background image

1

OBLICZENIA ZBIORNIKA CIŚNIENIOWEGO

SPAWANEGO

Zbiornik ciśnieniowy przeznaczony do wytwarzania pary

nasyconej z wody (walczak, kocioł, parownik, wymiennik
ciepła ze ścianą sitową)

1. Założenia

a) ciśnienie obliczeniowe  0.07 

 p

o

  

4.5 [MPa] ,

b) zbiornik ciśnieniowy stały o powłoce walcowej z dnami

elipsoidalnym,

c) konstrukcja spawana,
d) pozycja pracy - pozioma,
e) zbiornik podparty na dwóch podporach spawanych
f)  zbiorniki zaopatrzony w dwa króćce wodne, jeden parowy i

jeden rewizyjny (włazowy),

g) poziom wody w zbiorniku 100 do 150 mm nad osią poziomą

zbiornika,

h) armatura, osprzęt zbiornika (m.in. zawór bezpieczeństwa),

obmurowanie, izolacja ciepłochronna nie są przedmiotem
projektu.

Dane do projektu (wersja nr 1):
a) ciśnienie obliczeniowe - p

o

 [MPa],

b) średnica wewnętrzna zbiornika - D

w

 [mm],

c) długość części walcowej zbiornika - L

w

 [mm],

d) sposób ogrzewania - promieniowanie (PR), konwekcja (KO),

nie ogrzewany (NO).

Dane do projektu (wersja nr 2):
a) pojemność zbiornika V [m

3

],

b) ciśnienie obliczeniowe p

o

 [MPa],

background image

2

c) temperatura obliczeniowa t

o

 [

o

C] lub sposób ogrzewania.

Obliczenia w oparciu o przepisy Urzędu Dozoru Technicznego

(UDT).

Dodatkowe wymagania:

Próba ciśnieniowa (próba hydrauliczna)
p

pr

 = 1.25 p

o

    dla  p

o

 

 0.4 [MPa]

p

pr

 = p

o

 + 0.1   dla   0 < p

o

 < 0.4 MPa .

Temperatura płynu: od +10 

o

C  do +40 

o

C.

Odległość spoin wzdłużnych w kier. obwodowym L

 200 mm.

Odległość spoin wzmocnień od podpór L

 200 mm.

2. Klasyfikacja zbiornika - f (p

o

, t

o

)

a) p

o

 [M Pa] – ciśnienie robocze (dane),

b) t

o

 [°C] - temperatura pracy wg p

o

 i rodzaju ogrzewania

t

w

 

=

 temperatura wody (pary nasyconej)

t

w

 

=

 f(p

a

=p

o

+0.l) odczytać z tabeli termodynamicznej,

t

o

=

 t

w

 - zbiornik nie ogrzewany (II kanał)

t

o

 

=

 t

w

 + 25°C - zbiornik ogrzewany na drodze konwekcji

t

o

 

=

 t

w

 + 50°C - zbiornik ogrzewany przez promieniowanie

(palenisko)

Klasa
zbiornika

T

o

 [°C] temp.oblicz.

p

o

 [M Pa] ciśn. oblicz.

A

-40 

 t

o

 

 200

0.07

 p

o

 

 2.0

B

200 < t

o

 

 300

2.0 

 p

o

 

 5.0

C

300 < t

o

 

 450

         p

o

  > 5.0

D

t

o

 > 450

         p

o

 > 0.07

E

t

o

<-40

p

o

>0.07

N

1

t

 -40

p

o

0.07

N

2

t

o

<-40

p

o

0.07

background image

3

3. Dobór materiałów (wg tabeli II-1, str.54) wg przeznaczenia
i temp. pracy 
   

Blachy: St3S, ST4S, 10, 15, 20, St36K, St41K, St44K,

15HM, 20H

Rury:    R35, R45, K10, K18, 16M, 15HM
Śruby:   St3S, St5, 35, 45, 16M, 15HM, 25HM
Nakrętki: St3S, St4S, 25, St5, 35
Materiały z gwarantowaną udarnością:
St36K, St41K, St44K, 16M, 20M, 15HM, 25HM, K10, K18.
Pozostałe materiały nie mają gwarantowanej udarności.
Dokładny wykaz w tab.II-1.

4. Obliczenia króćców (wodne, parowe, właz)
Określenie wymiarów króćców i dobór kołnierzy

Rys.2. Wymiarowanie króća (rury z kołnierzem)

Króciec= kołnierz z szyjką+ rura kotłowa

background image

4

Rura kotłowa= rura bez szwu walcowana na gorąco.

4.1. Średnice króćców:
Średnice obliczeniowe d

o

 i  nominalne d

n

 króćców

Dla króćca wodnego:

d

o(1,2)

=(0.1 

÷

 0.2) D

w

 = d

o(1,2)min

 

÷

 d

o(1,2)max

 (wpisać zakres średnic)

   Średnica króćca parowego:
d

o3

=(0.15 

÷

 0.25) D

= d

o3min

 

÷

 d

o3max

Średnica króćca włazowego: d

o4

=d

w4

.

