Реконструкция теплообменника

        Добавка на коррозию 

4.2. Расчет на прочность

4.2.1. Гладкие цилиндрические обечайки

Рисунок 13. Обечайка с фланцем или с плоским днищем

Условия применения расчетных  формул для гладких цилиндрических обечаек.

Расчетные формулы применимы  при отношении толщины стенки к диаметру:

 

£ 0,1 для обечаек и труб при D ³ 200 (мм)

 £ 0,3 для труб при D < 200 (мм)

Для цилиндрической обечайки Ø_вн.800 от внутреннего давления Р=0,4 (МПа).

Толщину стенки рассчитываем по формуле:

где   = =0,88 (мм),

Принимаем s=6 мм

 - условие применения расчетных формул выполняется

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитываем по формуле:

при мм                               [p] > p, (2,23 0,4)

Условие выполняется.

Для цилиндрической обечайки (трубы  Ø25×2) от внутреннего давления

 - условие применения расчетных формул выполняется.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитываем по формуле:

где   - внутренний диаметр трубки, мм

при мм                           [p] > p, (16,3 0,063)

Условие выполняется.

4.2.2. Выпуклые днища

Рисунок 14. Эллиптическое днище

Условия применения расчетных  формул

Расчетные формулы для  эллиптических днищ применимы при выполнении условий:

Расчет на прочность  эллиптического днища  от внутреннего  давления Р=0,6 МПа.

  Толщину стенки следует рассчитывать по формулам:

где   - радиус кривизны днища, мм

Принимаем мм

- условие применения расчетных формул выполняется

Допускаемое внутреннее избыточное давление [ ] для выпуклых днищ следует рассчитывать по формуле:

=

где   - для эллиптических днищ с

при мм                               [p] > p, (2,24 0,063)

Условие выполняется.

 

4.3. Аппаратные  фланцы

Аппаратные фланцы при  давлении МПа применяются стальные приварные встык по ГОСТ  28759.3-90 исполнения «выступ-впадина»:

 

Фланец 1-800-1,0-09Г2С ГОСТ 28759.3-90

Фланец 2-800-1,0-09Г2С ГОСТ 28759.3-90

 

 

4.4. Расчет укрепления отверстий

 

 

Рисунок 15. Основная расчетная схема соединения штуцера со стенкой сосуда

 

Условия применения формул для расчета укрепления отверстий для цилиндрических обечаек:

Условия применения формул для расчета укрепления отверстий  в эллиптическом днище:

Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления.

В цилиндрической обечайке

Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле:

 

где    – расчетный диаметр цилиндрической обечайки, мм;

      - расчетная толщина стенки обечайки, мм;

  с - прибавка на коррозию, мм;

  S - исполнительная толщина стенки обечайки, мм

Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, при наличии штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия, определяют по формуле:

(мм).

Если расчетный диаметр  одиночного отверстия удовлетворяет условию:

то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется.

                                        

 

327 мм 

617,5 мм

Ø327мм - наибольший диаметр отверстия в цилиндрической обечайке

Дальнейший расчет укрепления отверстий не требуется.

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 4.5. Расчет трубной решетки аппарата с неподвижными трубными решетками

    4.5.1. Исходные данные

Таблица 4.1.

