Приложение В (справочное). Сферические оболочки и выпуклые днища, подверженные внутреннему и внешнему давлениям

Приложение В
(справочное)

Сферические оболочки и выпуклые днища, подверженные внутреннему и внешнему давлениям

В.1 Область применения

В.1.1 Настоящие нормы проектирования применяют к сферическим оболочкам, в которых соотношение между наружным и внутренним радиусами составляет 1,5, с отверстиями и без таковых, а также к незакрепленным выпуклым днищам без отверстий или с люками, состоящим из сферической оболочки, пластического шарнира и цилиндрической юбки, как показано на рисунке В.1, преимущественно подвергаемым воздействию статического внутреннего или внешнего давления.

В.1.2 Настоящие нормы проектирования применяют, главным образом, к пластичным материалам ( 14%). Их применение допускается также для менее пластичных материалов, если меньшая пластичность обусловлена более высоким запасом прочности, и при этом толщина стенки корпуса составляет 50 мм.

В.1.3 Настоящие нормы проектирования касаются только нагрузок, вызываемых внутренним или внешним давлением. Дополнительные силы и моменты значительной величины следует рассматривать отдельно. В этом случае производитель отопительных котлов должен указать значения сил и моментов и подтвердить их принятие в расчет. В приведенных расчетах вибрации системы не учитывались. При принятии их во внимание потребуется, например, корректировка параметров конструкции.

В.1.4 В сплошных сферических оболочках, спроектированных в соответствии с настоящими нормами с применением заданных значений коэффициента запаса прочности, будут возникать лишь незначительные деформации в пределах установившихся расчетных значений сопротивления. В сферических оболочках и выпуклых днищах с отверстиями, поверхности, подверженные максимальным нагрузкам, особенно начальным нагрузкам, могут испытывать пластические деформации, величины которых, при соблюдении настоящих норм проектирования, не будут превышать допустимых границ.

В.2 Общие положения

В.2.1 В общем случае для выпуклых днищ с диаметром днища , как показано на рисунке В.1, должны выполняться следующие условия:

- внутренний радиус сферической оболочки (радиус выпуклой части):	;
- радиус кривизны:	;
- опорное значение толщины стенки:	.
В частности, должны выполняться следующие условия:
- для коробового днища:	; ;
- для сильно выпуклого коробового днища (полуэллиптического):	;

Таблица В.1 - Длина юбки в зависимости от толщины стенки

	Толщина стенки , мм	Длина юбки , мм
	100 < 150	150
	150 < 180	120
	180 < 100	100
	100 < 120	75
	120 < 360	50

В.2.2 Длина цилиндрической юбки должна быть больше или равна для коробовых днищ и больше или равно для полуэллиптических днищ, но при этом не должна превышать значений, приведенных в таблице В.1.

Значения длины юбки меньше указанных в таблице В.1 допускается применять при преимущественно статических нагрузках, создаваемых внутренним давлением, если сварное соединение отшлифовано до гладкости и по результатам неразрушающих испытаний имеет коэффициент прочности = 1.

Проведения испытаний сварных соединений в процессе производства не требуется.

Для полусферических днищ использование юбки не требуется.

В.2.3 Для сплошных сферических оболочек и выпуклых днищ следует учитывать коэффициент прочности сварного шва (при его наличии).

В.2.4 Для сферических оболочек и выпуклых днищ с отверстиями, показанных на рисунках В.2 - В.4, снижение прочности основной оболочки должно учитываться посредством следующих мер:

а) путем увеличения толщины стенки по сравнению со сплошной сферической оболочкой или гладким выпуклым днищем соответственно. Такое значение толщины стенки должно сохраняться на всем участке длиной , измеренной от края отверстия;

б) путем увеличения толщины стенок патрубков по сравнению с требуемой толщиной при воздействии внутреннего давления, связанного с увеличением толщины стенок основной оболочки, или без него.

Части патрубка с выступом внутрь включают в расчет как способствующие повышению жесткости только на участке длины , в соответствии с формулой (В.12).

Для вваренных или приварных штуцеров соотношение толщин стенок до 2 допускается при 50 мм. Это условие верно также для патрубков с > 50 мм, если соотношение 0,4. Для патрубков с > 50 мм и > 0,4 соотношение не должно превышать 1. Данные условия не применяют к отверстиям для осмотра и обслуживания.

Как правило, особое внимание уделяют плавным переходам. Переходы толщины стенок должны выполняться под углом 30°. Для патрубков длина затухания до сварного шва должна составлять , как показано на рисунках В.4 и В.9;

в) путем применения упрочняющих слоев. Использование конструкций такого типа допускается только при проектной температуре, не превышающей 250°С. Упрочняющие слои должны плотно прилегать к основной оболочке. Максимальное значение их полезной ширины должно рассчитываться по формуле (В.11), при этом . Толщина такого слоя не должна превышать фактического значения толщины стенки основной оболочки . Упрочняющую способность такого слоя считают слабой для изгибающих моментов, воздействующих на патрубок, насаженный на отверстие.