 400 mm.

4.2. Dobór kołnierzy z szyjką
wg PN-87/H-74710
 Kołnierze z szyjką przyjmuje się na ciśnienia nominalne p

n

 

 p

o

, w

zakresie ciśnień:    p

n

 ={ 0.63 MPa , 1.0, 1.6, 2.5, 4.0 MPa} .

Dla podanego zakresu ciśnień występują następujące średnice
nominalne kołnierzy d

n

:  10 mm, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100,

125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600 mm.
Średnice nominalne są umowne (zazwyczaj zbliżone do średnicy
wewnętrznej rury).
Dobrać średnice nominalne kołnierzy d

n

  mieszczące się w wyżej

obliczonych zakresach d

o1,2

 i d

o3,4

 , czyli dla króćców wodnych

              d

o(1,2)min

 

 d

n(1,2)

 

 d

o(1,2)max

Podobnie dla króćca parowego: d

o3min

  

 d

n3

 

 d

o3max

 .

Dla króćca włazowego przyjąć d

n4

=450 mm.

Kołnierz na ciśn. nom. pn=0.63 Mpa

śruby

Szyjka

Przylga

D

z

g

D

o

do

d

z

D

2

H

h

s

1

R

D

1

f

Wskaźnlk wy

trzymałości

dla kołnierza z

przylgą

Masa

Średnica nom.

Według

 

PN-83/H-

02651

Dn

mm

mm

3

kg

licz

ba

gwint

200

320

22

280

16

219,1

236

55

15

6,3

8

258

3

62292

8,31

8

M16

300

460

24

395

22

323,9

342

62

15

8

10

365

4

69964

14,10

12

M20

450

595

24

550

22

457

492

65

15

8.8

12

520

4

104423

24,64

16

M20

   Przykład wydruku wymiarów dla trzech kołnierzy z szyjką o

background image

5

wymiarach nominalnych d

n

=200, 300, 450 mm (p

n

=0.63 MPa).

Narysować kołnierz wraz z oznaczeniami wymiarów. Utworzyć
tabelkę z oznaczeniami i wymiarami kołnierzy i śrub. Odczytać
średnicę zewnętrzną kołnierza d

z

 i przyjąć taką samą średnicę

zewnętrzną rury d

z

 . Grubość nominalna rury króćca g

n

kr

 powinna być

zbliżona do grubości kołnierza 's' . Sprawdzić średnice rur i grubości w
normach rur kotłowych wg PN-85/H-74252.
Przykład oznaczania kołnierza z szyjką, z przylgą zgrubną (z), na
ciśnienie nominalne 0.63 MPa , o średnicy nominalnej D

n

= 65 mm, o

średnicy zewnętrznej szyjki 76.1 mm, grubości ścianki szyjki s= 2.9
mm, ze stali St3S
Kołnierz z szyjką z-0.63/65/76, 1x2.9- St3S PN-87/H-74710/ 02.

4.3. Długości króćców
l

(1,2)

= (1.5 do 3.0) d

w(1,2)

l

 (3)

=  (1.5 do 2.5) d

w(3)

l

 (4)

=  (0.3 do 0.5) d

w(4)

 3 g

kr

n

 ,

gdzie: f jest minimalną głębokością wpuszczenia rury do zbiornika.
Zaokrąglić długości króćców z dokładnością do 10 mm.

4.4. Obliczenia grubości ścianek rury dla króćców
      (wodnych, parowych i włazu):
Wyprowadzenie wzoru na grubość rury w dodatku A.
a) Grubość obliczeniowa:

]

mm

[

o

p

kz

3

.

2

z

d

o

p

kr

o

g

+

α

,

d

z

 [mm] - średnica zewnętrzna rury,  p

o

 [MPa] - ciśnienie oblicz.,

     z=1 (wsp.osłabienia spoiną dla rur bez szwu z=1)

x

rto

Q

k

=

 ,

   Q

rto

 [MPa]= granica plastyczności rury w temp. pracy

Q

rto

 należy interpolować liniowo (między temperaturami

background image

6

podanymi w tabeli).
Przykładowo, obliczmy Q

rto

 dla określonej stali w temperaturze

t

o

=230, jeśli znane są wartości (wg tab.II-2) dla Q

rt

(t

1

) i Q

rt

(t

2

):

Q

rto

=Q

rt

(t

1

)-

q

rt

*

t /

T,

gdzie: 

q

rt

=Q

rt

(t

1

)-Q

rt

(t

2

),     t

1

=200, t

2

=250,

          

t=t

o

-t

1

,  

T=t

2

-t

1

 .

