автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Расчет и конструирование цилиндрических корпусов, укрепленных кольцами жесткости

На правах рукописи

НЕКАЛИН ЗАХАР ЕВГЕНЬЕВИЧ

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОРПУСОВ, УКРЕПЛЕННЫХ КОЛЬЦАМИ ЖЕСТКОСТИ

Специальность: 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

Санкт-Петербург 2013

005058563

Работа выполнена на кафедре машин и аппаратов химических производств федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (Университет машиностроения)»

Научный руководитель: Лагуткин Михаил Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры машин и аппаратов химических производств федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (Университет машиностроения)

Официальные оппоненты: Мильченко Алексей Иванович,

доктор технических наук, профессор, консультант дирекции научно-технических исследований ЗАО «Полиметалл Инжиниринг»

Кутепов Станислав Михайлович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель генерального директора ООО «НТП ЦЕНТРХИММАШ»

Ведущая организация: ООО «Гипрохим» (г. Москва)

Защита состоится 11 июня 2013 г. в 16.00 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.06 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) по адресу: 190013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 26, ауд. 62.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)».

Замечания и отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Справки по тел.: (812) 494-93-75; факс: (812) 712-77-91; e-mail: dissowet@technolog.edu.ru

Автореферат разослан « » (ХІЦЧ J-jl 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.230.06, . j

кандидат физико-математических наук, доцент А}/—' о—^ Ю.Г. Чесноков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное развитие экономики России и других стран, ставит перед машиностроением задачу эффективного использования основных фондов изготовления различных технических устройств (машин, агрегатов, оборудования, аппаратов, сосудов и т.п.). Рынок жестко регулирует отношение между потребителем и производителем, заставляя последних, как можно больше сокращать себестоимость производимой продукции.

Основной для уменьшения себестоимости при проектировании, изготовлении и реконструкции технических устройств в химической, нефтяной и газовой промышленностях является снижение металлоемкости. Наиболее металлоемкими в этих областях являются: емкостное оборудование для транспортировки и хранения веществ - резервуары, различные сосуду и цистерны, газгольдеры, оборудование для крупнотоннажных производств - выпарные аппараты, массообменные аппараты колонного типа (ректификационные, абсорбционные и т.п. установки), реакторы, аппараты с тепловыми рубашками.

Цилиндрические корпуса приведенных выше технических устройств обладают наибольшей металлоемкостью по сравнению с другими конструктивными элементами (днищами, крышками, опорами и т.д.).

В настоящее время в машиностроении основным способом снижения металлоемкости цилиндрических корпусов является уменьшение необходимой толщины стенки за счет установки укрепляющих колец жесткости.

Монтаж и производство колец жесткости трудоемкий процесс, поэтому с увеличением количества колец жесткости, наряду с уменьшением металлоемкости, возрастает себестоимость изготавливаемого оборудования.

Данная диссертационная работа является актуальной и имеет большое практическое значение в химическом и нефтегазовом машиностроении, поскольку позволяет решить вопросы экономичного использования дорогостоящих металлов при создании цилиндрических корпусов.

Цель работы. Целью диссертационной работы является определение рациональных конструктивных размеров тонкостенных цилиндрических корпусов, укрепленных кольцами жесткости, при которых будет происходить минимизация капитальных затрат на их производство, при выполнении условий прочности и устойчивости.

Научная новизна работы:

- дано теоретическое обоснование, что цилиндрические корпуса технических устройств, работающих под внутренним избыточным давлением, нецелесообразно укреплять кольцами жесткости;

- для технических устройств, работающих под наружным давлением, определены рациональные размеры колец жесткости с прямоугольным профилем поперечного сечения и расстояние между ними, что послужило основой патента на изобретение 1Ш 2479336 С1 «Сепарационная камера выпарного аппарата»;

- установлено, что при нагружении наружным давлением различных технических устройств с цилиндрическими корпусами там, где позволяют коррозионные свойства среды и режимные параметры работы, целесообразно использовать внутреннее расположение колец жесткости.

Практическая значимость и реализация результатов:

- разработаны научные и методологические основы проектирования и создания новых технических устройств с цилиндрическими корпусами, укрепленными кольцами жесткости;

- использование полученных результатов позволяет снизить до 45% материалоемкость и до 20% себестоимость технических устройств с цилиндрическими корпусами, укрепленными кольцами жесткости, работающих под наружным давлением;

- доказано, что металлоемкость гладких цилиндрических обечаек технических устройств, работающих под внутренним избыточным давлением, осевым усилием и изгибающим моментом, меньше или равна металлоемкости обечаек, укрепленных кольцами жесткости, что позволяет существенно упростить конструкцию и затраты на изготовление цилиндрических корпусов;

- показано влияние профиля колец жесткости на металлоемкость технических устройств и стоимость их изготовления;

- результаты работы будут использованы в проектной работе ООО «Гипрохим» и ООО «НИУИФ - Инжиниринг».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на научной конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ - 2010; научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ - 2011; V Международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании», Протвино - 2011.

Публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 7 опубликованных печатных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, патенте на изобретение.

На защиту выносятся:

- результаты анализа целесообразности использования цилиндрических корпусов технических устройств, укрепленных кольцами жесткости, из условий прочности и устойчивости;

- полученные данные рациональных геометрических размеров и конструкций цилиндрических корпусов с кольцами жесткости, нагруженных наружным давлением;

- методика определения рациональных геометрических размеров тонкостенных цилиндрических корпусов, нагруженных наружным давлением.

Достоверность полученных результатов. Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается использованием стандарти-

зованных зависимостей для расчета на прочность и устойчивость цилиндрических обечаек, а также результатами поверочных расчетов, проведенных с помощью программного комплекса ЗоМХУогкв.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, библиографического списка, включающего 126 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов, и четырех приложений. Работа изложена на 148 странице машинописного текста, содержит 37 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и основные задачи исследований, научная новизна, практическая значимость и реализация результатов.

В первой главе проведён анализ существующих в России норм и методов расчетов на прочность и устойчивость цилиндрических корпусов химического и нефтегазоперерабатывающего оборудования, а также рассмотрены аналогичные международные стандарты и нормы. Представлены теоретические основы расчета цилиндрических корпусов, работающих под внутренним избыточным давлением, наружным давлением, под действием осевых и поперечных усилий, изгибающих моментов, а также под действием комбинированных нагрузок.

На основании изучения и анализа научно-технической литературы определены основные задачи исследования и сделаны следующие выводы: цилиндрические корпуса укрепляют кольцами жесткости при нагружении внутренним избыточным давлением, наружным давлением, изгибающим моментом и другими силовыми факторами, которые могут привести, как к потере прочности, так и к потере устойчивости; стандартизованные методы расчета цилиндрических обечаек, укрепленных кольцами жесткости, является поверочным и не позволяет определить рациональную конструкцию колец жесткости и их места расположения.

