Расчет аппарата на действие ветровых нагрузок. Расчет аппарата на действие ветровых нагрузок

• Название: Расчет аппарата на действие ветровых нагрузок
• Дата: 06.05.2023
• Размер: 158.5 Kb.
• Имя файла: Расчет аппарата на действие ветровых нагрузок.docx
• Тип: Документы; #1112160

РАСЧЕТ АППАРАТА НА ДЕЙСТВИЕ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК


Выполнил: обучающийся
___________________ _____________

подпись инициалы, фамилия
Проверил:
____________________ ______________ __

подпись инициалы, фамилия


Тюмень 2022


Расчет аппарата на действие ветровых нагрузок

Задание: Провести расчет вертикального цилиндрического аппарата из углеродистой стали на действие ветровой нагрузки (определить размеры фундаментного кольца, число и диаметры фундаментных болтов, проверить сварной шов крепления опорной части к корпусу, а также устойчивость цилиндрической формы опоры и нижнего сечения аппарата).

Таблица 1 – Данные для выполнения задания

№	Внутренний диаметр, м			Рабочее давление, МПа			Высота аппарата, м	Число тарелок	Тип тарелки	Вес 1-ой тарелки, кг
	Мхп-1	Мхп-2	Мхп-3	Мхп-1	Мхп-2	Мхп-3
11	3,2	3,0	2,8	1,4	2,4	2,6	33	40	-	725

Решение:

Проверка напряжений в нижней части стенки аппарата и в нижней днище при проведении гидравлических испытаний.
Напряжение в нижней части колонны определяется по формуле:


где Р_Г – гидравлическое давление в нижней части аппарата, МПа;

МПа

но не менее, чем Р_пр = 1,4+0,2=1,6 МПа

м

Следовательно, МПа

0,9·σ_т =0,9·210=189 МПа
σ<0,9·σ_т , следовательно, полученная величина стенки S = 18 мм обеспечивает прочность обечайки при гидравлическом испытании.

Напряжения в нижнем днище:

МПа,

т.е. σ<0,9·σ_т. Прочность днища обеспечена при гидравлическом испытании.
Расчет аппаратов на действие ветровых сил.

Ветровой нагрузке подвержены аппараты, установленные на открытой площадке. Согласно ОСТ, расчёту подлежат вертикальные аппараты высотой 10 м и более, а также те, у которых Н₁/D > 5 , (где Н₁ – полная высота аппарата вместе с опорой, D – его расчётный диаметр).
Форма и основные размеры опор вертикальных аппаратов.

Опора представляет собой обечайку, снабженную фундаментным кольцом из полосовой листовой стали, Кольцо крепится к фундаменту болтами.

Высоту обечайки опоры выбираем с учетом требований технология (например, необходимой высота столба жидкости в приемном трубопроводе откачивающего насоса) и условии эксплуатации (возможность установки под аппаратом трубопроводной обвязки, арматуры, приборов КИП).

Примем высоту опоры Н_оп = 2 м.

Используем материал корпуса, т.е. ВСт.Зсп.

Толщину обечайки опоры принимаем равной толщине стенки нижнего днища. Примем ее равной 18 мм.

Размеры фундаментального кольца равны:

м

м

где D_н – наружный диаметр аппарата.

Выбранные размеры поверхности опорного кольца должны обеспечить прочность фундамента, для чего необходимо, чтобы напряжение на опорной поверхности фундаментного кольца было меньше допускаемого напряжения на сжатие материала фундамента.

Толщина фундаментного кольца предварительно не рассчитывается: ее, как правило, принимают не менее 12 мм.

Высоту опорных лап выбираем в пределах

0,015·Н₁ ≥ h ≥ 0,01Н₁ + 50 мм,

где Н₁ – общая высота аппарата, включая высоту опорной обечайки, мм, Н₁ = 20731 мм.

Предположим, что h=0,015·20731=310 мм

Количество опорных лап равно числу фундаментных болтов, диаметр и число которых выбирается в зависимости от общей высоты H₁ диаметра аппарата по таблице 6.6.

Для рассматриваемого случая H₁ = 20 м, D = 1,4 м примем предварительно диаметр фундаментных болтов – 2,8 мм и число - 8.
Ветровая нагрузка

Расчётную ветровую нагрузку P_i на каждый участок определяют по формуле:



где К – аэродинамический коэффициент: для цилиндрического корпуса К = 0,6 ÷ 0,7, примем К=0,7;

q_i- нормативный скоростной напор ветра для середины i-того участка аппарата на высоте x_i от уровня земли в заданном географическом районе, определяется по формуле:

МПа

где q₀ - нормативный скоростной напор ветра для высоты над поверхностью земли до 10 м в данном географическом районе, q₀ = 35·10⁵МПа;

– коэффициент, учитывающий возрастные скоростного напора с увеличением высотыx_i над поверхностью земли; при выборе Q_i по графику (рис.1) учитывают высоту до середины i-го участка, Q_i = 1,7 МПа;

β_i – коэффициент увеличения скоростного напора, учитывающий динамическое воздействие паров ветра, находится по формуле: , где ξ – коэффициент динамичности; m_i – коэффициент пульсации скоростного напора ветра, которые на высоте x_i от уровня земли определяются по таблице 6.8. Принимаем m_i = 0,32;

S_i – площадь наибольшего осевого сечения участка, для цилиндрических аппаратов S_i = D_i·h_i, D_i – наружный диаметр участка с учетом изоляции; h_i – его высота участка.
Коэффициент динамичности ξ находиться по графику (рис. 6.6) в зависимости от периода собственных колебаний аппарата Т (в сек).

