего усилия применяют следующую формулу:

[F] = [F]_p / √(1+ ([F]_p/[F]_E)²) (формула 2)

где допускаемое осевое сжимающее усилие, определяемое из условия прочности:

[F]_p = π(D+s-c)(s-c)[σ]  (формула 3)

а допускаемое осевое сжимающее усилие в пределах упругости, определяемое из условия устойчивости:

[F]_E = min⁡{[F]_E1; [F]_E2}  (формула 4)

Допускаемое осевое сжимающее усилие [F]_E1 вычисляют из условия местной устойчивости в пределах упругости по следующей формуле:

[F]_E1 = (31,0∙10^-5E)/n_у · D² · [100(s-c) / D]^2,5

а допускаемое осевое сжимающее усилие [F]_E2 определяют из условия общей устойчивости в пределах упругости по формуле:

[F]_E2 = [π(D+s-c)(s-c)E/n_у] · (π/λ)²

где λ – гибкость, которую определяют по следующему уравнению:

λ = (2,83∙l_пр) / (D+s-c)

где l_пр – приведенная расчетная длина. Ее следует принимать в соответствии с данными расчетной схемы, изображенной на рисунке ниже.

Расчетные формулы, которые приведены выше, можно применять лишь при l/D≥10. Если же l/D будет меньше 10, то формула 4 примет следующий вид: [F]_E= [F]_E1.

Для рабочих условий n_у = 2,4 определить допускаемое сжимающее усилие можно по следующей формуле:

[F]_p = π(D+s-c)(s-c)[σ] min(φ₁; φ₂).

Определяются коэффициенты φ₁ и φ₂ с помощью специальных графиков.

Обечайки, нагруженные изгибающим моментом.

Для определения допускаемого изгибающего момента [M] следует использовать следующую формулу:

[M] = [M]_p / √(1 + ([M]_p/[M]_E)²)  (формула 5)

где допускаемый изгибающий момент [M]_p определяемый из условия прочности

[M]_p = (π/4)·D·(D+s-c)[σ]

а допускаемый изгибающий момент [M]_E, определяемый из условия устойчивости в пределах упругости

[M]_E = [(8,9∙10^-5)E)/n_у] · D³ · [100(s-c)/D]^2,5.

Для рабочих условий (n_у = 2,4) определить допускаемый сжимающий момент [M] можно по следующей формуле:

[M] = [π/2]·D·(D+s-c)·(s-c)·[σ]·φ₃.

Определить коэффициент φ₃ можно с помощью специального графика из справочной литературы.

Обечайки, нагруженные поперечным усилием. Для определения допускаемого поперечного усилия [Q] следует использовать следующую формулу:

[Q] = [Q]_p / √1 + ([Q]_p/[Q]_E)²  (формула 6)

где допускаемое поперечное усилие [Q]_p, определяемое из условия прочности

[Q]_p = 0,25[σ]πD(s-c)

а допускаемое поперечное усилие [Q]_E, определяемое из условия устойчивости в пределах упругости

[Q]_E = [(2,4E(s-c)²)/n_у] · [0,18+3,3D(s-c)/l²]

В некоторых случаях, чтобы обеспечить устойчивость и одновременно увеличить прочность обечайки рациональнее не увеличивать толщину ее стенки, а просто подкрепить данный элемент кольцами жесткости. Это позволяет несколько снизить вес оборудования (аппарата) и, соответственно, уменьшить его стоимость.

Кольца жесткости изготавливают обычно из профильного проката (швеллер, прямоугольный профиль, уголок) в виде бандажей, которые затем устанавливают с наружной или внутренней стороны обечайки. Рациональнее всего устанавливать кольца с той стороны элемента, которая в меньшей степени будет подвергаться коррозийному износу. Кольца жесткости приваривают к одной из сторон обечайки, выполняя прерывистый шов с каждой стороны кольца так, чтобы в итоге общая длина каждого сварного шва составила не менее половины длины наружной окружности кольца.

Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные внутренним избыточным давлением. Чтобы определить необходимость укрепления обечайки оборудования (аппарата) кольцами жесткости используют специальный коэффициент:

K₄ = {[p(D+s-c)] / [2[σ]φ_p(s-c)]} - 1

Если данный коэффициент K₄ меньше или равен нулю, то кольцами жесткости укреплять обечайку не требуется. В таком диапазоне, как 0 < K₄ < 2φ_T/φ_p - 1 расстояние между одним кольцом жесткости и другим определяют по следующей формуле:

b ≤ √D[s-c] · [2/K₄ - (φ_p/φ_T)(1 + 1/K₄)]

где площадь поперечного сечения кольца

A_k ≥ l₁(s-c) · ([σ]φ_p/[σ]_Kφ_K) · K₄

тут φ_K – допускаемое напряжение металла кольца жесткости, измеряется в МПа;
[σ]_K – коэффициент прочности сварного шва обечайки и кольца жесткости.

При вычислении площади поперечного сечения кольца жесткости A_k необходимо еще учесть прибавку c₁ для компенсации коррозии. Высоту кольца жесткости нужно выбирать с учетом обязательного выполнения следующего требования: h₂/D ≤ 0. Иногда кольца жесткости устанавливают на обечайки неравномерно. В таких случаях значения b и l₁ следует подставлять для участка, имеющего максимальное расстояние между соседними кольцами (если l₂ больше l₁, то в качестве расчетной длины нужно принимать l₂).

В тех случаях, когда K₄ > 2φ_T/φ_p, толщину стенки обечайки необходимо увеличить до такого размера, чтобы было выполнено следующее условие: 0 < K₄ < 2φ_T/φ_p - 1

Допускаемое внутреннее избыточное давление определяют из следующего условия:

[p] = min {[p]₁;[p]₂}

где допускаемое внутреннее давление из условий прочности всей обечайки:

[p]₁ = [2[σ]φ(s-c) + 2(A_k/l₁)[σ]_kφ_k] / [D + (s-c)]   (формула 7)

а допускаемое внутреннее избыточное давление, определяемое из условий прочности обечайки между двумя, расположенными по соседству, кольцами жесткости:

[p]₂ = {[2[σ]φ_T(s-c)] / [D + (s-c)]} · {[2 + λ_п²] / [1 + (φ_T/φ_p)λ_п²]}

Где λ_п² = b²/D(s-c)

Для повышения прочности всей обечайки рекомендуется увеличивать площадь поперечного сечения колец жесткости. А для повышения прочности обечайки между двумя кольцами необходимо уменьшить расстояние между этими кольцами.

Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные наружным давлением. Для определения допускаемого наружного давление используют следующее условие:

[p] = min {[p]₁;[p]₂}

Расчет допускаемого наружного давления, которое определяется из условий устойчивости всей обечайки, выполняют по следующей зависимости:

[p]₁ = [p]_1p / √1 + ([p]_1p/[p]_1E)²

где [p]_1p – допускаемое наружное давление соответствует величине [p]₁, которую рассчитывают по формуле 7 при значениях коэффициентов φ_T и φ_p равных 1, а [p]_1E –допускаемое наружное давление, определяемое из условий устойчивости в пределах упругости, вычисляют, используя такую зависимость:

[p]_1E = [2.8·10^-5·E / k·B₂·n_y] · [D/l] · [100·(s-c)/D]^2.5

где B₂ = min {1.0; 9.45·D/l·√[D/(100·k·(s-c))]}

k – коэффициент жесткости обечайки, подкрепленной кольцами жесткости, рассчитывают по следующему уравнению:

k = √10,9I / l₁(s-c)²

где I – эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца жесткости, который равен

I = I_k + [l₁(s-c)³]/[10,9] + e²[A_kl_c(c-s)]/[A_k+l_c(c-s)]

где l_k – момент инерции кольца жесткости относительно центральной оси x – x, измеряется в м⁴;
e – расстояние между центром тяжести поперечного сечения кольца жесткости и поверхностью обечайки, что находится посередине, измеряется в м;
l = min{l; i+1,1√D(s-c)} – эффективная длина стенки обечайки, которая учитывается при определении эффективного момента инерции, измеряется в м;
i – ширина поперечного сечения кольца жесткости в месте его приварки к обечайке, измеряется в м.

Допускаемое наружное давление, которое определяют из условий устойчивости обечайки между двумя кольцами жесткости [p]₂, соответствует тому давлению [p], что определяется расчетной формулой при условии l = max {b; l₁ - i/2}

Химическое промышленное оборудование