Расчет сосудов работающих под наружным давлением
Версия для печати
2.1. Расчетные схемы
2.1.1. Расчетные схемы цилиндрических обечаек приведены на черт. 1-4.
2.2. Условия применения расчетных формул
2.2.1. Расчетные формулы применимы при отношении толщины стенки к диаметру
Чертеж 1. Гладкие цилиндрические обечайки
а – обечайка с фланцем или с плоским днищем, б – обечайка с жесткими перегородками
Чертеж 2. Гладкие обечайки с выпуклыми или коническими днищами
а – обечайка с отбортованными днищами, б – обечайка с неотбортованными днищами
Чертеж 3. Гладкие обечайки с рубашкой
Чертеж 4. Цилиндрическая обечайка, подкрепленная кольцами жесткости
Примечание. Черт. 1-4 не определяют, конструкцию и приведены только для указания расчетных размеров.
2.2.2. Расчетные формулы, приведенные в пп. 2.3.2; 2.3.4 – 2.3.7 и 2.4.2 следует применять при условии, что расчетные температуры не превышают значений, при которых учитывается ползучесть материалов, т.е. при таких температурах, когда допускаемое напряжение определяют только по пределу текучести или временному сопротивлению (пределу прочности). Если нет точных данных, то формулы допускается применять при условии, что расчетная температура стенки обечайки из углеродистой стали не превышает 380 °С, из низколегированной 420 °С, а из аустенитной 525 °С.
2.2.3. Для обечаек, подкрепленных кольцами жесткости, дополнительно к требованиям пп. 2.2.1 и 2.2.2 должны выполняться следующие ограничения:
- отношение высоты сечения кольца жесткости к диаметру
расчетные формулы следует применять при условии равномерного расположения колец жесткости;
- в тех случаях, когда кольца жесткости установлены неравномерно, значения b и l1 необходимо подставлять для того участка, на котором расстояние между двумя соседними кольцами жесткости максимальное;
если l2 > l1, то в качестве расчетной длины l принимается l2.
2.2.4. Расчетные формулы для обечаек, работающих под действием осевого сжимающего усилия, приведенные в п. 2.3.4, применимы при следующем условии:
Для обечаек, у которых , при отсутствии более точных расчетов, допускается пользоваться формулой (22).
2.3. Гладкие цилиндрические обечайки
2.3.1. Обечайки, нагруженные внутренним избыточным давлением
2.3.1.1. Толщину стенки следует рассчитывать по формуле
s ≥ sp + c, (8)
где (9)
2.3.1.2. Допускаемое внутреннее избыточное давление следует рассчитывать по формуле
(10)
2.3.1.3. При изготовлении обечайки из листов разной толщины, соединенных продольными швами, расчет толщины обечайки проводят для каждого листа с учетом имеющихся в них ослаблений.
2.3.2. Обечайки, нагруженные наружным давлением
2.3.2.1. Толщина стенки
Толщину стенки приближенно определяют по формулам (11) и (12) с последующей проверкой по формуле (13)
s ≥ sp + c, (11)
где (12)
Коэффициент К2 следует определять по номограмме, приведенной на черт. 5. Примеры использования номограммы для расчета приведены на черт. 6.
Чертеж 5. Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением
Чертеж 6. Примеры использования номограммы (см. черт. 5)
I – определение расчетной толщины стенки;
II – определение допускаемого наружного давления; III – определение допускаемой расчетной длины; m – начало отсчета; n – промежуточные точки; ´ – конечный результат
2.3.2.2. Допускаемое наружное давление следует определять по формуле
.(13)
где допускаемое давление из условия прочности определяют по формуле
[p]п = .(14)
а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяют по формуле
,(15)
где (16)
При определении расчетной длины обечайки l или L длину примыкающего элемента l3 следует определять по формулам
– для выпуклых днищ,
– для конических обечаек (днищ) без отбортовки, но не более длины конического элемента;
– для конических обечаек (днищ) с отбортовкой, но не более длины конического элемента.
Коэффициент K1 определяют по номограмме, приведенной на черт. 5.
