Модернізація та антикорозійний захист конденсаційного відділення

Задание на проектирование

Рассчитать  кожухотрубчатый теплообменный  аппарат с компенсатором на корпусе, исходя из следующих условий:

Поверхность теплообмена F= 200 м².

Диаметр и толщина  стенки труб d_н×S_Т = 38×2мм.

Рабочая среда: трубное пространство – газ, межтрубное – жидкость.

Давление в  трубном пространстве Р_Т = 1,2 МПа.

Давление в  межтрубном пространстве Р_М= 0,8 МПа.

Температура в  трубном пространстве: вход t_НТ = 200 ºС , выход t_КТ = 120 ºС.

Температура в  межтрубном пространстве: вход t_НМ = 20 ºС , выход t_КМ = 95 ºС.

Скорость коррозии V= 0,02 мм/год.

Срок службы τ= 30 лет.

Коэффициент прочности  сварного шва φ= 0,8.

Материал аппарата ВТ 1-0.

Расположение  аппарата – горизонтальное.

Крышка –  торосферическая тип ТС-В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Выбор конструкционного материала и допускаемые напряжения

Расчетное давление Р = 20 МПа.

Принимаем расчетную  температуру внутри аппарата t = 150 °С.

Материал аппарата – сталь 20, для которой

σв = 325 МПа, σт = 163 МПа [15].

Нормативное допускаемое  напряжение:

σ* = min(σв/nв; σт/nт)

nв = 2,6; nт = 1,5 – коэффициенты запаса прочности

σ* = min(325/2,4 = 135 МПа; 163/1,5=109 МПа) = 109 МПа

Допускаемое напряжение:

[σ] = ησ* = 0,9·109 = 98 МПа

η = 0,9 – поправочный  коэффициент при отсутствии данных о рабочей среде.

С = ПТа =0,0001·10 = 0,001 м

где П = 0,0001 м/год  – скорость коррозии

Та = 10 – срок службы аппарата

Давление гидравлических испытаний

Рги = 1,25Р[σ]20/[σ]500 = 1,25·20·106/98 = 27 МПа

 

3.3. Расчет толщины стенки корпуса аппарата

Толщина стенки по методу максимальных упругих напряжений.

Расчетный коэффициент  толстостенности:

β =

= [98/(98 – 31/2·20)]1/2 = 1,244

Расчетный коэффициент  толстостенности в условиях гидроиспытаний:

β =

= [98/(98 – 31/2·27)]1/2 = 1,383

Исполнительная  толщина обечайки:

s > 0,5D(β –  1) = 0,5·2400(1,383– 1) = 460 мм

Принимаем s = 480 мм, тогда коэффициент толстостенности:

β = (D+2s)/D = (2400+2·480)/2400 = 1,400

Допускаемое рабочее  давление:

[p] = [σ](β2 –  1)/31/2 = 98(1,4002 – 1)/31/2 = 54 МПа

Условие р < [p] выполняется

 

 

Проверка условия  прочности

στ = Р(β2+1)/(β2 – 1) = 20(1,4002+1)/(1,4002 – 1) = 62 МПа

σr = -Р = -20 МПа

σи = Р/(β2 – 1) = 20/(1,4002 – 1) = 21 МПа

σэкв =

=

{0,5[(62 – 21)2+(62+20)2+(21+20)2]}1/2 = 71 МПа

Условие σэкв < [σ] = 98 МПа выполняется

Проверка по условию пластичной деформации

Допускаемое давление

[Р] = [σ]φlnβ = 98·1,0ln1,400 = 33,0 МПа

Условие [Р] > Рг.и = 27 МПа выполняется

Проверочный расчет с учетом температурных напряжений при Δt = 50°С.