   W podobny sposób oblicza się Q

rto

 dla części walcowej zbiornika.

x=1.65  (dla stali z gwarant. udarnością i stali stopowych),
        x=1.80  (dla pozostałych stali (bGU))
       

α

=1, gdy d

z

/d

w

<1.4,

b) Najmniejsza wymagana grubość ścianki rury

g

kr

=g

o

kr

+c

2

+c

3  

,

c

 =2  (naddatek na korozję), c

3

=0  (naddatek na obciąż.dynam.)

c) Grubość nominalna

g

n

kr 

  g

kr

 + c

1

c

1

 = f(d

z

)

c

1

=0.10 g

n

kr

 , gdy  d

z

 133 mm,

c

1

=0.125 g

n

kr

  , gdy  133 < d

z

 

 324 mm,

c

1

=0.15 g

n

kr

  , gdy   d

z

 > 324 mm,

Uwaga: Grubość nominalną przyjąć według normy rur kotłowych PN-
85/H-74252 równą lub mniejszą niż grubość szyjki kołnierza „s”
(g

n

kr

s ). Obliczenia można potraktować jako sprawdzające, gdy

przyjmie się, że g

n

kr

=s .

Obliczenie wewnętrznych średnic rur:
        d

wi

=d

zi

-2g

ni

kr

Sprawdzenie cienkościenności rur 

β

i

= d

zi

/d

wi

<1.4 , dla i=1 do 4.

5. Obliczenia grubości części walcowej zbiornika

  Wyprowadzenie wzoru na grubość ścianki w dodatku A.
5.1. Obliczenie grubości ścianki części walcowej zbiornika

]

mm

[

o

p

kz

3

.

2

z

D

o

p

o

p

kz

3

.

2

w

D

o

p

o

g

+

α

=

α

Jednostki:

background image

7

p

o

 [MPa] - ciśnienie obliczeniowe,

D

w

 [mm] - średnica wewnętrzna zbiornika;

D

z

 [mm] - średnica zewnętrzna zbiornika (lub rury),

k [MPa] = naprężenie dopuszczalne materiału zbiornika

x

rto

Q

k

=

,

gdzie: Q

rto

 = granica plastyczności materiału w temp.pracy

          Q

rto

 należy interpolować liniowo (między temperaturami

podanymi w tabeli)
x=1.65 dla stali z gwarantowaną udarnością
x=l .8 dla pozostałych stali węglowych bGU

z=min {z

1

, 2z

2

, z

3

}

z

1

 = współczynnik osłabienia materiału dla spoiny wzdłużnej

z

2

 = współczynnik osłabienia materiału dla spoiny obwodowej

z

1,2

=z’

1,2

 z

dop

z

dop 

 = współczynnik jakości spoiny (w zakresie od 0.5 do 1, zależny

 od technologii i umiejętności spawacza, dla spawania
automatowego z

dop 

=1)

z

dop

=0.8  (należy założyć w projekcie)

z’ =1  (od 0.6 do 1.0, zależy od rodzaju spoiny, z’=1 dla spoiny X,
         z’=1 dla V z podspawaniem, z’=0.8 dla V bez podspawania).
       Dla spoin wzdłużnych z’=1, dla obwodowych może być z’=0.8.
z

3

= współczynnik osłabienia zbiornika otworami na tworzącej,

z

3

=(L-

Σ

d

zi

)/L  (na jednej tworzącej)

z

3

 =1 (dla walczaka prawidłowo wzmocnionego)

α

=1, gdy 

β

=d

z

/d

w

<1.4.

5.2. Najmniejsza wymagana grubość części walcowej

g=g

o

 + c

2

 + c

3

gdzie: c

2

 = odchyłka na korozję ,

  c

3

 = 0  (naddatek na obciążenia dynamiczne)

          c

2

 = 2 mm

          c

2

= s 

τ

  , s = szybkość korozji, 

τ

 = czas eksploatacji (50 lat)

5.3. Grubość nominalna części walcowej

g

n

 

 g + c

1

c

= bezwzględna wartość odchyłki minusowej wykonania

background image

8

blachy    (wg norm blach PN-80/H-92200)
Grubość nominalną blachy i jej wymiary (szerokość x długość)
należy przyjąć wg normy PN-80/H-92200, uwzględniając
maksymalną szerokość walców walcarek do zwijania blachy, np.
3000 mm (skrypt,str.65).
   Dobór arkuszy blach na część walcową zbiornika
Średnica średnia  D

s

=(D

w

+D

z

)/2

Długość arkusza  L=

π

 D

 , przy czym  L(PN) 

 L

Szerokość arkusza wynika z podziału długości zbiornika L na 2 lub 3
segmenty (n=2 lub 3)

s= L / n  , tak aby s = {2000, 2250, 2500, 3000} .

Przykład oznaczania blachy grubej o grubości 8 mm, szerokości 1500
mm i długości 6000 mm, o zwykłej dokładności wykonania grubości,
z brzegami naturalnymi (bn), nieprostowanej, ze stali 36K w stanie
surowym:
Blacha gruba 8 x 1500 bn x 600 St36K PN-81/H-92123.

