Тонкостенные цилиндрические обечайки

Сосуд – устройство, имеющее внутреннюю полость для ведения химических, тепловых или других технологических процессов, а также для хранения и транспортирования газообразных, жидких и других сред.

Аппарат – сосуд, оборудованный внутренними устройствами и предназначенный для проведения химико-технологических процессов.

При проектировании сосудов, аппаратов необходимо обеспечить технологичность, надежность в течение установленного срока службы, безопасность при изготовлении, монтаже, ремонте, эксплуатации, возможность осмотра (в том числе внутренней поверхности), очистки, промывки, продувки и ремонта, контроля технического состояния и т.п.

В зависимости от расчетного давления, температуры стенки и характера рабочей среды аппараты разделяются на 5 групп (см. таблицу 1).

Таблица 1 – Классификация технологических аппаратов

Группа аппаратов	Расчетное давление, МПа	Расчетная температура, °С	Характер рабочей среды
	Выше 0,07	Независимо	Взрывоопасная или пожароопасная или 1, 2 классов опасности по ГОСТ 12.1.007
	Выше 0,07	Выше +400	Любая, за исключением указанной для 1 группы сосудов
Выше 2,5 до 5	Выше +200
Выше 4 до 5	Ниже -40
Выше 5	Независимо
	Выше 0,07 до 1,6	Ниже -20 Выше +200 до +400	Взрывоопасная или пожароопасная или 1, 2 классов опасности по ГОСТ 12.1.007
Выше 1,6 до 2,5	До +400
Выше 2,5 до 4	До +200
Выше 4 до 5	От -40 до +200
	Выше 0,07 до 1,6	От -20 до +200
5 (а и б)	До 0,07	Независимо

Все аппараты наряду с наличием у них специфических устройств, как правило, состоят из следующих основных элементов и узлов: цилиндрического корпуса, днищ, крышек, штуцеров (для присоединения трубопроводов и контрольно-измерительной аппаратуры), люков, опор, фланцев, строповых устройств.

Внутренние устройства, препятствующие осмотру аппарата, должны быть съемными. Рубашки для наружного обогрева или охлаждения могут быть приварными. Аппараты должны иметь люки-лазы для внутреннего осмотра, расположенные в удобных местах. При наличии у аппарата съемных крышек или днищ и фланцевых штуцеров большого диаметра, устройство лазов и люков в аппаратах необязательно. Опрокидывающиеся аппараты должны иметь приспособления, предотвращающие самоопрокидывание.

Для возможности проведения гидроиспытаний аппарат должен иметь штуцера для наполнения и слива воды, а также поступления и удаления воздуха.

Для подъема и установки аппарата на нем должны быть предусмотрены строповые устройства. Допускается использовать для этих целей имеющиеся на аппарате элементы (горловины, технологические штуцера, уступы и др.), если прочность их при этом не взывает сомнений, что должно быть подтверждено расчетами.

Все основные сварные соединения в аппаратах, как правило, должны выполняться стыковой двухсторонней сваркой и быть доступными для осмотра и контроля. В местах присоединения опор к аппарату наличие сварных швов не допускается. Если это требование не может быть выполнено, необходимо предусмотреть возможность контроля сварного шва под опорой.

При изготовлении аппаратов из высоколегированных сталей следует учитывать их высокую стоимость и необходимость сохранения их коррозионной стойкости. Из высоколегированных сталей следует изготавливать только те элементы корпуса, которые подвержены воздействию агрессивной среды, выполняя остальные детали из углеродистых сталей.

Сосуды и аппараты, применяемые в промышленности, считаются тонкостенными, если толщина их стенки не превышает 10% внутреннего диаметра. Обычно такие сосуды и аппараты эксплуатируются при давлении не выше 10 МПа.

Цилиндрические обечайки являются одним из основных элементов технологических аппаратов. Обычно обечайки изготавливаются вальцовкой из листового проката, реже из труб. Из одной или нескольких обечаек, свариваемых между собой встык, образуется цилиндрический корпус аппарата.

Они входят составной частью в различные внутренние и наружные устройства аппаратов.

Исполнительную (принятую) толщину стенки вальцовых обечаек следует применять в пределах 6-42 мм.

Обечайки диаметром до 1000 мм должны изготовляться не более чем с двумя продольными швами, а диаметром свыше 1000 мм допускается изготовлять из нескольких листов максимально возможной длины.

В зависимости от толщины стенки корпусов аппаратов различают: тонкостенные и толстостенные аппараты. Для каждого из этих аппаратов используются свои формулы расчета.

Критерием толстостенности является коэффициент толстостенности β. Для толстостенных аппаратов ; для тонкостенных β≤1,1, где D_н , D_в – соответственно наружный и внутренний диаметры аппарата, м.

Толщина стенок обечаек, работающих под внутренним и внешним давлением, рассчитывается по разным формулам.

В ряде случаев для увеличения прочности и обеспечения устойчивости целесообразно не увеличивать толщину стенки, а подкреплять обечайку кольцами жесткости. Это позволяет снизить массу аппарата и, следовательно, его стоимость.

Днища и крышки приварные

Днище – элемент сосуда или аппарата, ограничивающий корпус сверху, снизу или с боков (в зависимости от положения аппарата) и разъемно или неразъемно связанный с ним. Днища, так же как и обечайки, являются одним из основных элементов аппарата. Чаще днища крепятся к корпусам неразъемно с помощью сварки, реже – разъемно на фланцах.

