РТМ 26-303-78 Резервуары изотермические для сжиженного углекислого газа. Нормы и методы расчета

2.1.1. За величину допускаемого напряжения материала принимается меньшее из двух значений:

;   .

2.1.2. Значения и принимаются по соответствующим стандартам или техническим условиям на материал.

2.1.3. Материалы для изготовления внутренних сосудов изотермических резервуаров выбираются в соответствии с требованиями ГОСТ 19663-74 и "Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением".

При выполнении расчетов на прочность конструкций из стали 09Г2С допускаемые напряжения должны соответствовать указанным в табл.1.

Таблица 1

2.2.1. Под рабочим давлением в сосуде или аппарате следует понимать максимальное избыточное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или других предохранительных устройств.

При повышении давления в сосуде во время действия предохранительного клапана более чем на 10% по сравнению с рабочим сосуд должен рассчитываться на давление, равное 90% давления при полном открытии клапана, но не менее чем на рабочее давление.

2.2.2. Расчетным давлением называется давление, на которое производится расчет прочности сосудов и их элементов.

Расчетное давление следует определять по формуле:

.

Примечания.

1. 1. В случае, когда гидростатическое давление столба сжиженного углекислого газа и давление от действия динамических нагрузок во внутреннем сосуде в сумме составляет менее 5% от рабочего давления, при определении расчетного давления эти величины допускается не учитывать.

2. 2. Для стационарных резервуаров .

2.2.3. Гидростатическое давление столба сжиженного углекислого газа определяется по формуле:

,                                              (1)

где: - ускорение силы тяжести, м/с.

2.2.4. Давление на днище внутреннего сосуда в результате действия динамических нагрузок (гидравлического удара) определяется по формуле:

,                                         (2)

где - берется без учета влияния волнорезов.

Плотность жидкой и газообразной фаз углекислого газа при различных давлениях можно определить по графику (черт.2).

Черт.2

3.7.1. При определении напряжений, возникающих в стенках обечайки внутреннего сосуда от действия вертикальных нагрузок, внутренний сосуд рассматривается как балка, свободно лежащая на опорах. Расчетная схема показана не черт.3.

3.7.2. Интенсивность вертикальных нагрузок, приведенных к единице длины сосуда, определяется по формуле:

,                                               (4)

где

                                                                     .                                             (5)

Для стационарных резервуаров , для транспортных цистерн коэффициент выбирается по табл.2.

3.7.3. Изгибающие моменты над опорами (точки и ) определяются по формулам:

,    .                                                 (6)

Максимальный изгибающий момент в сечении пролета определяется по формуле:

.                              (7)

3.7.4. Суммарные реакции опор, действующие на сосуд, определяют по формулам:

;                                                (8)

     
.                                                (9)

Примечание: реакции от усилий затяжки растяжек крепления внутреннего сосуда не учитываются, если они конструктивно располагаются в плоскости сечения опор и, следовательно, не создают изгибающего момента.

3.7.5. Напряжение изгиба в сечениях сосуда от действий вертикальных нагрузок определяется по формуле:

,                                                    (10)

где:      

                                            .                                         (11)

3.7.6. Напряжение в обечайке внутреннего сосуда в окружном направлении от действия внутреннего давления определяется по формуле:

.                                            (12)

3.7.7. Напряжение в обечайке внутреннего сосуда от действия внутреннего давления в продольном направлении определяется по формуле:

.                                                          (13)

3.7.8. Условия прочности обечайки внутреннего сосуда при совместном действии внутреннего давления, вертикальных и горизонтальных нагрузок имеют вид:

;                                              (14)

.                                                       (15)

3.7.9. С целью определения расчетного ресурса работы сосудов последние должны быть проверены на усталостную прочность в соответствии с РТМ 26-01-92-76.

4.1.1. При проверке прочности растяжек и определении необходимого усилия затяжки растяжек необходимо учитывать напряжения, возникающие в результате температурных деформаций и от действия инерционных нагрузок.

Расчетная схема показана на черт.4.

