Расчет укрепления отверстий

Наличие отверстий в стенках сосудов вызывает концентрацию напряжений. Концентрация напряжений распространяется на часть стенки, расположенной в непосредственной близости к отверстию, т.е. имеет явно выраженный местный характер. Поэтому укрепление отверстий заключается в утолщении края стенки у отверстия [8].

Обычным способом укрепления стенки у отверстий является приварка укрепляющего кольца, изготовленного из того же материала, что и обечайка, и расположенного, как правило, снаружи сосуда. Схема укрепления стенки сосуда дана на рис. 11.

Рис. 11. Схема укрепления стенки сосуда.

Условные обозначения: 1 - стенка сосуда; 2 - патрубок; 3 - укрепляющее кольцо.

Не укрепленными отверстиями считаются отверстия под развальцовку и резьбу; отверстия, уплотняемые лючковыми и др. затворами; отверстия, предназначенные для присоединения труб, штуцеров, втулок и т. п.

Расчет укреплений отверстий проводится но ГОСТу 24755-91. Данный стандарт устанавливает нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий в обечайках, переходах и выпуклых днищах сосудов и аппаратов, работающих под действием внутреннего и наружного давления [13].

Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки обечайки вычисляется по формуле:

, (44)

где S - избыточная толщина стенки сосуда, мм;

с - прибавки, мм (см. п. 4.2);

S_N - расчетная толщина стенки обечайки по условиям прочности, мм;

D_p - расчетный диаметр укрепляемых элементов, мм.

Для цилиндрической обечайки расчетный диаметр:

D_P = D. (45)

Для конической обечайки перехода или днища расчетный диаметр определяется по формуле:

, (46)

где D_K - внутренний диаметр конической обечайки по центру укрепляемого отверстия, мм;

α - половина угла при вершине конической обечайки.

Для эллиптических днищ расчетный диаметр определяется по формуле:

,(47)

где х - расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища, мм.

Для сферических и торосферических днищ расчетный диаметр определяется по формуле:

D_p = 2 • R , (48)

где R - наибольший внутренний радиус выпуклого днища, мм.

Укрепление отверстий не требуется, если выполняется следующее условие:

d_p £ d_0, (49)

где d_o - расчетный диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления, мм;

d_p - расчетный диаметр имеющегося отверстия, мм.

Расчетный диаметр кругового отверстия определяется по формуле:

d_p = d + 2 • С, (50)

где d - внутренний диаметр штуцера, мм;

С - сумма прибавок к толщине стенки, мм.

Расчетный диаметр отверстия и штуцера, ось которого лежит в плоскости поперечного сечения обечайки (рис.12), определяется по формуле:

d_p = max{d; 0,5 × t} + 2 × C , (51)

где t - длина отверстия в окружном направлении, мм.

Расчетный диаметр отверстия для смещенного штуцера на эллиптическом днище (рис. 13) определяется по формуле:

,

(52)

Рис. 12. Наклонные штуцера на обечайке: а - по касательной к обечайке; б - под наклоном к обечайке

Рис. 13. Смещенный штуцер на эллиптическом днище

Необходимо отметить, что независимо от расчета не рекомендуется оставлять неукрепленной стенку у отверстия диаметром более 200 мм.

Размеры укрепляющего кольца определяются по методу площадей [8]. Вначале находится площадь (Р_э) сечения укрепляющего элемента при продольном сечении обечайки (рис. 11), которая должна быть по меньшей мере равна площади (F_y) сечения стенки обечайки, приходящейся на отверстие, стенку у которого допустимо не укреплять, а именно по формуле:

F_э ³ F_y - F₀ = (d + 2 • С - do) • S_P. (53)

Считается, что весь материал, находящийся внутри зоны укрепления в виде укрепляющего элемента, а также в виде толщины стенок обечайки и штуцера, взятый дополнительно к расчетному, входит в укрепление стенки вблизи отверстия. Однако площадь, приходящаяся на долю сечения, образованного прибавками на коррозию, не считается укрепляющей. Площадь сечения элементов сосуда, участвующих в укреплении стенки у отверстия, определяется по формуле:

Р_э = [D_K - (d + 2 • С) ] • S_K + [D₃ - (d + 2 - С)] • (S - S_P - С) + (54)

+ 2-(H₃ - S_K) - (S₁ - S_1P - C),

где D_k - диаметр закрепляющего кольца, мм;

S_K - толщина укрепляющего кольца, мм;

S_1p , S₁ - соответственно расчетная и проектная толщина стенки штуцера, мм;

Н₃ - высота зоны укрепления, мм;

D₃ - диаметр зоны укрепления, мм.

Высота зоны укрепления равна расстоянию между образующими обечайки и горизонтальными линиями АГ и БВ и определяется по формуле:

Н₃ = 2,5 • S_p, (55)

Диаметр зоны укрепления равен расстоянию между двумя вертикальными линиями АБ и ВГ и определяется по формуле:

D₃ = 2 • (d + 2 • S₁), (56)

Приравнивая формулы (53) и (54), определяют диаметр и толщину укрепляющего кольца, принимая для расчета соотношение:

S_K = 0,5 × L_K , (57)

где L_k - ширина укрепляющего кольца, мм.

Полученную по расчетам толщину укрепляющего элемента (S_K, мм) округляют до ближайшего стандартного значения толщины листа по ГОСТ 19903-74 [4].