Во второй главе проведен анализ целесообразности установки колец жесткости (рис. 1) на цилиндрических корпусах различных технических устройств химической и нефтегазовой отрасли, работающих при различных случаях на-гружения: внутреннем избыточном давлении, наружном давлении, осевой сжимающей силе, изгибающем моменте, поперечном усилии. Расчет рассматриваемых конструкций проводился в соответствии с действующим в России стандартом - ГОСТ Р 52857.2—2007.

Критерием целесообразности установки колец жесткости служило отношение металлоемкостей конструкций гладкого и укрепленного корпусов, при аналогичных случаях нагружения.

Расчеты цилиндрических корпусов, нагруженных внутренним избыточным давлением, когда возможна только потеря прочности, показали, что масса гладкого цилиндрического корпуса равна массе цилиндрического корпуса с кольцами жесткости.

Поэтому было теоретически обосновано, что при проектировании цилиндрических корпусов, нагруженных внутренним избыточным давлением, устанавливать кольца жесткости нецелесообразно.

Рис.1 - Расчетная схема тонкостенных цилиндрических корпусов

Анализ расчетов цилиндрических корпусов, нагруженных наружным давлением и поперечным усилием, когда возможна не только потеря прочности, но и потеря устойчивости, показал, что установка колец жесткости может существенно снизить металлоемкость корпуса.

Стандартизованные методы расчета цилиндрических корпусов, нагруженных осевым усилием или изгибающим моментом, не учитывают влияния колец жесткости на прочность и устойчивость конструкции. Расчетная толщина стенки цилиндрического корпуса с кольцами жесткости при данных видах нагруже-ния равна расчетной толщине стенки гладкого цилиндрического корпуса. Укрепление нецелесообразно, т.к. приводит к увеличению металлоемкости, трудоемкости и себестоимости производства цилиндрических корпусов.

Вопрос выявления рациональной конструкции цилиндрических корпусов, нагруженных наружным давлением, требовал дальнейшей проработки.

Третья глава посвящена разработке методики определения рациональных конструкций цилиндрических корпусов с прямоугольными кольцами жесткости (рис. 1, узел А), нагруженных наружным давлением, при которых обеспечивается снижение не только металлоемкости, но и капитальных затрат на производство оборудования.

Для этого потребовалось провести многочисленные расчеты геометрических параметров корпусов без колец жесткости, а также с кольцами жесткости. Сопоставление и анализ металлоемкостей и капитальных затрат рассчитанных конструкций, позволили выявить рациональные геометрические параметры цилиндрических корпусов, укрепленных прямоугольными кольцами жесткости.

Для полноты расчетов и выводов в работе рассмотрены корпуса, изготовленные из различных сталей (углеродистых и коррозионностойких) на примере стали марки ВСтЗ, у которой допускаемое напряжение [<т] = 154 МПа и стали марки 12Х18Н10Т, [сг] = 184 МПа. Материал колец жесткости будет соответствовать материалу укрепляемого корпуса: для колец из ВСтЗ [а]к= 154 МПа; для колец из 12Х18Н10Т [<т]к= 184 МПа.

Ниже приведены исходные данные для анализа.

Наружное давления (р, МПа) в пределах до атмосферного: 0.01 МПа; 0,02 МПа; 0,04 МПа; 0,06 МПа; 0,08 МПа. Значение диаметров ф. мм) цилиндрических корпусов принято по ГОСТ 9617: 1000 мм, 1200 мм, 1400 мм. 1800 мм, 2000 мм, 2600 мм, 2800 мм. 3000 мм, 3400 мм, 3600мм. Расчетные длины гладких цилиндрических корпусов и цилиндрических корпусов, укрепленных кольцами жесткости: L = / = 6 метрам. Прибавка к расчетной толщине с = 0 мм (для начального периода эксплуатации); коэффициенты прочности сварных швов <рг = <рр= 1 и срк= 0.9; модуль продольной упругости корпусов из стали марки ВСтЗ Е = 1.99-105 МПа. из 12Х18Н10Т - Е = 2,00-105 МПа; плотность стали марки ВСтЗ р = 7800 кг/м3, 12Х18Н10Т - р = 7900 кг/м3; коэффициент запаса устойчивости /ту = 2,4.

В соответствии с ГОСТ Р 52857.2-2007 расчет толщины стенки гладкого цилиндрического корпуса мм) проводиться по зависимости

Г„ „,10-2 0( V (Л0,4 1,2 р Р1 , ,

»„«-тах 1.06 — .щ^Л*'- (1)

где В = шах

Для расчета геометрических параметров цилиндрических корпусов с кольцами жесткости воспользуемся условием ГОСТ 52857.2-2007, связывающим все необходимые параметры: толщину стенки (.?), диаметр (£>), давление (/)). расстояние между кольцами жесткости (Ь), высоту (/?) и толщину (г) колец жесткости:

[р] = пнп([р]1; [р]2) . (2)

Преобразовав условие (2) получили уравнение (3).

_р+Ь-с)_

Р=Ш1П

О+и-с)

10,9-7

2.0210~5 £

(Ь+0<5-с)3

О-с)

! 10,9 -1 „

Р

10.9 1

2[ст]Ь-с)

Р+(.5-С)

2И0-С) Р+0-с)

Р ; и

_р Г100(5-

1Й I Р

(3)

где

/ =

t ■h

12

3 (b+t)(s-c)3 , f(h+s)\2

+ ■

10,9

+

V 2 J

ht-min (b+ty, (S- -c)

ht+min (b+ty, (S- -C)

t+l,ljD(s-C)

Для решения уравнения (3) были приняты следующие допущения:

1) Из условия равнотолщинности свариваемых деталей аппаратов, толщина стенки цилиндрического корпуса и ширина поперечного сечения кольца жесткости в месте его приварки должны различаться не более чем на 20 %, поэтому зададим пять значений отношения толщины стенки корпуса к толщине кольца жесткости (Vi) равных: 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2.

2) Для каждого значения s/t примем отношение высоты кольца жесткости к его толщине (h/t) равным 5 и будем увеличивать это отношение, пока не достигнем минимального значения массы аппарата для значений расстояний между кольцами жесткости (b, мм): 3000; 2500; 2000; 1500; 1000; 500; 250; 100; 50.

По равенству (3), используя принятые допущения, методом последовательных приближений в системе компьютерной алгебры Mathcad можно определить толщину стенки аппарата с кольцами жесткости определенного диаметра, при котором выполняются условия прочности и устойчивости для заданного наружного давления (разряжения), при различных значениях отношений s/t, h/t и расстояниях между кольцами жесткости (b).

Проанализировав полученные по уравнению (3) многочисленные конструкции и их металлоемкости для различных значений s/t, как для стали марки 12Х18Н10Т, так и стали марки ВСтЗ, всего рассматриваемого спектра диаметров, наружных давлений и отношений h/t (h/t = 5, 6 и т.д.), получили графики, подобные рис. 2.