Черт.4

4.1.2. Сборка изотермических резервуаров производится при плюсовой температуре окружающего воздуха. При наполнении резервуара сжиженным углекислым газом температура стенок внутреннего сосуда, растяжек и опор понижается, в результате чего происходят температурные деформации внутреннего сосуда, растяжек и опор и предварительное усилие затяжки растяжек уменьшается.

Предварительное усилие затяжки растяжек при сборке должно обеспечивать натяжение их при температурных деформациях внутреннего сосуда, самих растяжек и опор.

4.1.3. Уменьшение длины (см. черт.4) растяжки в результате температурных деформаций по сравнению с ее длиной при сборке определяется по формуле:

,                                   (16)

где

                                                                                                 (17)

4.1.4. Перемещение центра "0" внутреннего сосуда при температурных деформациях происходит в результате уменьшения высоты опор и диаметра обечайки внутреннего сосуда:

,                                                   (18)

где  

                                             ;                                    (19)

;                                        (20)

;                                       (21)

.                                      (22)

4.1.5. Уменьшение длины дуги обечайки в результате температурных деформаций на участке СД определяется по формуле:

.                                                (23)

4.1.6. Необходимый предварительный натяг растяжки при сборке для компенсации температурных деформаций опор, сосуда и самой растяжки будет равен:

.                                                (24)

4.1.7. Усилие затяжки растяжки определяется по формуле:

.                                                  (25)

4.1.8. Значения коэффициентов линейного расширения для некоторых материалов приведены в табл.3.

     Таблица 3

4.1.9. Усилие, возникающее в растяжке от динамических нагрузок для транспортных цистерн, определяется по формуле:

,                                            (26)

при условии, если вес сосуда со сжиженным газом меньше веса ходовой части транспортной цистерны.

4.1.10. Предварительное усилие вытяжки растяжки для транспортных цистерн определяется по формуле:

.                                                      (27)

4.1.11. Условие прочности растяжки для транспорта цистерн имеет вид:

,                                                (28)

где

                                                            ;                                             (29)

                                                       .                                     (30)

4.1.12. Предварительное усилие затяжки растяжки для стационарных резервуаров при необходимости их транспортировки к потребителю определяется по формуле:

.

4.1.13. Условие прочности растяжки для стационарных резервуаров имеет вид:

.

4.2.1. Расчет на прочность опор внутреннего сосуда включает проверку прочности опор при совместном действии сжимающего усилия и изгибающего момента и проверку прочности опор на срез.

Конструкция опоры внутреннего сосуда показана на черт.5.

Черт.5

4.2.2. Напряжение в опоре от действия сжимающего усилия определяется по формуле:

.                                                  (31)

4.2.3. Напряжение в опоре транспортной цистерны от действия изгибающего момента определяется по формуле:

,                                             (32)

где

 .                                              (33)

4.2.4. Напряжение в опоре стационарного накопителя от действия изгибающего момента определяется по формуле:

.

4.2.5. Проверка прочности опоры при совместном действии сжимающего усилия и изгибающего момента производится по формуле:

.                                                    (34)

4.2.6. Проверка прочности опоры транспортной цистерны на срез производится по формуле:

.                                     (35)

4.2.7. Проверка прочности опоры стационарных накопителей на срез производится по формуле:

.

4.2.8. Значения допускаемых напряжений для некоторых марок материала опор приведены в табл.4

Таблица 4

______________

* На территории Российской Федерации действует ГОСТ 13913-78. - Примечание изготовителя базы данных.

Примечания.

1. 1. Пластики древеснослоистые рекомендуется применять только для опор стационарных резервуаров.

2. 2. Значения допускаемых напряжений применимы для температур от минус 70 °С до +50 °С.

6.2.1. Расчетная схема силового кольца показана на черт.15.

Черт.15

6.2.2. Из принятой схемы строповки определяются силы, действующие на силовое кольцо:

для съемных транспортных цистерн

;                                             (50)

для стационарных накопителей

,

где - коэффициент динамичности при подъеме резервуара.

;                                                       (51)

;                                                  (52)

.                                                (53)

6.2.3. Исходя из сил, действующих на силовое кольцо, определяются изгибающие моменты и растягивающие усилия, действующие в сечениях силового кольца.

