Ослабление стенок сосудов, вызываемое отверстиями

Наличие отверстия в растягиваемом листе (рис. 5.1) не только механи-

чески ослабляет его за счет уменьшения площади поперечного сечения, но и вызывает концентрацию напряжений. Максимум напряжений на краю отверстия в три раза выше напряжений вдали от него.

Концентрация напряжений в стенке тонкостенного цилиндра, работающего под внутренним давлением, еще выше. В этом случае коэффициент концентрации напряжений будет равен

 

 

где σ - мембранное напряжение.

Так как концентрация напряжений носит местный характер, то для их компенсации не

стоит увеличивать толщину стенки всего аппарата. Целесообразно для компенсации ослабления, вызванного отверстием, укрепить его край, добавив материал как можно ближе к этому краю. Самым старым способом укрепления отверстий является приварка укрепляющих колец (рис. 5.2). Кольца изготавливаются из того же материала, что и оболочка, и привариваются так, чтобы кольца работали заодно со стенкой обечайки. Швы, соединяющие оболочку с укрепляющими элементами, должны быть глубоко проплавлены и иметь достаточное сечение. Для проверки герметичности сварного шва требуется делать в кольцах отверстия с резьбой М10 для подвода сжатого воздуха. Толщина укрепляющего кольца обычно берется равной толщине стенки обечайки.

Приварные и литые бобышки могут рассматриваться как укрепляющие элементы. Отбортовка края отверстия перед приваркой патрубка способствует снижению концентрации напряжений. Более современная и лучшая конструкция укрепления отверстия состоит из толстостенной укрепляющей втулки, которая вваривается между корпусом и патрубком (рис. 5.3). С точки зрения изготовления и затрат материала втулки выгоднее колец. Толщину стенок втулок k принимают равной толщине обечайки или несколько большей. Высота втулок берется по расчету от 2,5 до 5 толщин обечайки s.

Определение наибольшего неукрепленного отверстия

Нет необходимости укреплять все отверстия. В аппаратах, работающих при низких давлениях, такая необходимость может и не возникнуть. В сосудах, работающих при повышенных давлениях, небольшие отверстия также можно не укреплять. Диаметр наибольшего отверстия, которое можно оставить неукрепленным, определяется формулой

 

Для неукрепленных отверстий с резьбой расчетным считается наружный диаметр резьбы. Эллиптические и сферические оболочки работают в более благоприятных условиях, поэтому в них допускаются неукрепленные отверстия большего диаметра, чем в цилиндрической обечайке. В этом случае

Независимо от расчета не рекомендуется оставлять неукрепленными отверстия более 200 мм.

В случае овальных отверстий за расчетный диаметр принимается большая ось эллипса.

 

ГОСТ 24755-89 НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ УКРЕПЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ

УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ

Таблица 1

Наименование параметров	Условия применения формул для расчета укрепления отверстий
в цилиндрических обечайках	в конических обечайках, переходах или днищах	в эллиптических днищах	в сферических и торосферических днищах
Отношение диаметров
Отношение толщины стенки обечайки или днища к диаметру

 

1.3. При значениях отношений, превышающих пределы, установленные в табл. 1, рекомендуется использовать специальные методы расчета на прочность укреплений отверстий, не охватываемые настоящим стандартом.

1.4. При установке наклонных штуцеров с круговым поперечным сечением настоящий метод применим, если угол (черт. 9б) не превышает 45°, а отношение осей овального отверстия d1 и d2 (черт. 9а) удовлетворяет условию

. (1)

Эти ограничения не распространяются на тангенциальные штуцера (черт. 9в), на наклонные штуцера, ось которых лежит в плоскости поперечного сечения обечайки (черт. 9г). Для смещенных (нецентральных) штуцеров на эллиптических днищах угол (черт. 11) не должен превышать 60°.

1.5. Расстояние от края штуцера до края внешней поверхности сферического неотбортованного и торосферического днища, измеряемое по проекции образующей на плоскости основания днища, должно быть не менее

Малые отверстия, диаметр которых удовлетворяет условию

, (2)

допускается размещать в краевой зоне выпуклых днищ без специальных расчетных или экспериментальных обоснований.

При размещении отверстий в краевой зоне цилиндрических и конических обечаек необходим учет ограничений, указанных в п. 2.5.4.

В краевой зоне эллиптических и полусферических днищ допускается размещение отверстий без ограничений.

РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ

Черт. 4 Основная расчетная схема соединения штуцера со стенкой сосуда

 

Черт. 5 Укрепление отверстий при наличии проходящего штуцера

Черт. 6 Укрепление отверстий при наличии близко расположенных конструктивных
элементов (непроходящие штуцера)

Черт. 7 Укрепление отверстий отбортовкой

Черт. 8 Укрепление отверстия торообразной вставкой или вварным кольцом

 

 

Черт. 9 Наклонные штуцера на обечайке

Черт. 10 Отверстие для овального штуцера, перпендикулярного к поверхности обечайки

 

 

Черт. 11 Смещенные штуцера на выпуклом днище

 

 

Черт. 12 Учет влияния сварных швов

 

Черт. 13 Укрепление взаимовлияющих отверстий

 

 

Черт. 14 Компенсация вырезанного сечения штуцером произвольной формы

 

 

Черт. 15 Общий случай расположения взаимовлияющих отверстий

 

 

1 - укрепление круговым накладным кольцом;
2 - укрепление несимметричным кольцом

Черт. 16 Совместное укрепление взаимовлияющих отверстий

 

 

Черт. 17 Ряды отверстий

 

 

Черт. 18 Минимальные размеры сварных швов

 

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ РАСЧЕТА

2.1. Расчетные диаметры

2.1.1. Расчетные диаметры укрепляемых элементов определяют по формулам:

1) для цилиндрической обечайки

D_p = D; (3)

2) для конической обечайки, перехода или днища

(4)

3) для эллиптических днищ

(5)

4) в случае эллиптических днищ при Н = 0,25 D

(6)

5) для сферических днищ, а также торосферических днищ вне зоны отбортовки

(7)

где R - для торосферических днищ определяют по ГОСТ 14249.

2.1.2. Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, перехода или днища при наличии штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия (черт. 4, 6а, 6б, 11б) или кругового отверстия без штуцера определяют по формуле

(8)

Расчетный диаметр отверстия и штуцера, ось которого лежит в плоскости поперечного сечения цилиндрической или конической обечайки (черт. 9в и 9г), определяют по формуле

(9)

Расчетный диаметр отверстия для смещенного штуцера на эллиптическом днище (черт. 11а) определяют по формуле

(10)

При наличии наклонного штуцера с круглым поперечным сечением, когда большая ось овального отверстия составляет угол с образующей обечайки (черт. 9а), расчетный диаметр отверстия определяют по формуле

(11)

Для цилиндрических и конических обечаек в случае, когда ось штуцера (черт. 9б) лежит в плоскости продольного сечения обечайки и для всех отверстий в сферических и торосферических днищах расчетный диаметр определяют по формуле

. (12)

Расчетный диаметр овального отверстия для перпендикулярно расположенного штуцера к поверхности обечайки определяют по формуле

(13)

Для выпуклых днищ .

Расчетный диаметр отверстия для штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности обечайки в центре отверстия, при наличии отбортовки или торообразной вставки, определяют по формуле

(14)