ГОСТ Р 52857.7-2007. Национальный стандарт Российской Федерации. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Теплообменные аппараты

(утв. и введен в действие Приказом Ростехрегулирования от 27.12.2007 № 503-ст)

ИСТОРИЯ ИЗМЕНЕНИЙ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ АКТОВ

flowchart LR
  n0["РДМУ 94-77"]:::rst
  n1["РД 50-332-82*"]:::rst
  n2["РД 50-217-84"]:::rst
  n3["Р 50-106-88"]:::rst
  n4["РД 50-696-90"]:::rst
  click n4 "https://bukva.ai/docs/muk-4-1-3603-20" "РД 50-696-90. Руководящий нормативный документ. Методические указания. Порядок проведения экспертизы государственных стандартов (утв. Постановлением Госстандарта СССР от 30.08.1990"
  n5["ГОСТ Р 52857.7-2007"]:::rst
  click n5 "https://bukva.ai/docs/gost-r-52857-7-2007" "ГОСТ Р 52857.7-2007. Национальный стандарт Российской Федерации. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Теплообменные аппараты (утв. и введен в действие Приказом Р"
  n6["ГОСТ 34233.7-2017"]:::doc
  click n6 "https://bukva.ai/docs/standart-gost-34233-7-2017" "ГОСТ 34233.7-2017. Межгосударственный стандарт. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Теплообменные аппараты (введен в действие Приказом Росстандарта от 14.12.201"
  n5 --> n6
  n4 --> n5
  n3 --> n4
  n1 --> n3
  n2 --> n3
  n0 --> n1
classDef rst fill:#FFEBEB,stroke:#8B0000,color:#000;
classDef doc fill:#EBFFEB,stroke:#006400,color:#000;
classDef notEnt fill:#FFFFEB,stroke:#FF8C00,color:#000;

от 27 декабря 2007 г. № 503-ст

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СОСУДЫ И АППАРАТЫ

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Vessels and apparatus. Norms and methods of strength calculation. Heat-exchangers

Дата введения

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации — ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения».

Сведения о стандарте

1. Разработан Открытым акционерным обществом «Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения» (ОАО НИИХИММАШ); Закрытым акционерным обществом «Петрохим Инжиниринг» (ЗАО Петрохим Инжиниринг); Открытым акционерным обществом «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения» (ОАО ВНИИНЕФТЕМАШ); Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор).

2. Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 260 «Оборудование химическое и нефтегазоперерабатывающее».

3. Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2007 г. № 503-ст.

4. В настоящем стандарте учтены основные нормативные положения следующих международных и европейских стандартов: Директивы 97/23 ЕС Европейского Парламента и Совета от 29 мая 1997 г. по сближению законодательств государств-членов, касающейся оборудования, работающего под давлением; ЕН 13445-3:2002 «Сосуды, работающие под давлением. Часть 3. Расчет» (EN 13445-3:2002 «Unfired pressure vessel — Part 3: Design»).

5. Введен впервые.

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет.

1. Область применения

Настоящий стандарт устанавливает нормы и методы расчета на прочность элементов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов и аппаратов воздушного охлаждения, применяемых в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности, работающих в условиях однократных и многократных нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным давлением. Нормы и методы расчета на прочность применимы, если отклонение от геометрической формы и неточности изготовления рассчитываемых элементов сосудов не превышают допусков, установленных нормативными документами. Настоящий стандарт применяется совместно с ГОСТ Р 52857.1.

2. Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 52857.2-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ

ГОСТ Р 52857.3-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлении. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер

ГОСТ Р 52857.4-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений

ГОСТ Р 52857.5-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок

ГОСТ Р 52857.6-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках

Примечание. При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3. Обозначения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

A — коэффициент для определения максимального изгибающего момента в перфорированной части трубной решетки;

\text{А}_{\text{В}} — суммарная площадь сечения болтов (шпилек) по внутреннему диаметру резьбы или нагруженному сечению наименьшего диаметра, мм2;

\text{А}_{\text{ком}} — коэффициент формы компенсатора;

\text{А}_{\text{р}1} , \text{А}_{\text{р}2} — вспомогательные коэффициенты, используемые при расчете теплообменных аппаратов с расширителем на кожухе;

\text{А}_{\text{у}} — коэффициент для определения максимального прогиба трубы, мм;

a — внутренний радиус кожуха, мм;

\text{а}_{\text{п}} — расстояние от оси пучка до оси наиболее удаленной трубы, мм;

\text{а}_{1} — расстояние от оси кожуха до оси наиболее удаленной трубы, мм;

B — коэффициент для определения максимального изгибающего момента в перфорированной части трубной решетки;

\text{В}_{\text{п}} — ширина канавки под прокладку в многоходовом аппарате, мм;

\text{В}_{\text{пер}} — ширина перегородки в трубном пространстве, мм;

\text{В}_{\text{р}1} , \text{В}_{\text{р}2} — вспомогательные коэффициенты, используемые при расчете теплообменных аппаратов с расширителем на кожухе;

\text{В}_{0} — внутренний размер камеры аппарата воздушного охлаждения в поперечном направлении, мм;

\text{В}_{1} — ширина зоны решетки камеры аппарата воздушного охлаждения, в пределах которой толщина решетки равна s_{1} , мм;

\text{В}_{2} — наружный размер прокладки в поперечном направлении для камеры аппарата воздушного охлаждения по рисункам 15 - 18, мм;

\text{В}_{3} — расстояние между осями болтов (шпилек) в поперечном направлении для камеры аппарата воздушного охлаждения по рисункам 15 - 18, мм;

\text{В}_{4} — наружный размер в поперечном направлении для камеры аппарата воздушного охлаждения по рисункам 15 - 18, мм;

\text{В}_{p} — расчетный поперечный размер решетки камеры аппарата воздушного охлаждения, мм;

\text{В}_{\text{Т}} — расчетная ширина перфорированной зоны решетки камеры аппарата воздушного охлаждения, мм;

b_{i} — ширина промежуточных пролетов камер (см. рисунки 23, 24), мм;

b_{\text{п}} — ширина плоской прокладки, мм;

b_{0} — эффективная ширина прокладки, мм;

b_{1} — ширина тарелки фланца кожуха, мм;

b_{2} — ширина тарелки фланца камеры, мм;

\text{С}_{f} — параметр компенсатора;

c — расчетная прибавка к толщине трубной решетки, крышке плавающей головки, элементам аппаратов воздушного охлаждения, мм. При назначении величины «c» для трубной решетки и крышки плавающей головки следует учитывать коррозию как со стороны трубного, так и межтрубного пространства;

\text{с}_{\text{к}} — расчетная прибавка к толщине стенки кожуха, мм;

\text{с}_{\text{п}} — расчетная прибавка к толщине перегородки теплообменного аппарата или аппарата воздушного охлаждения, мм. При назначении величины "\text{с}_{\text{п}}" следует учитывать, что перегородка подвергается двусторонней коррозии;

\text{с}_{\text{р}} — глубина канавки под прокладку под пробку в задней стенке неразъемной камеры, мм;

D — внутренний диаметр кожуха или плавающей головки, мм;

D_{B} — наименьший диаметр утоненной части решетки, мм;

D_{E} — диаметр окружности, вписанной в максимальную беструбную площадь, мм;

D_{\text{ком}} — наружный диаметр компенсатора, мм;

D_{\text{н}} — наружный диаметр фланца, мм;

D_{\text{р}} — диаметр сечения полукольца плавающей головки, имеющего наименьшую толщину, мм;

D_{\text{с}.\text{п}} — средний диаметр прокладки, мм;

D_{1} — внутренний диаметр расширителя, мм;

d_{E} — эффективный диаметр отверстия в трубной решетке или задней стенке, мм;

d_{\text{ком}} — внутренний диаметр компенсатора, мм;

d_{ni} — размер отверстий в i-й перегородке, мм;

d_{\text{пр}} — диаметр резьбы пробок в задних стенках камер аппаратов воздушного охлаждения, мм;

d_{\text{т}} — наружный диаметр трубы, мм;

d_{0} — диаметр отверстия в решетке, мм;

E — модуль продольной упругости материала крышки камеры аппарата воздушного охлаждения, МПа;

\text{Е}_{\text{р}} — модуль продольной упругости материала решетки, МПа;

\text{Е}_{\text{р}1} — модуль продольной упругости материала 1-й решетки, если модули упругости двух трубных решеток отличаются друг от друга, МПа;

\text{Е}_{\text{р}2} — модуль продольной упругости материала 2-й решетки, если модули упругости двух трубных решеток отличаются друг от друга, МПа;

\text{Е}_{D} — модуль продольной упругости материала камеры, МПа;

\text{Е}_{\text{к}} — модуль продольной упругости материала кожуха, МПа;

\text{Е}_{\text{ком}} — модуль продольной упругости материала компенсатора, МПа;

\text{Е}_{\text{п}} — модуль продольной упругости материала прокладки, МПа;