Для нахождения их максимальных значений определение величин моментов и сил производится последовательно через каждые 7-15 градусов в диапазоне , а в местах экстремальных значений - через 1-5 градусов.

6.2.4. Определение изгибающих моментов и растягивающих усилий от сил и производится по формулам табл.5.

Таблица 5

6.2.5. Определение изгибающих моментов и растягивающих усилий от сил производится по формулам табл.6.

Таблица 6

6.2.6. Определение изгибающих моментов и растягивающих усилий от сил производится по формулам табл.7.

Таблица 7

6.2.7. По эпюрам изгибающих моментов и растягивающих усилий от сил , , , строятся суммарные эпюры изгибающих моментов и растягивающих усилий и определяются значения и в опасном сечении силового кольца.

6.2.8. Условие прочности силового кольца имеет вид:

.                         (54)

6.2.9. Поперечное сечение силового кольца имеет коробчатое сечение. Момент сопротивления поперечного сечения силового кольца определяется, как для сложного сечения (черт.16).

Черт.16

6.2.10. Расстояние от нейтральной оси до оси определяется по формуле:

.                                              (55)

6.2.11. Момент инерции поперечного сечения силового кольца определяется по формуле:

.                                  (56)

6.2.12. Момент сопротивления поперечного сечения силового кольца определяется по формуле:

,                                                       (57)

где

6.3.1. Условие устойчивости цилиндрической формы кожуха для стационарных и транспортных резервуаров имеет вид:

,                                                        (58)

где

                                                        ;                                          (59)

; (черт.17)                                               (60)

;                                                          (61)

;                                                        (62)

;                                                         (63)

;                                  (64)

;                                                     (65)

, но не более ;                       (66)

;                                             (67)

;                                              (68)

 - коэффициент Пуассона для стали.

Черт. 17

6.3.2. Сжимающие напряжения, действующие в поперечных сечениях кожуха, определяются по формуле:

,                            (69)

где                                                      ;

.

6.4.1. Сечение опоры кожуха показано на черт.18.

Черт.18

Толщина ребер должна удовлетворять условию прочности на изгиб и устойчивости.

6.4.2. Сжимающие напряжения в ребрах опор кожуха определяются по формуле:

,                                          (70)

где

 .                                 (71)

Для стационарных резервуаров .

6.4.3. Условие устойчивости ребер имеет вид:

,                                                   (72)

где - принимается меньшим из двух значений:

или

;                                                    (73)

.                                              (74)

6.4.4. Условие прочности ребер на изгиб от действия горизонтальной силы, перпендикулярной оси резервуара, имеет вид:

.

Для стационарных резервуаров .

6.4.5. Условие прочности ребер на изгиб от действия горизонтальной силы, параллельной оси резервуара, имеет вид:

.

Для стационарных резервуаров .

6.4.6. Расчет опорной плиты и седловых опор (в случае применения последних) следует производить по РТМ 26-110-77 "Расчет на прочность цилиндрических горизонтальных аппаратов, установленных на седловых опорах".

7.2.1. Общий теплоприток к углекислому газу складывается из теплопритока через изоляцию и из теплопритоков по тепловым мостам (трубопроводам, опорам, растяжкам).

Общий теплоприток определяется по формуле:

,                                                 (75)

где

     ,                                           (76)

;                                                        (77)

.                                                (78)

7.2.2. Коэффициент теплопроводности некоторых материалов приведен в табл.8.

Таблица 8

9.3.1. На черт.19 представлена схема движения золотника двухпозиционного клапана в зависимости от давления перед клапаном.

Черт.19

9.3.2. В соответствии с принципом действия предохранительных клапанов их работа характеризуется приведенными ниже соотношениями между величинами расчетного давления в сосудах и давлениями открытия и закрытия предохранительных клапанов.

Давление начала открытия (установочное давление ) - давление начала подъема золотника предохранительного клапана.

Для изотермических резервуаров для сжиженного углекислого газа принимается:

.

Давление полного открытия - давление, которое устанавливается перед предохранительным клапаном при полном его открытии.

Давление полного открытия соответствует условию:

.