1320 1300 1280 1260 1240 1220 1200

1180 0

Go6k, кг

j\M=5 / h/t=6 / / » /

/ A',-7 / /

/ 1 i {-- / /ht-8 /

li t=13 / i / >

h/t=l 1 / h/t= 12 / / /

f 4 t * / h t=l 0

у 1

Рис. 2. Зависимость массы укрепленных корпусов (Goбк) от отношения s/t, выполненных из стали марки 12Х18Н10Т, диаметром 2600 мм, работающих под наружным давлением 0,08 МПа, при межкольцевом расстоянии fo= 1500 мм и различных отношениях М=5,6..13

s/r

0.9

1.0

1.1

1.2

Из рис. 2 видно, что разница между минимальными значениями масс цилиндрических корпусов с кольцами жесткости (Go6k, кг) при различных значениях s/t с соответствующими им h/t не превышает 3%. Значения масс аппаратов практически лежат на одной прямой в районе 1190 кг. Для сравнения, масса подобного корпуса без колец жесткости (G0б, кг) составляет 2002 кг. Следовательно, мы можем принять наиболее рациональное для всех выбранных значений диаметров при различных давлениях отношение s/t =1, которое также является оптимальным из условия равнотолщинности свариваемых деталей.

Далее потребовалось определить при s/t =1 рациональное значение h/t для всех выбранных диаметров корпусов со своим межкольцевым расстоянием (b). Для этого необходимо подсчитать себестоимость производства гладкого цилиндрического корпуса при аналогичных условиях нагружения и сравнить полученные данные с себестоимостью корпусов, подкрепленных различным количеством колец (то есть при различных расстояниях Ь) и отношением h/t.

При производстве (конструировании) любого оборудования главную роль играют экономические затраты. Примем условие, чтобы экономия капитальных затрат была не менее 2%, то есть отношение себестоимости корпуса с кольцами жесткости (Z/06K) к себестоимости гладкого корпуса (Ц0б) должна быть Цэбк/ Цоб < 0>98 (^Рен = Цоы/ Цоб - коэффициент рентабельности установки колец жесткости).

Капитальные затраты будут складываться из массы корпусов с кольцами жесткости и без них, умноженных на стоимость листовой стали, из которой они изготовлены, а так же стоимости сварочных работ, предназначенных для монтажа колец жесткости.

Кольцо жесткости приваривают к цилиндрическому корпусу двойным проваром. В соответствии с ГОСТ Р 52630-2006, при приварке колец жесткости к корпусу, общая длина сварного шва с каждой стороны кольца должна быть не менее половины длины окружности.

Расчет себестоимости цилиндрического корпуса с кольцами жесткости (Цо5К) будем проводить по зависимости:

¿/обк = Л П D ЦЫ\-2) + Go6k //мат(1;2) Кш , руб (4) где Go6k = птт---tp + 7Г---Lp . (5)

Расчет себестоимости гладкого цилиндрического корпуса находится по зависимости:

Цоб = Go6 Цмат(1;2) ^из, РУб (6)

(¿>+50б)2—D2

где Go6 = n---Lp. (7)

Для определения рационального расстояния между кольцам жесткости, по самым минимальным значениям полученных масс (рис. 2, s/t = 1), при различных наружных давлениях и диаметрах обечаек для заданных значений расстояний между кольцами (¿=50..3000 мм), рассчитаем отношение металлоемкостей и затрат на производство укрепленных корпусов и корпусов без колец жесткости.

Приняв s /1= 1 и используя зависимости (3), (5) и (7), получим отношения масс Go5k/Go5 корпусов, выполненных из сталей марок 12Х18Н10Т и ВстЗ, при различных диаметрах и наружных давлениях, в зависимости от межкольцевого расстояния (Ь), аналогичные графику, представленному на рис. 3.

0,8

0.6

0,4

Go6k

0.2 50

Go6

/7 = 0,01 МПа p = 0,02 МПа

JT p = 0,04 МПа

JT p = 0,06 МПа

f p = 0,08 МПа b, мм

Рис. 3. Зависимость отношения масс Go6k/Go6 корпусов, выполненных из стали марки 12Х18Н10Т, диаметром 3400 мм, под различным наружным давлением, в зависимости от межкольцевого расстояния

Ф)

1000

2000

3000

Для полученных масс конструкций, используя формулы (3), (4) и (6), определим зависимость отношения себестоимостей Цо5к/Цо6 корпусов, выполненных из сталей марок 12Х18Н10Т и ВстЗ, при различных диаметрах и наружных давлениях, в зависимости от межкольцевого расстояния (b), получим графики аналогичные рис. 4.

Цобк'Цаа 1.1

Рис. 4. Зависимость отношения себестоимостей Цо6к1Цо6 корпусов, выполненных из стали марки 12Х18Н10Т, диаметром 3400 мм, под различным наружным давлением, в зависимости от межкольцевого расстояния (b)

500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500

b. мм

Из рис. 3 видно, что с уменьшением расстояния между кольцами жесткости (b) снижается металлоемкость цилиндрического корпуса с кольцами жесткости (при fc=50 мм масса аппарата снижается на 70%), однако, за счет увеличения числа укрепляющих колец, а как следствие количества сварных швов, возрастают капитальные затраты изготовления таких конструкций (рис. 4).

Сопоставив значения для различных цилиндрических корпусов Go6JGo6 и Цобг/Цоб определили, что рациональным расстоянием между кольцами жесткости является b = (15004-2000) мм. При этом значении обеспечиваются минимальные капитальные затраты (до 20%), а также уменьшается металлоемкость конструкции (до 45%), по сравнению с гладкими корпусами, работающими при аналогичном наружном давлении.

Для каждого значения «Ь» соответствует свое значение отношения h/t. при котором достигается минимальная себестоимость аппарата. В данном случае минимальная себестоимость обеспечивается при h/t = 8ч-9 (см. рис. 2). Для обобщения результатов примем отношение высоты кольца к его толщине 8,5.

Объединив расчетные значения, получим рациональные геометрические параметры для рассмотренных корпусов, подкрепленных кольцами жесткости: отношение толщины стенки корпуса к толщине укрепляющего кольца s/t= 1; отношение высоты укрепляющего кольца к его толщине Ii/t-8,5; межкольцевое расстояние (Ъ) необходимо выбирать 2000 мм (L/b=3). Следует отметить, что для большей экономии капитальных затрат на производство аппаратов из кор-розионностойких сталей (12Х18Н10Т) при больших значениях высоты, диаметра аппарата и величины наружного давлениях свыше 0,04 МПа, а также высокой стоимости материала аппарата, целесообразно принимать ¿>=1500 мм (М>=4).

В результате, учитывая все проведенные расчеты и допущения, разработаем метод расчета рациональной конструкции цилиндрических корпусов произвольных размеров, изготовленных из различных конструкционных сталей. Для этого объединили в единую систему (8) полученные рациональные отношения геометрических параметров для прямоугольных колец жесткости s/t и h/t, экономическую рентабельность (целесообразность) укрепления цилиндрических корпусов кольцами жесткости Креи = Цобк/Цоб< (0,5..0,98) и расчетную зависимость (3), которая гарантирует, что полученные конструкции цилиндрических корпусов будут соответствовать условиям прочности и устойчивости ГОСТ Р 52857.2-2007.

s

- = 1

t h

-=8,5

уравнение (3) ®

(О + s + К)2 - (ß + s)2 , , (О + s)2 ■

(Ь + t)

л,, , ( L (Р + s + К) — (£> + sY „ , (О + s)2 - D , V. ОДсв + (¿fr + t)71 -Ы—- tp + п -?-Lp) Цм

■<кП1

Поб

Данная система четырех уравнений с четырьмя неизвестными (д.г./г.Ь) довольно просто решается в системе компьютерной алгебры МаЛсаё.