Исходные данные

№ п/п			Наименование данных	Обозначение данных			Значение данных
1			2	3			4
1			Расчетное давление в  трубном пространстве, МПа	Pт			0.06
2		Расчетное избыточное давление в межтрубном			Pм	0.4
3		Расчетное давление, МПа			PR	0.4
4		Количество циклов нагружения за расчетный срок службы			N	2000
5		Максимальная расчетная  температура в межтрубном пространстве, град.			-	35
6		Максимальная расчетная  температура в трубном пространстве, град.			-	102
7		Средняя температура  сборки аппарата, град.			to	20
8		Средняя температура  стенки кожуха, град.			tк	80
9		Средняя температура  стенки трубы, град			tт	80
10		Расчетная температура  кожуха, град.			-	35
11		Расчетная температура  труб, град.			-	102
12		Расчетная температура  камеры, град.			-	102
13		Расчетная температура  фланца кожуха, град.			-	35
14		Расчетная температура фланца камеры, град.			-	102
15		Расчетная температура  решетки, град.			-	102
16		Материал кожуха			-	09Г2С     (до 32 мм)
17		Материал камеры			-	09Г2С     (до 32 мм)
18		Материал труб			-	20       (до 160 мм)
19		Материал фланца кожуха			-	09Г2С     (до 32 мм)
20		Материал фланца камеры			-	09Г2С     (до 32 мм)
21		Материал трубной решетки			-	09Г2С     (до 32 мм)
22		Допускаемые напряжения материала кожуха, МПа			[s]к	192
23		Допускаемые напряжения материала труб, МПа			[s]т	141.5
24	Допускаемые напряжения материала решетки, МПа				[s]р	176.5
25	Модуль продольной упругости  кожуха, МПа				Eк	197500
26	Модуль продольной упругости  камеры, МПа				ED	190800
27	Модуль продольной упругости труб, МПа				Eт	190800
28	Модуль продольной упругости  решетки, МПа				Eр	190800
29	Модуль продольной упругости фланца кожуха, МПа				E1	197500
30	Модуль продольной упругости фланца камеры, МПа				E2	190800
31	Коэффициент линейного  расширения кожуха				aк	0.000013
32	Коэффициент линейного  расширения труб				aт	0.0000116
33	Допускаемая амплитуда  упругих напряжений кожуха, МПа				[sА]к	350
34	Допускаемая амплитуда  упругих напряжений труб, МПа				[sА]т	436.8
35	Допускаемая амплитуда  упругих напряжений решетки, МПа				[sА]р	350
36	Расчетная длина кожуха, мм				Lк	5996
37	Внутренний радиус кожуха, мм				a	788
38	Внутренний диаметр кожуха, мм				D	1576
39	Расстояние от оси  кожуха до оси наиболее удаленной  трубы, мм				a1	740
40	Толщина стенки кожуха, мм				Sк	6
41	Прибавка к толщине  стенки кожуха, мм				Cк	1
42	Тип крепления трубных  решеток					А
43	Толщина трубной решетки, мм				Sр	35
44	Диаметр окружности, вписанной в максимальную беструбную область, мм				De	780
45	Диаметр отверстий в  решетке, мм				do	27
46	Шаг расположения отверстий  в решетке, мм				tр	32
47	Количество труб				i	386
48	Расчетная прибавка к  толщине трубной решетки, мм				C	1
49	Толщина стенки трубы, мм				Sт	2
50	Наружний диаметр трубы, мм				dт	25
51	Половина длины трубы, мм				l	2998
52	Способ крепления труб в решетках					развальцовка с обваркой
53	Высота сварного шва  в месте приварки трубы к решетке, мм				s	2
54	Глубина развальцовки труб, мм				Lв	20
55	Допускаемая нагрузка на единицу условной поверхности соединения трубы с решеткой, МПа				[q]	29.4
56	Наружний диаметр кожуха или фланца, мм				Dн	1020
57	Толщина стенки кожуха в  месте соединения с трубной решеткой или фланцем, мм				S1	35
58	Толщина стенки камеры в  месте соединения с трубной решеткой или фланцем, мм				S2	30
59	Радиус отбортовки трубной  решетки в месте соединения с кожухом, мм				r	30
60	Толщина решетки в  зоне кольцевой канавки, мм				S1р	35
61	Толщина тарелки фланца кожуха, мм				h1	35
62	Ширина тарелки фланца кожуха, мм				b1	(-278)
63	Радиус центра тяжести  тарелки фланца кожуха, мм				R1	649
64	Толщина тарелки фланца камеры, мм				h2	35
65	Ширина тарелки фланца камеры, мм				b2	10
66	Радиус центра тяжести  тарелки фланца камеры, мм				R2	30

 

 

   

 

 

4.5.2. Расчет вспомогательных величин

Основные параметры  трубной решетки

Относительная характеристика беструбного  края

Коэффициенты влияния  давления на трубную решетку

Коэффициент ослабления трубной решетки

Коэффициент жесткости  перфорированной плиты

0.82;

Основные характеристики жесткости элементов теплообменного аппарата

Модуль упругости основания (системы труб):

Приведенное отношение жесткости  труб к жесткости кожуха:

Коэффициенты изменения жесткости  системы трубы-кожух:

   

Для аппаратов с неподвижными трубными решетками

0 = 1;

0 = 1;

Приведенное давление

    

где (мм)

4.5.3. Определение усилий в элементах аппаратов и расчет на прочность

Характеристики жесткости  элементов конструкции

Коэффициент системы  решетка-трубы:

(1/мм)

Коэффициенты системы  кожух-решетка и обечайка-фланец камеры:

(1/мм)

(1/мм)

Жесткость фланцевого соединения при изгибе:

где:

;         

;      

( мм/мм)

( мм/мм)

( мм/мм)

( мм/мм)

16582708.1+231952053.01 = 248534761.11 ( мм/мм)

 

Коэффициенты влияния давления на изгиб фланцев:

(мм )

(мм )

Приведенное отношение жесткости  труб к жесткости фланцевого соединения:

Коэффициенты, учитывающие влияние беструбного края решетки и поддерживающие влияние труб определяются в зависимости от по [т.2;13]

740 = 5.2

7.94

5.33

7.67

 

Коэффициенты:

             

где:

   Усилия в элементах конструкции.

Изгибающий момент и  перерезывающая сила, распределенные по краю трубной решетки:

где:

(МПа)

(Н/мм)

( мм/мм)

 

Изгибающий момент и  перерезывающая сила, распределенные по периметру перфорированной зоны решетки:

( мм/мм)

(Н/мм);

Осевая сила и изгибающий момент, действующие на трубу:

где:

- для аппаратов без перегородок  в кожухе;

;

    2998 (мм)

( мм)

(Н)

Усилия в кожухе:

788/2*0.06-(-17.55) = 41.19 (Н/мм)

3.14*1576*41.19 = 203834.48 (Н)

Расчетные напряжения  в элементах конструкции.

  Расчетные напряжения в трубных решетках.

Напряжения в трубной  решетке в месте соединения с  кожухом:

           - изгибные:

6 (МПа)

   - касательные:

(МПа)

Напряжения в перфорированной части трубной решетки:

   - изгибные:

(МПа)

   - касательные:

(МПа)

Здесь Mmax – максимальный расчетный изгибающий момент в перфорированной части трубной решетки.

При  - Mmax определяется по формуле:

Коэффициент определяется по [т.4;13] в зависимости от значения:

0.554;

( мм)

Расчетные напряжения в кожухе в месте присоединения к решетке:

a) в меридиональном направлении:

   - мембранные:

(МПа)

   - изгибные:

(МПа)

b) в окружном направлении:

   - мембранные:

(МПа)

   - изгибные:

(МПа)

Расчетные напряжения в трубах:

   - в осевом направлении:

(МПа)

(МПа)

   - в окружном направлении:

 (МПа)

 

Расчет трубной решетки на прочность и жесткость.

Условие прочности  беструбной зоны:

35(мм) > [0.5*780*((0.4/176.5)^(1/2))+1=19.57(мм)]

Условие выполняется.

Условие статической прочности трубной  решетки :

Условие выполняется.

Проверка  трубной решетки на малоцикловую прочность в месте соединения с кожухом по ГОСТ 25859-83:

12.08 (МПа);

;              1.7    [13]

max{|12.08-0|;|0-0|;|0-12.08|} = 10.27(МПа)

Условие малоцикловой прочности:

10.27(МПа) < 350(МПа)

Условие выполняется.

Проверка  трубной решетки на малоцикловую прочность в перфорированной части по ГОСТ 25859-83:

48.98(МПа);

             

max{|48.98-0|;|0-0|;|0-48.98|} = 24.49(МПа)

Условие малоцикловой прочности:

24.49(МПа) < 350(МПа)

Условие выполняется.

Проверка  жесткости трубной решетки

Условие жесткости:

W=

[W]

При рекомендуемая максимальная величина прогибов трубной решетки [W]=1.1мм.

(мм)

0,08 (мм)< 1,1 (мм)

Условие выполняется.

Расчет кожуха на прочность  и устойчивость.

Условие статической прочности кожуха в  месте присоединения к решетке:

                                           

1.21(МПа) < [1.3*192=249.6(МПа)]

Условие выполняется.

Проверка  кожуха на малоцикловую прочность в  месте присоединения к решетке:

1.21+16.95 = 18.16(МПа);

9.27+5.08 = 14.35(МПа);

;              - определяется по [13]

1.7

max{|18.16-14.35|;|14.35-0|;|0-18.16|} = 15.44(МПа)

Условие малоцикловой прочности:

 

 

15.44(МПа) < 350(МПа);

Условие выполняется.

 

Расчет труб на прочность, устойчивость и жесткость.