Давление закрытия предохранительного клапана - давление, при котором предохранительный клапан закрывается после срабатывания. Для изотермических резервуаров сжиженного углекислого газа соответствует условию:

.

9.4.1. Пропускная способность предохранительного клапана должна быть такой, чтобы давление в резервуаре, образующееся при полном открытии клапана , не превышало максимального рабочего давления более чем на 10%.

9.4.2. В открытом состоянии клапан должен работать устойчиво, без вибраций.

9.4.3. Клапан должен закрываться при давлении и при дальнейшем возрастании давления до рабочего обеспечивать соответствующую герметичность.

9.4.4. В закрытом состоянии клапан должен обеспечивать требуемую герметичность при давлении, равном .

9.5.1. Размеры предохранительного клапана рассчитываются из учета необходимой пропускной способности его при заданном допускаемом повышении давления.

9.5.2. Пропускная способность клапана представляет собой массовый расход углекислого газа через предохранительный клапан в единицу времени.

9.5.3. Количество углекислого газа , которое должно быть сброшено через предохранительный клапан, определяется по формуле:

.

3.1. Для проведения расчетов принимаем следующие основные допускаемые напряжения:

для стали 09Г2С при толщине листа мм   МПа,

при мм МПа;

для стали 12Х18Н10Т МПа.

3.2. Гидростатическое давление столба сжиженного углекислого газа определяется по формуле (1):

МПа.

3.3. Динамическое давление на днище внутреннего сосуда определяется по формуле (2):

МПа.

3.4. Суммарное давление равно:

МПа,

что составляет от МПа:

.

3.5. В соответствии с примечанием пункта 2.2.2 расчетное давление принимаем:

МПа.

4.2. Определяем толщину стенки днища сосуда

.

Учитывая, что % от толщины стенки сосуда, имеем:

.

Если м, ,

то                    м.

Принимаем толщину стенки днища м (10 мм).

4.3. Проверка прочности внутреннего сосуда от действия внутреннего давления, вертикальных и горизонтальных нагрузок

5.1. Расчет на прочность и определение необходимого усилия затяжки растяжек сосуда (см. черт.4)

5.2. Расчет на прочность опор внутреннего сосуда

6.1. Определяем мембранное продольное и окружное напряжения в стенках внутреннего сосуда по формулам (39), (40), (41), (42), (46), (47)

При этом

Н;

     
М;

; ; ; определены по графикам черт.7, 8, 9 и 10 для величин

; ; .

Тогда ;

;

МПа;

МПа;

МПа;

МПа.

6.2. Определяем приведенное мембранное напряжение по формуле (37):

МПа.

6.3. Определяем изгибное продольное и окружное напряжения от действия опорного узла по формулам (43), (44) и (48), (49),

; ; ; определены по графикам черт.11, 12, 13 и 14.

Тогда ;

;

МПа;

МП

а.

6.4. Определяем приведенное изгибное напряжение от действия опорного узла по формуле (38):

МПа.

6.5. Проверяем условие прочности сосуда по формуле (36):

;

.

т.е. условие выполняется.

7.1. Расчет на прочность силовых колец кожуха

7.2. Проверка на устойчивость цилиндрической формы кожуха производится по формуле (58).

7.3. Проверка на прочность опор кожуха

8.1. Определяем теплоприток через изоляцию по формуле (76)

Тогда

;                                          (77)

;

м;

м (по справочнику),

м;

м;

; м;

м;

м;

Вт.

8.2. Определяем теплоприток через опоры и растяжки:

Вт;

Вт.

8.3. Определяем теплоприток по трубам:

,

где м - площадь поперечного сечения трубы 34х3,5;

м,

м - площадь поперечного сечения трубы 45х3,5;

м; м; м;

Вт;

Вт;

Вт;

Вт.

8.4. Определяем общий теплоприток к сжиженному углекислому газу по формуле (75):

Вт.

8.5. Определяем время хранения сжиженного углекислого газа в изотермическом резервуаре по формуле (79):

ч,

где - переводной коэффициент;

Вт.           (80)

8.6. Определяем среднесуточный прирост давления в резервуаре по формуле (81):

МПа/сутки,

или

,

где МПа - суточный прирост давления для цистерн типа ЦЖУ-3,0-2,0 по ГОСТ 19662-74.