Для аппаратов постоянного сечения

,

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 (табл. 6.9), Е = 1,81·10⁵ МПа ;

J - экваториальный момент инерции площади поперечного сечения стенки корпуса аппарата относительно центральной оси, м⁴;

ϕ₀ - угол поворота опорного сечения фундамента под действием единичного момента, (МН · м)^-1, находится по формуле: , где С_ϕ – - 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 полости: R_н = 0,3 МПа и С_ϕ = 100 м³.; J_ϕ – экваториальный момент инерции площади подошвы относительно центральной оси, м⁴, принимаем в соответствии J_ϕ = 0,065·D₂⁴, где D₂ – наружный диаметр фундаментального кольца аппарата, м.

Максимальный вес аппарата равен



где Q₁ – минимальный вес аппарата;

Q_T - 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



где Q_ц - вес цилиндрической части аппарата;

Q_д - вес днищ;

Q_оп - вес обечайки опоры;

Q_фк - 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, для цилиндрической части аппарата:

Н
где ρ – плотность стали (7500÷7900 кг/м³).

Аналогично:

Q_д = 13050 Н;

Q_оп =20130 Н;

Q_Ф.К. =1200 Н (предварительно приняв толщину кольца 12 мм);

Q_л = 950Н.
Объем металла выпуклой части эллиптического днища определяем по формуле:



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

Объем металла полушарового днища определяем по формуле:



Вес люков-лазов равен:

Н

где Q’_лаз – вес одного люка-лаза;

N_лаз – их число.
Для ректификационных колонн наиболее часто применяют люкилазы диаметром 450 мм, вес которых при давлениях до:

1 МПа принимают равным 1300 Н

2,5 МПа – 2500 Н;

4,0 МПа – 3600 Н.
Суммарный вес штуцеров равен 2669,7 Н. Примем Q_ш = 2670 Н.

Таким образом, имеем:

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

Q₁ = 331000 Н.

Принимаем тарелки из S – образных элементов однопоточных. Вес такой тарелки диаметром 2400 мм равен 3300 Н. Суммарный вес тарелок Q_Т = 7110 · 25 = 177750 Н.

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

Тогда

Q_пл = 10000 · 40 + 1000 · 20 =420000 Н.

При определении Q_пл число площадок принимается равным числу люков-лазов, а общая длина лестниц = высоте аппарата (с учетом опоры).

Вес материала теплоизоляции аппарата, обычно составляет 5÷10%

минимального веса аппарата.

Примем 7%, тогда

Н

Вес воды в аппарате во время гидравлических испытаний равен:



где ; – внутренняя емкость выпуклой части эллиптического днища, м³, ρ – плотность воды, кг/м³.

Для стандартных эллиптических днищ:

,
Для полушаровых днищ:

Н
Максимальный вес колонн равен:

Н

Примем Q₂ =2500000 Н = 2,5 МН

м⁴

1/МН·м

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

м⁴.

Поскольку в нашем случае постамент отсутствует, то Н = Н₁ = 20,73 м.

Период собственных колебаний аппарата Т:

с

Согласно графика (рис. 6.6) ε = 1, коэффициент увеличения скоростного напора для рассматриваемых участков β₁=β₂, поскольку m₁=m₂ при высоте х_i до 20 м, и равен: β=1+1·0,35. Принимаем аэродинамический коэффициент К = 0,6.

Город Тюмень относиться ко второму географическому району, следовательно, q₀ = 350 Па, q₁ = 350·1 = 350 Па, q₂ = 350·1,2 = 420 Па.

Значение θ₁=1 и θ₂=1,2 найдены по графику (рис. 6.5), 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:

м²

м²

Ветровые нагрузки, действующие на аппарат равны:

Н

Н

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



где n₀ – число участков, расположенных выше расчетного сечения. Наибольший изгибающий момент имеет место при х₀=0, т.е. у основания аппарата:



Для расчетной схемы имеем:

Н·м

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 находим по формуле:



где m₀ – число обслуживающих площадок, расположенных выше расчетного сечения;

M_Bi‘– изгибающий момент в расчетном сечении от ветрового напора на одну площадку:



у основания аппарата х₀ = 0:


где x_ni - высота расположения обслуживающей площадки (рис.5.8);

 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



где D_ni - диаметр аппарата на участке площадки;

h_ni - 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_ni =1 м, тогда

м².

β₁ = β₂ = … =β₈ = 1,35 – коэффициент увеличения скоростного напора (расчет приведен выше).



где q₀ = 350 Па, ϴ₁ = ϴ₂ = ϴ₃ = ϴ₄ = 1; ϴ₅ = 1,1; ϴ₆ = 1,2; ϴ₈ = 1,35; определены по графику (рис. 6.5).
Н·м

Н·м.