WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 10 |

Повышение температуры по-разному влияет на механические свойства различных материалов. С увеличением температуры у цветных металлов и некоторых пластических масс происходит постепенное и непрерывное снижение как предела прочности B, так и предела текучести T. Иначе дело обстоит со сплавами на железной основе. Из рис. 15 видно, что с повышением температуры предел прочности B малоуглеродистой стали сначала увеличивается, доходит при температуре 250-300° С до максимума, а затем быстро падает. Величина же предела текучести при нагревании стали постепенно снижается.

Поэтому определение относительно B может привести к невер [ ] ному представлению о росте запаса прочности при нагревании малоуглеродистой стали, хотя в действительности происходит как раз обратное.

Рис. 15. Влияние температуры на предел прочности B и предел текучести углеродистой стали T Выбор B в качестве критерия для оценки напряженного состояния может оказаться вынужденным для конструкционных материалов, на диаграммах растяжения которых трудно обнаружить точку перегиба, соответствующую пределу пропорциональности (рис. 16,б).

Но для углеродистых сталей и других материалов, на диаграмме растяжения которых (рис. 16,а) отчетливо видны точки перегиба, соответствующие пределу пропорциональности А, пределу текучести В и пределу прочности С, выбор допускаемого напряжения относительно предела прочности B ничем не оправдан и его можно объяснить только установившейся в машиностроении традицией и силой привычки.

Гораздо правильнее для оценки допускаемого напряжения воспользоваться отношением T =. (55) [ ] nT Поскольку при повышении температуры пластичность металлов возрастает и предел текучести T непрерывно понижается, можно воспользоваться этим отношением для определения допускаемых напряжений и при повышенных температурах, подставляя в формулу значение предела текучести материала при данной рабочей температуре t.

T t T =.

[ ] nT Значения t, соответствующие разным температурам, экспериT ментально найдены для большинства ходовых конструкционных материалов.

Очевидно, что при одном и том же напряженном состоянии значение запасов прочности будет неодинаковым при определении его по B и T.

а б Рис. 16. Диаграммы растяжения:

а - стали; б - чугуна Многие оболочки и части химической аппаратуры во время работы бывают нагреты до высоких температур. При таких температурах необходимо учитывать ползучесть металла, под которой понимают способность металлов под действием нагрузок медленно пластически деформироваться, несмотря на то, что приложенные силы постоянны, а возникающие в металле напряжения не превышают предела текучести. Чем выше температура, тем быстрее происходит удлинение нагруженной детали при той же нагрузке, причем деформация является уже не упругой, а остаточной.

Предел текучести при высоких температурах перестает быть критерием допустимости напряженного состояния, потому что в результате ползучести материал может разрушиться из-за нарастания деформации в течение длительного времени.

Таким образом, если при конструировании аппаратов, работающих в области умеренных температур, в качестве основного требования выдвигается неизменность размеров нагруженных элементов, то при высоких температурах приходится отказываться от этого принципа и стремиться лишь к тому, чтобы скорость приращения размеров за счет текучести не превышала какого-то полученного на практике значения, а конечная величина пластической деформации не превзошла опасного предела. Скорость ползучести обычно принимают такой, чтобы горячие болтовые соединения не приходилось подтягивать чаще одного раза в год, что соответствует скорости примерно 10-7 мм/мм час. Предельно допускаемые остаточные удлинения вследствие текучести для деталей из углеродистой стали считаются равными 1 %, для деталей из легированных теплостойких сталей – 1,5 %.

Важной особенностью поведения нагруженного материала, находящегося в условиях ползучести, является релаксация, т. е. снижение напряжений, происходящее с течением времени в результате пластических деформаций.

Скорость удлинения в результате ползучести чрезвычайно сильно зависит от двух факторов – температуры и напряжения в металле.

На диаграммах рис. 17 показан характер этих зависимостей. В области высоких температур порядка 400–500°С увеличение температуры на 20–30° С может удвоить скорость удлинения деталей из углеродистой стали. Явление ползучести у цветных металлов и некоторых пластических масс начинает сказываться уже при комнатных температурах.