Для стали 20: α = 12,4·10-6 1/ºС; μ = 0,3; Е = 1,86·105 МПа

Вспомогательный коэффициент k1:

k1 =

= 12,4·10-6·1,86·105[(1,4002–1)/2ln1,400– 1]/(1 – 0,3) = 1,41

Эквивалентное напряжение

σэкв =

= (3·202+3·20·1,41·50+1,412·502)0,5/(1,4002 – 1) =106 МПа

Условие прочности:

σэкв =106 < σт/1,1 = 163/1,1 = 148 МПа выполняется

 

3.4. Расчет массы аппарата

Масса корпуса  аппарата

mк = 0,785(Dн2-Dвн2)Нρ

где Dн = 3,36 м  – наружный диаметр корпуса;

Dвн = 2,40 м –  внутренний диаметр корпуса;

Н = 18,2 м – высота цилиндрической части корпуса

ρ = 7800 кг/м3 –  плотность стали

mк = 0,785(3,362-2,42)18,2·7800 = 616211 кг

Общая масса  аппарата. Принимаем, что масса вспомогательных  устройств (штуцеров, фланцев и т.д.) составляет 10% от основной массы аппарата, тогда

 

 

m = 1,1(mк + mд  + mкр) = 1,1(616211+25130+18440) = 725759 кг = 7,11 МН

Масса аппарата заполненной водой при гидроиспытании.

Масса воды при  гидроиспытании

mв = 1000(0,785Dк2Hц.к  + Vд) = 1000(0,785·2,42·18,2 + 2,35) = 84643 кг

Максимальный  вес аппарата

mmax = m + mв = 725759 + 84643 = 810402 кг = 7,94 МН

 

3.5. Расчет колонны на ветровую нагрузку

Отношение H/D = 21/3,36 = 6,3 < 15, следовательно, расчетная схема  принимается в виде упругозащемленного стержня. Условно разбиваем по высоте аппарат на 3 участка по 7 метров, вес участка принимается сосредоточенным в середине участка; ветровая нагрузка, равномерно распределенная по высоте аппарата, заменяется сосредоточенными силами, приложенными в середине участка:

Период собственных колебаний для максимального и минимального веса колонны. При H/D < 15

где Н = 21 м –  высота колонны;

G – максимальный  или минимальный вес колонны;

J – момент  инерции верхнего поперечного  сечения корпуса аппарата относительно центральной оси;

Е – модуль упругости;

J = πDcp3(S-C)/8 = π

где Dcp – средний  диаметр корпуса

 

 

 

Dcp = D + (S-C) = 2,4 + (0,48-0,001) = 2,879 м

J = π2,8793(0,48-0,001)/8 = 4,498 м4

φ0 = 1/СфJф = 1/50·2,12 = 0,009 1/МН·м

где Сф = 50 МН/м3 – коэффициент неравномерности сжатия грунта;

Jф – момент инерции  подошвы фундамента относительно  центральной оси

Jф = 1, 3Jк = 1,3·1,63 = 2,12 м4

где Jк - момент инерции фундаментного кольца

Jк = πD3l/8 = π2,43·0,3/8 = 1,63 м4

где l = 0,3 м –  ширина кольца

Тmax = 1,79·21[7,94(21/1,86·105·4,498 + 4·0,009)/9,8]0,5 = 6,42 c

Тmin = 1,79·21[7,11(21/1,86·105·4,498 + 4·0,009)/9,8]0,5 = 6,08 c

Нормативный скоростной напор для II географического пояса q = 0,035·10-2 МН/м2 [16]

Поправочный коэффициент  к нормативному скоростному напору для участков аппарата высотой Н > 10 м θ = 1,4 [16]. Расчетный скоростной напор по участкам

q1 = q2 = θq = 1,4·0,035·10-2 = 0,049·10-2 МН/м2

q3 = 0,035·10-2 МН/м2

Коэффициент динамичности определяем по графику [16]:

для Т = 6,42 с –  ε = 3,3

для Т = 6,08 с –  ε = 3,2

Коэффициент пульсации  скоростного напора определяем по графику [16]:

для участка 1 - m1 = 0,34

для участка 2 - m2 = 0,35

для участка 3 - m3 = 0,35

Коэффициент увеличения скоростного  напора

β = 1 + εm

при максимальной массе аппарата

β1 = 1 + 3,3·0,34 = 2,122

β2 = 1 + 3,3·0,35 = 2,155

β3 = 1 + 3,3·0,35 = 2,155

при минимальной  массе аппарата

β1 = 1 + 3,2·0,34 = 2,088

β2 = 1 + 3,2·0,35 = 2,120

β3 = 1 + 3,2·0,35 = 2,120

 

 

 

Сила от ветровой нагрузки, действующей на каждый участок  аппарата

Рi = 0,6βiqiDihi

при максимальной силе тяжести аппарата

Р1 = 0,6·2,122·0,049·10-2 ·3,36·7 = 0,0147 МН

Р2 = 0,6·2,155·0,049·10-2 ·3,36·7 = 0,0149 МН

Р3 = 0,6·2,155·0,035·10-2 ·3,36·7 = 0,0106 МН

при минимальной  силе тяжести аппарата

Р1 = 0,6·2,088·0,049·10-2 ·3,36·7 = 0,0144 МН

Р2 = 0,6·2,120·0,049·10-2 ·3,36·7 = 0,0147 МН

Р3 = 0,6·2,120·0,035·10-2 ·3,36·7 = 0,0105 МН

Изгибающий  момент от ветровой нагрузки на аппарат  относительно основания при максимальной силе тяжести аппарата

Мв1 = 0,0147·17,5 = 0,257 МН

Мв2 = 0,0149·10,5 = 0,156 МН

Мв3 = 0,0106·3,5 = 0,037 МН

∑Мв = 0,450 МН

при минимальной  силе тяжести аппарата

Мв1 = 0,0144·17,5 = 0,252 МН

Мв2 = 0,0147·10,5 = 0,154 МН

Мв3 = 0,0105·3,5 = 0,037 МН

∑Мв = 0,443 МН

 

3.6. Расчет аппарата на сейсмическую нагрузку

Величина сейсмической силы в середине i-го участка.

При Н/D < 15

где Кс = 0,05 –  сейсмический коэффициент при 8 балах [16];

β = 0,55 - коэффициент  динамичности;

Кi – относительное  перемещение центров тяжести  участков;

Gi – сила  тяжести i-го участка.

 

Принимаем, что масса аппарата распределена по высоте равномерно, тогда

Gi = 7,94/3 = 2,65 МН

Аi – параметр определяемый по графику [16];

α0 = хi/Н – относительные  координаты центров тяжести.

К1= 21·0,72/3·1,86·105·4,498 + 0,009·0,83 = 0,00748 1/МН·м

К2= 21·0,31/3·1,86·105·4,498 + 0,009·0,50 = 0,00450 1/МН·м

К3= 21·0,04/3·1,86·105·4,498 + 0,009·0,17 = 0,00153 1/МН·м

Предварительно  рассчитываем суммы

∑GiKi = 2,65(0,00748+0,00450+0,00153) = 0,03580

∑GiKi2 = 2,65(0,007482+0,004502+0,001532) = 2,081·10-4

Сейсмическая  сила в середине каждого участка

Р1 = 0,05·0,55·2,65·0.00748·0.03580/2,081·10-4 = 0,0938 МН

Р2 = 0,05·0,55·2,65·0.00450·0.03580/2,081·10-4 = 0,0564 МН

Р3 = 0,05·0,55·2,65·0.00153·0.03580/2,081·10-4 = 0,0191 МН

Расчетный изгибающий момент в нижнем сечении опоры аппарата от сейсмической нагрузки при учете первой формы колебаний

0,0938·17,5+0,0564·10,5+0,0191·3,5 = 2,301 МН·м

Расчетный изгибающий момент в том же сечении опоры  с учетом влияния высших форм колебаний

Мс1 = 1,25Мс = 1,25·2,301 = 2,88 МН·м

Суммарный расчетный  изгибающий момент от сейсмической и  ветровой нагрузок

Мсум = Мс1 + 0,3Мв = 2,88+0,3·0,45 = 3,015 МН·м

Поскольку ветровая нагрузка на колонну меньше суммарной, то расчет опоры ведем по суммарной нагрузке.

