• Главная
• Избранное
• Популярное
• Новые добавления
• Случайная статья

Коэффициенты прочности сварных и паяных соединений

Большое количество основных элементов машин и аппаратов пищевых производств вы-полняется с применением сварки и пайки. Некоторое ухудшение механических характери-стик материала сварных и паяных соединений, по сравнению с характеристиками основного металла, делает необходимым при расчёте на прочность сварных и паяных конструкций сни-жать допускаемые напряжения введением в расчётные формулы коэффициента прочности шва 1. Величина коэффициента прочности шва принимается в соответствии с Правилами Госгортехнадзора России и зависит от конструкции сварного или паяного соединения и спо-соба сварки или пайки,

Так, при расчёте на прочность сварных швов стальных сосудов и аппаратов, должны приниматься следующие значения коэффициента прочности :

а) для стыковых и тавровых сварных соединений с двухсторонним сплошным проваром, выполненных автоматической сваркой, допускается применение 1;

б) для стыковых сварных соединений с подваркой корня шва и тавровых соединений с двухсторонним сплошным проваром, выполненных вручную, 0,95;

в) для стыковых соединений, доступных к сварке только с одной стороны и имеющих в процессе сварки подкладку со стороны корня шва, прилегающую по всей длине шва к основ-ному металлу, коэффициент 0,9;

Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач Расчёт сосудов работающих под действием внутреннего избыточного давления

г) для тавровых соединений, в которых не обеспечивается сплошное соединение свари-ваемых деталей, а также для соединений внахлестку при наличии швов с двух сторон -

0,8.

Коэффициент прочности соединений паяных твердыми и мягкими припоями в аппаратах из цветных металлов и их сплавов, изменяется от 0,7 до 1 (меньшее значение для композици-онной пайки, большее – для однородной).

Прибавки к расчётной толщине стенки конструктивных элементов

При расчёте сосудов и аппаратов необходимо учитывать коррозионное влияние рабочей среды на материал конструктивных элементов в эксплуатационных условиях. Поэтому для компенсации коррозии к расчётной толщине стенки обечаек, днищ, колец жесткости и дру-гих элементов дают прибавку С, величина которой устанавливается проектирующей органи-зацией и в общем случае определяется по формуле 1.5:

C C₁ C₂ C₃, (1.5)

где C₁ П – прибавка на коррозию; П – проницаемость среды в материал (скорость коррозии), мм/год; – срок службы аппарата, равный обычно 10 ... 15 годам; С₂ – прибавка на эрозию или другой вид химического воздействия рабочей среды на материал; прибавку на эрозию рекомендуется учитывать лишь в тех случаях, когда имеет место движение среды в аппарате со значительными скоростями (для жидких сред – более 20 м/с, для газообраз-ных сред – более 100 м/с), при наличии в движущейся среде абразивных твердых частиц, а также при ударном действии среды на деталь. С₃ – прибавка на округление размера до ближайшего большего стандартного значения.

Расчёт обечаек сосудов

Цилиндрические обечайки – основной элемент многих аппаратов пищевых производств. Цилиндрическая форма обечайки весьма проста в изготовлении, экономична по расходу ма-териала и хорошо противостоит внутреннему давлению благодаря равномерному распреде-лению нагрузки по ее площади.

Расчёт толщины обечаек проводят в соответствии с ГОСТ 14249. Исполнительную тол-щину S (м) тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним из-быточным давлением, рассчитывают по формуле 1.6:

где Р_p – расчётное давление, МПа; D – внутренний диаметр аппарата, м; φ – коэффи-

циент прочности продольного сварного шва; [σ] – допускаемое напряжение, МПа; с – при-бавка к расчётной толщине, м.

стали не должна превышать – 380 ºС, из низколегированной – 420 ºС, из аустенитной – 525 ºС. Рассчитанную толщину стенки обечайки, изготовленной из трубы, следует привести в соот-

ветствие с толщинами: 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 мм (ГОСТ 9931-85 «Корпуса цилиндриче-

ские стальных сварных сосудов и аппаратов» ).