Четвертая глава посвящена методике выбора рационального профиля поперечного сечения колец жесткости цилиндрических корпусов сосудов, аппаратов, машин и других технических устройств нефтегазоперерабатывающей отросли промышленности, работающих под наружным давлением (разряжением), а также выбору места их установки - внутри или снаружи укрепляемого корпуса.

Помимо прямоугольного профиля поперечного сечения кольца жесткости ГОСТ Р 52857.2-2007 предлагает использовать тавровое сечение (рис. 1 узел В). Сортамент в форме тавра в металлургической промышленности уже не выпускается. Для производства таврового профиля кольца жесткости потребуется разрезать пополам двутавр. Анализ показал, что использовать тавр в качестве колец жесткости нецелесообразно, т.к. существенно увеличивается не только трудоемкость изготовления колец жесткости, но еще и общая металлоемкость конструкции.

В практике химического машиностроения для укрепления стенок оборудования, изготовленного из углеродистой стали (ВСтЗ и т.п.), с учетом выпускаемого в металлургической промышленности сортового проката и фасонного профиля, возможно использовать (рис. 5): двутавр - ГОСТ 8239, швеллер -ГОСТ 8240, уголок равнополочный - ГОСТ 8509, уголок неравнополочный -ГОСТ 8510 и половину трубы (полукольцо) - ГОСТ 8732. Для швеллера, нерав-нополочного и равнополочного уголков возможна различная ориентация колец

жесткости относительно стенки укрепляемого корпуса.

^

я)

б)

г) д) е)

ж)

3)

Рис. 5. Способы укрепления стенок цилиндрических корпусов, изготовленных из углеродистых сталей (ВСтЗ и т.п.), кольцами жесткости в виде: а) двутавра -ГОСТ 8239; б), в) швеллера - ГОСТ 8240; г), д) неравнополочного уголка -ГОСТ 8510; е), ж) равнополочного уголка - ГОСТ 8509; 3) полукольца -

ГОСТ 8732

Для укрепления стенок оборудования, изготовленного из коррозионно-стойких сталей (12Х18Н10Т и т.п.), с учетом выпускаемого в металлургической промышленности сортового проката и фасонного профиля, возможно применить (рис. 6): квадратный профиль - ГОСТ 2591, шестигранный профиль -

ГОСТ 2879, уголок равнополочный - ГОСТ 8509, уголок неравнополочный -ГОСТ 8510 и половину трубы (полукольцо) - ГОСТ 9940-78. Для неравнопо-лочного и равнополочного уголков возможна различная ориентация колец жесткости относительно стенки укрепляемого корпуса.

а) б) в)

^НЮ

г)

<5)

е)

ж)

Рис. 6. Способы укрепления стенок цилиндрических корпусов, изготовленных из коррозионно-стойких сталей (12Х18Н10Т и т.п.), кольцами жесткости в виде: а), б) неравнополочного уголка - ГОСТ 8510; в), г) равнополочного уголка -ГОСТ 8509; д) квадрата - ГОСТ 2591; е) шестигранника - ГОСТ 2879; ж) полукольца - ГОСТ 9940

Для выявления рациональной формы поперечного сечения колец жесткости руководствовались следующими условиями:

1) момент инерции (7К) поперечного сечения рассматриваемого укрепляющего кольца жесткости (двутавра, тавра, различных уголков, швеллера и т.д.) должен быть больше или равен моменту инерции поперечного сечения прямоугольного профиля кольца, полученного в работе, необходимого для укрепления стенки обечайки, при выполнении условий прочности и устойчивости;

2) площадь поперечного сечения рассматриваемого кольца жесткости при одинаковых рабочих условиях, не должна превышать площадь поперечного сечения кольца жесткости прямоугольной формы;

3) геометрические размеры поперечных сечений колец жесткости, необходимых для укрепления рассматриваемых цилиндрических корпусов, будут браться в соответствии с выпускаемым металлургическими предприятиями сортовым прокатом;

4) толщина привариваемого кольца жесткости должна соответствовать толщине укрепляемой стенки корпуса из условия равнотолщинности свариваемых деталей.

Расчеты и анализ показали, что укрепление цилиндрических корпусов диаметром до 3600 мм, работающих под наружным давлением (разряжением) до 0,08 МПа, кольцами жесткости с прямоугольным профилем поперечного сечения является наиболее рациональным с точки зрения экономии металла.

Масса колец жесткости составляет порядка (1,7-н4,1) % от общей массы укрепляемого корпуса, поэтому также в качестве колец жесткости могут применяться неравнополочные (рис. 5(г), рис. 5(d), рис. 6(a) и рис. 6(6)) и равнопо-лочные (рис. 5(e), рис. 5(ж), рис. 6(e) и рис. 6(г)) уголки. При данном укреплении металлоёмкость колец жесткости, по сравнению с кольцами жесткости с прямоугольным профилем поперечного сечения, в среднем увеличивается в 1,5 раза (см. графики на рис. 7, рис. 8, рис. 9), соответственно, металлоёмкость укрепляемой конструкции возрастет на (0,8 4- 2,0) %.

АкЗ/Ак1

Ак4/АК1

Рис. 8. Зависимость отношения площадей поперечного сечения Ак 4 равнополочного уголка и Акі прямоугольного профиля колец жесткости, необходимых для укрепления цилиндрических корпусов, выполненных из стали марки ВСтЗ, от диаметра корпуса (О, мм), при различных наружных давлениях

Рис. 7. Зависимость отношения площадей Ак3 неравнополочно-го уголка и АК1 прямоугольного профиля колец жесткости, необходимых для укрепления цилиндрических корпусов, выполненных из стали марки ВСтЗ, от диаметра корпуса (Д мм), при различных наружных давлениях

Сравнивая различные способы укрепления стенки цилиндрического корпуса равнополочным уголком, получили, что при одинаковой площади поперечного сечения Ак уголок, ориентированный в соответствии с рис. 5(ж) и рис. 6(г), имеет большее значение момента инерции /к, по сравнению с укреп-

лением, представленным на рис. 5(е) и рис. 6(в), а как следствие корпуса с такими кольцами жесткости имеют больший запас устойчивости.

АК5/АК1

Рис. 9 - Зависимость отношения площади Ак5 равнополочного уголка, установленного под углом 45° к обечайке, к площади Ак1 прямоугольного профиля колец жесткости, необходимых для укрепления цилиндрических корпусов, выполненных из стали марки ВСтЗ, от диаметра корпуса (Д мм), при различных наружных давлениях

Габаритные цилиндрические корпуса из углеродистых сталей (ВстЗ и т.п.) диаметром более 3000 мм, работающие под наружным давлением (разрежением) свыше 0,06 МПа, также рационально укреплять кольцами жесткости из швеллера, ориентированных как представлено на рис. 5(в).

