Корпус колонного аппарата.

Стенка колонного аппарата должна быть рассчитана на прочность и устойчивость.

Расчет напряжений.

Расчетными сечениями колонного аппарата являются:

1)нижние поперечные сечения каждой части корпуса, имеющей разные диаметры или толщины, стенок;

2)поперечное сечение корпуса в месте присоединения к нему обечайки опоры;

3)сварной шов в месте присоединения обечайки опоры к корпусу;

4)поперечное сечение обечайки опоры в месте наибольших вырезов;

5)поперечное сечение основания обечайки опоры.

Таблица 10-Сочетания нагрузок

Состояние аппарата	Давление, МПа	Осевая сжимающая сила, МН	Расчетный изгибающий момент, МН*м	Допускаемые напряжения,МПа	Примечание
1– рабочие условия	pR	P1  G1	M1R = M G1  M v1 В районах с сейсмичностью выше 7 балов принимается большее из двух значений: M1R = M G1 M v1 M1R = M G1 M sR1		При расчете Mv1иMsR1следует исходить из общей весовой нагрузки в рабочих условиях
2– условия гидравличе ского испытания	pпр ;   pи	P2  G2	M 2 R  M G 2 0.6M v 2		При расчете M v 2 следует исходить из общей весовой нагрузки в условиях гидравлического испытания аппарата
3– условия монтажа при максимальной нагрузке от собственного веса аппарата		P3  G3 ;   для расчета анкерных шпилек P3  G3	Принимается большее из двух значений: M 3 R = M G 3 M v 3 M 3 R = M G 3 0.8Mv 3 В районах с сейсмичностью выше 7 балов принимается большее из трех значений: M 3 R = M G 3 M v 3 M 3 R = M G 3  0.8M v 3 M 3 R = M G 3  M sR 3		При расчете M v3 и M sR 3 следует исходить из общей весовой нагрузки в условиях монтажа при максимальной нагрузке аппарата от собственного веса, а при расчете M v3 - учитывать также каркас.
4– условия монтажа при минимальн ой нагрузке от собственног о веса аппарата		P4  G4	M 4 R  M G 4 M v 4 В районах с сейсмичностью выше 7 балов принимается большее из двух значений: M 4 R  M G 4 M v 4 M 4 R  M G 4 M sR 4		При расчете M v 4 и MsR4 следует исходить из общей весовой нагрузки в условиях монтажа при минимальной нагрузке аппарата от собственного веса.
Примечания: 1. Величины со штрихом относятся к случаю монтажа колонны с металлическим каркасом. 2. Индексы при  означают: А – для элементов опоры колонны; к – для корпуса колонны; 0 – для обечайки опоры.

Для аппаратов, имеющих по высоте постоянные диаметры и толщину стенки корпуса, расчетными сечениями являются только поперечные сечения корпуса в месте присоединения к нему обечайки опоры и указанные сечения опоры.

Расчетные сечения корпуса проверяют на напряжения в них для рабочих условий (Р =Р1; М = М1; р = pR и для условий монтажа (Р =Р3; М = М3; р = 0).

Продольные напряжения на наветренной ( x1 ) и подветренной ( x 2 )

сторонах:

где , — расчетная сжимающая сила, действующая в осевом направлении, и расчетный изгибающий момент в соответствующем расчетном сечении колонного аппарата на заданной высоте относительно подошвы фундамента.

Кольцевые напряжения

Эквивалентные напряжения на наветренной ( E1 ) и подветренной

( E 2 ) сторонах:

Проверку условий прочности корпуса для каждого расчетного сечения следует проводить по формулам:

• на наветренной стороне

• на подветренной стороне ,

где и - коэффициенты прочности соответственно продольного и кольцевого сварных швов на корпусе колонны.

Проверку условий устойчивости корпуса следует проверять для каждого расчетного сечения для рабочих условий, а также для условий испытаний и монтажа.

Для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением и без давления, условие устойчивости проверяют по формуле:

Для рабочих условий устойчивость необходимо проверять для каждого основного расчетного сечения колонны по формуле:

где - допускаемое наружное давление при нагружении корпуса только наружным давлением;

- допускаемая осевая сжимающая сила при нагружении корпуса только осевой сжимающей силой;

- допускаемый изгибающий момент при нагружении корпуса только изгибающим моментом. Их определяют по ГОСТ 14249—89 для рабочих условий.

Устойчивость гладких (не подкрепленных кольцами жесткости)

корпусов колонных аппаратов, нагруженных наружным давлением.

Критическое давление p_кр для гладких коротких цилиндрических оболочек, теряющих устойчивость в области упругих деформаций, определено Исанбаевой-Муштари

где - внутренний радиус обечайки, мм;

Е — модуль упругости материала корпуса аппарата, МПа (см. приложение 1); l — расчетная длина обечайки, мм;

Зависимость имеет экстремальный характер, но для наиболее часто встречающихся на практике случаев ( =0,036 ... 0,10) k можно считать постоянным и равным 0,65. Подставив это значение при значении , соответствующем середине указанного интервала ( =0,068), получим для обечаек

Из этого уравнения легко определить допускаемое наружное давление при расчете коротких обечаек, которое в соответствии с ГОСТ 14249—80 имеет вид

где n — коэффициент запаса устойчивости (обычно принимают n=2,4); коэффициент 100 введен для удобства вычислений.

