Файл: 1 Выбор материалов 4 1 Характеристика стали марки 20К 4.docx

Химические свойства

У материала невысокая химическая устойчивость к большинству кислотных соединений. Если на поверхность попадёт влага, на ней останется ржавчина. Из-за неё сильно ухудшается внешний вид, прочность.

Чтобы защитить материал от коррозии, следует наносить гальванические покрытия (хром, цинк, прочие схожие соединения).

Уровень раскисления

Спокойная сталь 20. За счёт введения кремния и марганца, полностью отсутствует кислород. Оксидов железа также очень небольшое количество. Это и обеспечивает «спокойное» застывание металла в ковше. Однородность, плотность СТ20 на выходе отличные, только сверху формируется газовая раковина.

Кипящая сталь. Образовывается путём раскисления марганца, что ведёт к повышению содержания закиси железа. Соединение образует углекислый газ. В итоге формируются пузыри газа, выглядящие как кипящая масса. Такой металл очень пористый, химические элементы распределены неравномерно, что обуславливает ухудшение механических характеристик, увеличивает опасность появления трещин, ухудшает свариваемость. Но есть и достоинства – невысокая цена, отсутствие небезопасных отходов.

Полуспокойная СТ20. Нечто среднее между предыдущими разновидностями сплава.

Особенности термообработки

Для материала предусмотрена термообработка – закалка, отпуск, отжиг. После их выполнения изменяется ферритно-перлитная структура, которая преобразуется в мартенситную. Происходит уменьшение пластичности материала с одновременным увеличением его прочности.

При нагреве заготовок используются печи двух видов – индукционные, доменные. Для закалки выдерживается температурный режим от 790 до 820оС. Время нахождения изделий в печи может быть разным, определяется технологией. Охлаждение выполняется на воздухе, в масле или воде. Для отжига выполняют нагрев заготовок до 160 – 200оС.

Зависимо от степени раскисления можно выделить три типа стали:

1. Кипящая. Для раскисления применяется марганец. В составе повышается количество железа. При взаимодействии с углеродом выделяется большое количество углекислого газа. Особенность данного вида стали — высокая пористость. Основные компоненты металла распределяются по структуре неравномерно. Из-за этого снижается показатель прочности.

---

2. Спокойная. Образуется в процессе удаления кислорода из состава металла. Для этого в сплав вводится марганец, кремний. Внутри содержится минимальное количество оксида железа. Структура однородная, упорядоченная. Сталь получается высокопрочной. Газовые карманы, которые образуются возле поверхностей, удаляются механическим путем.

Третий вид — полустойкий сплав. Представляет собой комбинацию двух вариантов.

Сферы применения

Определенные технические характеристики стали 20 объясняют ее применение в разных направлениях промышленности:

- Производстве трубной арматуры (накидных гаек, штуцеров, фланцев, крестовин, ниппелей).

- Изготовлении строительных материалов.

- Сборке разных металлоконструкций, машин, судов, промышленного оборудования.

Из этого металла производят:

- Бесшовные трубы. Изготавливаются путем холодного, горячего волочения. Их особенность — высокая прочность.

- Цельносварные холоднокатаные трубы.

- Различные профиля (проволоку, двутавры, швеллера, металлические уголки, листы разной толщины, прутки).

Аналоги материала

Для некоторых изделий допускается замена материала сталью, имеющей аналогичные качества. Продукция российских производителей — сталь 40Х, 30, 25, 15. Металл-заменитель может поставляться из-за рубежа – 20 (Китай), S20C (Япония), 1020, 1023 (США), C22R (Германия).

2 Расчет

2.1 Расчетные параметры

1. Расчетная температура стенок:

T=max(t_c;20С)=max(110;20)=110C

2. Расчетное давление

а) внутри аппарата (для днища, обечайки корпуса и крышки):

Р_Р =Р =0,4 МПа, так как максимальное значение гидростатического давления рабочей среды:



Н=0,25D=0,251,0=0,25м

Па или 0,023 МПа

0,05 Р_Р=0,02 МПа≺0,023 МПа, следовательно, гидростатическое давление учитываем.

Окончательно принимаем Р_р=0,4+0,023=0,423 МПа.

б) в рубашке P_P=P_руб=0,6 МПа, так как максимальное значение гидростатического давления в рубашке при наличии конденсата водяного пара P_г.р=g·ρ_в·(Н+l₂+L)=9,81·1000·(0,25+0,05+1,61)=21190Па≈0,0212МПа, где Н=0,25D=0,25·1,0=0,25м, ρ_в=1000кг/м³ – плотность воды

- гидростатическое давление не учитываем.

3. Допускаемое напряжение

В рабочем состоянии:

[σ]=η·σ*=1·146=146 МПа, где σ*=146 МПа – для стали 20К при t=110

---

⁰С, η=1 – для листового проката.

При гидравлических испытаниях:

[σ]=σ/η=147/1,1=133,64 МПа, где σ*=147 МПа – для стали 20К при t=20⁰С, η=1 – для листового проката.

4. Модуль продольной упругости

Е=2,08·10⁵МПа – для обечайки корпуса при t=110⁰С;

Е_р=2,12·10⁵МПа – для рубашки при t=20⁰С.

5. Прибавки к расчетным толщинам примем: С=2мм – обечайки и днища корпуса; С_кр=2мм – крышки; С_р=0,2 – рубашки.

Расчетная длина цилиндрической обечайки корпуса:

2.2 Толщина стенок

Расчетная толщина цилиндрической обечайки корпуса:

а) при действии внутреннего давления



б) при действии наружного давления



Где



К₃=l_P/D=1,69/1,0=1,69, откуда по номограмме (рисунок 1.14[3]) К₂=0,87.

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса в первом приближении

S>max(S_P; S_р.н.)+С=max(0,36; 8,7)+2=10,7мм.

Принимаем большее стандартное значение S=12мм. Так как обечайка корпуса при наличии давления в рубашке и внутри аппарата работает под совместным действием наружного давления Р_н.р и осевого сжимающего усилия F, то должно выполняться условие устойчивости:



Осевое сжимающее усилие – это усилие прижатия днища к обечайке давлением в рубашке, которое может быть рассчитано (пренебрегая силой тяжести днища и его связью с рубашкой) следующим образом:



Допускаемое наружное давление:

- из условия прочности



- Из условия устойчивости в пределах упругости при l_P0 (l_P=1,69);





- с учетом обоих условий



Допускаемое осевое сжимающее усилие:

- из условия прочности



Из условия прочности в пределах упругости при l_P/D=1,69/1,0=1,69<10



- с учетом обоих условий:



Условие устойчивости обечайки корпуса выполняется:



Допускаемое внутренне давление на обечайку корпуса:



Условие Р_Р<[Р] выполняется (0,423<2,18).

Исполнительную толщину S_э эллиптического днища корпуса аппарата примем из условия равной толщины свариваемых друг с другом оболочек: S_э=S=12мм. При этом должно выполняться условие Р_р.р≤[Р_н]_э и Р_р≤[Р]_э.

Допускаемое наружное давление для днища:

- из условия прочности



- из условия устойчивости в пределах упругости



где



- с учетом обоих условий



Условие устойчивости днища выполняется:



Допускаемое внутреннее давление для эллиптического днища:



Условие Р_р<[Р]_э выполняется (0,423<2,91).

Исполнительная толщина эллиптической крышки:



Принимаем S_кр=4мм.

Допускаемое внутреннее давление для крышки:



Условие Р_Р<[Р]_кр выполняется (0,423<0,583).

Исполнительная толщина:

- цилиндрической обечайки рубашки



- эллиптического днища рубашки



Принимаем толщину стенки рубашки S_P=5 мм.

Допускаемое внутреннее давление:

- на обечайку рубашки



- на эллиптическое днище рубашки



Допускаемое давление внутри аппарата в рабочих условиях:

[P]_а=min{[P]; [P]_э; [P]_кр}=min{2,89; 2,91; 0,583}=0,583 МПа

Допускаемое давление в рубашке при работе аппарата:

[P]_р=min{[P_н]_F; [P_н]_э; [P]_р.ц;[Р]_р.э}=min{0,6; 1,024; 0,79; 0,8}=0,6 МПа, где [P_н]_F=Р_р.р=0,6 МПа.

2.3 Укрепление отверстия

Расчетный диаметр укрепляемого элемента D_P=2D=2·1,0=2,0м, так как Х=0.

Расчетный диаметр отверстий в стенке обечайки d_P=d+2C₁=600+2·2=604мм=0,604м.





Так как d_p>d₀, то необходимо провести укрепление.

Ширина зоны укрепления для отверстия





Толщина стенки щтуцера:

где

S₁≥0,4+2=2,4мм

Примем S₁=3мм.

Расчетные длины щтуцера







L_k≈L₀

Необходимая площадь укрепления кольца















Площадь поперечного сечения укрепляемого кольца примем А₂=0,0005м².

Толщина накладного кольца



Окончательно примем S₂=5мм.

2.4 Фланцевое соединение корпуса с крышкой

Конструкцию соединения крышки и корпуса аппарата при D=1000мм и Р_р=0,423 МПа выбираем согласно таблице 1.36[3] с плоскими приварными фланцами и уплотнительной поверхностью «шип-паз».

1. Конструктивные размеры фланца. Толщину втулки фланца принимаем S₀=S=12мм.

Высота втулки фланца



Принимаем h_в=100мм.

Диаметр болтовой окружности



где d_б=20мм – наружный диаметр болта при D=1,0м и Р_р=0,423 МПа (таблица 1.40[3]); u – нормативный зазор (u=4мм).

Наружный диаметр фланца



где а=40мм – для шестигранных гаек при d_б=20мм (таблица 1.41[3]).

Наружный диаметр прокладки



где е=30мм – для плоских прокладок (таблица 1.41[3]).

Средний диаметр прокладки



где b=15мм – ширина прокладки (таблица 1.42[3]).

Количество болтов необходимых для герметичности соединения



где t_ш=4,5·d_б=4,5·20=90мм – шаг размещения болтов М20 на болтовой окружности при Р_р=0,2 МПа (таблица 1.43[3]).

Принимаем n_б=56, кратное четырем.

Высота (толщина) фланца



где λ_ф=0,3 – для плоских фланцев при Р_р=0,423 МПа (рисунок 1.40[3]);

S_эк=S₀=12мм, так как для плоских фланцев β₁=S₁/S₀=1.Принимаем h_ф=40мм.

Расчетная длина болта



где l_б.о=2·(h_ф+h_п)=2·(40+2)=84мм – расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки при толщине прокладки h_п=2мм.

2. Нагрузки, действующие на фланец

Равнодействующая внутреннего давления



Реакция прокладки



где К_пр=1 – для резины с плотностью свыше 1,2 МПа (таблица 1.44[3]); b₀=b=15мм=0,015м, так как b≤15мм.

Коэффициент жесткости фланцевого соединения



где y_б, y_п, y_ф – податливость, соответственно болтов, прокладки, фланцев.

Податливость болтов



где Е_б=1,9·10⁵ МПа – для материала болтов из стали 35; f_б=2,35·10^-4м² – для болтов диаметром d_б=20мм.

Податливость прокладки



где Е_п=4[1+b/(2h_п)]=4·[1+0,015/(2·0,002)]=19МПа – для прокладки из резины с твердостью свыше 1,2МПа (таблица 1.44[3]); К_п=0,09.

Податливость фланца



где Е=2·10⁵МПа – для стали 16ГС;









Тогда



Болтовая нагрузка в условиях монтажа



где Р_пр=4МПа – для резиновой прокладки с твердостью свыше 1,2МПа (таблица 1.44[3]).

Болтовая нагрузка в рабочих условиях



Приведенный изгибающий момент



где [σ]₂₀=170МПа и [σ]=162,5МПа,



Проверка прочности и герметичности соединения. Условие прочности болтов при монтаже фланцевого соединения и в его рабочем состоянии выполняется:

(для болтов из стали 35 при t=20⁰С);

(для болтов из стали 35 при t=110⁰С).

Условие прочности прокладок выполняется:



где Р_пр=20МПа – для резиновой прокладки с твердостью свыше 1,2МПа; F_б.max=max{F_б1; F_б2}=max{0,39; 0,35}=0,39MH.

Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S₀:



где D*=D=1,0м, так как D>20·S₀ (1,0>20·0,012=0,24м);



Напряжение во втулке от внутреннего давления:

тангенциальное



меридиональное



Условие прочности для сечения, ограниченном размером S₀=12мм, выполняется:





где [σ]₀=0,003·Е=0,003·1,93·10⁵=579МПа – для фланца из стали 16ГС в сечении S₀ при Р_р=0,423МПа.

Окружное напряжение в кольце фланца



Условие герметичности фланцевого соединения выполняется:

2.5 Теплообменная рубашка

Для соединения сосуда с рубашкой используем коническое без отбортовки сопряжение. При сопряжении при помощи конуса угол α примем равным 30⁰. Увеличим толщину стенки рубашки до S_н.руб=5мм, так как при S_н.руб=3мм допускаемое избыточное давление меньше расчетного.

Коэффициент осевого усилия



где d₁≤0,4D₂=0,4·1,5=0,6м – диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда.

Коэффициент, учитывающий расстояние между корпусом сосуда и рубашкой



где - расстояние от середины стенки до наружной стороны стенки сосуда.

Коэффициент длины сопряжения

, при α=30⁰ ; ρ=0 – для конического соединения без отбортовки.

Коэффициент отношения прочности корпуса сосуда и рубашки



где [σ]₁=162,5МПа и [σ]₂=152,8МПа – допускаемые напряжения для стенки сосуда и рубашки при температуре 110⁰С и 20⁰С, соответственно.



Радиус отбортовки определяется по уравнению



Относительная эффективная несущая длина конуса



Допускаемое избыточное давление в рубашке



где φ₂ =1 – коэффициент прочности сварного продольного шва рубашки;

В – коэффициент сопряжения при помощи конуса





где f₁=1,9 – коэффициент прочности, определяется по графику (рисунок 10[4]).



где f₂=3,2 – коэффициент прочности, определяется по графику (рисунок 11[4]).



где f₃=f₄=1,732 – коэффициент прочности, определяется по графику (рисунок 12 и 13[4]).



Тогда



Условие [Р]₂>P₂ выполняется (0,597>0,423).

Определение размеров сопряжения



Нагрузка от собственного веса

F=G₁=0,027MH, так как опоры на цилиндрической обечайке корпуса.

Проверка несущей способности от совместного действия осевого усилия и избыточного давления в рубашке



Условие выполняется.

2.6 Определение оптимальных размеров корпуса аппарата

Масса аппарата, снабженного теплообменной рубашкой



Масса корпуса аппарата



Масса жидкости



Масса U-образной теплообменной цилиндрической рубашки



Массу жидкости в рубашке примем m_ж=0, так как среда пар. Тогда



Сила тяжести аппарата

2.7 Опоры

Опоры ставим на цилиндрическую обечайку корпуса.

.

По Q выбираем по таблице 1[2], опоры типа 1 с допускаемой нагрузкой Q=25кН:

Опора 1 – 2500 ОСТ 26 – 665 – 79

Параметры:

а=125мм; а₁=155мм; в=155мм; с=45мм; с₁=90мм; h=230мм; h₁=16мм; S₁=8мм; к=25мм; к₁=40мм; d=24мм; d_б=М20; f_max=40мм.

Усилие, действующее на одну опорную лапу



где G – вес аппарата в условиях эксплуатации или испытании,Н;

М – изгибающий момент: М=0,01МНм;

S₀=(S-C) – толщина стенки аппарата в конце срока службы, м:

S₀=0,012-0,002=0,01м;

S_H – толщина подкладного листа: при отсутствии подкладного листа S_H=0;

e – Расстояние между точкой приложения усилия и обечайкой



b – Длина опорной лапы, м.

Несущую способность обечайки в месте приварки опорной лапы без подкладного листа проверяем по формуле



где допустимое усилие на опорный элемент в условиях эксплуатации или испытания [F₁] определяем по формуле



Коэффициент К₇ определяем в соответствии с графиком (рисунок 5[2]): К=0,87.

[σ_i] – Предельное напряжение изгиба



где [σ] – допускаемое напряжение для материала обечайки, МПа;

n_T – запас прочности по пределу текучести;

К₂ – коэффициент, принимаемый равным К₂=1,2 для рабочих условий;

К₁ – коэффициент, который определяем по рисунку 8[2] в зависимости от υ₁ и υ₂;

υ₁ – коэффициент, представляющий отношение местных мембранных напряжений к местным напряжениям изгиба. Для опорных лап без подкладного листа принимают υ₁=0,3;

υ₂ – коэффициент, учитывающий степень нагрузки общими мембранными напряжениями, определяют по формуле



Где - общее мембранное напряжение в цилиндрической обечайке



D_R=D=1,4м – расчетный диаметр для цилиндрической обечайки.



Тогда К₁=1,2.



Окончательно



, т.е. 0,019МПа<0,049МПа – условие выполняется.

Заключение

В ходе проектирования была разработан аппарат, с требуемыми техническим заданием характеристиками.

В пояснительной записке приведены механические расчёты, подтверждающие работоспособность проектируемого сосуда.

В графической части курсового проекта изображены: сборочный чертеж корпуса аппарата с выносками узлов фланцевого соединения, опорного узла и соединения рубашки с корпусом.

Список литературы

1. Конструирование и расчет элементов оборудования. Опоры аппаратов: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальностей 170501, 170601, 030528 всех форм обучения. – Красноярск: СибГТУ, 2002. -36с.

2. Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учебное пособие для студентов втузов/М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. Зобнин. Л.:Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. – 301 с., ил.

3. Антипин Г.В. Торцовые уплотнения аппаратов химических производств/Г.В.Антипин.-М.:Машиностроение,1984.-112 стр.

---