Таким образом, цистерна ЦЖУ-3,0-2,0 имеет достаточную изоляцию и отвечает параметрам ГОСТ 19662-74.

9.1. Необходимая сила затяжки болтового соединения определяется по формуле (82):

Н,

где , , болтов ( мм).

9.2. Проверяем болт по условию прочности по формуле (83):

МПа,

где м;

для стали 40Х МПа,

или                               ,

т.е. условие прочности выполняется.

1. Пропускная способность клапана с учетом 10% превышения рабочего давления в резервуаре должна быть не менее:

кг/с.

2. Определяем потери давления в подводящем трубопроводе и давление полного открытия клапана.

Известно:

при МПа      ,

при МПа      ,

тогда МПа (1,2 кгс/см),

принимаем МПа (1,0 кгс/см).

Тогда МПа (21 кгс/см),

или ,

что соответствует условию:

.

3. Определяем приведенное давление перед предохранительным клапаном по формуле (87):

.

4. Определяем приведенную температуру перед предохранительным клапаном по формуле (87):

.

5. Определяем величину коэффициента сжимаемости по графику черт.22.

Для значений и коэффициент сжимаемости .

6. Определяем эквивалентное проходное сечение предохранительного клапана по формуле (85):

м (36 мм),

здесь - определен по графику черт.21 для значения

.                                       (86)

7. Определяем размеры предохранительного клапана, принимая

.

По характеру подъема замыкающего органа рассчитываемый клапан относится к полноподъемным клапанам.

8. Определяем расчетную площадь узкого сечения седла клапана.

9. Определяем расчетный диаметр узкого сеченая седла предохранительного клапана по формуле (84):

м (7,62 мм).

10. Опыт эксплуатации установил, что применять предохранительные клапаны с диаметром прохода седла менее 12 мм не рекомендуется.

По конструктивным соображениям принимаем диаметр узкого сечения седла клапана м.

11. Определяем площадь сечения принятого диаметра седла клапана по формуле (88):

м.

12. Определяем высоту подъема золотника и выходной диаметр седла клапана:

м,

где - принимаем конструктивно,

или м.

13. Проверяем пропускную способность клапана по формуле "Правил устройства и эксплуатации сосудов, работающих под давлением", утвержденных Госгортехнадзором СССР.

При этом должно выполняться условие:

.

Имеем

кг/с (3679 кг/ч).

Таким образом 1,02>0,275,

или                    ,

т.е. условие выполняется.

14. Определяем давление в трубопроводах

15. Определяем площадь сечения подводящего трубопровода:

м.

16. Определяем скорость углекислого газа в конце входного трубопровода при полностью открытом клапане по формуле (95):

• м/с.

17. Определяем критическую скорость в трубопроводах по формуле (92):

м/с.

18. Определяем скоростной коэффициент в выходном сечении трубопровода по формуле (94):

.

19. Скоростной коэффициент во входном сечении трубопровода определяем по графику черт.24 в зависимости от м и .

В рассматриваемом случае скоростной коэффициент определен на основании характера зависимостей, отраженных на черт.24, и принят равным:

.

20. Определяем максимальную скорость газа во входном сечении подводящего трубопровода по формуле (91):

м/с.

21. Определяем максимальное фактическое давление во входном сечении подводящего трубопровода по формуле (90):

МПа.

В связи с тем, что , пересчет диаметра трубопровода в сторону увеличения производить не следует.

22. Расчет пружин клапана

23. Определяем усилие уплотнения, предполагая, что золотник конструктивно выполнен из металла, а уплотняющая часть седла из фторопласта.

При этом должно выдерживаться следующее условие:

.

Здесь определяется по формуле (100),

где

 ;                                      (99)

,                                         (98)

тогда      

                  м;   (97)

Н;

МПа,

или .

т.е. условие выполняется.

24. Определяем давление на уплотняющую кромку при отсутствии давления перед клапаном по формуле (102).

При этом должно выдерживаться следующее условие:

.

Для фторопласта 4 МПа,

МПа,

или ,

т.е. условие соблюдается.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