Ветровая нагрузка.

Расчет аппарата на действие ветровых и весовых нагрузок следует выполнять при наиболее неблагоприятных сочетаниях нагрузок. Так, расчеты по пунктам а, б, г, д, е, (см. порядок расчета) проводят с учетом максимального веса аппарата, изоляции и воды в объеме аппарата, если его можно заполнять водой, например при гидравлических испытаниях. При расчете устойчивости аппарата наиболее опасным является случай, когда аппарат имеет минимальный вес (без учета веса изоляции, внутренних устройств и площадок обслуживания).

Расчетная схема для определения ветровых нагрузок, действующих на колонну, приведена на рис. 1.11. Аппарат по высоте условно разбит на произвольные участки. Высота каждого участка должна быть не более 10 м. Диаметр участка должен быть неизмененным по высоте (случай колонн переменного сечения). Это позволяет принять центр тяжести каждого участка расположенным в его середине, расстояние которого от основания аппарата равно К_i. К этой же точке прикладывают сосредоточенную силу, которая заменяет равномерно распределенную по высоте участка ветровую нагрузку.

Рис. 1.11. Схема ветровых нагрузок, действующих на аппарат

В рассматриваемом случае принято

h₁ = 10 м; h₂ = 10, 7 м; å Н = Н₁ = 20, 7 м

м;

м.

Расчетную ветровую нагрузку Р_i на каждый участок определяют по формуле

Р_i = K × q_i × b _i × S_i (1.10)

где К - аэродинамический коэффициент для цилиндрического корпуса К = 0, 6-0, 7; для плоской стенки (площадки для обслуживания) К = 1, 4; qi - нормативный скоростной напор ветра для середины i-того участка аппарата на высоте х_i от уровня земли в заданном географическом районе; b _i - коэффициент увеличения скоростного напора, учитывающий динамическое воздействие порывов ветра; S_i - площадь наибольшего осевого сечения участка; для цилиндрических аппаратов S_i = Di × hi (где D_i - наружный диаметр участка с учетом изоляции; h_i - его высота).

Нормативный скоростной напор ветра определяют по формуле

q_i = q₀ × Q_i

где q₀ - нормативный скоростной напор ветра для высоты над поверхностью земли до 10 м в данном географическом районе;

Q_i = (x_i / 10)^{0, 16} - коэффициент, учитывающий возрастание скоростного напора с увеличением высоты х_i над поверхностью земли; при выборе Q_i по графику (рис. 1.12) учитывают высоту до середины i-того участка).

Рис. 1.12. График определения поправочного коэффициента Q_i

Значение нормативного скоростного напора ветра q_i для различных районов СНГ приведены в табл. 1.7

Таблица 1.7

Нормативный скоростной напор ветра

(например, города Москва, Минск расположены в 1 районе; Омск, Тобольск, Уфа - во втором; Куйбышев, Оренбург - в третьем районе).

Коэффициент увеличения скоростного напора b_i определяют по формуле

b _i = 1 + e× m_i (1.11)

где e - коэффициент динамичности; m_i - коэффициент пульсации скоростного напора ветра, который на высоте х_i от уровня земли определяют по табл. 1.8.

Таблица 1.8

Коэффициент пульсации скоростного напора ветра

Для высот от 20 до 100 м, промежуточных между указанными в табл. 1.7, величину коэффициента m_i находят линейной интерполяцией.

Коэффициент динамичности e находят из графика (рис. 1.13) в зависимости от периода собственных колебаний аппарата Т (с).

Рис. 1.13. График для определения коэффициента динамичности e

Для аппаратов постоянного сечения

, (1.12)

где Н - полная высота аппарата с опорой (при наличии постамента, включая его высоту), м; Q₂ - максимальный вес аппарата, МН; g = 9, 81 м/с² - ускорение свободного падения; Е - модуль продольной упругости материала корпуса аппарата при расчетной температуре, МПа (Приложение 2); I - экваториальный момент инерции площади поперечного сечения стенки корпуса аппарата относительно центральной оси, м⁴; j ₀ - угол поворота опорного сечения фундамента под действием единичного момента, (МН× м)^-1

, (1.13)

где С _j - коэффициент упругого неравномерного сжатия грунта, определяемый по данным инженерной геологии района или при отсутствии таких данных в зависимости от нормативного давления R_н на подошву фундамента (для грунтов средней плотности R_н = 0, 3 МПа и С _j = 100 МН/м³); I_ф - экваториальный момент инерции площади подошвы относительно центральной оси, м⁴; если размеры фундамента неизвестны, то можно принять

I_ф = 0, 065 × D₂⁴,

где D₂ - наружный диаметр фундаментного кольца аппарата, м.