В литых аппаратах днища чаще всего отливают вместе с корпусом. Форма днища зависит от способа изготовления, нагрузки, которую оно должно воспринимать, а также от его назначения – должно оно только ограничивать корпус аппарата или обеспечивать какую-либо дополнительную функцию (например, вывод из аппарата сыпучих материалов). В сосудах и аппаратах применяют стандартные или нормализованные днища: полусферические, эллиптические, торосферические, сферические неотборотованные, конические неотбортованные и отбортованные, плоские.

Полусферические и эллиптические днища. Полусферические (полушаровые) днища (см. рисунок 1) целесообразно применять в аппаратах больших диаметров (D ≥ 4000 мм), работающих под избыточным давлением свыше 0,07 МПа. Стандартные стальные полушаровые днища изготавливают с внутренним базовым диаметром D = 3600…12 000 мм и толщиной стенок 10…36 мм. Изготавливаются полушаровые днища сварными из штампованных лепестков и шарового сегмента. Эллиптические днища (см. рисунок 2) благодаря рациональной форме и надежности в работе получили наиболее широкое распространение при изготовлении аппаратов, работающих при давлении до 10 МПа и под вакуумом. Эллиптическое днище состоит из выпуклой части, представляющей в диаметральном разрезе эллипс, и цилиндрической отбортованной части. Изготавливаются эллиптические днища штамповкой из плоских круглых заготовок, состоящих из одной или нескольких частей. В соответствии с ГОСТ 6533 изготавливают днища эллиптические отбортованные стальные с внутренним базовым диаметром D = 400…4500 мм (толщиной стенки от 4 до 100 мм) и наружным базовым диаметром D_н = 159…720 мм (толщиной стенки от 4 до 25 мм). Отношение высоты днища к диаметру H/D составляет 0,25, а высота отбортовки в зависимости от базового диаметра и толщины стенки составляет от 25 до 120 мм.

Рисунок 1 – Полушаровое днище

Рисунок 2 – Эллиптическое днище

Торосферические днища. Торосферические днища (или как их часто называют – коробовые) представляют собой часть сферы радиуса R, плавно отбортованную на цилиндр радиусом торового перехода r₁ (см. рисунок 3). При этом радиус центральной части днища R не должен превышать внутреннего диаметра днища, радиус отбортовкиr должен быть не менее 0,095D, а высота выпуклой части Н не менее 0,2D. Торосферические днища уступают в прочностном отношении эллиптическим днищам.

В зависимости от соотношения параметров R, D₁, r₁, приняты следующие типы торосферических днищ: тип А – R= D₁, r ≥ 0,095D₁; тип В – R= 0,9D₁, r ≥ 0,170D₁; тип С – R= 0,8D₁, r ≥ 0,150D₁. Длина отбортованной цилиндрической части h₁ должна составлять не менее 50 мм.

Рисунок 3 – Торосферическое днище

Сферические неотбортованные днища. Представляют собой шаровой сегмент, который приваривается непосредственно к обечайке или фланцу (см. рисунок 4).

Рисунок 4 – Сферическое неотбортованное днище

Радиус сферы днища R должен быть не более внутреннего диаметра обечайки D и не менее 0,8D. Днища просты по конструкции. Их допускается применять только в сосудах и аппаратах, работающих под наливом или нагруженных внутренним избыточным давлением, не превышающим 0,07 МПа. В аппаратах, работающих при давлении выше 0,07 МПа или под вакуумом, данные днища допускается применять только в качестве элемента фланцевых крышек. Соединение их с обечайкой должно осуществляться сварным швом со сплошным проваром.

Плоские круглые днища. Представляют собой круглые пластины, приваренные к обечайке. В прочностном отношении они менее совершенны, чем описанные выше виды. Поэтому их обычно применяют в аппаратах, работающих под атмосферным или небольшим избыточном давлении. В аппаратах, работающих под давлением, они обычно используются только в тех случаях, когда это обусловлено какими-либо конструкционными особенностями, необходимостью размещения внутренних устройств (например, трубные решетки теплообменников), а также в качестве крышек люков и заглушек. Плоские днища больших диаметров при необходимости могут быть закреплены элементами жесткости (ребрами), которые привариваются по радиусу от центрально расположенного кольца или параллельно диаметру. Плоские круглые днища рекомендуется применять в сварной вертикальной цилиндрической аппаратуре, работающей под налив и атмосферным давлением, при установке аппарата днищем на сплошное основание (нижнее днище).

Конические днища. Представляют собой усеченные конические обечайки, приваренные расширенной частью к цилиндрической части корпуса. Днища изготавливают вальцовкой из заготовки, состоящей из цельного или составного листа, и последующей сваркой. Такие днища обычно применяют в конструкции вертикальных сосудов и аппаратов, из нижней части которых необходимо выводить сыпучие материалы или вязкие среды. Конические переходы используют для соединения обечаек разных диаметров. Конструктивно конические днища выполняют неотбортованными и отбортованными с тороидальным переходом. В аппаратах, работающих под давлением больше 0,07 МПа, используются только отбортованные конические днища с тороидальным переходом.

Рисунок 5 – Конические днища: а – неотбортованные, б – с тороидальным переходом