Это связано с тем, что при данном укреплении металлоёмкость этих колец приближается к металлоемкости колец жесткости с прямоугольным профилем поперечного сечения (рис. 10).

Ак2/АК1

Рис. 10 - Зависимость отношения площадей Ак2 швеллера и Ак] прямоугольного профиля колец жесткости, необходимых для укрепления цилиндрических корпусов, выполненных из стали марки ВСтЗ, от диаметра корпуса (Д мм), при различных р.мм наружных давлениях

3600

1800 2250 2700 3150

Укрепление цилиндрических корпусов, изготовленных из коррозионно-стойких марок сталей (12Х18Н10Т и т.п.), сортовым прокатом в форме шестигранника (рис. 60)) и квадрата (рис. 6(е)), приводит к увеличению металлоемкости конструкций. В среднем металлоемкость колец, имеющих квадратный (рис. 11) и шестигранный (рис. 12) профили колец жесткости, увеличивается в 2,8 раза. При этом в месте приварки кольца жесткости к корпусу не выполняется условие равнотолщинности свариваемых деталей.

Акб/Ак1 3.5

3,0 2.81

2,0

1=5

1,0

0.08 МЛ а у»

і / ч Г 0.02 МП .1

среднее знач єни \ 0.06 ш 1а 0.04 МП а 1

О, мм

1600

2000

Рис. 11 - Зависимость отношения площадей Ак6 квадратного и Ак1 прямоугольного профилей колец жесткости, необходимых для укрепления цилиндрических корпусов, выполненных^ стали марки 12X18Н ЮТ, от диаметра корпуса (О, мм), при различных наружных давлениях

Ак7/АК1 3.5

1,0 12

Рис. 12 - Зависимость отношения площадей Ак7 шестигранного и Акі прямоугольного профилей колец жесткости, необходимых для укрепления цилиндрических корпусов, вы-полненных_из стали марки 12X18Н ЮТ, от диаметра корпуса (Д мм), при различных наружных давлениях

Б, мм

00 1600 2000 2400 2800 3200 3600

Укрепление цилиндрических корпусов, изготовленных из углеродистых и коррозионностойких марок сталей, кольцами жесткости в виде половины трубы (рис. 5(5), рис. 6(ж)) приводит к увеличению металлоемкости конструкций. В среднем металлоемкость колец увеличивается в 1,7-н1,8 раза (рис. 13), при этом,

как и в случае с тавровым профилем, для изготовления колец необходима дополнительная технологическая операция - разрезание заготовок (труб) на две части.

Ак8/*АК1

Рис. 13 - Зависимость отношения площадей Ак§ полукольцевого и Ак1 прямоугольного профиля колец жесткости, необходимых для укрепления цилиндрических корпусов, выполненных из стали марки ВСтЗ, от диаметра корпуса (О, мм), при различных наружных давлениях

Анализ выбора места установки колец жесткости относительно укрепляемой стенки корпуса (рис. 1), снаружи или же внутри (там, где это возможно, учитывая коррозионные свойства среды и режимные параметры работы), осуществлялся с помощь программного комплекса ЗоМшогкя.

На рис. 14 представлены результаты расчета цилиндрических корпусов с наружным (рис. 14(я)) и внутренним (рис. 14(6)) размещением прямоугольных колец жесткости.

В результате расчета потери устойчивости программа выдает коэффициент нагрузки, равный отношению величины наружного давления, при котором происходит потеря устойчивости рассматриваемой обечайки, к величине рабочего наружного давления, а также значение перемещений - цветная шкала (10 м), отображенная на поверхности цилиндрического корпуса (рис. 14).

Для рассматриваемого случая нагружения цилиндрических корпусов при наружном размещении колец жесткости (рис. 14(я)) коэффициент нагрузки составил 3,0654, при внутреннем размещении колец жесткости (рис. 14(6)) -3,5714.

В результате проведенного анализа цилиндрических корпусов (рассмотренных в главе 3) с различными вариантами укрепления стенки выявили, что при внутреннем размещении колец жесткости коэффициент нагрузки на (15ч-17)% больше, по сравнению с наружным расположением колец, при меньшей материалоемкости. Другими словами, данные конструкции более устойчивы к воздействию наружного давления.

1 J066e-004 L 5 .431 e-005

L О.ООЖЮО

Имя модвлк 2000 с наружном peaмзщ***ы Имя исследования: Копия1Ког»1я[Коо1я(Ко™я|008Ш] Тип эпюры: Потеря устойчивости Перемеи£»1е1 Форма колеба»«: 1 Коэффидонг нагрузки - 3X565"!

а) с наружным расположением прямоугольных колец жесткости;

— 7.232е-004

6 629е-004

6.026е-004

5 424е-004

4.821 е-004

а 4.218е-004

3.616е-004

3.013е-004

2.411 е-004

1.808е-004

1.205е-004

6.0268-005

0.000е+000

б) с внутренним расположением прямоугольных колец жесткости.

Имямодели: Копия 2000 с внутр«#«м ре,мешда*1ем Имя исследования: к«ия |Ко™я 1Копия (Копия [ООвЩ] Тип этары Потеря уетой-*1востн Перемещ£нле1 Форма колебаний: 1 Коэ<М»о«нт мвгружи - 3.5714

Рис. 14 - Напряженное состояние цилиндрического корпуса, выполненного из стали марки ВСтЗ, диаметром 2000 мм, длиной 6000 мм, работающего под наружным давлением 0,08 МПа

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1) Цилиндрические корпуса технических устройств, нагруженные внутренним избыточным давлением, нецелесообразно укреплять кольцами жесткости, так как в этом случае металлоемкость цилиндрических корпусов, укрепленных кольцами жесткости, равна металлоемкости гладких цилиндрических корпусов.

2) Стандартизованные методы расчета цилиндрических корпусов, нагруженных осевым усилием или изгибающим моментом, не учитывают влияние колец жесткости на прочность и устойчивость конструкций. Расчетная толщина стенки цилиндрического корпуса с кольцами жесткости при данных видах на-гружения равна расчетной толщине стенки гладкого цилиндрического корпуса. Укрепление - нецелесообразно, т.к. приведет к увеличению металлоемкости, трудоемкости и себестоимости проектируемой конструкции корпуса.

3) Для технических устройств, работающих под наружным давлением, определены рациональные размеры колец жесткости с прямоугольным профилем поперечного сечения и расстояние между ними, что послужило основой патента на изобретение RU 2479336 С1«Сепарационная камера выпарного аппарата».

4) Проведен теоретический анализ влияния профиля колец жесткости на металлоемкость технических устройств, работающих под наружным давлением. Минимальная материалоемкость при сохранении условий прочности обеспечивается при прямоугольном профиле колец жесткости.

5) Проведен теоретический анализ влияния места расположения колец жесткости на металлоемкость технических устройств, работающих под наружным давлением. Минимальная материалоемкость при сохранении условий прочности и устойчивости обеспечивается при расположении колец жесткости внутри цилиндрического корпуса.