Рисунок В.1 - Выпуклое днище	Рисунок В.2 - Выпуклое днище с отверстиями

Рисунок В.3 - Выпуклое днище с отбортованным (загнутым внутрь) фланцем, снабженное люком

Рисунок В.4 - Отверстия в сферических оболочках

В.2.5 Различия в эффективности элементов жесткости учитывают в расчетах путем применения коэффициента оценки эффективности в соответствии с таблицей В.2.

В.2.6 Соотношение большой и малой осей эллиптических отверстий для осмотра и обслуживания не должно превышать 1,5. Большую ось эллиптического отверстия считают расчетным диаметром.

В.2.7 При расчетах переходов их поверхность считают преимущественно гладкой. Края должны быть скруглены.

В.2.8 Отверстия должны быть расположены на достаточном расстоянии от сварных швов основной оболочки, т.е. от обоих продольных (меридиональных) швов и круговых швов. Расстояние считают достаточным, если внешний край патрубка или приварного элемента жесткости, при толщине стенки основной оболочки < 25 мм, находится на расстоянии от края сварного шва или на расстоянии не менее 50 мм при > 25 мм.

Если при проектировании возникает необходимость уменьшения указанного расстояния, это допускается только для сварных швов, которые по результатам неразрушающих испытаний в области влияния отверстия имеют коэффициент прочности = 1. Проведение испытаний сварного соединения в процессе производства не требуется. Кроме того, перекрывающий проход сварного шва в области отверстия должен быть отшлифован для устранения бороздок. Обработка продольных и круговых швов в отношении коэффициента прочности проводится аналогичным образом.

В.3 Требуемая толщина стенки

Требуемая толщина стенки сферической оболочки или выпуклого днища должна составлять

(B.1)

Требуемая толщина стенки патрубка должна составлять

(В.2)

Для проверки правильности расчета фактических сферических оболочек и днищ с толщиной стенки используют следующую формулу:

,

(В.3)

для патрубков применяют формулу

(В.4)

В.4 Конструкция

В.4.1 Сферические оболочки

В.4.1.1 Сплошные сферические оболочки

Толщина стенок без учета поправок должна составлять

(В.5)

или

(B.6)

Идентичные результаты вычислений по формулам (В.5) и (В.6) получаются только при

(В.7)

Для тонкостенных оболочек с примерным соотношением 0,1 приблизительное значение толщины стенки может быть рассчитано по формуле

(B.8)

или

(B.9)

В.4.1.2 Сферические оболочки с отверстиями

В.4.1.2.1 Сферические оболочки с вертикальным патрубком и дополнительным элементом жесткости (рисунок В.5)

В.4.1.2.1.1 Прямой расчет толщины стенки сферической оболочки невозможен из-за большого количества различных параметров. Вначале предположительное значение толщины стенки определяют экспериментально, затем правильность предположения проверяют с помощью формулы (В.10) или уточняют с последующей повторной проверкой соответственно.

Условие прочности при площади , нагружаемой давлением (на рисунке заштрихована), и поперечных сечениях , и , повышающих жесткость (перекрестно заштрихованы), определяют следующим образом:

(В.10)

Максимальное значение полезной длины, используемое в расчетах, должно составлять

,

(B.11)

(B.12)

Для патрубков с выступом внутрь следует учитывать условие по В.2.4.

Значения коэффициента оценки эффективности указаны в таблице В.2. Толщина стенки , рассчитанная по формуле (В.10), должна быть не менее значения толщины стенки , требуемого для сплошных сферических оболочек.

Рисунок В.5 - Схема нагружения для сферической оболочки с одним отверстием, усиленным с помощью трубчатого элемента жесткости и упрочняющего слоя

Таблица B.2 - Коэффициенты оценки эффективности для сферических оболочек с отверстиями, усиленными с помощью упрочняющего слоя

Конструкция (схематичное изображение)		Требования		Коэффициент оценки
1 Отверстие с упрочняющим слоем		t 250° Упрочняющий слой плотно прилегает к основной оболочке		0,7
2 Отверстие с упрочняющим слоем и сквозным соединением патрубка сварным швом с полным проплавлением			t 250° Упрочняющий слой плотно прилегает к основной оболочке Сварной шов с полным проплавлением	0,8
				0,7
а) конструкция а;	b) конструкция b

В.4.1.2.1.2 Если основная оболочка, патрубок и элементы жесткости состоят из материалов с различными допустимыми напряжениями, при этом материал основной оболочки имеет наименьшее значение допустимого напряжения, при этом материал основной оболочки имеет наименьшее значение допустимого напряжения , то в расчет всей конструкции включают это значение напряжения при условии, что вязкость материала основной оболочки незначительно превышает вязкость материалов патрубка и элемента жесткости.

В.4.1.2.1.3 Если допустимое напряжение материала патрубка или материала дополнительного элемента жесткости меньше допустимого напряжения материала основной оболочки , то для определения размеров может применяться условие прочности

(B.13)

В.4.1.2.2 Сферические оболочки с одним наклонным патрубком без дополнительного элемента жесткости

В соответствии с рисунком В.6 для одного отверстия с вертикальным патрубком и без дополнительного элемента жесткости применяют следующее условие прочности

(B.14)

Учитываемые значения полезной длины включают в расчет в соответствии с формулами (B.11) и (B.12).