5.4. Rzeczywista grubość ścianki elementu

g

rz

= g

n

 – c

1

Sprawdzenie grubościenności zbiornika  

β

=D

z

/D

w

 <1.4 ,

    gdzie D

z

=D

w

+2 g

n

6. Obliczenia grubości dennicy

   Wyprowadzenie wzoru na grubość dennicy w dodatku B.
6.1. Obliczenia grubości dennic, dobór dennic
 (wymiary den elipsoidalnych wg PN-75/M-35412)

a) Grubość obliczeniowa

w

y

k

4

o

p

z

D

w

o

g

=

 D

z

 [mm]  - średnica zewnętrzna części walcowej,

p

o

 [M Pa] - ciśnienie obliczeniowe,

x

rto

Q

k

=

   [M Pa]

Q

rto

 = granica plastyczności dla materiału dennicy w temp.pracy

background image

9

Rys.4. Wymiary dennicy

x = współczynnik bezpieczeństwa
x=1.4 – dla stali z gwarant. udarnością i dla stali stopowych
x=1.55 – dla pozostałych stali węglowych (bGU)

ω

=

,

z

D

z

H

f

w

y

   z tab.1 (przep.UDT, str.94 lub skrypt)

w

rz

g

z

D

d

=

ω

d = średnica otworu w dennicy

ω

=0  dla dennicy pełnej (bez otworu) oraz dla prawidłowego

wzmocnionego otworu.

   W przypadku dennicy pełnej współczynnik y

w

=2  (dla H

z

/D

z

=0.25,

ω

=0). Wówczas wzór na obliczenie grubości dennicy (według UDT)

pokrywa się ze wzorem teoretycznym dla warunku wytężenia, przy
założeniu, że  a=D

z

/2.

Uwaga:
gdy 

ω

>5 wzmacniamy otwór niezależnie od grubości ścianki lub

  przenosimy otwór na część walcową zbiornika.
Gdy   2d

 0.8 D

w

 , to  w dennicy o średnicy D

w

 do 1000 mm (1200

mm) nie należy umieszczać włazu.
b) Nominalna grubość dennicy
  (przyjąć wg PN-75/M-35412)

g

n

w

 

 g

o

w

 + c

1

 + c

2

 + c

3

c

1

 = 2 mm (odchyłka minusowa blachy plus ścienienie przy

background image

10

                         tłoczeniu lub wyoblaniu)
        c

2

 = 2 mm (naddatek na korozję) ,  c

3

=0.

g

rz

w

 = g

n

w

 – c

1

Przykład oznaczania wymiarów dna elipsoidalnego o średnicy
wewnętrznej Dw=1500 mm i grubości ścianki g=16 mm:
Dno elipsoidalne 1500 x 16 PN-75/M.-35412 .

c) Sprawdzenie różnicy grubości części walcowej i dennicy

g =|g

rz

w

-g

rz

|/g

rz

 

 30 %

Do 15% łączymy elementy bez ukosowania.
W przypadku przekroczenia 15 % należy dennicę ukosować
na długości 3 g

n

w

. Części walcowej nie można ukosować. Gdy

grubość dennicy jest mniejsza, a błąd grubości przekracza 15%,
należy wtedy przyjąć większą grubość nominalną dennicy.
   Inne zalecenia podają, że można łączyć blachy bez ukosowania jeśli
spełniony jest jednocześnie warunek (g

2

-g

1

)

0.2g

1

 oraz g

2

-g

1

 3 mm,

przy czym g

2

>g

1

.

d) Wartości pojemności V części elipsoidalnej dna

i masę dna oblicza się ze wzorów:
V=0.1309 D

w

3

 10-6 [dm3],

m=6.17 D

kr

2

 g 10-6 [kg] ,

gdzie:
D

w

 [mm] - średnica wewnętrzna dna,

D

kr

 [mm] - średnica obliczona wg wzoru

D

kr

=0.7854 (D

w

+ 2 h

w

)+2 h

c

  [mm]

g [mm] - grubość nominalna ścianki dna,
h

w

 [mm]- wysokość części walcowej dna, przy czym

h

w

=0.25 D

w

7. Sprawdzenie poziomego elementu walcowego na dodatkowe
naprężenia gnące, wywołane ciężarem własnym

   Sprawdzenie  na  dodatkowe  naprężenia gnące polega na ustaleniu,
czy spełniona jest zależność

2

k

2

2

)

3

g

2

z

2

(

2

)

3

1

(

2

)

g

2

z

2

1

(

σ

σ

+

σ

+

σ

σ

+

σ

σ

σ

 ,

background image

11

gdzie poszczególne naprężenia w [MPa] wynoszą:

rz

g

2

w

D

o

p

1

=

σ

 ,  - naprężenia obwodowe,

rz

g

)

rz

g

w

D

(

4

2

w

D

o

p

2

+

=

σ

 - naprężenie wzdłużne,

2

o

p

3

=

σ

 - naprężenie promieniowe,

g

W

max

g

M

g

=

σ

 - globalne naprężenie gnące,

Wg=

π

 (D

z

4

-D

w

4

)/(32 D

z

)

gdzie: M

g

 [Nmm] - moment gnący, wywołujący największe

naprężenia gnące (w środku długości zbiornika lub na podporach),
W

g

 [mm

3

]- wskaźnik wytrzymałości na zginanie przekroju pierścienia

w którym występuje moment Mg

max

.  Moment gnący obliczyć jak dla

belki o przekroju pierścieniowym, uwzględniając obciążenie ciągłe
od ciężaru zbiornika, den i wody do objętości 2/3 zbiornika.
    Jeżeli wartość   

σ

g

 nie spełnia warunku na wytężenie, to należy

środkami konstrukcyjnymi obniżyć 

σ

g

 , albo zwiększyć grubość

ścianki przez naddatek c

3

.