Рис. 17. Зависимость скорости ползучести от температуры Для материалов, работающих в условиях ползучести, допускаемое напряжение определяют относительно предела ползучести при данной рабочей температуре t :

П t П =.

[ ] nП В последнее время считают, что предел ползучести не является достаточной характеристикой и не всегда может служить критерием для расчета на прочность аппаратов, работающих при высоких температурах. Экспериментально полученные значения пределов ползучести определяются в течение слишком малого времени и при незначительных скоростях деформации. Более надежным считают следующий подход к этому вопросу. Испытывая материалы (при температурах, постоянных для данной серии опытов), замеряют время, прошедшее от начала опыта до разрушения образца. Меняя нагрузку, а следовательно, и напряжение в сечении образца, отмечают изменение времени от начала опыта до разрыва образца, причем понятно, что это время с увеличением нагрузки уменьшается. Далее получают экспериментальную зависимость между временем до разрушения и разрушающим напряжением, которая имеет вид A =, (56) n где – напряжение; – время, прошедшее с начала опыта до разрыва образца; A и n – константы.

Эта степенная функция изобразится в логарифмической сетке в виде прямой. Воспользовавшись ею, можно линейной экстраполяцией получить величину напряжения, при которой образец разрушится по истечении требуемого времени работы. Полученная таким образом величина называется пределом длительной прочности Д.

Точность значений пределов длительной прочности, как это следует из самого метода определения, невелика.

Формула для определения допускаемого напряжения при определении ее по пределу длительной прочности приобретает вид t Д =.

[ ] nД В машинах следует также учитывать усталость металла, появляющуюся при циклических знакопеременных нагрузках, благодаря чему в расчет вводится допускаемое напряжение по пределу усталости. Оболочки аппаратов в большинстве случаев нагружены статически, и такая необходимость обычно не возникает.

Допускаемое напряжение при расчете по предельным на[ ] грузкам для конструкционных материалов из сталей определяют в соответствии с ГОСТ 14249–89 (СТ СЭВ 596–86):

– для углеродистых и низкоуглеродистых сталей:

Д105 П1,0 /Т или T0,2 В = min ; ; ; ; (57) [ ] nT nВ nД nП – для аустенитных сталей:

Д105 П1,0 /T1,0 В = min ; ; ;. (58) [ ] nT nВ nД nП Для условий испытания аппаратов из углеродистых и низколегированных сталей допускаемые напряжения определяют по формуле 20 Т или Т0, = ; (59) [ ] nT для аппаратов из аустенитных сталей – 20 Т0,2 или Т1, =. (60) [ ] nT В зависимостях (57)–(60) напряжения при расчетной температуре имеют следующие значения: T – минимальное значение предела текучести; T0,2 — минимальное значение предела текучести, при котором остаточное удлинение составляют 0,2 %; T – минималь20 ное значение предела текучести при температуре 20 °С; T0,2, T1,0 – минимальные значения предела текучести и условного предела текучести при температуре 20°С, при которых остаточные удлинения составляют соответственно 0,2 и 1,0 %; B – минимальное значение Двременного сопротивления (предела прочности); – среднее значение предела длительной прочности за 105 ч; П10 /105 – среднее, значение 1 %-го предела ползучести за 105 ч.

Коэффициенты запаса прочности должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 2. Для сосудов и аппаратов групп 3, по «Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» Госгортехнадзора РФ [4] коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению nB допускается принимать равным 2,2. В случае, если допускаемое напряжение для аустенитных сталей определяют по формуле (57), коэффициент запаса прочности nT по условному пределу текучести T0,2 для рабочих условий принимается равным 1,3.

