книги / Сварные конструкции
..pdfУравнения (9.1)—(9.3) являются основными и используются для расчета оболочек любой формы.
Наиболее широкое распространение в листовых конструкциях получила цилиндрическая оболочка. Это связано с сравнительной простотой технологии ее изготовления. Другие, более сложные формы оболочек применяются несколько реже. В днищах и дру гихотдельных элементах различных сосудов применяются сфе рические, конические, эллипсоидальные оболочки. За последние годы получили распространение шаровые резервуары. Появляются
каплевидные и многоторовые резервуары. |
а. |
|
|
||
Ниже приводятся формулы для опре |
|
|
|
||
деления напряжений в оболочках про |
|
|
|
||
стейшего типа для наиболее распростра |
|
|
|
||
ненных |
случаев нагрузки. |
|
|
|
|
Д л я ц и л и н д р и ч е с к о й о б о |
|
|
|
||
л о ч к и |
имеем: тх = |
оо; г2 = г. |
|
|
|
При |
равномерном |
внутреннем давле |
|
|
|
нии р (рис. 9.2) напряжения вдоль обра |
|
|
|
||
зующей |
|
|
|
|
|
|
|
(9.4) |
|
|
|
Напряжение в кольцевом направлении |
— |
— ---- |
т |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
(9.5)
При гидростатическом давлении (рис. 9.2, б) напряжение вдоль образую щей в точке т:
(9.6)
— —
с Г Г
Рис. 9.2. К расчету ци линдрической оболочки
Напряжение в кольцевом направлении в точке т:
|
1rJHjzJÜ' |
|
(9.7) |
2 |
S |
|
|
|
|
||
Д л я с ф е р и ч е с к о й |
о б о л о ч к и |
имеем: гх = |
г2 = г. |
При равномерном внутреннем давлении р |
(рис. 9.3, а) |
напря |
|
жения вдоль образующей и напряжения в кольцевом направле нии равны
= СГ2 = - g - . |
(9.8) |
При гидростатическом давлении (рис. 9.3, б) наибольшие напря
жения в нижней точке днища |
уг(Н + г) |
|
|
ai — а 2 |
(9.9) |
||
2s |
|||
Д л я к о н и ч е с к о й о б о л о ч к и |
имеем: гх = оо; г2 = |
||
г |
|
|
|
cosct
При равномерном внутреннем давлении р (рис. 9.4, а) напря жения вдоль образующей
сг — |
рт |
(9.10) |
1 |
2$ cosа |
|
Напряжения в кольцевом |
направлении |
|
— |
Рг |
(9.11) |
о9 = |
s cosа |
Рис. 9.3. К расчету сфе |
Рис. 9.4. К расчету кониче |
рической оболочки |
ской оболочки |
При гидростатическом давлении (рис. 9.4, б) напряжения вдоль образующей в точке m
Ytga (// —
|
2scosa |
(9.12) |
|
|
|
Напряжения в кольцевом направлении в точке пг |
|
|
____ Y tg a (H —у) у |
(9.13) |
|
U n2 — * |
5 cosa 1 |
|
При работе оболочек на сжатие они должны быть проверены еще_ и на устойчивость.
Ниже приведены расчетные формулы для проверки устойчи вости замкнутой круговой цилиндрической оболочки при неко торых типичных случаях загружения.
При равномерном сжатии параллельно образующей (рис. 9.5, а) условие обеспечения местной устойчивости стенок имеет следующий вид:
a i ^ а о!» |
(9.14) |
Рис. 9.5. Схема действия сжимающих нагрузок на цилиндрическую оболочку: а — равномерное сжатие параллельно образующей; б — внешнее равномерное давление
где Oj — осевое напряжение в оболочке; а 01— расчетное крити
ческое напряжение, определяемое как |
меньшее из величин: |
ffoi = Ф*Я: |
(9.15) |
<т01 = с -у -. |
(9.16) |
Здесь Е — модуль упругости стали; R — расчетное сопротивле ние стали; г — радиус срединной поверхности оболочки; s — тол щина оболочки; ф* и с — коэффициенты, принимаемые по табл. 9.1 и 9.2.