Если полученное значение коэффициента K1 лежит ниже соответствующей штрихпунктирной линии (см. черт. 5), то величину [р] в предварительном расчете допускается определять по формуле
.(17)
2.3.3. Обечайки, нагруженные осевым растягивающем усилием
2.3.3.1. Толщину стенки следует рассчитывать по формуле
s≥sp + c,(18)
где .(19)
2.3.3.2. Допускаемое осевое растягивающее усилие следует рассчитывать по формуле
[F] = p(D + s – c)(s – c)[s]φт. (20)
2.3.4. Обечайки, нагруженные осевым сжимающим усилием
2.3.4.1. Допускаемое осевое сжимающее усилие следует рассчитывать по формуле
,(21)
где допускаемое осевое сжимающее усилие [F]п из условия прочности
[F]п = p(D + s – c)(s – c)[s], (22)
а допускаемое осевое сжимающее усилие в пределах упругости [F]Е из условия устойчивости
[F]Е = min {[F]Е1; [F]Е2}. (23)
В формуле (23) допускаемое осевое сжимающее усилие [F]Е1, определяют из условия местной устойчивости в пределах упругости по формуле
(24)
а допускаемое осевое сжимающее усилие [F]Е2 – из условия общей устойчивости d пределах упругости по формуле
(25)
Гибкость l, определяют по формуле
.(26)
Приведенную расчетную длину lпр принимают по черт. 7
Примечание. В случае, если < 10, формула (23) принимает вид
[F]Е = [F]Е1.
Приведенная расчетная длина lпр
Расчетная схема | f/l | lпр |
|---|---|---|
– | l | |
– | 2l | |
| – | 0,7l |
– | 0,5l | |
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 | 2,00l 1,73l 1,47l 1,23l 1,06l 1,00l | |
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 | 2,00l 1,70l 1,40l 1,11l 0,85l 0,70l |
2.3.4.2. Для рабочих условий (пу = 2,4) допускаемое сжимающее усилие можно определять по формуле
[F] = .(27)
Коэффициенты φ1 и φ2 следует определять по черт. 8 и 9.
2.3.5. Обечайки, нагруженные изгибающим моментом
2.3.5.1. Допускаемый изгибающий момент следует рассчитывать по формуле
,(28)
где допускаемый изгибающий момент [М]п из условия прочности рассчитывают по формуле
[М]п = П/4 D(D+s – c)(s – c)[s] D/4 [F]п,(29)
а допускаемый изгибающий момент [М]Е из условия устойчивости в пределах упругости – по формуле
(30)
2.3.5.2. Для рабочих условий (пу = 2,4) допускаемый изгибающий момент можно определять по формуле
[М] = П/4 D (D+s – c)(s – c)[s]φ3.(31)
Коэффициент φ3 следует определять по черт. 10.
2.3.6. Обечайки, нагруженные поперечными усилиями
Допускаемое поперечное усилие [Q] следует рассчитывать по формуле
,(32)
где допускаемое поперечное усилие [Q]п из условия прочности
[Q]п = 0,25 pD (s – c), (33)
а допускаемое поперечное усилие [Q]E из условия устойчивости в пределах упругости
(34)
Черт. 8. График для определения коэффициента j1
Черт. 9. График для определения коэффициента j2
Черт. 10. График для определения коэффициента j3
2.3.7. Обечайки, работающие под совместным действием наружного давления, осевого сжимающего усилия, изгибающего момента и поперечного усилия
Обечайки, работающие под совместным действием нагрузки, проверяют на устойчивость по формуле
+++ £ 1,0, (35)
где [р] – допускаемое наружное давление по п. 2.3.2;
[F] – допускаемое осевое сжимающее усилие по п. 2.3.4;
[М] – допускаемый изгибающий момент по п. 2.3.5;
[Q] – допускаемое поперечное усилие по п. 2.3.6
2.4. Цилиндрические обечайки, подкрепленные кольцами жесткости
2.4.1. Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные внутренним избыточным давлением
2.4.1.1. Определение размеров колец жесткости при внутреннем давлении.