\text{Е}_{\text{т}} — модуль продольной упругости материала труб, МПа;

\text{Е}_{1} — модуль продольной упругости материала фланца кожуха, МПа;

\text{Е}_{2} — модуль продольной упругости материала фланца камеры, МПа;

F — суммарная осевая сила, действующая на кожух, Н;

F_{\text{п}} — усилие на прокладке плавающей головки, Н;

F_{\text{В}} — усилие в болтах (шпильках) камеры аппарата воздушного охлаждения в условиях эксплуатации, Н;

F_{0} — усилие в болтах (шпильках) камеры аппарата воздушного охлаждения в условиях испытания или монтажа, Н;

F_{1} — усилие от болтовой нагрузки на единицу длины решетки или крышки камеры аппарата воздушного охлаждения, Н/мм;

f_{\text{п}} — коэффициент, зависящий от соотношения сторон перегородки по трубному пространству;

f_{0} — коэффициент, зависящий от соотношения сторон перфорированной зоны решетки аппарата воздушного охлаждения;

f_{1} — коэффициент, зависящий от соотношения сторон крышки аппарата воздушного охлаждения;

f_{2} — коэффициент, зависящий от соотношения сторон крышки аппарата воздушного охлаждения;

f_{3} — коэффициент, зависящий от соотношения сторон задней стенки камеры аппарата воздушного охлаждения;

f_{4} — коэффициент, зависящий от соотношения сторон боковой стенки камеры аппарата воздушного охлаждения;

H — глубина крышки камеры аппарата воздушного охлаждения (см. рисунки 15 - 18), мм;

h — выступающая часть отбортовки эллиптического днища плавающей головки, мм;

h_{\text{п}} — толщина прокладки, мм;

h_{1} — толщина тарелки фланца кожуха, мм;

h_{2} — толщина тарелки фланца камеры, мм;

i — число труб;

\text{К}_{\text{ком}} — жесткость компенсатора, Н/мм;

\text{К}_{q} — коэффициент изменения жесткости системы трубы — кожух при действии осевой силы;

\text{К}_{q}^{*} — отношение осевого перемещения компенсатора или расширителя при действии растягивающей силы к осевому перемещению краев корпуса межтрубного пространства без компенсатора и расширителя от действия той же силы;

\text{К}_{p} — коэффициент изменения жесткости системы трубы — кожух при действии давления;

\text{К}_{p}^{*} — отношение осевого перемещения компенсатора или расширителя при действии давления к осевому перемещению краев корпуса межтрубного пространства без компенсатора и расширителя от действия того же давления;

\text{К}_{\text{рас}} — жесткость расширителя, Н/мм;

\text{К}_{\text{у}} — модуль упругости основания (системы труб), Н/мм3;

\text{К}_{\sigma} — эффективный коэффициент концентрации напряжения;

\text{К}_{\text{ф}} — коэффициент жесткости фланцевого соединения при изгибе, Н · мм;

\text{К}_{\text{ф}1} — коэффициент жесткости фланца кожуха при изгибе, Н · мм;

\text{К}_{\text{ф}2} — коэффициент жесткости фланца камеры при изгибе, Н · мм;

\text{К}_{1} — коэффициент жесткости втулки фланца кожуха при изгибе, Н · мм;

\text{К}_{2} — коэффициент жесткости втулки фланца камеры при изгибе, Н · мм;

\text{К}_{\text{т}} — коэффициент условий работы при расчете труб на устойчивость;

L_{pac} — длина расширителя, мм;

L_{p} — расчетный размер решетки аппарата воздушного охлаждения в продольном направлении, мм;

L_{\text{пер}} — длина перегородки в трубном пространстве, мм;

L_{0} — внутренний размер камеры аппарата воздушного охлаждения в продольном направлении, мм;

L_{2} — наружный размер прокладки в продольном направлении для камеры аппарата воздушного охлаждения по рисункам 15 - 18, мм;

l — половина длины трубы теплообменного аппарата или аппарата воздушного охлаждения, мм;

l_{\text{пр}} — приведенная длина трубы, используемая при расчете прогиба труб и изгибающего момента, действующего на трубу, мм;

l_{\text{в}} — глубина развальцовки труб, мм;

l_{\text{п}} — расстояние от решетки до перегородки, мм;

l_{ni} — расстояние между отверстиями в i-й перегородке, мм;

l_{R} — расчетная длина труб при продольном изгибе, мм;

l_{1} — плечо изгибающего момента, действующего на решетку аппарата воздушного охлаждения, мм;

l_{2} — плечо изгибающего момента, действующего на фланец крышки аппарата воздушного охлаждения, мм;

l_{1R} — максимальный пролет трубы между решеткой и перегородкой, мм;

l_{2R} — максимальный пролет трубы между перегородками, мм;

M_{max} — максимальный изгибающий момент в перфорированной части трубной решетки, Н · мм/мм;

M — расчетный изгибающий момент, действующий на крышку плавающей головки, Н · мм;

M_{a} — изгибающий момент, распределенный по периметру перфорированной части трубной решетки, Н · мм/мм;

M_{\text{к}} — изгибающий момент, распределенный по периметру кожуха, Н · мм/мм;

M_{\text{п}} — изгибающий момент, распределенный по периметру трубной решетки, Н · мм/мм;

M_{\text{т}} — изгибающий момент, действующий на трубу, Н · мм;

[M] — допускаемый изгибающий момент для фланца крышки плавающей головки, Н · мм;

[\text{М }]_{\text{кр}} — допускаемый изгибающий момент для днища крышки плавающей головки, Н · мм;

m — прокладочный коэффициент;

m_{A} — коэффициент для определения максимального изгибающего момента в перфорированной части трубной решетки;

m_{\text{ср}} — коэффициент влияния давления на продольную деформацию труб;

m_{\text{п}} — относительная характеристика беструбного края трубной решетки;

m_{1} — коэффициент влияния давления на изгиб 1-го фланца, мм2;

m_{2} — коэффициент влияния давления на изгиб 2-го фланца, мм2;

J_{\text{т}} — момент инерции поперечного сечения трубы, мм4;

N — количество циклов нагружения за расчетный срок службы (если количество циклов не оговорено, рекомендуется принимать N = 2000);

N_{\text{т}} — осевая сила, действующая на трубу, Н;

[N]_{mp} — допускаемая нагрузка на соединение трубы с решеткой способом развальцовки, Н;

n_{\text{ком}} — число линз (волн) компенсатора;

n_{\text{В}} — коэффициент для определения максимального изгибающего момента в перфорированной части трубной решетки;

p — расчетное давление в камере аппарата воздушного охлаждения, МПа;

\text{р}_{\text{пр}} — пробное давление при испытании в камере аппарата воздушного охлаждения, МПа;

\text{р}_{\text{м}} — расчетное давление в межтрубном пространстве, МПа;

\text{р}_{\text{т}} — расчетное давление в трубном пространстве, МПа;

\text{р}_{\text{р}} — расчетное давление, действующее на решетку кожухотрубчатого теплообменного аппарата, МПа. Принимается равным максимально возможному перепаду давлений, действующих на решетку;

\text{р}_{0} — приведенное давление на решетку, МПа;

\text{р}_{1} — приведенное давление на фланцы, МПа;

[\text{р}_{1}] — допускаемое избыточное давление из условий прочности краевой зоны сферического неотбортованного днища, МПа;

\text{Р}_{\text{б}} — усилие в шпильках плавающей головки, Н;

\text{Р}_{\text{б}}^{\text{м}} — усилие в шпильках плавающей головки в условиях монтажа, Н;

\text{Р}_{\text{б}}^{\text{р}} — усилие в шпильках плавающей головки в рабочих условиях, Н;

Q_{a} — перерезывающая сила, распределенная по периметру перфорированной зоны решетки, Н/мм;

Q_{\text{д}} — равнодействующая давления, действующего на крышку плавающей головки, Н;

Q_{\text{к}} — усилие, распределенное по периметру кожуха, Н/мм;

Q_{\text{п}} — перерезывающая сила, распределенная по краю трубной решетки, Н/мм;

[q] — допускаемая нагрузка на единицу площади сечения трубного пучка из условия прочности труб, МПа;

[q]_{s} — допускаемая нагрузка на единицу площади сечения трубного пучка из условия прочности крепления трубы в решетке, МПа;

R — радиус гиба в углу крышки камеры аппарата воздушного охлаждения (см. рисунки 16 - 18);

R_{1} — радиус центра тяжести тарелки фланца кожуха, мм;