Допускаемое внутреннее избыточное давление [Р] (МПа) рассчитывают по формуле 1.7:

Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач

Расчёт сосудов работающих под действием внутреннего избыточного давления

1.8

Расчёт крышек и днищ сосудов

Днище (крышка) – составная часть корпуса аппарата. Оно, как правило, изготавливается

из того же материала, что и обечайка. Днище составляет с обечайкой единое целое в литых

аппаратах или соединяется с ней сваркой или пайкой. Форма днища определяется условиями

работы аппарата (давление, температура), технологическими требованиями к аппарату и

конструктивными

со-

ображениями.

По

форме днища бывают

эллиптические,

полу-

шаровые,

сфериче-

ские,

конические

и

плоские.

Эллиптические

днища.

Эллиптиче-

ские днища, имеющие

форму

эллипсоида

вращения,

широко

применяют для

аппа-

а

б

ратов

под

давлением

Рисунок 1.6 – Полушаровое (сферическое) днище (а),

(рисунок1.6, б). В ре-

эллиптическое днище (б)

зультате непрерывно-

го изменения радиуса

кривизны днища внутренние напряжения распределяются равномерно, при этом не наблюда-

ется опасных концентраций напряжений. Для того чтобы отнести сварной шов от закруглен-

ной части и не нагружать его изгибающими моментами, днище снабжают цилиндрическим

бортом. Длину борта принимают из нормального ряда величин.

Толщину стенки сферического днища, работающие под действием внутреннего избы-

точного давления, рассчитывают на прочность по формулам (1.8) и (1.9).

Pp Dcф

Sсф

C ,

(1.8)

4 p

P

4 Sсф

С

.

(1.9)

D Sсф С

Наиболее распространены эллиптические отбортованные днища. Толщину стенок эл-липтического днища, работающих под действием внутреннего избыточного давления, если выполняется соотношение 0,2 H / D 0,5, рассчитывают на прочность по формулам (1.10)

и (1.11).

где D – внутренний диаметр цилиндрической части днища, м; φ – коэффициент сварно-го шва (для цельных днищ φ=1).

Расчётную толщину стенки эллиптического днища с базовым внутренним диаметром следует привести в соответствие с толщинами: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 32, 34, З6, 38, 40, 45, 50, 55, 65, 70, 80, 90, 100 мм.Толщина эллиптического днища с наруж-

ным базовым размером принимается из ряда: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 (ГОСТ 6533-78 «Днища эллиптические»).Толщина эллиптического днища во всех случаях не должна бытьменьше толщины обечайки.

Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач Расчёт сосудов работающих под действием внутреннего избыточного давления

Конические днища. Их применяют в тех случаях,когда необходимо перейти от цилинд-рической части одного диаметра к цилиндрической части другого диаметра, и в вертикаль-ных аппаратах при работе с вязкими и сыпучими материалами. Коническая форма днища об-легчает удаление этих материалов. Наиболее распространены конические днища с углом у вершины 2α, равным 60° и 90°, применяют также днища с углом 2α, равным 120° и 140°.

Конические днища изготавливают, как правило, с отбортованным краем, а это сущест-венно снижает местные напряжения. Обычно радиус отбортовки r = 0,15D.

При расчёте толщину конической части определяют по формуле 1.12:

При расчёте на внутреннее давление конических днищ, у которых половина центрального угла (угла при вершине) α ≤ 70° (рисунок 1.7), толщину стенки отбортовки, т. е. цилиндрической части S₁ на рас-

стоянии l₁ 0,5 D S₁ C и толщину стенки ко-

нического элемента (днища) S₂ на расстоянии

величин, рассчитанных по формулам (1.12) и (1.13)

S₁ S₂max S_k ;S_1р.

За пределами указанного расстояния толщину конического днища S_К определяют по (1.12). Но во всех случаях величины S₁ и S₂ должна быть не мень-ше S, определяемой по (1.12).

Рисунок 1.7 – Коническое днище с отбортовкой

Допускаемое давление определяется по формуле 1.14:

В формулах (1.10) – (1.12), где D – внутренний диаметр аппарата, м; D_p – расчётный диаметр, м; принимается в зависимости от конструкции днища: для днищ с отбортовкой

где r – внутренний радиус отбортовки, м; для днищ с отбортовкой (с тороидальным пере-ходом) r выбирают конструктивно, обычно r=0,3D.