Obliczenie rozstawu podpór
Wysokość dennicy h

z

h

z

=h

w

+g

n

Zastępcza długość zbiornika

L'=L

w

+2h

c

+1.5h

z

Optymalny rozstaw podpór z warunku równości momentów gnących
na podporach Mg1 i w środku długości zbiornika Mg2

R=L

p

=0.58L'

Obliczanie maksymalnego momentu gnącego
Objętość części walcowej zbiornika

V

w

=

π

 D

w

L

/4

Objętość dennicy  V

d

=0.1309 D

w

3

Objętość zbiornika  V

zb

= V

w

+ 2 V

d

Objętość wody V

wody

=2/3 V

zb

Masa wody        M

wody

=V

wody

 

ρ

w

 , gdzie 

ρ

w

 = 1000 kg/m

3

 .

Powierzchnia części walcowej zbiornika

background image

12

A

w

=

π

 D

w

 L

w

Masa części walcowej  M

w

=A

w

 g 

ρ

b

 ,

gdzie 

ρ

b

 = 7860 kg /m

3

 gęstość blachy , g - grubość blachy

Masa den  M

d

 =2 m

d

   (wg normy PN-75/M-35412)

Masa całkowita M

cz

M

cz

= M

w

+ M

d

+M

wody

+0.075 (M

w

+M

d

)

Ciężar całkowity  Q

c

=M

cz

 g , gdzie g=9.81 m/s

2

Obciążenie jednostkowe  q=Q

c

/L'

Reakcje w podporach  R

A

=R

B

=q L'/2

Odległość podpory a od lewego brzegu  a=(L'-R)/2
Moment gnący w funkcji x

2

 (w drugim przedziale)

Mg(x

2

)=-q x

2

2

/2+R

A

(x

2

-a)

Maksymalny moment gnący dla x

2

=b=L'/2 (w środku długości)

Mg

max

=Mg(b)=-q b

2

/2+R

A

(b-a)

8. Koncentracja naprężeń i wzmacnianie otworów

  Największy wymiar otworu w elemencie walcowym może wynosić

0.35 D

z

 - jeżeli D

z

 

 1500 mm,

0.5 D

z

 - jeżeli D

z

 

 1500 mm, jednak nie więcej niż 500 mm.

Kryteria dla otworów podlegających wzmacnieniu, wg UDT
a) Największa średnica  d

n

 bez wzmocnienia w części walcowej:

 

3

)

rz

z

1

)(

2

c

rz

g

(

w

D

1

.

8

'

d

=

   [mm]

d”=0.35 D

z

   [mm]

d”’ = 200     [mm]

α

+

=

2

c

rz

g

k

3

.

2

2

c

rz

g

w

D

o

p

rz

z

d

n

 = min {d’,d”, d”’} = max. średnica otworu niewzmacnianego

Wszystkie otwory powyżej 200 mm na pewno należy wzmacniać.
Gdy:  d

otw

 d

n

 , wtedy otworu nie należy wzmacniać.

b) Kryterium wzmacniania dla dennicy (włazu)
-  osłabienie otworem uwzględnione w y

w

 przez wzrost g

n

w

-  jeżeli 

g> 30%, to wzmacniamy otwór, pod warunkiem, że

średnica wzmocnienia 

Φ

wzm

=2d 

 0.8 D

z

background image

13

-  jeśli 

Φ

wzm

 > 0.8 D

z

 to otwór włazowy wykonuje się w części

walcowej zbiornika

c) Określenie grubości wzmocnienia g

w

Warunkiem wzmocnienia jest spełniony, jeśli pole stracone F

str 

jest

mniejsze od sumy pól wzmocnienia F

wzm

 (w polu wzmocnienia

ABCD o wymiarach podstawy AB=2d

w

 i wysokości BC

=(2h+g

rz

)), czyli:

F

str

 

 F

wzm

gdzie: d

w

 - średnica otworu.

h= min (2.5 g

rz

, 2.5 g

rz

kr

)

F

str

 = g

o

’ (d + 2 c

2

)

o

p

k

3

.

2

w

D

o

p

'

o

g

α

=

F

wzm

=2 (F

1

 + F

2

 + F

3

 + F

4

+ F

5

 + F

sp

’+ F

sp

)

F

1

=(0.5d

w

-g

rz

kr

)(g

rz

-g

o

-c

2

)

F

2

=(g

rz

kr

-g

o

kr

-c

2

)(h+g

rz

- g

o

-c

2

)

F

3

=g

wz

(0.5d

w

-g

rz

kr

-1)

F

4

=(g

rz

kr

-g

o

kr

-c

2

)(g

rz

kr

+c

2

)

F

5

=g

rz

kr

 c

2

F

sp

’+ F

sp

”= (g

rz

kr

)

2

Rys.6. Rozmieszczenie pól wzmacniających przy otworze

Ze względów technologicznych  g

wz

=(0.65 do 1) g

n

 . Średnica zew-

background image

14

nętrzna wzmocnienia powinna być równa  d

zw

=2d

w

Obliczenia można potraktować jako sprawdzające po uprzednim
przyjęciu g

w

 .

Szerokość spoiny  a=g

n

kr

  (aby uniknąć przepalenia króćca).

Uwaga: maksymalna średnica otworu d

max

 <0.25 D

w

, w przeciwnym

przypadku stosować wzmocnienia żebrowe.

9. Obliczenie połączeń kołnierzowo- śrubowych

a) Obliczenie wymaganej średnicy rdzenia śruby (dla kołnierza)

d

r

 (PN) 

 max (d

r

’, d

r

” )

d

r

(PN) – średnica rdzenia śruby z norm

      ( z doboru kołnierzy: gwint M, liczba śrub i)
średnica rdzenia śruby dla naciągu montażowego

i

1

k

m

N

13

.

1

'

r

d

ψ

=

 

1

x

r

Q

1

k

=

Q

r

 = granica plastyczności mat. śrub dla temp.otoczenia,

x

1

 = 1.1  współcz. bezp. dla stali z gwar.udarnością i stopowych,

x

1

 = 1.2  dla pozostałych stali,

i – ilość śrub ( z normy dotycz. kołnierzy),

ψ

 - współczynnik wytrzymałościowy uwzgl. jakość śrub zależnie od

obróbki zgrubnej (0.5), dokładnej (1.0), śruby walcowane (1.0),

ψ

 = {0.5, 0.75, 1.0},  najczęściej przyjmuje się 

ψ

=0.75 (dla średniej)

N

m

 [N] – naciąg montażowy,

średnica rdzenia śruby dla naciągu ruchowego

i

2

k

r

N

13

.

1

"

r

d

ψ

=

2

x

rto

Q

2

k

=

       (dla temp.pracy t

ośr

 )

Q

rto

 = granica plastyczności mat. śrub w temp.pracy

t

ośr

 = t

o

 ,  gdy  t

o

 

 300 

o

C

t

ośr

 = f (t

o

)  z UDT, gdy  t

o

 > 300 

o

C

x

2

 = 1.5  współczynnik bezp. dla mat. z gwar.udarn. i stali stop.

background image

15

x

2

 = 1.65 dla  pozost. stali

N

r

 [N] – naciąg ruchowy.

   Materiały uszczelek do zbiorników ciśnieniowych parowych:
- masa azbestowo- kauczukowa (AK) (tab.I-8)
-  azbest - miedź (AM),
-  miedź (M).
Obliczanie naciągu montażowego i ruchowego

N

m

 = max (N

m

’, N

m

”),

N

m

’ = 

π

 D

u

 u

cz

 

σ

s

N

m

” = c N

r

 ,

σ

s

' - naprężenie ściskające (tabl. I-6) w uszczelce, wywołane

    naciągiem montażowym, przy którym materiał uszczelki wypełni
    nawet włoskowate kanaliki w powierzchniach przylgowych
    kołnierzy lub obrzeży,
c- współczynnik określający jaki naciąg jest konieczny, aby przy
   parametrach p

o

, t

 działał na uszczelkę nacisk, nie mniejszy od

   wymaganego, gdzie:
   c =1.2  dla D

u

 

 500 mm,

    c = 1.4 dla  D > 500 mm.

N

r

 = P + b S,

P - siła osiowa od ciśnienia wewnętrznego,
b - współczynnik zabezpieczający, aby siła S nie spadła (na skutek

pełzania materiału uszczelki) poniżej wartości wymaganej

 (tablica 

I-7)

    

o

p

400

2

u

D

P

π

=

  ,

    S=

π

 D

u

 u

cz 

σ

s

S - nacisk na uszczelkę dla wywołania w niej naprężenia ściskającego
    

σ

s

” wg tablicy I-6, niezbędnego do zapewnienia szczelności

    połączenia kołnierzowo- śrubowego przy ciśnieniu p

o

 i temperatury

     pracy t

o

 .

