Версия для печати

Эллиптические и торосферические днища: особенности конструкции и производства, расчет днищ по напряжениям

Особенности эллиптических и торосферических днищ

Оглавление
1. Эллиптические днища
2. Торосферические днища
3. Расчет эллиптических и торосферических днищ


Конструкция любого герметичного сосуда или аппарата имеет два днища, которые привариваются к обечайке корпуса или к корпусным фланцам. В зависимости от технических требований емкости могут комплектоваться различными типами днищ: эллиптическими, сферическими, плоскими, коническими.

В различных отраслях промышленности (нефтегазовой, химической, пищевой) считается, что наиболее оптимальной конструкцией днищ является эллиптическая, так как за счет геометрической формы она обладает высокими прочностными характеристиками, хорошо выдерживает перепады давления в емкости и гидродинамические удары (например, в ресиверах и воздухосборниках).

В данной статье мы подробно рассмотрим конструктивные отличия и особенности применения, конструкции и изготовления схожих внешне эллиптических и торосферических днищ.

Особенности применения, конструкции и производства эллиптических днищ

Эллиптические днища предназначены для эксплуатации при высоком давлении до 16 МПа в качестве деталей емкостей и аппаратов, (особенно подлежащих регистрации в Ростехнадзоре), ресиверов, сепараторов, отстойников, котлов, реакторов и реакторных колонн, а также заглушек на магистральных трубопроводах (диаметром до 720 мм.) и т.д.

Готовое эллиптическое днище имеет две части: выпуклый эллипсоид и цилиндрическую отбортованную обечайку (борт). Благодаря своей форме, а именно, постепенному и плавному уменьшению радиуса кривизны эллиптической части в сторону бортов, достигается равномерное и более эффективное распределение изгибных напряжений без их концентрации, что позволяет эксплуатировать эти днища при высоком давлении.

Корпус технологического аппарата приваривается к цилиндрической обечайке, которая необходима для того, чтобы сварной шов не проходил слишком близко к изогнутой части, так как это приводит к увеличению напряжений на днище.

Производство эллиптических днищ

Для получения нужной формы могут использоваться технологии горячей или холодной штамповки.

Днища изготавливаются из листового металлопроката, а именно, круглой плоской заготовки, которой придается нужные форма и габариты согласно ГОСТ 6533-78. Также возможен выпуск эллиптических днищ не типовых размеров и размеров, которые применяются в аппаратах высокого давления, как например, в реакторах АЭС.

В зависимости от технологии изготовления днища диаметром до 1200-1500 мм производятся как из цельной заготовки (без сварных швов), которую получают из листового металлопроката шириной 1500-2000 мм, так и из лепестков. Если производственные мощности завода позволяют, даже днища диаметром до 4000 мм могут изготавливаться из цельной заготовки, полученной из металлопроката шириной 4500-5000 мм.

Если заготовки состоят из нескольких сваренных между собой частей, то расстояние от оси заготовки до центра шва (l1 и l2) зависит от расположения шва. Так, для вариантов а, б, г, е и м это расстояние не должно превышать 1/5 диаметра днища. В вариантах в, д, ж, и, к, л - не менее 1/5. (см. рис. 1 по ГОСТ 34347-2017)

Рисунок 1. Расположение сварных швов от оси заготовки

Расположение швов в заготовках эллиптических днищ

Горячая штамповка осуществляется согласно СТО 00220256-001-2005, которым регламентируется выпуск днищ с толщиной стенки 4-60 мм для емкостей с диаметром 400-4000 мм.

Этот метод представляет собой предварительный нагрев заготовки с последующим выдавливанием на гидравлических прессах необходимой формы, а именно, диаметра бортов и глубины эллиптической части.

В зависимости от толщины заготовки и марки стали на производстве выбирается температурный режим начала (600-1180ºС) и окончания (550-950ºС) штамповки и время выдержки заготовки (1-2,5 минуты на 1 мм толщины).

Для придания заготовке нужных габаритов в заводских условиях рассчитывается усилие пресса, которое необходимо для получения заданных габаритных размеров эллиптических днищ. Оно (усилие) рассчитывается по формуле:

P=π x DДН х S x σВ х n, где:
DДН - средний диаметр днища, мм
S - толщина заготовки, мм
σВ - временное сопротивление разрыву материала заготовки при температуре штамповки, кгс/см2
n - поправочный коэффициент в зависимости от коэффициента вытяжки (m=Dднища/Dзаготовки)

Благодаря точным и правильным расчетам в процессе производства достигается равномерное распределение давления и изменение радиуса заготовки от бортов к центру, а значит, может гарантироваться высокое качество днищ с соблюдением требуемых геометрических размеров.

Технология холодного штампования отличается от горячей штамповки лишь отсутствием предварительного нагрева заготовок. Подробно о данном методе Вы можете прочитать здесь.

Специфика торосферических днищ

Торосферические днища изготавливаются на диаметр от 320 мм до 8000 мм и толщиной стенки от 2 мм до 40 мм.

Они являются частным случаем сферических днищ: для них также характерно, что R≤D, но в конструкции предусмотрен тороидальный переход с радиусом r, то есть днище состоит из двух частей - элементов тора и сферы. Торовая часть - это цилиндрический "борт" днища, а сферическая - выпуклый элемент. Из-за "сплюснутой" формы сферы многие специалисты говорят о трех составляющих торосферических днищ - это плоская (центральная) часть, торовая переходная часть от сферы к цилиндрической части (бортам) и цилиндрический элемент.

В зависимости от эксплуатационных особенностей сосудов и емкостей, торосферические днища выпускаются в трех основных конструктивных исполнениях:

Тип днища Схема Геометрические характеристики
Тип А Торосферическое днище, тип А R≈ D
s = 4…26 mm
r ≥ 0,095 D
h ≥ 3,5 s
H = h + (≥0,2D)
Тип В Торосферическое днище, тип В R≈ 0,9D
s = 4…26 mm
r ≥ 0,170 D
h ≥ 3,5 s
H = h + (≥0,25D)
Тип С Торосферическое днище, тип С R ≈ 0,8D
s = 4…26 mm
r ≥ 0,150 D
h ≥ 3,5 s
H = h + (≥0,255D)
подробную информацию смотрите здесь

Производство торосферических днищ

При изготовлении применяются такие методы как холодная штамповка/выдавливание или фланжирование с последующей термообработкой. Традиционно сферическая часть производится штамповкой или с использованием прессов, а цилиндрическая - с применением роликов разного диаметра (метод фланжирования). Днища большого диаметра (более 2000 мм) могут быть полностью изготовлены при помощи технологии фланжирования. Оба способа позволяют выпускать торосферические днища произвольных размеров по требованию заказчика.

Как и в случае с эллиптическими днищами, торосферические производятся из заготовок, которые, в зависимости от требуемого диаметра, могут быть бесшовными или сварными. Расположение сварного шва в заготовках также регламентируется ГОСТом 34347-2017 (см. рис. 1).

Процесс изготовления происходит поэтапно: сначала на прессах выдавливается сфера, радиус которой влияет на ее высоту: для меньшего радиуса сферы требуется бОльшая высота, и наоборот. Далее на фланжировочных машинах формируется радиус отбортовки, то есть переход от сферы к цилиндрическим бортам, и непосредственно сами борта. Завершающим этапом является термообработка, которая снимает напряжения металла и повышает механические свойства металла.

За счет комбинированного способа изготовления торосферических днищ, они могут выпускаться любого диаметра без типизации габаритов, так как не требуется специальная оснастка. Максимальная геометрическая точность размеров и отсутствие необходимости в удалении окалин также являются существенными преимуществами данной технологии.

Расчет эллиптических и торосферических днищ

При проектировании торосферических и эллиптических днищ, а именно, для расчета габаритных размеров и воспринимаемого давления, следует руководствоваться расчетными схемами, приведенными в ГОСТ 34233.2-2017 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек":

Эллиптическое днище Торосферическое днище
Расчетная схема эллиптического днища Расчетная схема торосферического днища

Учитываются необходимые габаритные размеры, расчетная температура, допускаемое напряжение металла, прибавки к размерам и другие параметры.

Для расчета толщины днища и допускаемого избыточного давления применяются следующие формулы:

  Расчет толщины днища Допускаемое давление
Эллиптические днища  S1≥S1p+C, где
S1p=p+R / 2ϕ(δ)-0,5p
[p]=2[δ]p(s1-c) / R-0,5(s1-c)
Торосферические днища S1≥S1p+C, где
S1p=pD1β1 / 2ϕ[δ]
[p] = 2(s1-c)ϕ[δ] / D1β1
D - диаметр днища, с- сумма прибавок к расчетным толщинам, c1 - прибавка для компенсации коррозии/эррозии, p - расчетное давление, [p] - допускаемое давление, s - исполнительная толщина обечайки сосуда, s1p - расчетная толщина днища, s1 - исполнительная толщина днища, β, β1 - коэффициенты формы днищ, [δ] - допустимое напряжение при расчетной температуре, ϕ - коэффициенты прочности сварных швов

За счет схожести параметров зачастую встает вопрос, какой тип днища выдержит большее давление при равных геометрических параметрах.

Одним из способов расчетов является расчет днищ по допускаемому напряжению, которое регламентируется требованиями ГОСТ 34233.1-2017 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования" (Приложение А).

Для примера, были проведены экспериментальные расчеты эллиптических и торосферических днищ при равных технических параметрах:

Параметры Эллиптическое днище Торосферическое днище
Диаметр внутренний Dвн, мм 2000 2000
Толщина s, мм 10 10
Высота выпуклой части 0,25Dвн 0,25Dвн
Внутренний радиус отбортовки, мм - 350
Внутренний радиус кривизны центральной части, мм - 2000
Материал 09Г2С
Температура, ºС 20

Для наглядного изображения воспринимаемых напряжений на оба типа днищ одинакового диаметра и работающих при одинаковом давлении были построены карты распределения напряжений:

Давление Эллиптическое днище Торосферическое днище
0,5 МПа Распределение напряжений в эллиптическом днище при давлении 0,5 МПа Распределение напряжений в торосферическом днище при давлении 0,5 МПа
1,2 МПа Напряжении в эллиптическом днище при давлении 1,2 МПа Распределение напряжений в торосферическом днище при давлении 1,2 МПа
2,0 МПа Распределение напряжений в эллиптическом днище при давлении 2,0 МПа Распределение напряжений в торосферическом днище при давлении 2,0 МПа

На картах распределения напряжений видно, что при заданных одинаковых габаритных размерах эллиптическое днище подвержено меньшему напряжению:

Давление Максимальное напряжение в днище, МПа Норма допускаемого напряжения
по ГОСТ 34233.1-2017, МПа
Эллиптическом Торосферическом
0,5 МПа 72,44 115,7 196
1,2 МПа 173,9 277,7
2,0 МПа 289,8 462,8

Выполненные расчеты подтверждают, что конструктивные особенности эллиптических днищ позволяют выдерживать бОльшее давление по сравнению с торосферическими, а значит, они в большей степени применимы в емкостях и аппаратах высокого давления. К тому же, проведенные расчеты показали, что при одинаковом давлении эллиптические днища можно изготавливать меньшей толщины (по сравнению с торосферическими).

Вывод

Несмотря на существенные различия между эллиптическими и торосферическими днищами и отличительные преимущества каждого, оба типа находят свое специфическое применение в различных отраслях. Обе конструкции производятся способами, которые обеспечивают сохранение геометрических форм и герметичности технологического аппарата, котла или трубопровода высокого давления на протяжении всего срока службы изделий.

Список используемой литературы
ГОСТ 34347-2017 "Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия"
ГОСТ 34233.2-2017 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек"
Бердник В.М., Владимиров Б.Е., Коломиец Р.В. Расчет и конструирование тонкостенных аппаратов пищевых, химических и нефтехимических производств. Новочеркасск, 2013.
Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. Москва, 1976.
Беляев В.М., Миронов В.М. Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли. Тонкостенные сосуды и аппараты химических производств. Томск, 2016 г.
Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М., 2016.
Тимошенко С.П. Курс теории упругости. Киев, 1972.