При расчёте толщины конического днища по (1.12) или (1.13) коэффициент прочности кольцевого сварного шва φ принимают равным 1, а в остальных случаях значение берут та-ким же, как и для обычных сварных швов.

Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач Расчёт сосудов работающих под действием внутреннего избыточного давления

Пример расчёта

Рассчитать толщину стенки обечайки и (эллиптического и конического) днища для со-суда.

Исходные данные:внутренний диаметрD = 2800мм,угол наклона конического днища45º, избыточное внутреннее рабочее давление Р = 0,65 МПа, максимальная рабочая тем-пература 270 ºС (543 К). Срок службы – 10 лет. Материал – Сталь 20К ГОСТ 14249-89.

Решение.

Прибавка на коррозию при сроке службы τ =10 лет составит:

С₁= П·τ =0,01·10 = 0,1 мм = 0,0001 м.

Допускаемые напряжения для стали 20К по таблице В.1, приложение В, [σ]₂₀ = 147 МПа и при расчётной температуре 300 °С [σ] = 119 МПа .

Допускаемое напряжение для условий гидроиспытаний определяем по формуле (1.4)

.

1 119 119 МПа .

Пробное давление определяем по таблице 1.1:

где – коэффициент прочности продольного сварного шва = 0,9.

Ближайшая большая толщина листа по сортаменту равна 10 мм, которую и принимаем в качестве исполнительной.

Определяем допускаемое давление в условиях гидроиспытаний по формуле (1.7):

Толщину стенки эллиптического днища находим по формуле (1.10). Для стандартных эллиптических днищ R = D/2. Тогда, принимая, что днище изготовлено из стали 20К и рабо-тает в тех же условиях, что и обечайка, получаем:

По условиям расчёта толщина эллиптического днища во всех случаях не должна быть меньше толщины обечайки сосуда, поэтому принимаем толщину эллиптического днища рав-ной толщине обечайки – 10 мм.

Толщину стенки конического днища находим по формулам (1.12) и (1.13)

Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач Расчёт сосудов работающих под действием внутреннего избыточного давления

Ближайшая большая толщина листа по сортаменту равна 14 мм, которую принимаем в качестве исполнительной. По условиям расчёта принимают толщину отбортовки коническо-

го

днища

большую из двух

величин, рассчитанных

по формулам (1.12) и (1.13),

S1

S2max Sk ;S , S1 S2 Sk

мм.

При Sk

S принимаем толщину конического днища Sk 14 мм.

Расчётный диаметр:

D Sк С

Dp D 2 r 1 cos 0,5

sin

cos

2,8 2 0,3 2,8 1 cos45 0,5

2,8 0,012 0,0001

sin45 2,298 м.

cos45

P

2 cosα σ Sк

С

2 cos45 0,9 119 106 0,012 0,0001

0,78

МПа .

Dр cosα Sк С

2,298 cos45 0,012 0,0001

а б

Рисунок 1.8 – Результаты расчётов: а – оболочка со сферическим днищем, б – оболочка с коническим днищем

Заключение:были рассчитаны параметры оболочки:его толщина в цилиндрической,конической и сферической части; толщина отбортовки конической части (рисунок 1.8) и до-пускаемое давление этой оболочки. При этих параметрах внутреннее рабочее давление меньше, чем допускаемое P P , что определяет работоспособность конструкции.

Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Элементы теории и сборник задач Расчёт сосудов работающих под действием внутреннего избыточного давления

Задачи

1.10.1 Рассчитать толщину стенки обечайки и днища (эллиптического и конического) для сосуда по данным из таблицы 1.4.

Срок службы τ = 10 лет, П = 0,01 мм. Материал – Сталь 20К ГОСТ 5520-79. Выпол-нить рисунок эллиптического и конического днища по полученным данным. Допускаемые напряжения для стали 20К при различной температуре принять по ГОСТ 14249 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность», приложение В. Толщина листа, из кото-рого изготовлена обечайка и днища для сосуда, принять по ГОСТ 19903-74 «Сталь листовая горячекатаная. Сортамент», приложение Г.

Таблица 1.4 – Исходные данные для расчёта

Поиск по сайту: