Расчет укрепления отверстий в аппарате

РАСЧЕТ  УКРЕПЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ  В АППАРАТЕ 

    Цель  работы: приобретение практических навыков расчета укрепления отверстий в аппаратах, работающих под внутренним или наружным избыточным давлением.

    При конструировании аппаратуры обычно приходится предусматривать отверстия в стенках для присоединения трубопроводов, установки лазов, смотровых люков, загрузочных и разгрузочных приспособлений и т. д. Эти отверстия ослабляют стенку и служат концентраторами напряжений.

    При укреплении вырезов напряжённое  состояние в области выреза выравнивается и снижается концентрация напряжений. Степень концентрации напряжений у неукреплённых круговых вырезов определяется геометрическими соотношениями между размерами отверстия и аппарата. Так, для цилиндрических оболочек концентрация напряжений в районе круговых вырезов возрастает с увеличением отношения радиуса выреза к радиусу обечайки и с уменьшением отношения толщины стенки обечайки к её радиусу.

    Показанные  на рис. 20 варианты укреплений можно  разделить на два основных класса: с патрубками, примыкающими к корпусу (рис. 20а–г, е, ж, и), и с патрубками, пропущенными через стенку корпуса (рис. 20д, з). Последние более эффективны в связи с тем, что в данном случае укрепляется внутренняя поверхность корпуса, для которой характерна наибольшая концентрация напряжений. Укрепляющее действие примыкающего патрубка снижается по мере увеличения толщины стенки корпуса сосуда.

Рис. 20. Варианты укреплений

      Расчёт  укрепления отверстий необходим  при проектировании сосудов, работающих под давлением. Расчёты основаны обычно на том положении, согласно которому площадь продольного сечения выреза компенсируется применением накладок, усиленных патрубков и т. д.

      Укрепление  вырезов сварным кольцом и  примыкающим патрубком, сквозным патрубком  к сварным кольцам (рис. 106, г, ж, з) являются предпочтительными, так как сварку производят вне зоны наибольших напряжений.

      Соединения (рис. 106, б, в) в которых патрубок прилегает  к стенке выреза не по всей поверхности, не рекомендуют применять при  циклических нагрузках.

      Укрепление  отверстий рассчитывают при проектировании сосудов, работающих под давлением. В основу расчету положен метод, основанный на предельных нагрузках. Площадь  продольного сечения выреза компенсируется применением накладок или усиленных  патрубков.

      Расчет укреплений отверстий на основе этого метода может быть применен для сосудов и аппаратов, выполненных из материалов, хорошо работающих в упругопластической и пластической стадиях при заданных температурах. Условием применимости данного метода расчета аппаратов при нагрузках, не вызывающих усталостные разрушения. Сосуды и аппараты, укрепление вырезов и отверстий которых рассчитывают с использованием этого метода, должны быть безопасными при эксплуатации, разрушение их не должно сопровождаться аварией.   

    Задание: рассчитать укрепление отверстия, если заданы: внутренний диаметр оболочки D, мм; расчетное давление Р, МПа; расчетная температура t,°С; длина неукрепленной части оболочки l, мм; диаметр отверстия d, мм; расстояние от центра укрепления отверстия до оси оболочки r, мм; длина внешней части штуцера , мм; длина внутренней части штуцера , мм; внутренний радиус отбортовки , мм; прибавка к расчетной толщине стенки С, мм; тип оболочки; марка стали, из которой изготовлены оболочки, штуцер, укрепляющий элемент; вид нагружения (внутреннее или наружное давление); тип укрепления отверстия;

    коэффициент прочности сварных швов = 1,0.

 

    Определение основных расчетных  размеров. Расчетные диаметры, мм, укрепляемых элементов определяют по формулам: 

    для цилиндрической обечайки

  

    Расчетный диаметр круглого отверстия штуцеров:

    – в цилиндрических или конических обечайках, если ось отверстия нормальна (рис. 2) к их оси или наклонена (рис. 1 б, г) в плоскости поперечного сечения обечайки, а также для нормального штуцера сферической и эллиптической оболочек

    

Рис. 2. Конструкции  укрепления отверстий накладным  кольцом и утолщением стенки штуцера (а), отбортовкой (б) и торообразной 
вставкой (в) 
 

                                        

    Рис. 1 Примеры укрепления отверстия штуцера: б - лежащего в плоскости поперечного  сечения; г - тангенциально расположенного. 

                   

,   (5)

где C_ш– прибавка к расчетной толщине стенки штуцера (в расчетах примите С_ш = С), мм;

      300+2*1,2=302,4(мм) 

          Из условия устойчивости исполнительную s и расчетную S_Р толщину укрепляемой оболочки определяют по формулам

;    

,  

    Расчетную и исполнительную толщину стенки штуцера находят по формулам:

,   

,   

   

                                                                      

    Расчетная длина внешней  и внутренней частей штуцера, участвующих в укреплении отверстия,

             ;  

             ;  

где и - фактическая длина соответственно внешней и внутренней частей штуцера, м. 

 

    Ширина  зоны укрепления (см. рис. 1)

                   ;  

                    

    Расчетный диаметр отверстия, не требующего укрепления, при отсутствии избыточной толщины стенки укрепляемой оболочки

                   ;   

                  

 d > d_ор, отверстие необходимо укреплять.

    Наибольший диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления,

              ;

                          .

    Условия укрепления отверстия: 

    а) утолщением стенки аппарата, штуцером, накладным кольцом 

  
 

552.62

424.77 - условие выполняется

где – расчетная толщина накладного кольца. Определяется методом последовательных приближений из условия укрепления отверстия (по формуле (11))

.

    Исполнительная  толщина накладного кольца принимается  по конструктивным соображениям:

                 , если   
 

    Допускаемое наружное давление

             ;  

где – допускаемое наружное давление в пределах пластичности, определяемое по формуле (23) при φ = 1; – допускаемое наружное давление в пределах упругости для соответствующих оболочек без отверстий;

для цилиндрических обечаек

                 ; 

                    

              ;   

                  

 

    Допускаемое наружное давление

             ;  

                    

где – допускаемое наружное давление в пределах пластичности, определяемое по формуле при φ = 1; – допускаемое наружное давление в пределах упругости для соответствующих оболочек без отверстий;