Т а б л и ц а 9.1. Значения ф*
г |
0 |
|
25 |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
||
S |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ф* |
1,00 |
0,94 |
0,85 |
0,71 |
0,60 |
0,53 |
0,47 |
|||
|
|
|
Т а б л и ц а |
9.2. |
Значения с |
|
|
|||
г |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
500 |
750 |
1000 |
1500 |
|
S |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
с |
0,3 |
0,22 |
0,2 |
0,18 |
0,16 |
0,12 |
0,10 |
0,08 |
0,07 |
|
При внешнем равномерном давлении (рис. 9.5) условие обеспе чения устойчивости имеет следующий вид:
(9.17)
263
где <у2 •=- напряжение в оболочке в кольцевом направлении {определяемое по формуле (9.5)1; <тоа — расчетное критическое напряжение, определяемое следующими зависимостями:
при 0,5 — =5 ^ 1 0
ao2= 0,55£-j- ( - f ) 2 |
(9.18) |
|
при -у ^ 2 0 |
|
|
о ог= 0 ,1 7 Е ( у ) 2 • |
(9.19) |
|
Для значений 10 <3 -р- |
20 напряжение ст02 определяется по |
|
линейной интерполяции. |
|
опорными |
Здесь I — длина цилиндрической оболочки между |
||
кольцами или кольцами жесткости. |
|
|
При одновременном действии продольного сжатия и внешнего нормального к боковой поверхности равномерного давления зам кнутая круговая цилиндрическая оболочка проверяется на устой
чивость по формуле |
|
|
+ |
1 |
(9.20) |
*01 |
^02 |
|
Здесь <х01 и <т02 определяются по формулам (9.15), (9.16), (9.18), (9.19).
§ 42. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИ РО ВА Н И Я СОСУДОВ,
РА БО ТА Ю Щ И Х ПОД Д А В Л ЕН И ЕМ
По правилам Госгортехнадзора1, сосуды, работающие под дав лением выше 0,7 атм (без учета гидростатического давления),, необходимо проектировать с соблюдением определенных требова ний по отношению к выбору материалов, конструктивных форм, методов расчета и технологии изготовления.
Требования к материалу, установленные правилами Госгор технадзора, совпадают с положениями, принятыми при изготов лении ответственных сварных конструкций, и в основном сводятся к ограничению содержания углерода и допусков на вредные при меси. Марки применяемых материалов перечислены в правилах в специальном перечне.
Расчет сварных сосудов, работающих под давлением, прово дится по методу допускаемых напряжений. Нормы допускаемых напряжений установлены в зависимости от условий эксплуатации сосудов.
1 Сборник правил и руководящих материалов по котлонадзору. Л., «Недра»,
1971.
Расчет цилиндра» Толщина стенки s цилиндрической части сосуда, воспринимающего внутреннее давление, определяется по следующей формуле, установленной правилами Госгортех надзора,
s |
2рг |
■С, |
(9.21) |
|
[сг] Ф— р |
||||
2 |
|
|
||
где р — расчетное давление; |
[а] — допускаемое |
напряжение; |
||
г — внутренний радиус цилиндра; <р— коэффициент прочности цилиндрической части; с — прибавка к расчетной толщине стенки.
При |
проверочных расчетах |
соответственно имеем: |
|
|
|
2 ( s — с ) ф [су] . |
(9.22) |
||
|
|
2г + (s — с) |
’ |
|
|
|
|
||
|
_ |
р [2г + (s — с)] |
(9.23) |
|
|
ПР “~ |
2 (s —ч?) Ф |
* |
|
|
|
|||
где апр — приведенное напряжение в |
стенке цилиндрической |
|||
части |
сосуда, вызываемое» внутренним |
давлением. |
|
|
Формулы (9.21)—(9.23) применимы при условии, что отноше ние внешнего радиуса барабана г0 к его внутреннему радиусу г меньше или равно 1,6 .
Допускаемоенапряжение |
принимается |
|
[о*] = |
г) [а]*, |
(9.24) |
где [о ]* — номинальное допускаемое напряжение; г\ — попра вочный коэффициент, учитывающий конструктивные и эксплуата ционные особенности сосуда (он задается правилами Госгортех надзора и изменяется в пределах 0,85—1,0).
Значение номинального допускаемого напряжения устанав ливается в зависимости от характеристик прочности стали и рас четной температуры стенки £ст и принимается минимальным при вычислении из следующих трех условий:
VT м* 1,5
и * = 1,5
Здесь Сто — расчетный предел прочности стали при растяжении
при рабочей температуре t; а\ — расчетный условный предел теку чести (при остаточной деформации 0 ,2 %) при рабочей темпера
туре t; Од — расчетный условный предел длительной прочности при растяжении при рабочей температуре t.
Коэффициент прочности <р учитывает наличие сварных швов и определяется в зависимости от их конструктивных и техноло гических особенностей в соответствии с данными табл. 9.3. Коэф фициент прочности может учитывать также ослабление цилиндри ческой части неукрепленными отверстиями.