 

3.7. Расчет опоры аппарата

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке.

Принимаем толщину  цилиндрической стенки опоры S= 20 мм.

Материал опоры сталь Ст 3 ГОСТ 380-88

 

 

σв = 380 МПа; σт = 220 МПа; Е = 2,10·105 МПа; σ = 146 МПа

Диаметр опоры  равен наружному диаметру аппарата 3,36 м.

Размеры опорного кольца.

           Внутренний диаметр кольца

D2 = D – 0,06 = 3,36 – 0,06 = 3,30 м

Принимаем D2 = 2,5 м

Наружный диаметр  кольца

D1 = D + 2S + 0,2 = 3,36+ 2·0,020 + 0,2 = 3,60 м

Принимаем D1 = 3,60 м

Опорная площадь  кольца

F = 0,785(D12 – D22) = 0,785(3,62 – 3,302) = 1,625 м2

Момент сопротивления  опорной площади кольца

W = π(D14 – D24)/32D1 = π(3,64 – 3,304)/32·3,6 = 1,35 м4

Напряжение  сжатия в стенке опоры с учетом отверстия для лаза d = 0,5 м

σс = Gmax/[π(D+S) – d](S-C) = 7,94/[π(3,36+0,020) – 0,5](0,020-0,001) = 39,1 МН/м2

Напряжение  на изгиб в стенке опоры

σи = М/π(D+S)2(S-C) = 0,450/π(3,36+0,020)2(0,020-0,001) = 0,7 МН/м2

Отношение

D/2(S – C) = 3,36/2(0,032–  0,001) = 54

по этой величине по графику [16] находим коэффициенты:

kи = 0,05; kc = 0,04

Kc = 875σтkc/E = 875·220·0,05/2,1·105 = 0,046

Kи = 875σтkи/E = 875·220·0,04/2,1·105 = 0,037

Допускаемые напряжения на сжатие и изгиб в обечайке опоры

σсд = КсЕ(S-C)/D = 0,046·2,10·105(0,020 – 0,001)/3,36 = 55 МПа

σид = КиЕ(S-C)/D = 0,037·2,10·105(0,020 – 0,001)/3,36 = 44 МПа

Устойчивость  цилиндрической опоры

= 39,1/55 +0,7/44 = 0,73 < 1

устойчивость обеспечена

Максимальное  напряжение на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору  с корпусом аппарата, при коэффициенте сварного шва φш = 0,7

 

7,94/0,7π(3,36+0,020)(0,020 – 0,001) + 4·0,450/0,7π(3,36+0,020)2(0,020– 0,001) = 32,6 МПа < σсд

Максимальное  напряжение сжатия на опорной поверхности  кольца

7,94/1,625+ 0,45/1,35 = 5,2 МПа < 10 МПа

Номинальная расчетная  толщина опорного кольца при l = 0,1 м

1,73·0,1(5,2/146)0,5 = 0,033 мм

с учетом прибавки на коррозию принимаем округляя размер s = 0,040 м

Наименьшее  напряжение на опорной поверхности  кольца:

при максимальной силе тяжести аппарата

7,94/1,625– 0,450/1,35 = 4,55 МПа

при минимальной  силе тяжести аппарата

7,11/1,625– 0,443/1,35 = 4,05 МПа

Расчетным является наибольшее по абсолютной величине значение σ – при максимальной силе тяжести  аппарата, а знак минус указывает  на необходимость установки фундаментных болтов.

Общая условная расчетная нагрузка на фундаментные болты

Рб = 0,785(D12 – D22)σ = 0,785(3,602 – 3,302)4,55 = 7,39 МН