6) Разработаны научные и методологические основы проектирования и создания новых технических устройств с цилиндрическими корпусами, укрепленными кольцами жесткости.

7) Результаты диссертационной работы приняты к использованию в проектной работе ООО «Гипрохим» и ООО «НИУИФ - Инжиниринг».

Условные обозначения, используемые в работе.

Ак, Ак 1, Лк2, Акз, Лк4, Ак5, Ак6, Ак1, Ак$ - площади поперечных сечений колец жесткости, мм2; В - безразмерный коэффициент; Ъ - расстояние между двумя смежными кольцами жесткости, мм; с - сумма прибавок к расчетным толщинам стенок, мм; D - внутренний диаметр сосуда или аппарата, мм; Е - модуль продольной упругости при расчетной температуре, МПа; е - расстояние между центром тяжести поперечного сечения кольца жесткости и срединной поверхностью обечайки, мм; Go6 - масса гладкого цилиндрического корпуса, кг; Go6lc -масса цилиндрического корпуса, укрепленного кольцами жесткости, кг; Н - высота выпуклой части днища без учета цилиндрической части, мм; h - высота кольца жесткости, мм; h2 - высота сечения кольца жесткости, измеряемая от срединной поверхности обечайки, мм; / - эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца жесткости, мм4; /к - момент инерции поперечного сечения кольца жесткости относительно оси, проходящей через центр тяжести поперечного сечения кольца (относительно оси Х-Х), мм4; Кт -коэффициент, учитывающий стоимость изготовления гладкого цилиндрического корпуса; К^ - коэффициент рентабельности установки колец жесткости; L - расчетная длина цилиндрической обечайки, укрепленной кольцами жесткости, мм; I - расчетная длина гладкой обечайки, мм; 1е - эффективная длина стенки обечайки, учитываемая при определении эффективного момента инерции, мм; U - расстояние между двумя кольцами жесткости по осям, проходящим через центр тяжести поперечного сечения колец жесткости, мм; 12 - расстояние между крайними кольцами жесткости и следующими эффективными элементами жесткости, мм; /3 - длина примыкающего элемента, учитываемая при определении расчетной длины I или L, мм; и - число колец жесткости; пу -коэффициент запаса устойчивости; р - расчетное внутреннее избыточное или наружное давление, МПа; [р] - допускаемое внутреннее избыточное или на-

ружное давление, МПа; [р] j - допускаемое внутреннее избыточное давление или наружное, определяемое из условия прочности или устойчивости всей обечайки (с кольцами жесткости), МПа; [р]2 - допускаемое внутреннее избыточное давление или наружное, определяемое из условия прочности или устойчивости обечайки между двумя соседними кольцами жесткости, МПа; s - исполнительная толщина стенки обечайки, мм; so6 - расчетная толщина стенки гладкого цилиндрического корпуса, мм; t - ширина поперечного сечения кольца жесткости в месте его приварки к обечайке, мм; р - плотность, кг/м3; [с] - допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа; [<т]к - допускаемое напряжение для кольца жесткости при расчетной температуре, МПа; <рк - коэффициент прочности сварных швов кольца жесткости; (рр - коэффициент прочности продольного сварного шва; (рх - коэффициент прочности кольцевого сварного шва; Цтт\, Цмхт2 - стоимость материалов корпусов, руб/т; Ц0в - себестоимость гладкого цилиндрического корпуса, кг; Цо6к - себестоимость цилиндрического корпуса, укрепленного кольцами жесткости, кг; Цс„\, ЦСВ2 - себестоимость монтаж-но-сварных работ, руб/см.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Некалин 3. Е., Сорокина А. Н. Анализ целесообразности установки колец жесткости на цилиндрических обечайках // Научная конференция студентов и молодых учёных МГУИЭ: Тезисы докладов. В 2-х т. Т.1 - М.: МГУЙЭ,

2010.-с. 61-62.

2. Лагуткин М. Г., Некалин 3. Е., Селезнев Г. М. Анализ целесообразности установки колец жесткости на цилиндрических обечайках. Безопасность труда в промышленности. - 2010. - № 1.-е. 26-31.

3. Лагуткин М. Г., Некалин 3. Е. Анализ целесообразности установки колец жесткости на цилиндрических обечайках, нагруженных внутренним избыточным давлением // Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве. Материалы V Международной научно-практической конференции. - Протвино, Управление образования и науки,

2011.-е. 319-321.

4. Некалин 3. Е. Определение геометрических размеров аппаратов с кольцами жесткости, нагруженных наружным давлением // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2011. -с. 97- 98.

5. Лагуткин М. Г., Некалин 3. Е., Селезнев Г. М. Определение рациональных геометрических размеров цилиндрических аппаратов с кольцами жесткости, нагруженных наружным давлением. Безопасность труда в промышленности. -2011.-№7.-с. 36-41.

6. Лагуткин М. Г., Некалин 3. Е., Селезнев Г. М. Анализ влияния профиля и места расположения колец жесткости на металлоемкость цилиндрических обечаек. Безопасность труда в промышленности. - 2012. - № 8. - с. 69-72.

7. Пат. 2479336 Российская Федерация, МПК B01D 1/00. Сепарационная камера выпарного аппарата / З.Е. Некалин, М. Г. Лагуткин, Россия, - № 2011134346, заявл. 17.08.2011; опубл. 20.04.2013. Бюл. № 11. -7 с.

Подписано в печать 27.04.2013г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №13836 Тираж: ЮОэкз.

Копицентр «Чертеж.ру» ИНН 7701723201 107023, г.Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (Университет машиностроения)

На правах рукописи

04201360215

НЕКАЛИН ЗАХАР ЕВГЕНЬЕВИЧ

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОРПУСОВ, УКРЕПЛЕННЫХ КОЛЬЦАМИ ЖЕСТКОСТИ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Лагуткин М.Г.

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.................................................5

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................10

Глава 1. АНАЛИЗ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ КОРПУСАМИ..................................................16

1.1. История создания норм и методов расчетов на прочность цилиндрических корпусов сосудов и аппаратов химической и нефтегазовой отраслей промышленности....................................16

1.2. Расчетные схемы цилиндрических корпусов и условия применения расчетных формул ГОСТ Р 52857.2-2007.....................................21

1.3. Теоретические основы расчета цилиндрических корпусов, работающих при различных нагрузках.......................................24

1.3.1. Основы безмоментной теории..............................................25

1.3.2. Основы расчета цилиндрических корпусов, работающих под внутренним избыточным давлением.......................................30

1.3.3. Основы расчета цилиндрических корпусов, работающих под наружным давлением......................................................................33

1.3.4. Основы расчета цилиндрических корпусов, работающих при осевом сжатии..................................................................38

1.3.5. Основы расчета цилиндрических корпусов, нагруженных изгибающим моментом.......................................................43

1.3.6. Основы расчета цилиндрических корпусов под действием поперечной силы..............................................................46

1.3.7. Основы расчета цилиндрических корпусов, испытывающих комбинированные нагрузки.................................................47