Для заданных расчетного давления р и толщины стенки s коэффициент К4 следует рассчитывать по формуле
.(36)
Если К4 ≤ 0, то укрепление кольцами жесткости не требуется. В диапазоне расстояние между двумя кольцами жесткости следует рассчитывать по формуле
,(37)
площадь поперечного сечения кольца
(38)
Если 
, то толщину стенки необходимо увеличить до такого размера, чтобы выполнялось следующее условие
.
Примечание. При определении площади поперечного сечения кольца жесткости Ак следует учитывать прибавку с1 для компенсации коррозии.
2.4.1.2. Допускаемое внутреннее избыточное давление следует определять из условия
[р] = min {[р]1; [р]2}.(39)
Допускаемое внутреннее избыточное давление [р]1, определяемое из условий прочности всей обечайки, следует рассчитывать по формуле
.(40)
Допускаемое внутреннее избыточное давление [р]2, определяемое из условий прочности обечайки между двумя соседними кольцами жесткости, следует рассчитывать по формуле
.(41)
где .(42)
2.4.2. Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные наружным давлением
2.4.2.1. Расчетные параметры подкрепленной обечайки:
- эффективную длину стенки lе обечайки, учитываемую при определении эффективного момента инерции, следует определять из условия
lе = min{l1; t + 1,1 }; (43)
- эффективный момент инерции I расчетного поперечного сечения кольца жесткости следует определять по формуле
;(44)
коэффициент жесткости обечайки k, подкрепленной кольцами жесткости
.(45)
Примечание. При определении момента инерции кольца жесткости следует учитывать прибавку с1 для компенсации коррозии.
2.4.2.2. Допускаемое наружное давление следует определять из условия
[р] = min {[р]1; [р]2}. (46)
2.4.2.2.1. Допускаемое наружное давление [р]1, определяемое исходя из условий устойчивости всей обечайки, следует рассчитывать по формуле
,(47)
Допускаемое наружное давление [р]1п должно соответствовать величине [р]1, определенной по формуле (40) при значениях коэффициентов jр = 1,0 и jт = 1,0.
Допускаемое наружное давление [р]1Е из условий устойчивости в пределах упругости следует рассчитывать по формуле
(48)
где
(49)
2.4.2.2.2. Допускаемое наружное давление [р]2, определяемое исходя из условий устойчивости обечайки между кольцами жесткости. Допускаемое наружное давление [р]2 при значении длины l = должно соответствовать давлению [р] (см. п. 2.3.2.2). Вместо [р]п, определенного по формуле (14), допускается принимать [р]2 по формуле (41) при значении коэффициента jт =1,0.
2.4.2.3. Определение размеров колец жесткости при наружном давлении.
После определения размеров кольца и обечайки по конструктивным соображениям следует провести проверку в соответствии с п. 2.4.2.2.
Толщину стенки s или расстояние b между кольцами жесткости для заданного расчетного давления р следует определять с помощью номограмм (см. черт. 5 и 6). При пользовании номограммой, приведенной на черт. 5, следует принимать l = b. Расчетный эффективный момент инерции кольца жесткости рассчитывают по формуле
.(50)
Коэффициент К5 следует определять по черт. 11.
Черт. 11. График для определения коэффициента К5
После определения расчетного эффективного момента инерции методом последовательных приближений следует выбирать профиль кольца жесткости с моментом инерции Iк, обеспечивающим выполнение требования условия
I ≥ Iр, (51)
где I – эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца жесткости, определенный по формуле (44).
2.4.3. Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные осевым растягивающим или сжимающим усилием, изгибающим моментом или поперечным усилием
Допускаемые нагрузки следует рассчитывать по расчетным формулам пп. 2.3.3-2.3.6 при l = b. При определении приведенной расчетной длины lпр по черт. 7 вместо l следует принимать общую длину L.
2.4.4. Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные совместно действующими нагрузками
Расчет следует проводить аналогично расчету по п. 2.3.7, при этом допускаемое наружное давление следует определять по п. 2.4.2.2.