Максимальный вес аппарата равен

Q₂ = Q₁ + Q_т + Q_пл + Q_и + Q_в, Н, (1.14)

где Q₁ - минимальный вес аппарата; Q_т - вес внутренних устройств (например тарелок), монтируемых после установки аппарата на фундамент; Q_пл - вес площадок обслуживания; Q_и - вес теплоизоляции аппарата; Q_в - вес воды в аппарате во время гидравлических испытаний.

Минимальный вес аппарата Q₁ равен

Q₁ =Q _ц +Q_д +Q_оп + Q_ф.к + Q_л + Q_лаз + Q_ш, Н, (1.15)

где Q _ц - вес цилиндрической части аппарата; Q_д - вес днищ; Q_оп- вес обечайки опоры; Q_ф.к -вес фундаментного кольца; Q_л - вес опорных лап аппарата; Q_лаз -вес люков-лазов; Q_ш - вес штуцеров.

Вес любой части (узла) аппарата определяется умножением его объема на удельный вес материала.

Например,

Q _ц , Н, (1.16)

где r - плотность стали (7500-7900 кг/м³).

Q _ц Н.

Аналогично

Q_д = 16120 Н,

Q_оп = 18130 Н,

Q_ф.к = 1200 Н (предварительно приняв толщину кольца 12 мм),

Q_л = 930 Н,

Объем металла выпуклой части эллиптического днища определяют по формуле

, м³, (1.17)

где Н_н, Н_в - соответственно высота выпуклой части эллиптического днища с учетом толщины стенки и без ее учета.

Объем металла полушарового днища определяют по формуле

, м³, (1.18)

Вес люков-лазов равен

Q_лаз = Q_лаз × N_лаз,

где Q_лаз - вес одного люка-лаза; N_лаз, - их число.

Для ректификационных колонн наиболее часто применяют люки-лазы диаметром 450 мм, вес которых при давлениях до

1 МПа принимают равным 1300 Н,

2, 5 МПа -" - 2500 Н,

4, 0 МПа -" - 3600 Н.

В рассматриваемом случае

Q_лаз = 1300 × 8 = 10400 Н.

Вес штуцеров приведен в Приложении 5.

Суммарный вес штуцеров равен 1537, 1 Н. Примем Q_ш = 1540 Н.

Таким образом, имеем

Q₁ = 181000 + 16120 + 18130 + 1200 + 930 + 10400 + 1540 = 229320 Н

Для крепления изоляции на корпус аппарата приваривают уголки в форме колец. Учитывая их вес, а также вес сваренных швов и втулок для приборов контроля, принимаем

Q₁ = 240000 Н.

Принимаем тарелки из S-образных элементов однопоточные. Вес такой тарелки диаметром 2400 мм равен 3300 Н [5]. Суммарный вес тарелок

Q_т = 3300 × 25 = 82500 Н.

Вес обслуживания площадок и лестниц находят, зная вес одной площадки (10000 Н) и вес 1 м лестницы (1000 Н). Тогда

Q_пл = 10000 × 8 + 1000 × 20 = 100000 Н.

При определении Q_пл принято число площадок равное числу люков-лазов, а общая длина лестниц - высота аппарата (с учетом опоры).

Вес теплоизоляции аппарата можно рассчитать, приняв соответствующий материал. Обычно этот вес составляет 5-10% минимального веса аппарата. Примем 7%, тогда

Q_и = 240000 × 0, 07 = 16800 Н.

Вес воды в аппарате во время гидравлических испытаний равен

Q_в = ((p × D_B² / 4) × Н_ц + 2 × V_дн) × r × g, Н, (1.19)

где Н_ц = Н_ц + 2h; V_дн = - внутренняя емкость выпуклой части эллиптического днища, м³; r - плотность воды, кг/м³.

Для стандартных эллиптических днищ

V_дн = .

Для полушаровых днищ

V_дн = ,

Q_в = Н.