Т а б л и ц а 9.3. Значение коэффициента прочности сварных швов, выполняемых методом
дуговой электрической сварки
Вид сварного |
соединения |
|
Метод сварки |
Ф |
||
|
|
|
|
Автоматическая под флюсом' |
1 |
|
Встык с двусторонним проваром |
Ручная |
0 ,9 5 |
||||
|
|
|||||
|
|
|
|
Ручная с повышенными тре |
1 |
|
|
|
|
|
бованиями контроля |
|
|
Встык на подкладке |
|
Ручная |
0 ,9 |
|||
Встык -при одностороннем шве |
Автоматическая под флюсом |
0 ,8 |
||||
Ручная |
0 ,7 |
|||||
|
|
|
|
|||
Впритык с |
обеспечением |
сплош |
Автоматическая под флюсом |
1 |
||
|
|
|||||
ного провара |
|
|
|
Ручная |
0 ,9 5 |
|
|
|
|
|
|||
Впритык угловыми швами |
|
Автоматическая под флюсом |
0 ,8 |
|||
Внахлест |
при |
наличии |
|
|
||
швов или ручная |
0 ,8 |
|||||
с двух сторон |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
Прибавка с к расчетной толщине, компенсирующая, минусовый допуск листового проката, принимается только для стенок тол щиной, не превышающей 20 мм. При этом с = 1 мм.
Расчет днища. Толщина стенки сварного эллиптического или сферического штампованного днища определяется по формуле
s |
Рг |
— р |
+ |
с1- |
(9.25) |
|
2 [су] Ф |
||||||
|
|
|||||
Здесь г — внутренний радиус днища |
в мм; ф — коэффициент |
|||||
прочности сварного шва. |
|
|
|
|
|
|
Для снижения величины местных напряжений высоту выпук лой части днища не допускается принимать меньше, чем 0,4г.
Толщина стенки эллиптического или сферического днища, имею
щего неукрепленные отверстия, |
рассчитывается |
по формуле |
s = w ^ |
+ * - |
<9-26> |
Коэффициент г находится по формуле
(9.27)
где тг — внутренний радиус отверстия.
Днища с укрепленными отверстиями рассчитываются без учета ослаблений.
Величина прибавки сг к расчетной толщине стенки штампован ного днища принимается в соответствии со следующими данными:
(s — q) |
в мм |
^ 1 0 |
10,5—20 |
20,5—30 |
^30,5 |
q в мм |
|
3 |
2 |
1 |
0 |
Допускаемое напряжение определяется так же, как и для ци линдров. При этом поправочный коэффициент ср принимается: для глухих днищ т] — 1,0 ; для днищ с неукрепленными отвер стиями г\ = 0,95.
0-4J
Рис. 9.6. Схема усиления отверстий: а — патрубком; б — патрубком и накладкой; в — патрубком и двумя накладками
Компенсация ослабления, вызванного отверстием, сводится к общему или местному увеличению толщины стенки. Последнее является более рациональным и требует меньшего расхода ме талла.
Примеры усиления отверстий приведены на рис. 9,6.
В стыковых соединениях листов разной толщины в случаях, когда разница в толщине превышает 30%, необходимо обеспечи вать плавный переход на длине, равной не менее пятикратной разницы толщины.
§ 43. ГАЗГОЛЬДЕРЫ
Газгольдерами называются сосуды, предназначенные для хра нения газов.
Природный газ, выходящий из недр земли под большим дав лением, передается по трубопроводам на весьма большие расстоя ния. Вблизи мест потребления газ собирается на газгольдерных станциях, где он используется для покрытия пика расхода и для обеспечения равномерного давления в газопроводе. В условиях поступления газа под высоким давлением и при большом суточном
обороте наиболее рациональным типом газгольдеров являются газгольдеры постоянного объема, в которых увеличение коли чества хранимого газа происходит за счет возрастания давления при неизменном объеме. Газгольдеры постоянного объема исполь зуются при больших.давлениях (более четырех атмосфер).
Теоретически наиболее выгодной формой газгольдера постоян ного объема является шар, так как он при заданном объеме обла дает минимальной поверхностью и, кроме того, напряжения в ша ровой оболочке, возникающие от внутреннего давления, в два раза меньше по величине, чем в цилиндрической оболочке. По этому применение шаровых газгольдеров дает возможность дости гать значительной экономии металла. Однако цилиндрические газ гольдеры имеют то преимущество перед шаровыми, что они проще
визготовлении и обладают формой, которую легче приспособить
кусловиям провоза по железной дороге. Поэтому «габаритные газгольдеры», т. е. газгольдеры, размеры которых соответствуют
габаритам железнодорожного транспорта, — также находят достаточно большое применение. Они выполняются в виде ци линдрических оболочек с шаровыми днищами.