<< назад / к содержанию ГОСТ 14249-89 / вперед >>
Источник
Сертификация продукции
Сертификат соответствия
Пожарный сертификат
Протокол испытаний
Строительство
Составление смет
Проектные работы
Строительные работы
Строительная экспертиза
Обследование зданий
Оценка недвижимости
Контроль качества строительства
Промышленная безопасность
Тепловизионный контроль
Ультразвуковой контроль
Георадарное сканирование
Скачать базы
Государственные стандартыСтроительная документацияТехническая документацияАвтомобильные дороги
Классификатор ISO
Мостостроение
Национальные стандарты
Строительство
Технический надзор
Ценообразование
Экология
Электроэнергия
СТП 10-04-02
Расчет на прочность сосудов и аппаратов. Том 1. Расчет вертикальных и горизонтальных сосудов
| Обозначение: | СТП 10-04-02 |
| Обозначение англ: | STP 10-04-02 |
| Статус: | организационно-ограниченного применения |
| Название рус.: | Расчет на прочность сосудов и аппаратов. Том 1. Расчет вертикальных и горизонтальных сосудов |
| Дата добавления в базу: | 01.09.2013 |
| Дата актуализации: | 01.02.2020 |
| Дата введения: | 01.01.2005 |
| Область применения: | Стандарт устанавливает методы расчета на прочность и устойчивость сосудов и аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением или без давления (под налив), а также под действием внешних нагрузок. |
| Оглавление: | Введение 1 Условные обозначения 2 Общие требования 3 Цилиндрические обечайки 4 Выпуклые днища 5 Плоские днища и крышки 6 Сферические неотбортованные днища и крышки 7 Конические переходы 8 Конические днища 9 Прочность от воздействия опорных нагрузок 10 Прочность укрепления отверстий 11 Прочность и герметичность фланцевых соединений сосудов и аппаратов 12 Прочность и герметичность фланцевых соединений арматуры и трубопроводов 13 Прочность и жесткость мест врезки штуцеров 14 Сосуды с рубашками 15 Расчет элементов сосудов и аппаратов, работающих в коррозионно-активных сероводородсодержащих средах 16 Расчет сосудов и аппаратов методои конечных элементов 17 Нормативно-технические документы 18 Приложение 1 Допускаемые напряжения для сталей 19 Приложение 2 Механические характеристики сталей 20 Приложение 3 Свойства болтов (шпилек) для расчета фланцевых соединений сосудов и аппаратов 21 Приложение 4 Коэффициенты для расчета фланцевых соединений 22 Приложение 5 Свойства болтов (шпилек) для расчета фланцевых соединений арматуры и трубопроводов |
| Разработан: | ООО НТП Трубопровод |
| Утверждён: | 30.12.2004 ООО НТП Трубопровод (11) 30.12.2004 ЗАО ИПН (11) |
| Расположен в: | Техническая документация Экология ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПОНЕНТЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ Объемные гидроприводы и пневмоприводы Цилиндры Строительство Стандарты Производственно-отраслевые стандарты |
| Нормативные ссылки: |
|
ГОСТ 27772-88 «Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия»Источник
4.5.2.1.Общие положения, понятие критического давления и метод его определения.
При работе цилиндрических тонкостенных обечаек под внутренним давлением в стенках аппарата возникают растягающие напряжения, а при работе под давлением наружным (или вакуумом) – сжимающие напряжения.
Из теории расчета на устойчивость упругих стержней следует, что стержень легко выдерживает растягивающие нагрузки и не выдерживает определенной (критической) нагрузки при сжатии.
Нарушение геометрической формы тонкостенных цилиндрических аппаратов под действием сжимающих нагрузок и называется потерей устойчивости.
Давление, при котором тонкостенный элемент теряет устойчивость, называется критическим. Под действием такого давления поперечное сечение первоначально круглой оболочки приобретает эллипсоидную или волнообразную форму, а при снятии критического давления продеформированная оболочка не принимает первоначальной формы.
Потеря устойчивой формы может произойти при напряжении сжатия в стенках оболочки гораздо ниже разрушающих, если тонкостенная оболочка имеет овальность поперечного сечения. Поэтому согласно техническим требованиям для стальных сварных сосудов и аппаратов при нагружении их наружным давлением допускается овальность < 0,5% , но не более 0,02 м, а для корпусов теплообменных аппарато не более 0,007 м. Эти данные можно применить и для аппаратов из цветных металлов и сплавов.