Формула применима, если соблюдается соотношение

Кроме того, при работе обечайки в области упругих деформаций необходимо, чтобы критические напряжения не превышали предела текучести материала при расчетной температуре, т. е.

Для длинных цилиндров критическое давление рассчитывают по формуле Бресса

Приняв = 0,3 и заменив R внутренним диаметром оболочки, после преобразований получим расчетную формулу для определения допускаемого наружного давления

справедливую при соблюдении условия , а также при условии потери устойчивости оболочки в области упругих деформаций материала.

При внешней нагрузке, соответствующей пределу текучести, материал оболочки находится в состоянии неустойчивости, и любое внешнее возмущение может внезапно вызвать «течение» материала, которое в конечном счете явится причиной потери устойчивости первоначальной формы равновесия оболочки. Определение устойчивости оболочек за пределами упругости представляет собой достаточно сложную задачу. Для инженерных расчетов используют приближенный подход, основанный на том, что за пределами упругости в качестве критического напряжения принимают предел текучести материала, т. е.

Допускаемое давление совпадает (при n = 1,5) со значением давления, рассчитанного из условия прочности по ГОСТ 14249-80.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что влияние несовершенства изготовления оболочек на устойчивость тем выше, чем меньше толщина стенок. В связи с этим для определения устойчивости за пределами упругости целесообразно ввести переменный коэффициент запаса устойчивости, уменьшающийся с уменьшением параметра , характеризующего геометрические параметры оболочки:

𝝀=

Коэффициент запаса

где коэффициенты.

При 𝝀 = 0 коэффициент запаса принимают так же, как в расчетах на прочность, т. е. = 1,5; при коэффициент запаса устойчивости = 2,4. Таким образом,

Решив эти уравнения, получим

Тогда допускаемое давление из условия устойчивости за пределами упругости материала

Это уравнение применимо только при . При допускаемое давление следует определять по формуле

Допускаемую внешнюю нагрузку можно выбирать из условия

На рисунку 8.5 приведены зависимости критического давления в области упругих и пластических деформаций, допускаемого давления и коэффициента запаса устойчивости от 𝝀 . Как видно из графика, можно подобрать общее уравнение, связывающее между собой допускаемые внешние давления для области упругих и пластических деформаций материала корпуса аппарата. Простейшая аппроксимация такой зависимости — уравнение (см. ГОСТ 14249—80)

где — допускаемое давление из условия прочности;

— допускаемое давление из условия устойчивости.

Рисунок 8.5 - Зависимость критического и допускаемого давлений, а также коэффициента запаса устойчивости корпуса аппарата от параметра К

Аналогичные формулы приведены в ГОСТ 14249—80 для определения допускаемых осевой силы сжатия [Q] и изгибающего момента [М].

Так, допускаемая осевая сжимающая сила

где — допускаемая осевая сила, определяемая из условия прочности;

— допускаемая осевая сила, определяемая из условия устойчивости в области упругих деформаций корпуса аппарата:

В формуле допускаемую осевую сжимающую силу определяют из условия местной устойчивости в пределах упругости по полуэмпирической формуле

Допускаемую осевую сжимающую силу определяют из условия общей устойчивости по аналогии со стержнями, нагруженными осевым сжимающим усилием

где — гибкость, определяемая по ГОСТ 14249—80; для корпусов колонных аппаратов можно принять

При

Допускаемый изгибающий момент

где допускаемый изгибающий момент

• из условия прочности

• из условия устойчивости

Найденные таким образом значения при раздельном действии на корпус аппарата внешнего давления, осевой сжимающей силы и изгибающего момента позволяют проверить оболочку на устойчивость в условиях комбинированного нагружения.

Определение максимальной и минимальной приведенных нагрузок для выбора стандартных опор колонных аппаратов.

За максимальную приведенную нагрузку Q_max принимают большее из значений:

где , — расчетные изгибающие моменты в нижнем сечении опорной обечайки соответственно в режимах эксплуатации и гидравлического испытания;

, — осевые сжимающие силы, действующие в нижнем сечении опорной обечайки соответственно в режимах эксплуатации и гидравлического испытания.

Минимальная приведенная нагрузка

где М₃ — расчетный изгибающий момент в нижнем сечении опорной обечайки при пустом (без теплоизоляции и устанавливаемых на месте монтажа внутренних устройств) аппарате;

Р₃ — осевая сжимающая сила, действующая в нижнем сечении опорной обечайки при пустом аппарате.

Определение и см. табл. 10.

а—цилиндрическая опора; б—коническая опора; исполнение

1 — опорный узел выполнен в форме отдельных столиков под каждый анкерный болт; исполнение 2 — опорный узел выполнен в виде двух горизонтальных колец, подкрепленных ребром в промежутке между двумя смежными анкерными болтами; исполнение 3 — то же, но подкрепленных двумя ребрами у каждого анкерного болта; исполнение 4 — опорный узел облегченной конструкции с одним кольцом

Рисунок 8.6 - Конструктивные элементы опор для колонных аппаратов.

Рисунок 8.7 - График для определения