Газгольдеры постоянного объема предназначаются для экс плуатации при высоком давлении, поэтому они должны проекти роваться и изготовляться с учетом специальных требований, уста новленных Госгортехнадзором СССР и обязательных для всех министерств и ведомств.
Основной нагрузкой для газгольдеров, определяющих тол щину стенки, является внутреннее давление, величина которого зависит от назначения сосуда и в отдельных случаях может до стигать 100 атм.
Расчет оболочек газгольдеров постоянного давления в соответ ствии с правилами Госгортехнадзора производится по допускае мым напряжениям.
Шаровые газгольдеры. Толщина оболочки шарового газголь
дера (рис. 9.7) определяется по следующей формуле: |
|
|||
s |
рР |
■с. |
(9.28) |
|
4 [а] ф |
||||
|
|
|
||
Здесь s — толщина шаровой |
оболочки; р — расчетное |
(избыточ |
||
ное) внутреннее давление; D — внутренний диаметр |
оболочки; |
|||
[а] — допускаемое напряжение на растяжение; ф — коэффициент прочности сварных швов; с— прибавка к расчетной толщине стенки.
Прибавка к расчетной толщине, компенсирующая минусовый допуск листового проката, принимается только для оболочек толщиной до 20 мм. При этом с = 1 мм.
Кроме того, оболочка должна быть проверена на гидростати ческое давление при испытании газгольдера наливом воды.
Шаровые газгольдеры устанавливаются на стойках. По усло виям обеспечения статического равновесия число опорных стоек шарового газгольдера могло бы быть равно трем, однако с целью
уменьшения величины опорных реакций, передаваемых на обо лочку в виде сосредоточенных усилий, число стоек принимают значительно большим — обычно 6*—12.
Для того чтобы избежать местного изгиба в оболочке, оси опорных стоек целесообразно направлять по касательным к ней.
Для обеспечения этого при опирании по большому кругу оси стоек будут вертикальными, а при опирании по малому кругу они должны быть наклонными, в соответствии с направлением каса тельных к оболочке. В случае несовпадения осей стоек с касатель
ными к оболочке, для восприятия нормальных составляющих опорных реакций необходимо предусмотреть соответствующее подкрепление, которое, в зависимости от величины усилий, может быть принято в виде местного утолщения опорного пояса оболочки или в виде кольцевого ребра жесткости в плоскости опорного круга. Корпус резервуара опирается на верхние плиты стоек через специальные башмаки, приваренные к его наружной поверхности.
Для обеспечения жесткости опорного контура, необходимой при передаче горизонтальных ветровых нагрузок, отдельные опорные стойки должны быть соединены между собой в одно целое при помощи перекрестных связей.
Цилиндрические газгольдеры. Толщина цилиндрической части газгольдера постоянного давления (рис. 9.8) определяется по формуле
s |
р£> |
f С. |
(9.29) |
2[<т]<р |
Здесь D — внутренний диаметр оболочки. Остальные обозначе ния см. раньше.
Эта формула соответствует, в основном, формуле для кольце вых напряжений в цилиндрической оболочке (9.4).
Толщина сферического днища определяется по такой лее фор муле, как и толщина шарового газгольдера (9,28), но прибавка
€
Рис. 9.8. Горизонтальный газгольдер
на толщину для штампованных днищ с учетом допуска на штам повку назначается несколько большей: е = с + 2 мм.
Цилиндрические газгольдеры можно располагать горизон тально и вертикально. Вертикальное расположение менее удобно при эксплуатации, так как создает сильные затруднения, свя-
Рис. 9.9. К расчету опорных колец жест кости: а — схема на грузки на опорное кольцо; б и в—эпюры изгибающих моментов
Л*/Г0Яа *
\
занные с необходимостью доступа для наблюдений на большой высоте. В связи с этим вертикальное расположение цилиндричес ких газгольдеров применяется редко.
Горизонтальные цилиндрические газгольдеры устанавливают на двух опорах и изготовляют с внутренними кольцами жесткости, расположенными против опор.
Расчет опорных колец жесткости горизонтальных резервуа ров производится по схеме, приведенной на рис. 9.9.
Опорное кольцо находится под действием касательных усилий и опорных реакций.