R_{2} — радиус центра тяжести тарелки фланца камеры, мм;

r_{\text{ком}} — радиус гиба при вершине волны компенсатора, мм;

s_{\text{к}} — толщина стенки кожуха, мм;

s_{\text{п}} — толщина трубной решетки в сечении канавки, мм;

s_{\text{э}} — эквивалентная толщина втулки фланца, мм;

s_{\text{р}} — толщина трубной решетки, мм;

s_{1\text{р}} — толщина 1-й решетки, если две трубные решетки отличаются друг от друга, мм;

s_{2\text{р}} — толщина 2-й решетки, если две трубные решетки отличаются друг от друга, мм;

s_{\text{р}r} — толщина трубной решетки в месте уплотнения под кольцевую прокладку, мм;

s_{p}^{p} — расчетная толщина трубной решетки, мм;

s_{\text{т}} — толщина стенки трубы, мм;

s_{1} — толщина стенки кожуха в месте соединения с трубной решеткой или с фланцем, мм;

s_{2} — толщина стенки камеры в месте соединения с трубной решеткой или с фланцем, мм;

s_{1p} — толщина решетки в зоне кольцевой канавки, мм;

s_{\text{пер}} — толщина перегородки по трубному пространству, мм;

s_{1\text{пл}} — толщина донышка плавающей головки, мм;

s_{1\text{А}} — толщина трубной решетки камеры аппарата воздушного охлаждения в пределах зоны перфорации, мм;

s_{2\text{А}} — толщина трубной решетки камеры аппарата воздушного охлаждения в месте уплотнения, мм;

s_{3\text{А}} — толщина трубной решетки камеры аппарата воздушного охлаждения вне зоны уплотнения, мм;

s_{4\text{А}} — толщина донышка крышки для камер по рисункам 15 - 18, толщина задней стенки для камер по рисункам 19 - 23, мм;

s_{5\text{А}} — толщина стенки крышки в месте присоединения к фланцу — для камер по рисункам 15 - 17, толщина верхней и нижней стенок — для камер по рисункам 20 - 23, мм. Для камер по рисункам 18 - 19: s_{5\text{А}} = s_{4\text{А}} ;

s_{6\text{А}} — толщина фланца крышки камеры аппарата воздушного охлаждения, мм;

s_{7\text{А}} — толщина боковой стенки камеры аппарата воздушного охлаждения, мм;

s_{ni} — толщина i-й перегородки камеры аппарата воздушного охлаждения, мм;

T — общая толщина полукольца, мм;

T_{\text{ш}} — ширина шипа, мм;

\text{Т}_{1} , \text{Т}_{2} , \text{Т}_{3} — коэффициенты, учитывающие влияние беструбного края и поддерживающие влияние труб;

t — безразмерный параметр;

t_{1} — шаг расположения отверстий в решетке аппарата воздушного охлаждения в продольном направлении, мм;

t_{2} — шаг расположения отверстий в решетке аппарата воздушного охлаждения в поперечном направлении, мм;

t_{n} — расстояние между осями рядов отверстий, расположенных с двух сторон от паза, мм;

t_{p} — шаг расположения отверстий в решетке, мм;

t_{\text{к}} — средняя температура стенки кожуха, °C;

t_{\text{т}} — средняя температура стенок труб, °C;

t_{0} — температура сборки аппарата, °C (t_{0} \approx 20^{{}^{\circ}}\text{С}) ;

W — максимальный прогиб трубной решетки, мм;

[W] — допустимый прогиб трубной решетки, мм;

Y — прогиб трубы, мм;

X_{\text{ком}} , Y_{\text{ком}} — безразмерные параметры формы волны компенсатора;

\text{у}_{\text{к}}^{\text{р}} — угловая податливость крышки от действия внутреннего давления, 1/Н · мм2;

\text{у}_{\text{к}}^{\text{М}} — угловая податливость крышки от действия болтового изгибающего момента, 1/Н · мм;

\text{у}_{\text{р}}^{\text{р}} — угловая податливость решетки от действия внутреннего давления, 1/Н · мм2;

\text{у}_{\text{р}}^{\text{М}} — угловая податливость решетки от действия болтового изгибающего момента, 1/Н · мм;

\text{у}_{\text{б}} — линейная податливость шпилек (болтов), мм/Н;

\text{у}_{\text{п}} — линейная податливость прокладки, мм/Н;

\text{у}_{\text{ф}} — угловая податливость фланца (полукольца) плавающей головки, 1/Н · мм;

z — число рядов труб в поперечном направлении;

\alpha — коэффициент жесткости фланцевого соединения плавающей головки при нагружении внутренним давлением;

\alpha_{\text{к}} — коэффициент линейного расширения материала кожуха при температуре t_{\text{к}} , 1/°C;

\alpha_{\text{т}} — коэффициент линейного расширения материала труб при температуре t_{\text{т}} , 1/°C;

\beta — коэффициент системы решетка — трубы, 1/мм;

\beta_{0} — угол наклона стенки расширителя (см. рис. 6)... °;

\beta_{1} — коэффициент системы кожух — решетка, 1/мм;

\beta_{2} — коэффициент системы обечайка — фланец камеры, 1/мм;

\beta_{Y} — расчетный коэффициент, зависящий от соотношения размеров фланца крышки плавающей головки;

\beta_{\text{ком}} — отношение внутреннего диаметра компенсатора к наружному диаметру;

\beta_{\text{р}} — отношение диаметра кожуха к диаметру расширителя;

\beta_{\text{п}} — коэффициент формы днища крышки плавающей головки;

\gamma — жесткость фланцевого соединения плавающей головки, Н/мм;

\delta — высота сварного шва в месте приварки трубы к решетке, мм;

\delta_{\text{ком}} — толщина стенки компенсатора, мм;

\delta_{\text{р}} — толщина стенки расширителя, мм;

\Delta\sigma_{1} — размах первых главных напряжений, МПа;

\Delta\sigma_{2} — размах вторых главных напряжений, МПа;

\Delta\sigma_{3} — размах третьих главных напряжений, МПа;

\Delta\text{р} — перепад давлений между ходами по трубному пространству, МПа;

\eta — относительная характеристика площади решетки аппарата воздушного охлаждения;

\eta_{\text{м}} , \eta_{\text{т}} — коэффициенты влияния давления на трубную решетку со стороны межтрубного и трубного пространства;

\eta_{\text{р}} — коэффициент податливости фланцевого соединения крышки и решетки аппарата воздушного охлаждения;

\Lambda_{\text{кр}} — безразмерная характеристика нагружения крышки аппарата воздушного охлаждения болтовым изгибающим моментом;

\Lambda_{\text{р}} — безразмерная характеристика нагружения решетки аппарата воздушного охлаждения болтовым изгибающим моментом;

\lambda — параметр, используемый при расчете на продольный изгиб;

\lambda_{\text{р}} — относительная ширина беструбного края решетки аппарата воздушного охлаждения;

\lambda_{\text{у}} — параметр, используемый при расчете прогиба трубы;

\rho — приведенное отношение жесткости труб к жесткости кожуха;

\rho_{1} — приведенное отношение жесткости труб к жесткости фланцевого соединения;

\sigma_{\text{р}1} — изгибные напряжения в трубной решетке в месте соединения с кожухом, МПа;

\sigma_{\text{р}2} — изгибные напряжения в перфорированной части трубной решетки, МПа;

\sigma_{Mx} — мембранные напряжения в кожухе в месте присоединения к решетке в меридиональном направлении, МПа;

\sigma_{ux} — изгибные напряжения в кожухе в месте присоединения к решетке в меридиональном направлении, МПа;

\sigma_{M\phi} — мембранные напряжения в кожухе в месте присоединения к решетке в окружном направлении, МПа;

\sigma_{u\phi} — изгибные напряжения в кожухе в месте присоединения к решетке в окружном направлении, МПа;

\sigma_{1} — суммарные напряжения в трубах в осевом направлении, МПа;

\sigma_{1\text{т}} — мембранные напряжения в трубах в осевом направлении, МПа;

\sigma_{2\text{т}} — мембранные напряжения в трубах в окружном направлении, МПа;

[\sigma] — допускаемое напряжение для материала камеры аппарата воздушного охлаждения, МПа;

[\sigma_{\text{А}}] — допускаемая амплитуда упругих напряжений, МПа;

[\sigma]_{\text{к}} — допускаемое напряжение для материала кожуха теплообменного аппарата или крышки аппарата воздушного охлаждения, МПа;

[\sigma]_{\text{р}} — допускаемое напряжение для материала решетки теплообменного аппарата или аппарата воздушного охлаждения, МПа;

[\sigma]_{\text{п}} — допускаемое напряжение для материала перегородки, МПа;

[\sigma]_{\text{т}} — допускаемое напряжение для материала труб, МПа;

[\sigma]_{t} — допускаемое напряжение для фланца крышки плавающей головки, МПа;

[\sigma]_{1} — допускаемое напряжение для днища крышки плавающей головки, МПа;

[\sigma]_{B}^{20} — допускаемое напряжение для болтов (шпилек) при затяжке, МПа;

[\sigma]_{B}^{t} — допускаемое напряжение для болтов (шпилек) в рабочих условиях, МПа;

\tau_{p1} — касательные напряжения в трубной решетке в месте соединения с кожухом, МПа;

\tau_{p2} — касательные напряжения в перфорированной части трубной решетки, МПа;