    

2

d

D

u

D

+

=

  [mm]  = średnia średnica uszczelki,

     

2

d

D

u

=

      [mm] =  szerokość uszczelki,

u

cz

 = czynna szerokość uszczelki.

background image

16

Dla uszczelki miękkiej i metalowej:
Gdy u 

 12 mm , wtedy  u

cz

 = u  (lub u

cz

 =w), gdzie 'w' jest

 rzeczywistą szerokością kontaktu (szerokością występu, tab.I-5).
Dla u >12 mm   u

cz 

 =3.47  u   (lub u

cz 

 =3.47  w   ).

d) Sprawdzenie średnicy rdzenia śruby:
        d

r

 (PN) 

 max (d

r

', d

r

"),

gdzie d

r

 (PN) jest średnicą rdzenia śruby z norm kołnierzy.

W przypadku braku sprawdzenia tego warunku zaleca się
zastosowanie jednego z podanych niżej sposobów:
- zastosować lepszy materiał na śruby,
-  dobrać kołnierz na większe ciśnienie,
-  zmienić sposób zabudowy uszczelki,
-  lub zwiększyć grubość uszczelki.
  Naciąg montażowy w śrubach można wywołać za pomocą siłownika
hydraulicznego lub ręcznie za pomocą klucza dynamometrycznego.

  Obliczenie momentu potrzebnego do wywołania naciągu
montażowego za pomocą klucza.
     Ms=0.5 N

m.

 [d

s

 tg (

γ

 +

ρ

')+d

T

µ

]/i ,

gdzie: d

s

 - średnica podziałowa gwintu=(d

gw

+d

r

)/2

γ

 - kąt wzniosu gwintu, tg

γ

=p/(

π

d

s

), p- skok gwintu,

tg

ρ

'=

µ

/cos 30

o

 ,

µ

 =0.15 - współczynnik tarcia,

d

 - średnia średnica tarcia nakrętki o kołnierz.

i - liczba śrub .

9. Kołnierze okrągłe

a) Rodzaje przylg
   Ze względu na rodzaj powierzchni uszczelniającej (przylgi) norma
PN-85/H-74307 rozróżnia kołnierze z:
-  przylgami zgrubnymi - z,
-  przylgami gładkimi - g,
-  występami - w,
-  - rowkami - r,
-  -wypustami - y,
-  wpustami - p,

background image

17

-   oraz dla uszczelek gumowych typu (yg), (pg), (s), (rt).

b) Określenie grubości okrągłego dna płaskiego

(podlegającego ciśnieniu wewnętrznemu)

Grubość obliczeniowa

     

k

o

p

u

CD

o

g

=

gdzie współczynnik C dla stosunku D

o

/D

u

 

 1.3 wynosi

        C=



1

.

0

u

D

o

D

2

1

 Dla ilorazu D

o

/D

u

 > 1.3 grubość den sprawdza się według przepisów

UDT DT/O-219/63.
Dopuszczalne naprężenia k oblicza się następująco:

     k=R

etk

 /x ,

gdzie: R

etk

 - minimalna gwarantowana granica plastyczności materiału

          dna (kołnierza) w temperaturze kołnierza.
Współczynnik bezpieczeństwa x wynosi:
x = 1.5 - dla stali węglowych z gwarantowaną udarnością,
x = 1.65 - dla pozostałych stali węglowych
Nominalną grubość dna ustala się tak jak dla grubości części
walcowej zbiornika. Sprawdzenie grubości znormalizowanego
kołnierza nie jest wymagane, gdy temperatura czynnika nie
przekracza 300 

o

C przy zastosowaniu uszczelki azbestowo-

kauczukowej o grubości 2 mm.

c) Wyznaczenie grubości pokrywy włazowej
Obliczeniową grubość pokrywy włazowej oblicza się ze wzoru:

      

k

o

p

w

d

45

.

0

o

g

=

,

a obliczeniową grubość pokryw eliptycznych ze wzoru:

     

k

o

p

w

b

45

.

0

o

g

=

 ,

pod warunkiem, że  b

w

 

 0.5 a

w

 ,

gdzie: a

w

 [mm] - wielka oś eliptycznej pokrywy mierzona wzdłuż

                           otworu,
         b

w

 [mm] - mała oś eliptycznej pokrywy mierzona wzdłuż

background image

18

                           otworu,

Dodatek A

Wyprowadzenie wzoru na grubość zbiornika

Z równowagi sił pionowych (rys.3a) wynika:

F

p

 = p D L

F

s1

 =2 

σ

1

 g L

Rys.3. Obciążenia w powłoce walcowej

F

p

 = F

s1

        !    p D L = 2 

σ

1

 g L

Stąd  

σ

g

pa

g

2

pD

=

Z równowagi sił poziomych (rys.3b)

F

z

 = 

4

2

D

p

π

F

s2 

 = 

π

 D g 

σ

2

background image

19

F

z

 = F

s2

       !   