1.4. Требования к конструированию и изготовлению цилиндрических корпусов сосудов, аппаратов, машин и других технических устройств.........................................................................................49

Выводы по главе 1..............................................................................................52

Глава 2. АНАЛИЗ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ УКРЕПЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОРПУСОВ КОЛЬЦАМИ ЖЕСТКОСТИ.....................53

2.1. Анализ целесообразности укрепления кольцами жесткости цилиндрических корпусов, работающих под внутренним избыточным давлением...........................................................................53

2.2. Анализ целесообразности укрепления кольцами жесткости цилиндрических корпусов, работающих под наружным давлением (разрежением)......................................................................59

2.3. Анализ целесообразности укрепления кольцами жесткости цилиндрических корпусов, нагруженных осевым сжимающим усилием......................................................................................................65

2.4. Анализ целесообразности укрепления кольцами жесткости цилиндрических корпусов, нагруженных осевым растягивающим усилием......................................................................................................68

2.5. Анализ целесообразности укрепления кольцами жесткости цилиндрических корпусов, нагруженных изгибающим моментом.....69

2.6. Анализ целесообразности укрепления кольцами жесткости цилиндрических корпусов, нагруженных поперечным усилием........70

Выводы по главе 2........................................................................73

Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОРПУСОВ С КОЛЬЦАМИ ЖЕСТКОСТИ, НАГРУЖЕННЫХ НАРУЖНЫМ ДАВЛЕНИЕМ......................................74

Выводы по главе 3........................................................................98

Глава 4. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПРОФИЛЯ И МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ КОЛЕЦ ЖЕСТКОСТИ НА МЕТАЛЛОЕМКОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОРПУСОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД НАРУЖНЫМ ДАВЛЕНИЕМ...............99

Выводы по главе 4.......................................................................121

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ..............................................123

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................136

Приложение 1.............................................................................137

Приложение 2.............................................................................138

Приложение 3.............................................................................139

Приложение 4.............................................................................142

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

а - отклонение внутреннего (наружного) диаметра корпуса, %;

Ак, AK¡, Aja, Ак3, Ак4, Ак5, Ак6, Ак7, Ак8 - площади поперечных сечений колец

жесткости различной формы, мм 2; В, B¡, В2 - безразмерные коэффициенты;

b - расстояние между двумя смежными кольцами жесткости, мм; с - сумма прибавок к расчетным толщинам стенок, мм; D, DB - внутренний диаметр сосуда или аппарата, мм; DH - наружный диаметр цилиндрического корпуса, мм; Dc - средний диаметр цилиндрического корпуса, мм;

Ашх , Amn - соответственно наибольший и наименьший внутренние диаметры

корпуса, измеренные в одном поперечном сечении, мм; Е - модуль продольной упругости при расчетной температуре, МПа; е - расстояние между центром тяжести поперечного сечения кольца жесткости и срединной поверхностью обечайки, мм;

л

/- площадь поперечного сечения оболочки (кольца), мм ; F - расчетное осевое растягивающее или сжимающее усилие (без учета нагрузки, возникающей от внутреннего избыточного или наружного давления), Н;

[F] - допускаемое растягивающее или сжимающее усилие, Н;

[F\e - допускаемое осевое сжимающее усилие из условия устойчивости в

пределах упругости, Н; [F]n - допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности при Ф=1,Н;

~ допускаемое осевое сжимающее усилие, определяемое из условия местной устойчивости в пределах упругости, Н; [f\e2 ~ допускаемое осевое сжимающее усилие, определяемое из условия общей

устойчивости в пределах упругости, Н; G3 - вес оболочки и ее содержимого, Н;

воб - масса гладкого цилиндрического корпуса, кг;

Собк ~ масса цилиндрического корпуса, укрепленного кольцами жесткости, кг; Я - высота выпуклой части днища без учета цилиндрической части, мм; к - высота кольца жесткости, мм;

И\ - геометрический параметр колец жесткости различной формы, мм; /?2 - высота сечения кольца жесткости, измеряемая от срединной поверхности обечайки, мм;

I - эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца

4

жесткости, мм ;

/к - момент инерции поперечного сечения кольца жесткости относительно оси, проходящей через центр тяжести поперечного сечения кольца

4

(относительно оси Х—Х),мм ;

/р - расчетный эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения

4

кольца жесткости, мм ; к - коэффициент жесткости обечайки, подкрепленной кольцами жесткости; К4 - безразмерный коэффициент;

Кт - коэффициент, учитывающий стоимость изготовления гладкого

цилиндрического корпуса; А'рен - коэффициент рентабельности установки колец жесткости; Кэ - кольцевой момент на единицу длины меридиана срединной поверхности, Н-мм;

Ь - расчетная длина цилиндрической обечайки, укрепленной кольцами

жесткости, мм; / - расчетная длина гладкой обечайки, мм;

/е - эффективная длина стенки обечайки, учитываемая при определении

эффективного момента инерции, мм; 4р - приведенная длина, мм;

1\ - расстояние между двумя кольцами жесткости по осям, проходящим через центр тяжести поперечного сечения колец жесткости, мм;

/2 - расстояние между крайними кольцами жесткости и следующими

эффективными элементами жесткости, мм; /з - длина примыкающего элемента, учитываемая при определении расчетной

длины / или Ь, мм; М- расчетный изгибающий момент, Н-мм;

Мэ - меридиональный момент на единицу длины кольцевого сечения срединной

поверхности, Н мм; [М] - допускаемый изгибающий момент, Н-мм;

[М]е - допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости, Н-мм;

[Щп - допускаемый изгибающий момент из условия прочности при (р=\, Н-мм; п - число колец жесткости;

пв - число волн, образующихся при потере устойчивости оболочки;

Ы, Ы} - сжимающие силы, Н;

N0 - нормальная сила до потери устойчивости, Н;

N3 - перерезывающая сила на единицу длины кольцевого сечения срединной

поверхности, Н; и у - коэффициент запаса устойчивости;

р - расчетное внутреннее избыточное или наружное давление, МПа; Ркр ~ критическое давление, МПа; ръ - значение верхнего критического давления, МПа; \р\ - допускаемое внутреннее избыточное или наружное давление, МПа; \р\е - допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругости, МПа;

[р]п - допускаемое наружное давление из условия прочности при <р= 1, МПа; \р\\ - допускаемое внутреннее избыточное давление или наружное,

определяемое из условия прочности или устойчивости всей обечайки (с кольцами жесткости), МПа; \р] 1 е - допускаемое наружное давление из условия устойчивости всей обечайки (с кольцами жесткости) в пределах упругости, МПа;

\р\ 1п - допускаемое наружное давление из условия прочности всей обечайки при (р=1, МПа;

\р\2 - допускаемое внутреннее избыточное давление или наружное,

определяемое из условия прочности или устойчивости обечайки между двумя соседними кольцами жесткости, МПа; К - радиус цилиндра, мм;

- радиус кривизны элемента, мм; д - распределенная нагрузка, МПа; <7кр - критическая распределенная нагрузка, МПа; £/в - значение верхнего критического напряжения, МПа; [0\е - допускаемое поперечное усилие из условия устойчивости в пределах упругости, Н;

[0\п - допускаемое поперечное усилие из условия прочности при <р= 1, Н;

0 - расчетное поперечное усилие, Н;

[О] - допускаемое поперечное усилие, Н; ^ - исполнительная толщина стенки обечайки, мм;

5ь Л'2 - геометрические параметры колец жесткости различной формы, мм; Лоб - расчетная толщина стенки гладкого цилиндрического корпуса, мм; Лр - расчетная толщина стенки обечайки, мм;

1 - ширина поперечного сечения кольца жесткости в месте его приварки к

обечайке, мм;

Тэ - кольцевая сила на единицу длины меридиана срединной поверхности, Н; 11э - меридиональная сила на единицу длины кольцевого сечения срединной поверхности, Н;

а - половина угла раствора при вершине конической обечайки, град; р, у - углы, град; к - гибкость элемента; // - коэффициент Пуассона; р - плотность, кг/м3;

рК - радиус кривизны кольцевого сечения, мм;

рт- радиус кривизны меридионального сечения, мм;

ак - кольцевое напряжение, МПа;

от - меридиональное напряжение, МПа;

аТ - радиальное напряжение, МПа;

аэ - эквивалентное расчетное напряжение, МПа;

[о] - допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;

[<т]к - допускаемое напряжение для кольца жесткости при расчетной

температуре, МПа; г - касательное напряжение, МПа; (р - коэффициенты прочности сварных швов; срк - коэффициент прочности сварных швов кольца жесткости; (рр - коэффициент прочности продольного сварного шва; (рт - коэффициент прочности кольцевого сварного шва; (р\ - коэффициент снижения допускаемых напряжений при расчете на

устойчивость из условия местной устойчивости при осевом сжатии; срг - коэффициент снижения допускаемых напряжений при расчете на устойчивость из условия общей устойчивости при осевом сжатии; (ръ - коэффициент снижения допускаемых напряжений при расчете на

устойчивость из условия местной устойчивости при изгибе; X - изменение кривизны кольца при его деформации, мм; ц) - коэффициента снижения допускаемых напряжений; Дмат1, Цматг - стоимость материалов корпусов, руб/т; Ц0б - себестоимость гладкого цилиндрического корпуса, кг; Добк - себестоимость цилиндрического корпуса, укрепленного кольцами жесткости, кг;

Цсв\, Цсъ2 - себестоимость монтажно-сварных работ, руб/см; Э - элемент, образованный двумя меридиональными и двумя кольцевыми сечениями.

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие экономики России и других стран, ставит перед машиностроением задачу эффективного использования основных фондов изготовления различных технических устройств (машин, агрегатов, оборудования, аппаратов, сосудов и т.п.). Рынок жестко регулирует отношение между потребителем и производителем, заставляя последних, как можно больше сокращать себестоимость производимой продукции.

Основной для уменьшения себестоимости при проектировании, изготовлении и реконструкции технических устройств в химической, нефтяной и газовой промышленностях является снижение металлоемкости. Наиболее металлоемкими в этих областях являются:

• емкостное оборудование для транспортировки и хранения веществ -резервуары, различные сосуду и цистерны, газгольдеры;

• оборудование для крупнотоннажных производств - выпарные аппараты, массообменные аппараты колонного типа (ректификационные, абсорбционные и т.п. установки), реакторы;

• аппараты с тепловыми рубашками.

Основу конструкций всех перечисленных выше технических устройств и оборудования составляют цилиндрические корпуса, днища различной формы (плоское, элептическое или полусферическое), а также разнообразные внутренние и наружные устройства (трубы и патрубки, тарелки, насадки, фланцы, опоры и т.д.).

Цилиндрические корпуса обладают наибольшей металлоемкостью по сравнению с другими конструктивными элементами. Например, корпуса некоторых колонных аппаратов, изготовленные цельносварными или царговыми, могут достигать в высоту более 20 метров [1] и при этом иметь массу более 10 тонн.

В настоящее время в машиностроении основным способом снижения металлоемкости цилиндрических корпусов является уменьшение необходимой толщины стенки за счет установки укрепляющих колец жесткости.

Установка и производство колец жесткости трудоемкий процесс, включающий в себя следующие операции:

1) резку сортамента, имеющего необходимый профиль поперечного сечения, на полосы заданной длины;

2) изгибание полос в соответствии с укрепляемым диаметром корпуса;

3) монтажные работы с использованием сварки.

Отсюда следует, что с увеличением количества колец жесткости, наряду с уменьшением металлоемкости, увеличивается себестоимость изготавливаемого оборудования.

Рассматриваемые гладкие и укрепленные кольцами жесткости цилиндрические корпуса относятся к тонкостенным цилиндрическим оболочкам, испытывающим различные нагрузки: внутреннее давление, наружное давление, осевое и поперечное усилия, изгибающий момент. Расчет таких конструкций в России регламентирует ГОСТ Р 52857.2—2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек» [2]. Данный стандарт устанавливает нормы и методы расчета на прочность цилиндрических обечаек, конических элементов, выпуклых днищ и плоских крышек сосудов и аппаратов, применяемых в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности, работающих в условиях однократных статических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным давлением, под действием осевых и поперечных усилий, изгибающих моментов. Нормы и методы расчета на прочность данного стандарта применимы, если отклонение от геометрической формы и неточности изготовления рассчитываемых элементов сосудов не превышают допусков, установленных нормативными документами [3, 4, 5].

Расчеты цилиндрических корпусов укрепленных кольцами жесткости, в соответствии с ГОСТ Р 52857.2—2007, являются поверочными и позволяют определить выполнение условий прочности и устойчивости рассматриваемого корпуса (обечайки), но не позволяют определить наиболее рациональные геометрические параметры конструкции: форму поперечного сечения кольца жесткости и его геометрические размеры (например, толщину и высоту для прямоугольного профиля кольца); расстояние между кольцами жесткости и значение толщины стенки корпуса, которые были бы минимальными и обеспечивали условия прочности и устойчивости.

Данная диссертационная работа является актуальной и имеет большое практическое значение в нефтяном, газовом и химическом машиностроении, поскольку позволяет решить вопросы экономичного использования дорогостоящих металлов при создании цилиндрических корпусов.

Целью диссертационной работы является определение рациональных конструктивных размеров тонкостенных цилиндрических корпусов, укрепленных кольцами жесткости, при которых будет происходить минимизация капитальных затрат на их производство, при выполнении условий прочности и устойчивости.

Для достижения указанной цели исследования в работе поставлены следующие задачи:

- провести анализ целесообразности установки колец жесткости на цилиндрических корпусах технических устройств, нагруженных внутренним избыточным давлением, наружным давлением, изгибающим моментом, осевым и поперечным усилиями;

- определить рациональные размеры прямоугольных колец жесткости и расстояние между ними;

- дать научно обоснованные рекомендации по выбору профиля колец жесткости и места их расположения;

- разработать научные и методологические основы проектирования и создания новых технических устройств с цилинд