\tau — напряжения среза в шве приварки трубы к решетке, МПа;

\upsilon — относительная характеристика площади сечения трубы аппарата воздушного охлаждения;

\Phi_{1} , \Phi_{2} , \Phi_{3} — коэффициенты, учитывающие поддерживающее влияние труб;

\phi — коэффициент прочности сварного шва;

\phi_{1} - \phi_{6} — коэффициенты формы крышек камер аппаратов воздушного охлаждения (см. рисунки 15 - 18);

\phi_{c} — коэффициент прочности шва приварки трубы к решетке;

\phi_{p} — коэффициент ослабления решеток кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с неподвижными трубными решетками и компенсатором на кожухе;

\phi_{E} — эффективный коэффициент ослабления решеток кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с плавающей головкой и U-образными трубами и решетки и задней стенки камер аппаратов воздушного охлаждения;

\phi_{\text{т}} — коэффициент уменьшения допускаемого напряжения при продольном изгибе;

\chi_{\text{кр}} , \chi_{\text{с}} — коэффициент сопротивления фланцевой части крышки аппарата воздушного охлаждения;

\Psi_{\text{кр}} — безразмерная характеристика нагружения крышки аппарата воздушного охлаждения давлением, действующим на ее фланцевую часть;

\Psi_{\text{р}} — безразмерная характеристика нагружения решетки аппарата воздушного охлаждения давлением, действующим на беструбную зону;

\psi — угол между касательной к сферическому сегменту в краевой зоне днища крышки плавающей головки и вертикальной осью, град;

\psi_{0} — коэффициент жесткости перфорированной плиты;

\Omega — коэффициент несущей способности трубного пучка аппарата воздушного охлаждения;

\omega — безразмерный параметр системы решетка — трубы.

4. Общие положения

В настоящем стандарте рассмотрены следующие конструкции кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: с неподвижными трубными решетками, компенсатором на кожухе, аппараты с плавающей головкой, U-образными трубами, а также аппараты воздушного охлаждения с камерами разъемной и неразъемной конструкции.

Стандарт позволяет определять допускаемые нагрузки при поверочном расчете и исполнительные размеры элементов аппаратов при проектировании.

5. Расчет элементов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

5.1 Расчетные схемы

5.2 Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками, компенсатором или расширителем на кожухе

Толщины трубных решеток теплообменных аппаратов с неподвижными трубными решетками, компенсатором или расширителем на кожухе назначаются конструктивно с последующей проверкой по формулам настоящего раздела стандарта.

5.2.1 Вспомогательные величины

5.2.1.1 Относительную характеристику беструбного края трубной решетки вычисляют по формуле

m_{\text{п}} = \frac{a}{a_{1}} . (1)

5.2.1.2 Коэффициенты влияния давления на трубную решетку вычисляют по формулам:

• со стороны межтрубного пространства:

\eta_{\text{м}} = 1 - \frac{id_{\text{т}}^{2}}{4\text{а}_{1}^{2}} ; (2)

• со стороны трубного пространства:

\eta_{\text{т}} = 1 - \frac{i(d_{\text{т}} - 2s_{\text{т}})^{2}}{4\text{а}_{1}^{2}} . (3)

5.2.1.3. Основные характеристики жесткости элементов теплообменного аппарата.

Модуль упругости основания (системы труб) вычисляют по формуле

\text{К}_{\text{у}} = \frac{\text{Е}_{\text{т}}(\eta_{\text{т}} - \eta_{\text{м}})}{l} .

Приведенное отношение жесткости труб к жесткости кожуха вычисляют по формуле

\rho = \frac{\text{К}_{\text{у}}\text{а}_{1}l}{E_{\text{к}}s_{\text{к}}} . (5)

Коэффициенты изменения жесткости системы трубы — кожух вычисляют по формулам:

K_{p} = 1 + K_{p}^{*}. (7)

Для аппаратов с неподвижными трубными решетками K_{p}^{*} = K_{q}^{*} = 0 .

Для аппаратов с компенсатором на кожухе, расширителем на кожухе и компенсатором на расширителе K_{q}^{*} и K_{p}^{*} определяют по Приложению А.

Коэффициент системы решетка — трубы вычисляют по формуле

\beta = \frac{1,82}{s_{p}} 4 \sqrt{\frac{\text{К}_{\text{у}}s_{p}}{\psi_{0}E_{p}}} . (8)

Для теплообменных аппаратов с двумя отличающимися друг от друга по толщине или модулю упругости решетками коэффициент \beta вычисляют по формуле

\beta = 1,53_{4} \sqrt{\frac{\text{К}_{\text{у}}}{\psi_{0}} (\frac{1}{E_{p1}s_{p1}^{3}} + \frac{1}{E_{p2}s_{p2}^{3}})} . (9)

Безразмерный параметр системы решетка — трубы вычисляют по формуле

\omega = \beta a_{1}. (10)

Коэффициенты ослабления трубной решетки \phi_{\text{р}} , \phi_{\text{Е}} , жесткости перфорированной плиты \psi_{0} , а также коэффициенты системы кожух — решетка \beta_{1} , обечайка — фланец камеры \beta_{2} и коэффициенты жесткости фланцевого соединения при изгибе \text{К}_{\text{ф}} приведены в Приложениях Б - Е.

5.2.2 Определение усилий в элементах теплообменного аппарата

5.2.2.1 Приведенное давление \text{р}_{0} вычисляют по формуле

(11)

где m_{\text{ср}} — коэффициент влияния давления на продольную деформацию труб;

m_{\text{ср}} = 0,15 \frac{i(d_{\text{т}} - s_{\text{т}})^{2}}{\text{а}_{1}^{2}} . (12)

5.2.2.2 Приведенное отношение жесткости труб к жесткости фланцевого соединения вычисляют по формуле

\rho_{1} = \frac{\text{К}_{\text{у}}\text{аа}_{1}}{\beta^{2}\text{К}_{\text{ф}}R_{1}} . (13)

5.2.2.3. Коэффициенты, учитывающие влияние беструбного края и поддерживающие влияние труб \Phi_{1} , \Phi_{2} , \Phi_{3} , определяют по таблице 1.

Таблица 1

Коэффициенты \Phi_{1} , \Phi_{2} , \Phi_{3}

Окончание таблицы 1

5.2.2.4. Значения \text{Т}_{1} , \text{Т}_{2} , \text{Т}_{3} определяют по Приложению Ж в зависимости от \omega и m_{n} или вычисляют по формулам:

где

t = 1 + 1,4\omega(m_{\text{п}} - 1). (17)

5.2.2.5 Изгибающий момент и перерезывающую силу, распределенные по краю трубной решетки, вычисляют по формулам:

• для изгибающего момента:

M_{n} = (\frac{a_{1}}{\beta}) \frac{p_{1}(T_{1} + \rho K_{q}) - p_{0}T_{2}}{(T_{1} + \rho K_{q})(T_{3} + \rho_{1}) - T_{2}^{2}} ; (18)

• для перерезывающей силы

где

m_{2} = \frac{1 + \beta_{2}h_{2}}{2\beta_{2}^{2}} . (22)

5.2.2.6. Изгибающий момент и перерезывающие силы, распределенные по периметру перфорированной зоны решетки, вычисляют по формулам:

• для изгибающего момента:

M_{a} = M_{\text{п}} + (\text{а} - \text{а}_{1})Q_{\text{п}}; (23)

• для перерезывающей силы:

Q_{\text{а}} = m_{\text{п}}Q_{\text{п}}. (24)

5.2.2.7 Осевую силу и изгибающий момент, действующие на трубу, вычисляют по формулам:

• для осевой силы:

N_{\text{т}} = \frac{\pi\text{а}_{1}}{i} [(\eta_{\text{м}}\text{р}_{\text{м}} - \eta_{\text{т}}\text{р}_{\text{т}})\text{а}_{1} + \Phi_{1}Q_{\text{а}} + \Phi_{2}\beta\text{М}_{\text{а}}]; (25)

• для изгибающего момента:

\text{М}_{\text{т}} = \frac{\text{Е}_{\text{т}}J_{\text{т}}\beta}{\text{К}_{\text{у}}\text{а}_{1}l_{\text{пр}}} (\Phi_{2}Q_{\text{а}} + \Phi_{3}\beta\text{М}_{\text{а}}). (26)

l_{\text{пр}} — вычисляют по формулам, приведенным в 5.2.7.4.