Таблица Коэффициенты запаса прочности Коэффициент запаса прочности Условие нагружения nT nВ nД nП Рабочие условия 1,5 2,4 1,5 1,Условия испытания:

гидравлические испытания 1,– – – пневматические испытания 1,– – – Условия монтажа 1,– – – Для сосудов и аппаратов, работающих в условиях ползучести при расчетном сроке эксплуатации 104 до 2105 ч, коэффициент запаса прочности n равен 1,5. При расчетном сроке эксплуатации 2105 ч допускается коэффициент запаса прочности nД принимать рав- ным 1,25, если выполняется контроль жаропрочности и длительной пластичности материала в эксплуатации, а отклонение в меньшую сторону от среднего значения длительной прочности и ползучести не превышает 20 %.

Поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям ( ) должен быть равен единице, за исключением стальных отливок, для которых коэффициент имеет следующие значения:

– 0,8 – для отливок, подвергающихся индивидуальному контролю неразрушающими методами;

– 0,7 – для остальных отливок.

Для элементов сосудов и аппаратов, работающих в условиях ползучести при разных за весь период эксплуатации расчетных температурах, в качестве допускаемого напряжения разрешается принимать эквивалентное допускаемое напряжение, рассчитываемое по [ ]экв формуле [ ] =, [ ]экв 1 m n [ ]1 m Ti i =1T [ ]i где - допускаемые напряжения при температурах ti ( i = 1, 2,... );

[ ]i Ti – длительность этапов эксплуатации элементов с температурой n стенки соответственно ti ( i = 1, 2,... ), ч; T0 = – общий расчетTi i=ный срок эксплуатации, ч; m - показатель степени в уравнениях длительной прочности стали (для легированных жаропрочных сталей рекомендуется принимать m = 8).

Этапы эксплуатации при разной температуре стенки рекомендуется принимать по ступеням температуры 5 и 10°С.

Коэффициент запаса устойчивости при расчете элементов аппаратов на устойчивость по нижним критическим напряжениям в пределах упругости принимается для рабочих условий ny = 2,4; для условий испытаний и монтажа ny = 1,8.

Определение коэффициента прочности шва При расчете на прочность и устойчивость сварных элементов аппаратов в расчетные формулы вводятся коэффициенты прочности сварных швов, значения которых в зависимости от конструкции шва и условий сварки принимаются согласно табл. 3.

Таблица Коэффициент прочности сварных швов Значение коэффициентов прочности сварных швов Длина контролируемых Длина контролиВид сварного шва швов от общей длины руемых швов от обсоставляет 100 % 1 щей длины составляет от 10 до 50 % Стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой 1,0 0,Стыковой с подваркой корня шва или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполняемый вручную 1,0 0,Стыковой, доступный сварке только с одной стороны и имеющий в процессе сварки металлическую подкладку со стороны корня шва, прилегающую по всей длине шва к основному металлу 0,9 0,В тавр, с конструктивным зазором свариваемых деталей 0,8 0,Стыковой, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой с одной стороны с флюсовой или керамической подкладкой 0,9 0,Стыковой, выполняемый вручную с одной стороны 0,9 0,Объем контроля определяется техническими требованиями на изготовление и правилами Госгортехнадзора РФ Определение конструктивной прибавки Исполнительные или принимаемые при конструировании размеры рассчитываемых элементов, как правило, должны быть больше расчетных на значение прибавки:

s sR + c. (61) Общее значение прибавки c = c1 + c2 + c3. (62) Каждая из составляющих прибавок должна обосновываться в технической документации.

Прибавка на коррозию и эрозию с1 при проницаемости П0,05 мм/год принимается равной 1 мм. При большей проницаемости, а также при двусторонней коррозии с1 соответственно увеличивается.

Для материалов, стойких в заданной среде, при отсутствии данных о проницаемости рекомендуется принимать с1 = 2 мм. Прибавка на минусовое значение предельного отклонения по толщине лис- та с2, из которого изготовляется элемент аппарата, принимается по соответствующему стандарту на сортамент.

