Расчет опор вертикального аппарата (типа реактор)

При проектировании аппаратов выбирают типовые конструкции лап и стоек по таблицам ОСТа в зависимости от приходящейся на них расчетной нагрузки.

G = G_max / n, (1.38)

где G_max - максимальная сила тяжести аппарата вместе с содержимым при эксплуатации или гидравлических испытаниях; n - число лап или стоек.

После выбора опоры по действующей на нее нагрузке выполняют проверочный расчет.

В качестве примера приведем расчет подвесной лапы для вертикального цилиндрического аппарата, опирающегося на четыре лапы по следующим данным: диаметр аппарата D_вн = 2, 0 м, высота - 12 м, толщина стенки - 0, 02 м. Аппарат имеет внутреннюю изоляцию торкрет-бетона d_изол.=150 мм, r_бет. = 2300 кг/м³ и наружную изоляцию d_изол =100 мм, r_изол. = 550 кг/м³. Внутри аппарата находится катализатор весом 12500 кг, материал корпуса и лап Ст.3. Лапы опираются на деревянные подкладки (q_s = 2 МН/м²), число ребер z = 2, вылет опоры l = 0, 25 м. Упрощенная схема аппарата приведена на рис. 1.17.

Рис. 1.17. Упращенная схема аппарата

Определим высоту цилиндрической части аппарата:

Н_ц = Н - 2h_дн (1.39)

где h_дн - высота днища, принимается по табл. 1.3

h_дн = h_В + h = 500 + 40 = 0, 54 м,

Н_ц = 12 - 2 × 0, 540 = 10, 92 м.

Поверхность эллиптического днища, его вес и объем жидкости принимаем по Приложение 6:

F_дн = 4, 59 м²; G_дн. = 746 кг; V_дн. = 1, 17 м³

Вес металла цилиндрической части аппарата определяем по формуле

G_ц = p / 4 × (D_н² - D_вн²) × Н_ц × r_мет , (1.40)

где D_н, D_вн - соответственно наружный и внутренний диаметры аппарата, м; Н_ц - высота цилиндрической части аппарата, м; r_мет - плотность металла, кг/м³.

G_ц = 3, 14/ 4 × (2, 04² - 2, 0²) × 10, 92 × 785 = 10875 кг.

Общий вес аппарата

G_общ = G_ц + 2 G_дн = 10875 + 2 × 746 = 12367 кг.

Вес люков, штуцеров, опорно-распределительной решетки и других внутренних устройств принимаем равным 10-20% веса металла.

Общий вес металла аппарата составим

G_мет = 1, 15 × G_общ = 1, 15 × 12367 = 14222 кг.

Вес наружной изоляции может быть определен по формуле

G_изол. = G_{изол. ц} + 2G_{изол. дн}, (1.41)

где G_изол.ц - вес изоляции на цилиндрической части аппарата, определяемой по формуле

G_изол.ц =p× D_н× Н_ц × d_изол × r_изол.= 3, 14× 2, 04 × 10, 92 × 0, 1 × 550 = 3847 кг,

G_{изол.дн} = F_дн × d_изол × r_изол = 4, 59 × 0, 1 × 550 = 252 кг.

Общий вес наружной изоляции

G_изол. = 3847 + 2 × 252 = 4351 кг.

Аналогично определяется вес внутренней изоляции (вес торкрет-бетона).

G_изол.ц = p× D_н× Н_ц× d_изол× r_бет.= 3, 14× 2, 0 × 10, 92 × 0, 15 × 2300 = 23659 кг,

G_{изол.дн} = F_дн × d_изол × r_бет = 4, 59 × 0, 15 × 2300 = 1583 кг,

G_изол. = G_изол.ц + 2G_{изол.дн} = 23659 + 2 × 1583 = 26826 кг.

Вес воды в аппарате (при гидроиспытании) может быть определен по формуле

G_вод =V _вод × r_вод =V _ц × r_вод +2V _дн × r_вод = p × D_вн² /4 × Н_ц × r_вод +2V _дн × r_вод =

= (3, 14 × 2, 0² )/ 4 × 10, 92 × 1000 + 2 × 1, 17 × 1000 = 36630 кг.

Так как вес воды в аппарате при гидроиспытании больше веса катализатора, то при расчете максимального веса аппарата принимается только вес воды.

Максимальный вес аппарата

G_max = G_мет + G_изол. + G_изол + G_вод =

= 14222 + 4351 + 26826 + 36630 = 82029 кг = 803884 Н = 0, 8 МН.

Расчетная нагрузка на одну лапу

G = 0, 8 / 4 = 0, 2 МН

Для рассматриваемой опоры расчетом определяются: размеры ребер, напряжения в сварном шве и местные напряжения в цилиндрических стенках аппарата в местах присоединения к ним опор.

Отношение вылета к высоте ребра l / h рекомендуется принимать равным 0, 5. Тогда

h = l / 0, 5 = 0, 25 / 0, 5 = 0, 5 м.

Расчетная толщина ребра S (м) определяется по формуле:

, (1.42)

где G - нагрузка на одну лапу, МН; k - коэффициент, зависящий от соотношения l / S; z - количество ребер в опоре (лапе), принимается из конструктивных соображений (обычно z = 2); l - вылет опоры (м), принимается из конструктивных соображений; [ s ]_u - допускаемое напряжение на изгиб, для углеродистых сталей принимается [ s ]_u = 110-160 Мн/м².

Значение коэффициента k в формуле для расчета величины рекомендуется принимать предварительно равным k = 0, 6.

Если при этом величина S получается не менее l / 13, то расчетная величина S является окончательной. В противном случае значение коэффициента k необходимо уменьшить с перерасчетом толщины S и последующей проверкой l / S по графику рис. 1.18. Расчетная толщина ребра S округляется до ближайшего размера S по сортаменту. Толщина опорной части принимается не менее S.

Рис. 1.18. График определения коэффициента К

Расчетная толщина ребра лапы при К = 0, 6

м

Отношение l / 13 = 0, 25 / 13 = 0, 0192 < S = 0, 1 м, поэтому расчет является окончательным. Принимаем толщину ребра S = 0, 1 м, толщину опорной плиты S = 0, 1 м.

Зная допускаемую удельную нагрузку на опорную поверхность (по условию q_s = 2 Мн/м² ), можно определить длину опорной плиты L₁ из условия

G = q_s × L₁ × l, (1.43)

где G - нагрузка на одну лапу, МН; l - вылет лапы, м; q_s - допускаемая удельная нагрузка на опорную поверхность, МН/м²; L₁ - длина опорной плиты.

L₁= G/ q_s × l = 0, 2 / (2 × 0, 25) = 0, 4 м.

Ребра привариваются к корпусу сплошным круговым швом c катетом

h_ш = 0, 7 × S _ап = 0, 7 × 0, 02 = 0, 014 м,

где S _ап - толщина стены аппарата, к которой привариваются ребра.

Общая длина сварного шва

L_ш = 4(Н + S) = 4(0, 94 + 0, 1) = 4, 16 м.

Прочность сварного шва проверяется по формуле

G < 0, 7 × L_ш × h_ш × t_ср, (1.44)

где L_ш - длина сварного шва, м; h_ш - катет сварного шва, м; t_ср-напряжение среза, принимается равным 70-80 МН/м²; G - нагрузка, приходящаяся на одну опору, МН.

В рассматриваемом случае

G = 0, 2 МН < 0, 7 × 4, 16 × 0, 014 × 80 = 3, 25 МН, т.е. прочность обеспечена.