5.2.2.8 Усилия в кожухе вычисляют по формулам:

• усилие, распределенное по периметру кожуха:

Q_{\text{к}} = \frac{\text{а}}{2} \text{р}_{\text{т}} - Q_{\text{п}}; (27)

• изгибающий момент, распределенный по периметру кожуха:

\text{М}_{\text{к}} = \frac{\text{К}_{1}}{\rho\text{К}_{\text{ф}}\beta} (\text{Т}_{2}Q_{\text{п}} + \text{Т}_{3}\beta\text{М}_{\text{п}}) - \frac{\text{р}_{\text{м}}}{2\beta_{1}^{2}} ; (28)

• суммарная осевая сила, действующая на кожух:

F = \pi DQ_{\text{к}}. (29)

5.2.3 Расчетные напряжения в элементах конструкции

5.2.3.1. Расчетные схемы присоединения решетки к кожуху приведены на рисунках 7 - 10.

s_{1p} = s_{p}. R_{1} = \frac{D_{\text{н}} + D}{4} ; b_{1} = \frac{D_{\text{н}} - D}{2} ;

Рисунок 10. Решетка, вваренная в кожух

5.2.3.2 Расчетные напряжения в трубных решетках.

Напряжения в трубной решетке в месте соединения с кожухом вычисляют по формулам:

• изгибные:

\sigma_{p1} = \frac{6|M_{\text{п}}|}{(s_{1p} - c)^{2}} ; (30)

• касательные:

\tau_{p1} = \frac{|Q_{\text{п}}|}{(s_{1p} - c)} . (31)

Напряжения в перфорированной части трубной решетки вычисляют по формулам

• изгибные:

\sigma_{p2} = \frac{6M_{max}}{\phi_{p}(s_{p} - c)^{2}} ; (32)

• касательные:

\tau_{p2} = \frac{|Q_{\text{в}}|}{\phi_{p}(s_{p} - c)} , (33)

где M_{max} — максимальный расчетный изгибающий момент в перфорированной части трубной решетки.

При - 1,0 \leq \frac{\beta M_{a}}{Q_{a}} \leq 1,0 M_{max} вычисляют по формуле

M_{max} = A \frac{|Q_{a}|}{\beta} , (34)

где A — коэффициент, определяемый по Приложению Г в зависимости от \omega и m_{A} :

m_{A} = \frac{\beta M_{a}}{Q_{a}} , (35)

при \frac{\beta M_{a}}{Q_{a}} < - 1,0 и \frac{\beta M_{a}}{Q_{a}} >1,0 M_{max} вычисляют по формуле

M_{max} = B|M_{a}|, (36)

где B — коэффициент, определяемый по Приложению Г, в зависимости от \omega и n_{B}

n_{B} = \frac{Q_{a}}{\beta M_{a}} . (37)

5.2.3.3 Напряжения в кожухе в месте присоединения к решетке вычисляют по формулам:

• в меридиональном направлении:

мембранные:

\sigma_{Mx} = \frac{|Q_{\text{к}}|}{(s_{1} - c_{\text{к}})} , (38)

изгибные:

\sigma_{ux} = \frac{6|\text{М}_{\text{к}}|}{(s_{1} - c_{\text{к}})^{2}} ; (39)

• в окружном направлении:

мембранные:

\sigma_{M\phi} = \frac{|\text{р}_{\text{м}}|\text{а}}{(s_{1} - c_{\text{к}})} , (40)

изгибные:

\sigma_{u\phi} = 0,3\sigma_{ux}. (41)

5.2.3.4 Напряжения в трубах вычисляют по формулам:

• в осевом направлении:

мембранные:

\sigma_{1\text{т}} = \frac{|N_{\text{т}}|}{\pi(d_{\text{т}} - s_{\text{т}})s_{\text{т}}} ; (42)

суммарные:

\sigma_{1} = \sigma_{1\text{т}} + \frac{d_{\text{т}}|\text{М}_{\text{т}}|}{2J_{\text{т}}} ; (43)

• в окружном направлении:

\sigma_{2\text{т}} = \frac{{}_{(d_{\text{т}} - s_{\text{т}})max}{_{|\text{р}_{\text{т}}|;|\text{р}_{\text{м}}|;|\text{р}_{\text{т}} - \text{р}_{\text{м}}|}}}{2s_{\text{т}}} . (44)

5.2.4 Проверка прочности трубных решеток

5.2.4.1 Проверку статической прочности проводят по формуле

{}_{max}{_{\tau_{p1};\tau_{p2}}}_{\leq 0,8[\sigma]_{p}.} (45)

5.2.4.2. Проверку трубной решетки на малоцикловую прочность проводят по ГОСТ Р 52857.6.

В случае, если в расчете должна учитываться ползучесть материала, допускается проводить проверку на малоцикловую прочность по Приложению Д.

При проверке трубной решетки на малоцикловую прочность следует принимать:

• в месте соединения с кожухом

K_{\sigma} — см. рисунки 7 - 10;

• в перфорированной части

K_{\sigma} = 1. (50)

5.2.4.3. Для многоходовых по трубному пространству теплообменных аппаратов прочность трубных решеток в зоне паза под перегородку проверяют по формулам, приведенным в 5.6. При этом следует принимать:

s_{p}^{p} = (s_{p} - c) \frac{\sigma_{p2}}{2[\sigma_{A}]} . (51)

5.2.5 Проверка жесткости трубных решеток

Проверку проводят в случаях, когда «жесткости трубных решеток предъявляются какие-либо дополнительные требования, например для аппаратов со стекающей пленкой, с перегородками по трубному пространству, если недопустим переток между ходами.»

Условие жесткости:

W = \frac{1,2}{K_{y}a_{1}} |T_{1}Q_{\text{п}} + \text{Т}_{2}\beta\text{М}_{\text{п}}| \leq [W]. (52)

Рекомендуемые допустимые величины прогибов трубных решеток [W], мм, в зависимости от диаметра аппарата приведены в таблице 2.

Таблица 2

Допустимые величины прогибов трубных решеток

5.2.6 Расчет прочности и устойчивости кожуха

Проверку прочности кожуха в месте присоединения к решетке следует проводить только для конструкций, приведенных на рисунках 7, 8 и 10.

5.2.6.1 Условие статической прочности кожуха в месте присоединения к решетке:

\sigma_{Mx} \leq 1,3[\sigma]_{\text{к}}. (53)

5.2.6.2. Проверку кожуха на малоцикловую прочность в месте присоединения к решетке проводят по ГОСТ Р 52857.6. В случае, если в расчете должна учитываться ползучесть материала, допускается проводить проверку на малоцикловую прочность по Приложению Д.

При проверке кожуха на малоцикловую прочность следует принимать:

\Delta\sigma_{3} = 0; (56)

K_{\sigma} — см. рисунки 7 - 10.

5.2.6.3. Если условие прочности кожуха в месте соединения с решеткой по 5.2.6.1 и 5.2.6.2 не выполняется, можно установить переходный пояс увеличенной толщины длиной не менее 2 \sqrt{Ds_{1}} .

5.2.6.4. В случае, если осевая сила в кожухе F < 0, следует провести проверку кожуха на местную устойчивость от действия сжимающей силы F по ГОСТ Р 52857.2.

5.2.7 Расчет труб на прочность, устойчивость и жесткость и расчет крепления труб в решетке

5.2.7.1 Условие статической прочности труб:

{}_{max}{_{\sigma_{1\text{т}};\sigma_{2\text{т}}}}_{\leq [\sigma]_{\text{т}}.} (57)

5.2.7.2. Проверку труб на малоцикловую прочность проводят по ГОСТ Р 52857.6. В случае, если при расчете должна учитываться ползучесть материала, допускается проводить проверку на малоцикловую прочность по Приложению Д.

При проверке труб на малоцикловую прочность следует принимать

K_{\sigma} = 1. (60)

5.2.7.3 Проверку труб на устойчивость проводят в случае, если N_{\text{т}}<0 . Условие устойчивости:

\sigma_{1\text{т}} \leq \phi_{\text{т}}[\sigma]_{\text{т}}, (61)

где \phi_{\text{т}} — коэффициент уменьшения допускаемого напряжения при продольном изгибе, определяемый по графику на рисунке 11, в зависимости от \lambda .

\lambda = \text{К}_{\text{т}} \sqrt{\frac{[\sigma]_{\text{т}}}{\text{Е}_{\text{т}}}} \frac{l_{R}}{(d_{\text{т}} - s_{\text{т}})} , (62)

где \text{К}_{\text{т}} = 1,3 — для рабочих условий;

\text{К}_{\text{т}} = 1,126 — для условий гидроиспытания;

l_{R} = l — для аппаратов без перегородок;

{}_{l_{R} = max}{_{l_{2R};0,7l_{1R}}} — для аппаратов с перегородками.

5.2.7.4 Проверка жесткости труб

Проверку проводят в случаях, когда к жесткости труб предъявляют какие-либо дополнительные требования, например для аппаратов со стекающей пленкой. Проверку жесткости труб проводят только при N_{\text{т}}<0 .

Прогиб трубы вычисляют по формуле

Y = A_{y} \frac{|\text{М}_{\text{т}}|}{|N_{\text{т}}|} , (63)

где A_{y} — коэффициент, определяемый по графику, приведенному на рисунке 12, в зависимости от \lambda_{y}

\lambda_{y} = \frac{|N_{\text{т}}|l_{\text{пр}}^{2}}{\text{Е}_{\text{т}}Y_{\text{т}}} , (64)

где l_{\text{пр}} = l — для аппаратов без перегородок в кожухе.

l_{\text{пр}} = \frac{l_{1R}}{3} — для аппаратов с перегородками.

Во всех случаях прогиб трубы не должен превышать зазор между трубами в пучке и приводить к их соприкосновению.

5.2.7.5 Проверка прочности крепления трубы в решетке

Если трубы крепятся в решетке с помощью развальцовки, должно выполняться условие:

|N_{\text{т}}| \leq [N]_{\text{тр}}. (65)

Допускаемая нагрузка на соединение трубы с решеткой [N]_{\text{тр}} определяется на основании испытаний или по нормативным документам.

При отсутствии данных о прочности вальцовочного соединения допускается принимать [N]_{\text{тр}} по Приложению Е.

Если трубы крепятся к решетке способом приварки или приварки с подвальцовкой, должно выполняться условие:

\tau = \frac{|N_{\text{т}}|d_{\text{т}} + 4|\text{М}_{\text{т}}|}{\pi d_{\text{т}}^{2}\delta} {}_{\text{с}}^{\leq \phi min}{_{\text{т р}}^{[\sigma];[\sigma]}}^{,} (66)

где

{}_{\phi_{\text{с}} = min}{_{0,5;(0,95 - 0,2lgN)}}_{.} (67)

В случае крепления труб к решетке способом развальцовки с обваркой должно выполняться условие:

max\{ \frac{{}_{\text{с}}^{\phi min}{_{\text{т р}}^{[\sigma];[\sigma]}}}{\tau} + 0,6 \frac{[N]_{\text{тр}}}{|N_{\text{т}}|} ; \frac{[N]_{\text{тр}}}{|N_{\text{т}}|} \} \geq 1. (68)

5.3 Теплообменные аппараты с плавающей головкой

5.3.1 Толщина трубной решетки в зоне перфорации должна отвечать условию

s_{p} \geq s_{p}^{p} + c, (69)

где

s_{p}^{p} = \frac{D_{\text{с}.}}{4,2} \sqrt[\text{п}]{\frac{\text{р}_{\text{р}}}{\phi_{\text{Е}}[\sigma]_{\text{р}}}} , (70)

\phi_{\text{Е}} — эффективный коэффициент ослабления решетки определяют по Приложению Б.

5.3.2 Расчет элементов плавающей головки (см. рисунок 13).

Рисунок 13. Элементы плавающей головки

5.3.2.1 Усилия, действующие на шпильки, и усилие на прокладке. Проверка прочности шпилек и прокладки

Проверку прочности шпилек и прокладки выполняют по ГОСТ Р 52857.4. Усилия, действующие на шпильки плавающей головки при монтаже \text{Р}_{\text{б}}^{\text{м}} и в рабочих условиях \text{Р}_{\text{б}}^{\text{р}} и равнодействующую внутреннего давления Q_{\text{д}} определяют по ГОСТ Р 52857.4. При этом коэффициенты жесткости фланцевого соединения \alpha и \gamma определяют по ГОСТ Р 52857.4, как для соединения фланца с крышкой, угловая податливость фланца (полукольца) \text{у}_{\text{ф}} принимается равной нулю.

Угловую податливость сферических неотбортованных крышек определяют по ГОСТ Р 52857.4.

Угловую податливость крышек с эллиптическим днищем, отвечающих условию h \geq \sqrt{Ds_{1}} , определяют по ГОСТ Р 52857.4, как для плоских фланцев с прямой втулкой.

Угловую податливость крышек с эллиптическим днищем, отвечающих условию h< \sqrt{Ds_{1}} , определяют по ГОСТ Р 52857.4, как для сферической неотбортованной крышки с радиусом кривизны, равным радиусу кривизны в вершине эллиптического днища в соответствии с ГОСТ Р 52857.2.

В случае использования привалочной поверхности с шипом шириной \text{Т}_{\text{ш}} и плоской металлической прокладки шириной b_{\text{п}} эффективную ширину прокладки b_{0} вычисляют по формуле

b_{0} = \frac{\text{Т}_{\text{ш}} + b_{\text{п}}}{2} . (71)

Средний диаметр плоской прокладки D_{\text{с}.\text{п}} в случае использования привалочной поверхности с шипом принимается равным полусумме наружного и внутреннего диаметров шипа.

Проверку прочности шпилек и прокладки плавающей головки выполняют по ГОСТ Р 52857.4.

Усилие на прокладке плавающей головки в условиях монтажа равно:

Усилие на прокладке плавающей головки в рабочих условиях:

F_{\text{п}} = \text{Р}_{\text{б}}^{\text{р}} - Q_{\text{д}}. (73)

5.3.2.2. Расчет на прочность при действии внутреннего давления крышек плавающих головок со сферическим неотбортованным днищем выполняют по ГОСТ Р 52857.2 (пункт 6.5).

В случае, если условие M <= [M] при расчете на прочность крышек плавающих головок со сферическим неотбортованным днищем по ГОСТ Р 52857.2 не выполняется, допускаемое избыточное давление из условий прочности краевой зоны [\text{р}_{1}] вычисляют по формуле

[\text{р}_{1}] = \frac{2(s_{1\text{пл}} - \text{с})\phi[\sigma]_{1}}{[D\beta_{\text{п}} + (s_{1\text{пл}} - \text{с})]} \sqrt{\frac{[\text{М }] + [\text{М }]_{\text{кр}} - \text{М}}{[\text{М }]_{\text{кр}}}} , (74)

где

\beta_{\text{п}} = 0,5 + \frac{tg\psi}{\sqrt{\frac{D(s_{1\text{пл}} - \text{с})}{cos\psi}}} . (76)

M, [M] и \psi определяют по ГОСТ Р 52857.2 (пункт 6.5).

Расчет сферического неотбортованного донышка крышки на действие наружного давления выполняют по ГОСТ Р 52857.2 (пункт 6.5).

5.3.2.3. Расчет допускаемого избыточного давления из условий прочности краевой зоны крышек с эллиптическим днищем, отвечающих условию h< \sqrt{Ds_{1}} выполняют так же, как и для крышек плавающих головок со сферическим неотбортованным днищем с радиусом кривизны, равным радиусу кривизны, в вершине соответствующего эллиптического днища по ГОСТ Р 52857.2 (пункт 6.5). При этом \psi принимают равным 0.

Расчет фланцевой части и примыкающей к ней отбортовки крышек с эллиптическим днищем, отвечающих условию h< \sqrt{Ds_{1}} , выполняют по ГОСТ Р 52857.4, как плоского фланца с прямой втулкой.

Расчет эллиптического днища на внутреннее и наружное давления выполняют по ГОСТ Р 52857.2 (пункт 6.3).

5.3.2.4 Толщину полукольца (см. рисунок 13) определяют из условий изгиба по формуле

T \geq \sqrt{\frac{\text{Р}_{\text{б}}(D_{\text{б}.\text{к}} - D_{\text{р}})\beta_{Y}}{2D_{\text{р}}[\sigma]_{t}}} + c, (77)

где \beta_{Y} определяют по ГОСТ Р 52857.4.

5.3.2.5 Толщину наименьшего сечения полукольца определяют из условий среза по формуле

t_{\text{п}.\text{к}} = max\{ \frac{\text{Р}_{\text{б}}}{0,8\pi D_{\text{р}}[\sigma]_{t}} ;26\text{мм}\} + \text{с}. (78)

5.3.2.6. Расчет по 5.3.2.2 - 5.3.2.5 следует выполнять как для рабочих условий, так и для условий монтажа до подачи внутреннего давления. При расчете в рабочих условиях следует принимать \text{Р}_{\text{б}} = \text{Р}_{\text{б}}^{\text{р}} , а при расчете в условиях монтажа \text{Р}_{\text{б}} = \text{Р}_{\text{б}}^{\text{м}} .

5.4 Теплообменные аппараты с U-образными трубами

5.4.1 Толщина трубной решетки в зоне перфорации должна отвечать условию:

s_{p} \geq s_{p}^{p} + c, (79)

где

s_{p}^{p} = \frac{D_{\text{с}.}}{3,4} \sqrt[\text{п}]{\frac{\text{р}_{\text{р}}}{\phi_{\text{Е}}[\sigma]_{\text{р}}}} . (80)

\phi_{\text{Е}} — эффективный коэффициент ослабления решетки, определяют по Приложению Б.