Технологическая прибавка с3 (при вытяжке, штамповке, гибке и т. д.) учитывается в зависимости от принятой технологии изготовления и не включает в себя округление расчетной толщины элемента до номинальной толщины по стандарту.

Прибавки с2 и с3 учитываются только в тех случаях, когда сумма их превышает 5 % от расчетной толщины элемента.

Типовые конструкции гладких цилиндрических обечаек (корпусов) аппаратов приведены на рис. 18 [12, 23].

В аппаратах, работающих под вакуумом или под наружным давлением, применяются кольца жесткости, которые в зависимости от конструктивных возможностей могут располагаться как внутри, так и снаружи корпуса. Форма поперечного сечения колец может быть произвольной (например, наружные прямоугольного сечения или внутренние таврового сечения (рис. 19)).

а б в г д е Рис. 18. Конструкция гладких цилиндрических обечаек (корпусов) аппаратов:

а – с фланцем и плоским днищем; б – с жесткими внутренними перегородками;

в – с отбортованными эллиптическим и коническим днищами;

г – с неотбортованными сферическим и коническим днищами; д – с рубашкой на нижней части аппарата; е – с рубашкой на средней части аппарата б а Рис. 19. Конструкция корпуса аппарата:

а – подкрепленного наружными кольцами жесткости;

б – подкрепленного внутренними кольцами жесткости Расчет цилиндрических обечаек производится по ГОСТ 1424–80.

s - c Формулы расчета применимы при условии 0,1 для обечаек и D s - c труб при D 200 мм; 0,3 – для труб при D < 200 мм.

D На обечайки могут действовать нагрузки от внутреннего или наружного давления и сосредоточенные (боковые, осевые).

Для обечаек, нагруженных избыточным внутренним давлением, толщина стенки определяется по следующим формулам:

pR D sR = s sR + c, 2 p - pR [ ] где D – внутренний диаметр обечайки; pR - расчетное давление (максимальное расчетное); sR – расчетная толщина; – коэффициент прочности сварных швов.

Допускаемое внутреннее избыточное давление определяется по формуле 2 p s - c [ ] ( ) p =.

[ ] D + s - c ( ) 4. Приложение моментной теории оболочек к расчету сосудов 4.1. Основные причины возникновения краевых сил и моментов Рассматривая расчет сосудов и корпусов аппаратов, мы до сих пор предполагали, что каждая из оболочек, образующих сосуд или корпус аппарата, работает самостоятельно и независимо от других связанных с ней оболочек или других частей аппарата. Во многих практических случаях так считать допустимо, и получаемые приближения оказываются вполне достаточными для инженерных целей. Однако в некоторых случаях такое упрощение может привести к совершенно неверным результатам [22].

Возьмем в качестве примера сосуд, состоящий из цилиндрического корпуса и конического днища, подверженный изнутри действию газового давления p (рис. 20, а). Мысленно отделим днище от корпуса (рис. 20,б), оставив их под действием приложенных нагрузок (в нашем случае равномерно распределенного давления).

а б в Рис. 20. Цилиндр с коническим днищем Согласно формулам мембранной теории радиальное перемещение края цилиндра будет равно pr1- pц =, а поворот его pц = 0.

Es Для края конуса, замкнутого у вершины, согласно формулам мембранной теории линейное перемещение края pк и поворот края pк будут соответственно иметь следующие значения:

pRк2 1- pк = (63), Es 2 sin - pRкcos pк =.

(2ssin2)E Как видно, ни линейные перемещения, ни угловые повороты краев цилиндрической и конической частей не равны между собой.

Если бы оболочки были просто приложены краями друг к другу, то в результате деформаций, вызванных воздействием газового давления, между обоими краями образовался бы линейный зазор и зазор, обязанный разности угловых деформаций.

Эти зазоры, однако, без разрушения сосуда образоваться не могут, потому что обе оболочки или изготовляются заодно, например, отливаются из чугуна, или неразъемно соединяются между собой, например, сваркой.

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 10 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.