КАМЕРЫ ГРЕЮЩИЕ ВЫПАРНЫХ
АППАРАТОВ С ТРУБНЫМИ РЕШЕТКАМИ,
ИМЕЮЩИМИ ОТБОРТОВАННЫЕ КРОМКИ ОТВЕРСТИЙ

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

РД РТМ 26-01-141-82

УТВЕРЖДЕН Начальником Союзхиммаша В. А. Черновым.

ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ ПРИКАЗОМ по Всесоюзному промышленному объединению № 162 от «3» декабря 1982 г.

ИСПОЛНИТЕЛИ                      П. П. Прядкин (руководитель темы)

                                                    Л. П. Перцев

                                                    П. С. Марченко

СОГЛАСОВАН

Министерством по производству минеральных удобрений

Начальник Управления оборудования                                                         В. Н. Назаров

НИИхиммашем

Зам. директора                                                                                                П. Ф. Серб

РУКОВОДЯЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Приказом по Всесоюзному промышленному объединению от 3 декабря 1982 г. № 162 срок введения установлен

с 01.07.83.

Настоящий руководящий технический материал устанавливает метод расчета на прочность греющих камер выпарных аппаратов с трубными решетками, имеющими отбортованные кромки отверстий под теплообменные трубы. РТМ применим при соблюдении требований ОСТ 26-291-79 и ОСТ 26-01-17-76.

1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

D - внутренний диаметр кожуха (черт. 1), мм;

d₁ - расстояние от оси аппарата до оси наиболее удаленной теплообменной трубы ( - при треугольной сетке перфорации,  - при квадратной сетке перфорации), мм;

d₂ - расстояние от оси аппарата до места присоединения трубной решетки (черт. 2), мм;

S_p - толщина трубной решетки, мм;

i - число теплообменных труб, закрепленных в решетке;

t_p - шаг расположения отверстий в решетке под теплообменные трубы, мм;

d_o - диаметр отверстий в решетке под теплообменныё трубы до отбортовки, мм;

L - длина теплообменных труб (L = 2l), мм;

l_n - наибольшее расстояние от решетки до перегородки в межтрубном пространстве (до второй перегородки, если они не перекрывают всю площадь межтрубного пространства), мм;

d_т - наружный диаметр теплообменных труб, мм;

S_т - толщина теплообменной трубы, мм;

S_к - толщина стенки кожуха, мм;

S₁ - толщина обечайки кожуха в месте присоединения к фланцу, мм;

Для фланцев присоединенных встык (черт. 3) и имеющих коническую втулку, значение S₁ определяется по формуле:

Здесь S_вт, S_o - толщина конической втулки в мосте присоединения к кольцу фланца и кожуху; l_вт - высота конической втулки.

h_ф - высота кольца фланца, мм;

b_ф - ширина кольца фланца, мм;

R_ф - средний радиус кольца фланца, мм;

R_п - средний радиус прокладки, мм;

R_б - радиус болтовой окружности, мм;

g - коэффициент Пуассона (принимается одинаковым для материалов решетки труб, кожуха и фланца);

t_Pp, t_т, t_к, t_ф, t_рт, t_рм - расчетные температуры трубной решетки, труб, кожуха, фланца и поверхностей трубной решетки со стороны трубного и межтрубного пространства^*, °С;

_____________

^* При отсутствии расчетных данных t_рм и t_рт допускается принимать температуру рабочих сред межтрубного и трубного пространства, соприкасающихся с данной решеткой.

a_р, a_т, a_к, a_ф - коэффициент линейного расширения материалов трубной решетки, труб, кожуха и фланца, К^-1;

Е_р, Е_т, Е_к, Е_ф - модули упругости материалов трубной решетки, труб, кожуха и фланца, МПа;

Р_м - давление в межтрубном пространстве, МПа;

Р_т - давление в трубном пространстве, МПа;

Р_б - усилие затяжки болтов, Н.

Принимается по нормативно-технической документации на фланцевые соединения.

Приближенно

,

где d_б - внутренний диаметр резьбы болтов, Z_б - число болтов, [s]_б - допускаемое напряжение для материала болтов.

G - вес трубного пучка, Н;

D_пр - максимальный диаметр окружности, вписанной в беструбную площадь решетки (черт. 4), мм;

[s] - допускаемое напряжение для рассчитываемого элемента, МПа. Принимается по ГОСТ 14249-80, ОСТ 26-01-Д79-78 или другой нормативно-технической документации по выбору величины допускаемого напряжения;

С - прибавка для компенсации коррозии и возможного минусового допуска материала кожуха^*, мм.

______________

^* Изготовление трубных решеток и теплообменных труб производится из коррозионностойких материалов.

Греющая камера

Черт. 1

Отбортовка отверстий в трубной решетке

Черт. 2

Фланец, присоединенный встык к оболочке

Черт. 3

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕМЫЧКИ МЕЖДУ ОТВЕРСТИЯМИ

2.1. Ширина перемычки (черт. 5)

2.2. Высота перемычки

При штамповке или протяжке высота перемычки может увеличиваться на 10 ¸ 20 %.

2.3. Высота прямолинейного участка отбортовки

2.4. Средний радиус тороидального участка отбортовки

2.5. Высота сварного шва в месте приварки трубы к решетке. Принимается конструктивно, не более

3. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПРОЧНОСТИ ТРУБНОЙ РЕШЕТКИ

3.1. Коэффициент прочности при изгибе трубной решетки

где

3.2. Коэффициент прочности при растяжении (сжатии) в плоскости трубной решетки

Беструбная площадь решетки

Черт. 4

Перемычка между отверстиями в трубной решетке

Черт. 5

4. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЖЕСТКОСТИ ТРУБНОЙ РЕШЕТКИ

4.1. Вспомогательные величины

4.2. Коэффициент жесткости при изгибе трубной решетки

при

4.3. Коэффициент жесткости при растяжении (сжатии) в плоскости трубной решетки

при

4.4. Вычисление коэффициентов В

где

4.5. Границы применимости формул

5. РАСЧЕТ НАГРУЗОК

Расчет нагрузок элементов греющей камеры (черт. 6) производится для различных состояний, которые могут иметь место при монтаже, пуске, эксплуатации или гидроиспытаниях греющей камеры. Расчет производится по следующим формулам:

5.1. Осевая сила, распределенная вдоль радиуса а₁, трубной решетки

5.2. Изгибающий момент, распределенный вдоль радиуса а₁, трубной решетки

5.3. Изгибающий момент, распределенный вдоль радиуса а₂, трубной решетки

5.4. Изгибающий момент, возникающий в месте соединения кожуха с фланцем

5.5. Радиальная сила, возникающая в месте соединения кожуха с фланцем

5.6. Радиальная сила, возникающая в месте соединения решетки с фланцем

5.7. Радиальная сила, распределенная вдоль радиуса трубной решетки

5.8. Осевая сила, возникающая в месте соединения решетки с фланцем

5.9. Осевая нагрузка кожуха

5.10. Осевая нагрузка теплообменной трубы

где

5.11. Изгибающий момент, возникающий в место соединения трубы с решеткой

где                                             

5.12. Вспомогательные величины

l_пр =  - если нет перегородок или по межтрубному пространству установлена одна перегородка;

l_пр = 0,29 l_п - если по межтрубному пространству установлено две и более перегородок;

Расчетная схема

Черт. 6

Коэффициенты ф₁, ф₂, ф₃ вычисляются по следующим формулам:

Значения ф₁, ф₂, ф₃ приведены в табл. 1 справочного приложения 1. Коэффициенты A_ij вычисляются по формулам:

Значения этих коэффициентов g = 0,3 приведены в табл. 2 справочного приложения 1.

6. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ МАССЫ ТРУБНОГО ПУЧКА НА ДЕФОРМАЦИЮ РЕШЕТКИ

6.1. Осевая сила, распределенная вдоль радиуса a₁ трубной решетки

6.2. Изгибающий момент, распределенный вдоль радиуса трубной решетки

6.3. Изгибающий момент, распределенный вдоль радиуса трубной решетки

6.4. Изгибающий момент, возникающий в месте соединений кожуха с фланцем

6.5. Радиальная сила, возникающая в месте соединения кожуха с фланцем

6.6. Радиальная сила, возникающая в месте соединения решетки с фланцем

6.7. Радиальная сила, распределенная вдоль радиуса трубной решетки

6.8. Осевая сила, возникающая в месте соединения решетки с фланцем

6.9. Осевая нагрузка кожуха

6.10. Осевая нагрузка теплообменной трубы

6.11. Изгибающий момент, возникающий в месте соединений трубы с решеткой

6.12. Вспомогательные величины

Коэффициенты ф_1G, ф_2G, ф_3G, ф_4G вычисляются по формулам:

Значения этих коэффициентов при g - 0,3 приведены в табл. 3 справочного приложения 1.

Остальные величины принимаются по п. 5.12.

7. ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ В МЕСТАХ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ

7.1. Если рассматриваемый элемент подвергается действию циклически повторяющейся нагрузки, должно выполняться условие:

где                                                        

s - напряжение при максимальной нагрузке;

s₀ - напряжение при минимальной нагрузке;

 - допускаемая амплитуда условных упругих напряжений. Принимается по черт. 7 ... 9 или другой нормативно-технической документации по расчетам малоцикловой прочности.

7.2. Если рассчитываемый элемент подвергается действию циклических нагрузок различных типов, должно выполняться условие:

где N₁, N₂ ... - число циклов нагрузки каждого типа;

 ... - допускаемое число циклов нагрузки каждого типа. Определяется по черт. 7 ... 3 при амплитуде условных упругих напряжений s_d, соответствующей данному типу нагрузки (принимается не более 1·10⁶).

7.3. Если в расчете должна учитываться ползучесть металла (температура превышает пределы, указанные на черт. 7 ... 8) или в условиях эксплуатации недопустима работа металла в области пластических деформаций, должно выполняться условие

Расчетная кривая усталости для углеродистых сталей до температуры 380 °C

Черт. 7

Расчетная кривая усталости для низколегированных сталей до температуры 420 °С

Черт. 8

Расчетная кривая усталости для аустенитных сталей до температуры 525 °С

Черт. 9

Коэффициент уменьшения циклической прочности сварных соединений труб с решетками

Черт. 10

8. РАСЧЕТ ТРУБНОЙ РЕШЕТКИ

8.1. Определение необходимой толщины трубной решетки производится по формуле

где                                           

с последующей проверкой условий прочности и жесткости.

8.2. Оценка жесткости трубной решетки производится по формуле:

где                                                           

8.3. Оценка прочности трубной решетки производится по п. 7 в следующих точках:

8.3.1. На внутренней поверхности перфорированной зоны

8.3.2. На наружной поверхности перфорированной зоны

8.3.3. На внутренней поверхности в месте соединения с фланцем

8.3.4. На наружной поверхности в месте соединения с фланцем

Здесь

K_p - эффективный коэффициент концентрации напряжений в месте соединения решетки с фланцем. Принимается по ОСТ 26-1185-82.

9. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ КРЕПЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ К РЕШЕТКАМ

9.1. Для всех расчетных режимов оценка прочности крепления теплообменных труб к решеткам производится по формуле

где                                          

9.2. Если один из расчетных режимов циклически повторяется, оценка прочности крепления труб к решеткам производится по формуле

где                                             

t₀ - напряжение в сварном соединении трубы с решеткой в начале рассматриваемого цикла;

t - напряжение в сварном соединении в конце рассматриваемого цикла;

j_с - коэффициент уменьшения циклической прочности сварных соединений труб с решетками. Принимается по черт. 10 или вычисляется по формуле

9.3. Если насколько расчетных режимов циклически повторяются, оценка прочности крепления труб к решеткам производится по формуле

где N₁, N₂ … - число циклов нагружения каждого типа;

 - допускаемое число циклов нагружения каждого типа. Определяется черт. 10 при .

10. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ КОЖУХА В МЕСТЕ СОЕДИНЕНИЯ С ФЛАНЦЕМ^*

__________________

^* Для решеток, вваренных во фланец присоединенный встык к оболочке (черт. 3), этот расчет не производится.

Расчет прочности кожуха в месте соединения с фланцем производится по п. 7 для следующих напряжений:

10.1. Осевое напряжение на внутренней поверхности

10.2. Окружное напряжение на внутренней поверхности

10.3. Приведенное напряжение на внутренней поверхности

10.4. Осевое напряжение на наружной поверхности

10.5. Окружное напряжение на наружной поверхности

10.6. Приведенное напряжение на наружной поверхности

Здесь                        

К_к - эффективный коэффициент концентрации напряжений в месте соединения кожуха с фланцем. Принимается по ОСТ 26-1185-81.

11. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА НА ЭВМ

11.1. Исходные данные

Общие для всех вариантов расчета - D, a₁, a₂, S_p, t_p, i, h_p, d, L, l_n, d_т, S_т, S_к, S₁, h_ф, b_ф, R_ф, R_п, R_б, g, Е_р, Е_т, Е_к, Е_ф, a_р, a_т, a_к, a_ф.

Для каждого варианта расчета - t_Pp, t_т, t_к, t_ф, t_рт, t_рм, Р_м, Р_т, Р_б, G.

11.2. Расчет коэффициентов прочности

На печать:                    

11.3. Расчет коэффициентов жесткости

Вычислить:

Полагая

Вычислить:                              

Полагая                        

вычислить:                                     

здесь:                            

На печать: y_р, y_м.

11.4. Вычисление вспомогательных величин

Общие для всех вариаторов расчета

Если l_n ¹ 0, l_пр = 0,29 l_n, иначе

Для каждого варианта расчета

11.5. Расчет нагрузок

Производится для каждого варианта

;

где                   

На печать: N_a, Q_a, M_a, N_o, Q_o, M_o, N_к, Q_к, М_к, N_т, М_т.

11.6. Учет влияния массы трубного пучка на деформацию решетки

11.6.1. Вычислить

Остальные вспомогательные величины в п. 11.4.

11.6.2. При G ¹ 0:

11.6.3. При G = 0:

Q_aG = M_aG = M_G = M_кG = N_кG = N_G = N_aG = Q_G = Q_кG = N_тG = M_тG = 0.

11.6.3. На печать N_aG, Q_aG, M_aG, N_G, Q_G, M_G, N_кG, Q_кG, M_кG, N_тG, M_тG.

11.7 Расчет прогибов трубной решетки

На печать: W_o, W_кG, W_max.

11.8. Определение напряжений в месте приварки трубы к решетке

На печать: t.

12. Пример расчета прочности греющей камеры приведен в приложении 2.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Справочное

Таблица 1

Значение коэффициентов ф₁, ф₂, ф₃

Продолжение табл. 1

Таблица 2

Таблица 3

Продолжение табл. 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Справочное

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Пусть требуется произвести расчет прочности греющей камеры диаметром 800 мм длиной 35 м, изготовленной из стали 10Х17Н13М2Т. Греющая камера подвергается следующим видам нагружения:

- гидроиспытания межтрубного пространства;

- затяжка болтов фланцевого соединения;

- гидроиспытания трубного пространства;

- заполнение аппарата раствором перед пуском;

- стационарные условия эксплуатации;

- промывка аппарата.

Необходимые исходные данные и полученные на ЭВМ основные результаты расчета для всех перечисленных расчетных режимов приведены в табл. 1, 2.

Не останавливаясь на расчетах прочности цилиндрических обечаек, конических элементов, эллиптических днищ, укрепления отверстий для штуцеров и мест установки опор-лап, производимых по утвержденной нормативно-технической документации, перейдем к расчетам тех элементов и узлов, которые регламентируются настоящим РТМ.

Для стали 10Х17Н13М2Т по ГОСТ 14249-80 при максимальной температуре 155 °С имеем [s] = 145 МПа, а при гидроиспытаниях - [s] = 218 МПа.

Трубная решетка имеет D_пр = 68 мм, поэтому толщину ее можно принять равной:

Принимаем S_p = 2,5 мм.

Для дальнейших расчетов необходимы следующие данные, полученные в результате расчетов на ЭВМ:

j_p = 0,41404; j_м = 0,3196; y_р = 2,1682;

y_м = 0,2783; w_о =8,1296;

N_aG = 0,788 кН/м; Q_aG = 5,385 кН/м; M_aG = 140,94 Н;

N_G = - 0,973 кН/м; Q_G = 4,639 кН/м; M_G = - 135,25 Н;

N_кG = - 1,454 кН/м; Q_кG = - 4,639 кН/м; M_кG = - 59,026 Н

N_тG = 62,353 Н; M_тG - 10821 мН·м;

W_G = 0,0192 мм; W_кG = 0,2717мм;

Приварка трубной решетки к фланцу произведена по схеме «г» черт. 9, а кожуха - по схеме «а» черт. 9 (ОСТ 26-1185-61) имеющим К_р = К_к = 1,7. Полученные значения напряжений в трубной решетке и кожухе приведены в табл. 3. В этих расчетах предполагали, что прибавка для компенсации коррозии и возможного минусового допуска материала кожуха составляет С = 2 мм.

За весь срок эксплуатации греющая камера подвергается следующим циклам нагружения:

N₁ = 20 - гидроиспытания межтрубного пространства;

N₂ = 20 - затяжка болтов и гидроиспытания трубного пространства

N₃ = 2000 - заполнение аппарата и вывод на стационарные условия эксплуатации из состояния с затянутыми болтами фланцевого разъема;

N₄ = 5000 - промывка аппаратов из состояния стационарных условий эксплуатации.

Значения амплитуд колебаний напряжения и оценка малоцикловой прочности отдельных элементов приводятся в табл. 4 ... 6. Поскольку во всех рассматриваемых точках , условия прочности выполняются.

Таблица 1

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 2

НАГРУЗКИ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Таблица 3

НАПРЯЖЕНИЯ В РЕШЕТКЕ И КОЖУХЕ

Таблица 4

Оценка циклической прочности соединений труб с решетками

Таблица 5

Оценка циклической прочности решеток

Таблица 6

Оценка циклической прочности кожуха в месте соединения с решеткой

СОДЕРЖАНИЕ