5.4.2. В случае, если к жесткости трубных решеток аппаратов с U-образными трубами предъявляют специальные требования (недопустим остаточный прогиб решетки), расчетную толщину вычисляют по формуле

s_{p}^{p} = 0,82a_{1} \sqrt{\frac{\text{р}_{\text{р}}}{\phi_{\text{Е}}[\sigma]_{\text{р}}}} max\{1; \sqrt{\frac{2a_{1} + 1,5 \frac{D_{\text{с}.\text{п}}}{a_{1}} (D_{\text{с}.\text{п}} - 2a_{1})}{D_{\text{с}.\text{п}} - 2a_{1}(1 - \phi_{\text{Е}})} \phi_{\text{Е}} + \frac{\text{р}_{\text{р}}}{\phi_{\text{Е}}[\sigma]_{\text{р}}}} \}. (81)

5.5 Дополнительные требования к толщинам трубных решеток

5.5.1. При наличии беструбной зоны (см. рисунок 14) принятая толщина трубной решетки должна дополнительно удовлетворять условию

беструбную площадь

5.5.2. Толщина решеток аппаратов с плавающей головкой и U-образными трубами в месте уплотнения под кольцевую прокладку должна отвечать условию

s_{pr} \geq max\{0,71 \sqrt{\frac{\text{р}_{\text{р}}D_{\text{с}.\text{п}}}{[\sigma]_{\text{р}}} (D_{\text{с}.\text{п}} - D_{\text{в}})} ;0,5D_{\text{с}.\text{п}} \frac{\text{р}_{\text{р}}}{[\sigma]_{\text{р}}} \} + c. (83)

5.5.3. Для многоходовых по трубному пространству аппаратов толщина трубной решетки в сечении канавки должна быть не менее

s_{\text{п}} \geq (s_{p} - c)max\{[1 - \sqrt{\frac{d_{0}}{B_{\text{п}}} (\frac{t_{\text{п}}}{t_{\text{р}}} - 1)}]; \sqrt{\phi_{\text{р}}} \} + \text{с}. (84)

5.5.4. Для трубных решеток, выполненных заодно с фланцем, принятая толщина должна быть не менее толщины кольца ответного фланца. Допускается уменьшение толщины решетки по сравнению с толщиной ответного фланца при условии подтверждения плотности и прочности фланцевого соединения специальным расчетом.

5.6 Перегородки между ходами по трубному пространству кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

Толщина перегородки должна отвечать условию

s_{\text{пер}} \geq 0,71\text{В}_{\text{пер}} \sqrt{\frac{\Delta\text{р}f_{\text{п}}}{[\sigma]_{\text{п}}}} + \text{с}_{\text{п}}, (85)

где

f_{\text{п}} = \frac{1}{1 + \frac{\text{В}_{\text{пер}}}{L_{\text{пер}}} + (\frac{\text{В}_{\text{пер}}}{L_{\text{пер}}})2} . (86)

6. Расчет элементов аппаратов воздушного охлаждения

6.1 Условия применения расчетных формул

6.1.1. Расчетные формулы применяют, если расчетная температура не превышает значений, при которых возникает ползучесть материалов (ГОСТ Р 52857.2, пункт 5.2.2).

6.1.2. Расчетные формулы применяют, если разность температур между смежными потоками в многоходовых секциях не превышает 100 °C.

6.1.3 Расчетные формулы применяют при выполнении следующих условий:

6.1.4. Расчетные формулы применяют, если обеспечено свободное перемещение пучка в результате температурных удлинений.

6.1.5. Допускается использовать расчетные формулы для аналогичных схем камер аппаратов воздушного охлаждения, не приведенных на рисунках 15 - 23.

6.2 Расчет камер разъемной конструкции

6.2.1. Схемы камер разъемной конструкции приведены на рисунках 15 - 18.

6.2.2 Расчет элементов камер разъемной конструкции

6.2.2.1. Формулы для определения вспомогательных величин для расчета камер разъемной конструкции приведены в Приложении Ж.

6.2.2.2 Усилие в болтах (шпильках) в условиях эксплуатации:

6.2.2.3 Усилие в болтах (шпильках) в условиях испытания или монтажа

6.2.2.4. Величины L_{p} и B_{p} определяют по Приложению Ж. Характеристики прокладки b_{0} и m — по ГОСТ Р 52857.4.

Коэффициент \eta_{\text{р}} для фланцевых соединений с эксцентрично расположенной прокладкой в первом приближении принимают равным 2. Уточненное значение \eta_{\text{р}} определяют по Приложению И. Если предусмотрены специальные конструктивные меры, позволяющие разгрузить элементы разъемных камер от действия болтового изгибающего момента, то \eta_{\text{р}} принимают равным 1.

6.2.2.5 Условие прочности шпилек (болтов)

где [\sigma]_{\text{В}}^{20} ; [\sigma]_{\text{В}}^{t} — допускаемые напряжения для материала шпилек (болтов) по ГОСТ Р 52857.4.

6.2.3 Расчет трубной решетки

6.2.3.1 Толщина трубной решетки в пределах зоны перфорации должна отвечать условию

Безразмерную характеристику нагружения решетки болтовым изгибающим моментом \Lambda_{\text{р}} вычисляют по формуле

Безразмерную характеристику нагружения решетки давлением, действующим на беструбную зону \Psi_{\text{р}} , вычисляют по формуле

Коэффициент несущей способности трубного пучка \Omega вычисляют по формулам

при \text{р}\eta \leq \phi_{\text{т}}[q]_{\text{т}} :

при \text{р}\eta>\phi_{\text{т}}[q]_{\text{т}} :

Коэффициент, зависящий от соотношения сторон перфорированной зоны решетки f_{0} , вычисляют по формуле

l_{1} , \text{В}_{\text{т}} , \lambda_{\text{р}} , \eta и [q]_{\text{т}} определяют по Приложению Ж, эффективный коэффициент ослабления \phi_{\text{Е}} — по Приложению Б, коэффициент уменьшения допускаемого напряжения при продольном изгибе \phi_{\text{т}} — по 5.2.7.3.

При \Omega>1 следует увеличивать толщину труб для выполнения условия \Omega \leq 1 .

6.2.3.2. Толщины трубной решетки в месте уплотнения s_{2A} и вне зоны уплотнения s_{3A} должны отвечать условиям:

Усилие от болтовой нагрузки на единицу длины решетки или крышки F_{1} вычисляют по формуле

6.2.3.3 Условие прочности крепления труб в решетке

Коэффициенты z_{F} и z_{\text{м}} определяют по графику, приведенному на рисунке 19 в зависимости от величины

Коэффициенты \eta и \upsilon вычисляют по Ж.2 Приложения Ж.

6.2.4 Расчет крышки

6.2.4.1 Толщина донышка крышки (см. рисунки 15 - 17) должна отвечать условию

Безразмерную характеристику нагружения крышки аппарата воздушного охлаждения болтовым изгибающим моментом \lambda_{\text{кр}} вычисляют по формуле

Безразмерную характеристику нагружения крышки давлением, действующим на ее фланцевую часть \Psi_{\text{кр}} , вычисляют по формуле

Коэффициенты, зависящие от соотношения сторон крышки f_{1} и f_{2} , вычисляют по формулам:

Коэффициент сопротивления фланцевой части крышки \chi_{\text{кр}} вычисляют по формуле

6.2.4.2 Толщина донышка крышки (см. рисунок 18) должна отвечать условию

Коэффициент сопротивления фланцевой части крышки \chi_{\text{с}} вычисляют по формуле

6.2.4.3 Толщина стенки крышки в месте присоединения к фланцу должна отвечать условию:

где F_{1} — расчетное усилие, вычисляемое по формуле (101);

\chi_{\text{кр}} — коэффициент для крышек (см. рисунки 15 - 17), вычисляемый по формуле (111);

\chi_{\text{кр}} — коэффициент вычисляют по формуле (109).

6.2.4.4. Толщину фланца крышки s_{6A} вычисляют по формуле (99) при [\sigma]_{\text{р}} = [\sigma]_{\text{к}} .

6.2.4.5 Толщина боковой стенки s_{7A} крышек (см. рисунки 15 - 17) должна отвечать условию:

а крышек (см. рисунок 18) — условию:

6.3 Расчет камер неразъемной конструкции

6.3.1. Схемы камер неразъемной конструкции приведены на рисунках 20 - 24.

6.3.1.1 Толщина задней стенки камеры должна отвечать условию:

Коэффициент f_{3} , зависящий от соотношения сторон задней стенки камеры, вычисляют по формуле

Для камер с перегородками (см. рисунки 23, 24) f_{3} = 1 .

Расчетный поперечный размер камеры B_{p} определяют по Приложению Ж, эффективный коэффициент ослабления \phi_{\text{Е}} — по Приложению Б.

Толщину решетки s_{1A} следует принимать

6.3.1.2. Толщины верхней и нижней стенок для конструкций, приведенных на рисунках 21 и 23, должны отвечать условию:

а конструкций, приведенных на рисунках 22 и 24, — условию:

6.3.1.3 Толщины усиливающих перегородок в камерах (см. рисунки 23, 24) должны отвечать условию:

6.3.1.4 Толщина боковой стенки должна отвечать условию:

Коэффициент f_{4} , зависящий от соотношения сторон боковой стенки, вычисляют по формуле

6.3.2. Расчет камер неразъемной конструкции с полуцилиндрической задней стенкой (см. рисунок 19).