Посколько в процессе эксплуатации сохранение первоначальных размеров и формы аппаратов является неприменным условием нормальной работы большинства аппаратов, то определение размеров, обеспечивающих жесткость и устойчивость сосудов и оболочек, представляет важную задачу.
В зависимости от длины цилиндрической оболочки под наружным давлением выше критического принимают волнообразную форму с разным количеством волн. На длинных аппаратах или трубах возникают всего две волны, т.е. они просто сплющиваются, а на коротких оболочках может образовываться не две, а несколько волн. Разному числу волн соответствует разные критические давления. Задача конструктора сводится к определению минимального критического давления. Сущестует несколько методов определения критических давлений. Например, из теории устойчивости круглого кольца для динных цилиндров 
> 
имеем:
,
где Е – модуль упругости материала цилиндра;
– коэффициент Пуассона.
Имея значение 
для цилиндрических оболочек можем определить величину допускаемого рабочего давления, выбрав коэффициент запаса устойчивости пу:
Подставим в формулу по определению ркр рабочее р ( т.е. [р] = р ) и определим толщину стенки длинных оболочек:
Условие прочности и справедливость выше приведенных уравнений определяются следущим уравнением:
РАСЧЕТ ОБЕЧАЙКИ ПО ГОСТ 14249 – 89. НАРУЖНОЕ ДАВЛЕНИЕ.
В соответствии с ГОСТ 14249 – 89 расчетная и исполнительная толщина стенки приблеженно определяется:
s = sp + с,
где К2 – коэффициент, определяемый по номограмме (см.ГОСТ 14249 – 89 черт.5; 6).
Допускаемое наружное давление для гладких обечаек из условиия прочности в пределах упругости определяется по следущей формуле:
; где 
– из условиия прочности , а из условиия упругости [РН]Е – по формуле см. ГОСТ 14249-89.
Производить расчет на прочность для условий испытаний не требуется, если расчетное давление в условиях испытания будет меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на 1,35 
.
При совместном действии на оболочку наружного давления, осево сжимающей силы, поперечной силы и избыточного момента необходима проверить на условие устойчивости:
где РРН , [РН] – соответственно расчетное и допускаемое наружное давление;
[F] – допускаемое значение осевой сжимающей силы.
[Q] – допускаемое поперечное усилие;
[M] – – допускаемое значение изгибающего момента.
, 
,
, 
,
где [РН]σ , [Р]Е – допускаемое наружное давление соответственно, но из условий прочности и устойчивости в пределах упругости.
[F]σ , [F]E- допускаемая осевая сжимающая сила соответственно из условий прочности и устойчивости в пределах упругости.
[M]σ ,[M]Е – допускаемый изгибающий момент соответственно из условий прочности и устойчивости в пределах упругости.
[Q]σ , [Q]E – допускаемая поперечная сила соответственно из условий прочности и устойчивости в пределах упругости.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ ДЛИНЫ ОБЕЧАЙКИ.
Длина, разделяющая цилиндрические оболочки на длинные и короткие, определяется по формуле:
Если расчетная длина гладкой (неподкрепленной кольцами ) обечайки
lР > l0 , то оболочка является длинной, а при lР < l0 – короткая.
Для сосудов и аппаратов с выпуклыми днищами:
где l – длина цилиндричской части обечайки, находящаяся под действием наружного давления;
ho
– высота цилиндрической части отбортовки днища;
Н – внутренняя высота выпуклой части днища.
Для аппаратов с коническими днищами :
l p = l + hцк + h1
Для конического днища с отбортовкой:
h1 – расчетная длина конического днища без отбортовки:
,
где ro – внутренний радиус отбортовки;
α – угол полураствора конуса;
h1– расчетная длина конического днища с отбортовкой, но не длина конического элемента.
Для аппаратов с плоскими днищами за расчетную длину обечайки применяют неукрепленную длину.
Для обечайки, подкрепленной кольцами жесткости, в качестве расчетной длины 
принимают максимальное расстояние между кольцами жесткости.