=

π

4

2

D

p

π

 D g 

σ

,

Stąd  

σ

 = 

g

2

pa

g

4

pD

=

  , czyli

σ

1

 = 2 

σ

2   , 

 naprężenia obwodowe są dwa razy większe

                  niż wzdłużne (osiowe).

g

pa

1

=

σ

(naprężenia obwodowe )

 

g

2

pa

2

=

σ

; (naprężenia wzdłużne )

a=(D

w

 + g)/2 ;    (średni promień powłoki),

D

w

= średnica wewnętrzna zbiornika,  g = grubość zbiornika

 Wytężenie w powłoce wg hipotezy HMH:

k

2

2

2

2

1

2

1

red

σ

+

σ

σ

σ

=

σ

stąd:

g

3

.

2

)

g

w

D

(

p

3

g

4

)

g

w

D

(

p

3

g

2

pa

red

+

=

+

=

=

σ

Zakładamy, że wytężenie 

σ

red

 jest równe naprężeniu dopuszczalnemu

k, czyli 

σ

red

 = k . Po przekształceniu powyższego wzoru ze względu

na grubość g, otrzymujemy wzór kotłowy, czyli na grubość
obliczeniową części walcowej zbiornika.

]

mm

[

o

p

kz

3

.

2

z

D

o

p

o

p

kz

3

.

2

w

D

o

p

o

g

+

α

=

α

Dodatek B

Wyprowadzenie wzorów dla dennicy elipsoidalnej
Wzór Laplace’a

background image

20

g

p

2

2

1

1

=

ρ

σ

+

ρ

σ

              lub    

p

2

r

N

1

r

N

=

θ

+

ϕ

,

gdzie: siła południkowa N

ϕ

 =

σ

ϕ

 g , siła równoleżnikowa N

θ

 =

σ

θ

 g  .

Równowagę powłoki w kier. osi z (pionowej) opisuje równanie

2

π

 r

o

 N

ϕ

 sin 

ϕ

 - R=0

gdzie  r

o

 = r

2

 sin 

ϕ

 .

Dla powłoki eliptycznej:
    R=

π

 r

o

2

 p   (wypadkowa siła pionowa od ciśnienia),

    2 N

ϕ

 sin 

ϕ

 = r

o

 p

    

ϕ

=

θ

N

1

r

2

r

p

2

r

N

Promienie krzywizny elipsoidy wynoszą:

2

/

3

2

cos

2

b

2

sin

2

a

2

b

2

a

1

r





ϕ

+

ϕ

=

2

/

1

cos

2

b

sin

2

a

2

a

2

r





ϕ

+

ϕ

=

a = duża półoś elipsy,   b = mała półoś elipsy
Jeśli przyjmiemy według normy den elipsoidalnych, że b = a/2, wtedy
w punkcie A (na osi pionowej dennicy): 

ϕ

 =0,    r

1

=r

2

=a

2

/b=2a

N

ϕ

 

= N

θ

 = pa ,    

σ

1

= N

θ

 /g=pa/g  ,    

σ

2

=pa/g ,  a wytężenie:

k

g

/

pa

2

2

2

2

1

2

1

red

=

σ

+

σ

σ

σ

=

σ

 .

W punkcie B (na osi poziomej) : 

ϕ

=

π

/2,      r

1

=b

2

/a=a/4,    r

2

=a

N

θ

 = -pa         (naprężenia obwodowe ujemne)

N

ϕ

=pa/2

Dla porównania, dla powłoki walcowej w punkcie B:

N

θ

 = 2 N

ϕ

 = pa     (naprężenia obwodowe dodatnie)

Przy przejściu z powłoki eliptycznej do walcowej następuje
przeskok naprężeń obwodowych z ujemnych do dodatnich, co powo-
duje pojawienie się dodatkowych naprężeń giętnych w powłoce.

    Profil den elipsoidalnych i koszykowych powinien odpowiadać

background image

21

warunkom:
             H

z

 

 0.18 D

z

             R

w

 

   D

z

              r

w

 

 0.1 D

z

gdzie:

w

rz

g

2

z

D

w

rz

g

z

H

2

w

rz

g

2

z

D

2

w

rz

g

z

H

2

2

w

rz

g

2

z

D

w

rz

g

2

z

D

2

w

rz

g

z

H

2

2

w

rz

g

2

z

D

2

w

rz

g

z

H

2

2

w

rz

g

2

z

D

w

r

+

+

+

+

=

















w

rz

g

z

H

2

w

r

w

rz

g

z

D

2

w

rz

g

z

H

2

2

w

rz

g

2

z

D

w

R

+

=





Jeżeli w dnach wykonane są otwory, to ich rozmieszczenie powinno
spełniać następujące wymagania:
-  odległość l

z

 mierzona w rzucie na płaszczyznę prostopadłą do osi

dna nie powinna być mniejsza niż 0.1 D

z

 ,

-  odległość mostka l

o

 między każdymi dwoma nie wzmocnionymi

otworami powinna być nie mniejsza od średnicy mniejszego z tych
dwóch otworów. Jeżeli wymaganie to nie jest spełnione, to takie
dwa otwory należy traktować przy obliczeniu ścianki jako jeden
otwór o średnicy zastępczej równej średnicy koła opisanego na obu
otworach.

background image

22