6.3.2.1. Толщину трубной решетки s_{1A} вычисляют по формуле (93) при \Lambda_{p} = 0 .

6.3.2.2. Толщину полуцилиндрической задней стенки s_{4A} определяют по ГОСТ Р 52857.2, как цилиндрической обечайки, внутренний диаметр которой равен B_{0} .

6.3.2.3. Толщину боковой стенки s_{7A} определяют по формуле (114).

6.3.3 Условие прочности крепления труб в решетке:

Коэффициент \eta вычисляют по Ж.2 Приложения Ж.

А.1. Коэффициент K_{q}^{*} определяют как отношение осевого перемещения компенсатора (расширителя) при действии растягивающей силы к осевому перемещению краев корпуса межтрубного пространства без компенсатора (расширителя) от действия той же силы.

Коэффициент K_{p}^{*} определяют как отношение осевого перемещения компенсатора (расширителя) при действии внутреннего давления к осевому перемещению краев корпуса межтрубного пространства без компенсатора (расширителя) от действия того же давления.

Коэффициенты K_{q}^{*} и K_{p}^{*} для аппаратов с компенсатором на расширителе допускается определять, как суммы соответствующих для аппаратов с компенсатором и расширителем.

При определении коэффициентов K_{q}^{*} и K_{p}^{*} не учитывают влияние трубного пучка и равнодействующую внутреннего давления, действующую на края корпуса в осевом направлении.

Допускается определять K_{q}^{*} и K_{p}^{*} с помощью численных методов теории пластин и оболочек.

А.2. Для аппаратов с компенсатором на кожухе коэффициенты K_{q}^{*} и K_{p}^{*} допускается вычислять по формулам:

Жесткость компенсатора \text{К}_{\text{ком}} следует определять по нормативным документам.

Для ненормализованных компенсаторов допускается вычислять осевую жесткость по формуле

где

Параметр жесткости компенсатора \text{С}_{f} определяют по графику, приведенному на рисунке 25, в зависимости от

и

А.3. Для аппаратов с расширителем на кожухе при \beta_{0} = 90^{{}^{\circ}} коэффициент K_{q}^{*} допускается вычислять по формуле

а коэффициент K_{p}^{*} — по формуле

где

A_{p} — определяют по таблице А.1 в зависимости от \beta_{p} .

А.4. Для аппаратов с расширителем на кожухе при 15^{{}^{\circ}} \leq \beta_{p} \leq 60^{{}^{\circ}} коэффициент K_{q}^{*} допускается вычислять по формуле

а коэффициент K_{p}^{*} — по формуле

Коэффициенты A_{p1} , A_{p2} , B_{p1} , B_{p2} определяются по таблице А.2 в зависимости от \beta_{0} (см. рисунок 3) и \beta_{p} .

Б.1. Коэффициент ослабления трубной решетки при расчете кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с неподвижными трубными решетками и компенсатором на кожухе вычисляют по формуле

Б.2. Эффективный коэффициент ослабления \phi_{\text{Е}} при расчете кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с плавающей головкой, U-образными трубами и аппаратов воздушного охлаждения вычисляют по формуле

где d_{\text{Е}} = d_{0} - 2s_{\text{т}} — для решеток с трубами, закрепленными на всю толщину решетки;

d_{\text{Е}} = d_{0} - s_{\text{т}} — для решеток с трубами, закрепленными в части толщины решетки;

d_{\text{Е}} = d_{0} — для стальных решеток с трубами из цветных металлов;

d_{\text{Е}} = d_{\text{пр}} — для перфорированной задней стенки аппаратов воздушного охлаждения.

Б.3. Коэффициент жесткости перфорированной плиты \psi_{0} в зависимости от \eta_{\text{т}} приведен в таблице Б.1.

Коэффициенты системы кожух — решетка, обечайка — фланец камеры и коэффициент жесткости фланцевого соединения при изгибе вычисляют по формулам:

Коэффициенты T_{1} , T_{2} , T_{3} в зависимости от \omega и m_{\text{п}} приведены в таблице Г.1, коэффициент A в зависимости от \omega и m_{A} — в таблице Г.2, коэффициент B в зависимости от \omega и n_{B} — в таблице Г.3.

При температуре рассчитываемых элементов теплообменных аппаратов из низколегированных и коррозионно-стойких хромистых сталей от 420 °C до 500 °C допускается определять [\sigma_{A}] по графику, приведенному на рисунке Д.1.

При температурах рассчитываемых элементов из аустенитных сталей от 525 °C до 600 °C допускается определять [\sigma_{A}] по графику, приведенному на рисунке Д.2.

Если температура рассматриваемых элементов из углеродистых сталей превышает 380 °C, из низколегированных коррозионно-стойких хромистых сталей — 500 °C и из аустенитных сталей — 600 °C, следует при выполнении расчета элементов теплообменных аппаратов на малоцикловую усталость принимать:

где [\sigma] — допускаемое напряжение по ГОСТ Р 52857.2 для рассчитываемого элемента при расчетной температуре.

При отсутствии более точных данных допускается вычислять допускаемую нагрузку на вальцовочное соединение трубы с решеткой по формулам:

• для гладкозавальцованных труб:

• для труб, завальцованных в пазы при наличии одного паза:

но не менее, чем для такого же соединения гладкозавальцованных труб;

• для труб, завальцованных в пазы с двумя или более пазами:

Ж.1. Геометрические характеристики решетки

Ж.1.1. Расчетный поперечный размер решетки вычисляют по формулам:

• для камер разъемной конструкции (см. рисунки 15 - 18):

• для камер неразъемной конструкции без перегородок (см. рисунки 20 - 22):

• для камер неразъемной конструкции с перегородками (см. рисунки 23 - 24):

Ж.1.2. Расчетный размер решетки в продольном направлении вычисляют по формулам:

• для камер разъемной конструкции (см. рисунки 15 - 18):

• для камер неразъемной конструкции без перегородок (см. рисунки 20 - 24):

Ж.1.3. Расчетную ширину перфорированной зоны решетки вычисляют по формуле

где t_{2} — см. рисунки Ж.1 и Ж.2.

Ж.1.4. Относительную ширину беструбного края вычисляют по формуле

Ж.2. Вспомогательные коэффициенты вычисляют по формулам:

где t_{1} — см. рисунки Ж.1 и Ж.2.

Ж.3. Допускаемая нагрузка на единицу площади сечения трубного пучка

Ж.3.1. Допускаемую нагрузку из условия прочности труб вычисляют по формуле:

Ж.3.2. Допускаемую нагрузку из условия прочности крепления трубы в решетке вычисляют по формулам:

• для развальцовки:

• для приварки:

• для развальцовки с обваркой:

где \phi_{\text{с}} — коэффициент прочности шва приварки трубы к решетке, определяемый по 5.2.7.5.

Ж.4. Плечи изгибающих моментов в камерах (см. рисунки 15 - 18) вычисляют по формулам:

И.1. Угловые податливости крышки от действия внутреннего давления и от действия болтового изгибающего момента вычисляют по формулам:

• от действия внутреннего давления:

• от действия болтового изгибающего момента:

где коэффициенты \phi_{1} — \phi_{6} вычисляют по формулам:

В формулах (И.3), (И.4), (И.6), (И.7) для крышек по рисунку 15 следует подставлять \frac{R}{B_{0}} = 0 .

\lambda_{1} — коэффициент, определяемый в зависимости от L_{0}/B_{0} и \eta_{\text{к}} по графику, приведенному на рисунке И.1,

\lambda_{2} — коэффициент, определяемый в зависимости от L_{0}/B_{0} и \eta_{\text{к}} по графику, приведенному на рисунке И.2,

где

\psi_{\text{кр}} — коэффициент, вычисляемый по формуле (106).

И.2. Угловые податливости решетки от действия внутреннего давления и болтового изгибающего момента вычисляют по формулам:

• от действия внутреннего давления:

• от действия болтового изгибающего момента:

где \alpha_{1} — коэффициент, определяемый в зависимости от \omega по графику, приведенному на рисунке И.3,

\alpha_{2} — коэффициент, определяемый в зависимости от \omega по графику, приведенному на рисунке И.4.

\lambda_{\text{р}} , \psi_{\text{р}} , \omega — коэффициенты, вычисляемые по формулам (Ж.5), (95) и (103).

И.3. Линейную податливость шпилек (болтов) \text{у}_{\text{б}} определяют по ГОСТ Р 52857.4.

И.4. Линейную податливость прокладки вычисляют по формуле

И.5. Коэффициент податливости фланцевого соединения крышки и решетки вычисляют по формуле

где

x — величина, принадлежащая отрезку x \in [0,\omega] при \omega \leq 3 или отрезку x \in [0,(\omega - 3)] при \omega>3 , выбираемая таким образом, чтобы коэффициент A или B соответственно принимал максимальное значение.

ber'', bei'', ber', bei', ber, bei — функции Бесселя.

где

где