Максимальный вес колонны равен

Q₂ = 240000 + 82500 + 100000 + 16800 + 840000 = 1279300 Н

Примем Q₂ = 1280000 Н = 1, 28 МН,

I_ф = м⁴

Принимаем С _j = 100 МН/м³, тогда

1/МН× м

Модуль продольной упругости для углеродистой стали (рассматриваемый случай) при температуре 200⁰ С (приложение 2)

Е = 1, 81 × 10⁵ МПа.

Экваториальный момент инерции площади поперечного сечения стенки корпуса цилиндрического аппарата относительно центральной оси

м⁴.

Поскольку в нашем случае постамент отсутствует, то

Н = Н₁ = 20, 73 м.

Теперь мы имеем все данные для определения периода собственных колебаний аппарата Т.

с.

Тогда согласно графику (рис. 1.10) e = 1, а коэффициент увеличения скоростного напора для рассматриваемых участков b ₁ = b ₂, поскольку m₁ = m₂ при высоте х_i до 20 м,

b = 1 + 1 × 0, 35 = 1, 35

Принимаем аэродинамический коэффициент К = 0, 6.

Город Омск относится ко второму географическому району (смотри табл. 1.7), следовательно,

q₀ = 350 Па.

Тогда q₁ = 350 × 1 = 350 Па,

q₂ = 350 × 1, 2 = 420 Па.

Значения Q₁ = 1 и Q₂ = 1, 2 найдены по графику (рис. 1.12), соответственно для х₁ = 5 м и х₂ = 15, 35 м.

Если толщина слоя теплоизоляции не определялась в технологическом расчете, то площадь S_i находят, используя наружный диаметр соответствующего участка аппарата:

S₁ = 2, 436 × 10 = 24, 36 м,

S₂ = 2, 436 × 10, 7 = 26, 06 м

Ветровые нагрузки, действующие на аппарат (рис. 1.11) равны:

Р₁ = 0, 6 × 350 × 1, 35 × 24, 36 = 6906 Н,

Р₂ = 0, 6 × 420 × 1, 35 × 26, 08 = 8866 Н.

Изгибающий момент от напора ветра в любом расчетном сечении на высоте х₀ от основания аппарата или постамента (если он имеется) вычисляют по формуле

, (1.20)

где n₀ - число участков, расположенных выше расчетного сечения.

Наибольший изгибающий момент имеет место при х₀ = 0, т.е. у основания аппарата:

. (1.21)

Для расчетной схемы (рис. 1.11)

,

Н.

Большинство колонных аппаратов снабжено металлоконструкциями (обслуживающими площадками), что увеличивает изгибающий момент от напора ветра. Суммарный изгибающий момент М_в в расчетном сечении на высоте х₀ от основания аппарата (постамента) при наличии на аппарате " m" обслуживающих площадок находят по формуле

, (1.22)

где m₀ - число обслуживающих площадок, расположенных выше расчетного сечения; М_вi - изгибающий момент в расчетном сечении от ветрового напора на одну площадку

,

У основания аппарата х₀ = 0 м и

,

где х_n - высота расположения обслуживающей площадки (рис. 1.14); å f_i - сумма проекций всех элементов площадки, расположенных вне зоны аэродинамической тени, на вертикальную плоскость, м², зависит от конструкции и размеров обслуживающих площадок.

С небольшой погрешностью можно принять

, (1.23)

где D_{n i} - диаметр аппарата на участке площадки; h_{n i} - высота площадки (расстояние от настила до перил).

При высоте аппарата менее 20 м h_ni = 1 м, при больших высотах ее принимают равной 1, 2 м.

Следовательно, в нашем случае

h_{n i} = 1 м.

Тогда

м²

b _{1 =} b ₂ =... = b ₈ = 1, 35 - коэффициент увеличения скоростного напора (расчет приведен выше).

q_i = q₀ × Q_i,

где q₀= 350 Па,

Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q₄ = 1; Q₅ =1, 1; Q₆ =1, 2; Q₇ =1, 3; Q₈ = 1, 35 найдены по графику (рис. 1.12).

Расчет скоростного напора ветра q_i и М_{в i} - изгибающих моментов от ветрового напора на одну площадку - приведены в табл. 1.9.

Рис. 1.14. Схема расположения площадок

Н× м,

М_в’ = 170623 + 60710 Н× м.

Таблица 1.9

Расчетные значения скоростных напоров и изгибающих моментов.