При работе аппаратов под вакуумом расчетное наружное давление определяется:
Рнар = РА – РОСТ
где РОСТ– остаточное давление в аппарате, МПа ;
РА = 0,1 МПа – атмосферное давление.
Конструкции укрепления цилиндров с помощью колец жесткости
При конструировании технологического оборудования наиболее часто приходится выполнять рассчёты на устойчивость колец жесткости, которые применяются для укрепления цилиндров, работающих под наружным давлением. ( рис. см. А.А.Лащинский Конструир. сварных хим. аппаратов)либо ГОСТ 14249-89
Рис. Аппарат с наружными и внутренними кольцами жесткостями
Кольйа жесткости применяются для повышения несущей способности корпусов тонкостенных аппаратов, сжимаемых наружным давлением.
Конструкции колец жесткости имеют различные поперечные сечения некоторые из них представлены на рисунке:
( рис. см. А.А.Лащинский Конструир. сварных хим. аппаратов)либо см. конспект рукописный
Кольцо жосткости Кольцо жосткости Кольцо жосткости
прямоугольного се- из углового сорто- фасонного сортового
чения для любых вого проката при проката при
материалов D ≥ 1000мм D ≥ 2000 мм
Приваривают кольца жосткости сварочным швом с каждой строны кольца так, чтобы общая длина каждого шва составляла не менее половины длины наружной окружности кольца жосткости в месте его соединения.
Кольцо жосткости целесообразно распологать с той стороны подкрепляемой оболочки, которая подвергается меньшему коррозионному износу. Чем меньше длина обечайки между кольцами жесткостями, тем меньше будет толщина стенки,рассчитанная от действия наружного давления.Поэтому во многих случаях для сохранения устойчивой формы аппарата целесообразно не увеличивать толщину стенки его, а устанавливать кольца жосткости и уменьшать расстояние между ними.
При осевом сжатии и изгибе кольца жесткости не оказывают существенного влияния на устойчивость обечаек, а поэтому в расчёте не учитывается и могут устанавливаться, исходя из особености конструкции, технологии изготовления и монтажа.
Расчёт кольца жесткости на устойчивость
При достижении наружным давлением определённого критического значения первоначально круглое кольцо жесткости теряет устойчивость и сплющивается (число волн для длинных обечаек равно двум).
При расстоянии между кольцами L>3,1 
линейная сжимающая сила на единицу длинны кольца жесткости может быть определена
,
где R – внутренний радиус обечайки;
РН.Р. – наружное расчётное давление;
S –полная толщина стенки.
Критическую нагрузку, при которй сжатое кольцо теряет устойчивость, определяют по формуле:
РКР = qКР = 
,
где I – момент инерции поперечного сечения кольца ( без учёта примыкающей стенки корпуса) относительно оси У – У , проходящей через центр тяжести кольца параллельно образующей цилиндра;
R1 – расстояние от оси цилиндра до оси У – У ;
Е – модуль продольной упругости при рабочей температуре.
Для обеспечения устойчивости кольца коэффициент запаса устойчивости рекомендуется принимать nКУ = 5 , если кольцо является податливым элементом и воспринимает лишь часть нагрузки сжимающей оболочки.
Минимальный момент инерции сечения кольца:
r wsp:rsidR=”00000000″><w:pgSz w:w=”12240″ w:h=”15840″/><w:pgMar w:top=”1134″ w:right=”850″ w:bottom=”1134″ w:left=”1701″ w:header=”720″ w:footer=”720″ w:gutter=”0″/><w:cols w:space=”720″/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>”> 
где ЕК- модуль упругости материала кольца;
nКУ- коэффициент запаса устойчивости, который рекомендуют принимать nКУ = 3, для абсолютно жестких колец, подкрепляющих цилиндрическую обечайку;
q – величина линейной (окружной) рабочей нагрузки
q = РН.Р.Минимальная площадь сечения кольца из условия прочности на сжатие
.
Кроме проверки на устойчивость, кольцо жесткости необходимо рассчитать на прочность. Напряжение сжатие, возникающее в сечении кольца:
где А – площадь поперечного сечения кольца.
Источник