При использовании материалов с различными значениями допустимого напряжения применяют В.4.1.2.1.2 и В.4.1.2.1.3 соответственно.

Толщина стенки, соответствующая условию по формуле (В.14), рассчитывается следующим образом

(B.15)

Формулу (B.15) применяют как для проверки правильности расчета фактических конструкций, так и для итерационного метода определения . Значения коэффициента эффективности получают из формул (B.12) - (B.16). Промежуточные значения получают линейной интерпретацией.

Для штампованных патрубков значение умножают на 0,9, чтобы принять в расчет потери площади поперечного сечения в ходе стандартных операций формовки.

Коэффициент эффективности также может рассчитываться как функция , , , для отверстий, полезная длина которых, согласно согласно формуле (В.11), включена в сферическую оболочку как

,

(B.16)

где

,

(B.17)

,

(B.18)

,

(B.19)

,

(B.20)

(B.21)

Значения коэффициента эффективности для сферической оболочки с одним вертикальным патрубком приведены на рисунках В.12 - В.16.

Рисунок В.6 - Схема нагружения для сферической оболочки с вертикальным патрубком

В.4.1.2.3 Сферические оболочки с одним наклонным патрубком без дополнительного элемента жесткости

Расчет сферических оболочек с одним наклонным патрубком без дополнительного элемента жесткости, как показано на рисунке В.7, проводится по 4.1.2.2.

Рисунок В.7 - Схема нагружения для сферической оболочки с наклонным патрубком

В.4.1.2.4 Сферические оболочки с несколькими патрубками

Для смежных патрубков действуют те же условия, что и для отверстий, если при расстоянии между центрами t, как показано на рисунке В.8, выполняется следующее неравенство:

(B.22)

В иных случаях расчет прочности выполняют в соответствии с рисунком В.8, при этом условие прочности выглядит следующим образом:

(B.23)

Если основная оболочка, патрубок и элемент жесткости состоят из материалов с различными допустимыми напряжениями, при этом материал основной оболочки имеет наименьшее значение допустимого напряжения, то расчет выполняют по В.4.1.2.1.2. Если значение допустимого напряжения патрубков меньше, чем у основной оболочки, то применяют следующее условие:

(B.24)

Рисунок В.8 - Схема нагружения для сферической оболочки со смежными патрубками

В.4.1.2.5 Сферические оболочки с Y-образным патрубком

Условие прочности с учетом рисунка В.9 рассчитывают следующим образом:

для зоны I

;

(B.25)

для зоны II

(B.26)

Согласно формуле (В.12) полезная длина рассчитывается по формулам

(B.27)

и

(B.28)

Рисунок В.9 - Схема нагружения для сферической оболочки с Y-образным патрубком

В.4.2 Полусферические днища

В.4.2.1 Для полусферических днищ значение толщины стенки в пределах области сварного соединения, рассчитанное по формулам (В.5) и (В.6) или (В.8) и (В.9) соответственно, следует умножать на коэффициент 1,1, кроме случаев, когда при расчете отверстия по В.4.1.2 получается большее значение толщины стенки.

В.4.2.2 В случаях, когда фактическое значение толщины стенки полусферического днища без учета поправок меньше значения толщины стенки цилиндра без потери прочности и без учета поправок, должны выполняться требования, как показано на рисунке В.10. Как правило, применяется двустороннее сварное соединение.

Рисунок В.10 - Сварное соединение полусферического днища и цилиндра с большей толщиной стенки

В.4.3 Выпуклые днища

В.4.3.1 Общие положения

В выпуклых днищах максимальное значение напряжения может возникать на участке пластического шарнира или в пределах области отверстий, в зависимости от обстоятельств, поэтому расчет проводят для обоих участков. Кроме того, для тонкостенных днищ следует учитывать опасность местной потери устойчивости в пластическом шарнире.

В.4.3.2 Участок сферической оболочки

При расположении отверстий в области выпуклой части размером расчет выполняют по В.4.1. Если отверстия расположены за пределами области выпуклой части размером , то проверку прочности проводят иным способом.

В.4.3.3 Пластический шарнир

В пределах пластического шарнира требуемая толщина стенки без учета поправок рассчитывается следующим образом:

(В.29)

Значение для сварных днищ определяют оценкой по 7.1.4. В иных случаях в расчетах применяют = 1, если сварной шов пересекает область выпуклой части размером .

Коэффициент формы , как функцию , определяют для коробовых днищ, как показано на рисунке В.17, и для сильно выпуклых коробовых днищ, как показано на рисунке В.18.

Фактическое значение толщины стенки юбки без учета поправок должно быть не менее требуемого значения толщины стенки без учета поправок для сплошной цилиндрической оболочки.

Соединение юбки с толщиной стенки, большей, чем у цилиндрической оболочки, выполняют в соответствии с рисунком В.11.

Рисунок В.11 - Соединение выпуклого днища и цилиндров с меньшей толщиной стенки

В.4.3.4 Местная потеря устойчивости с образованием пластического шарнира (потеря устойчивости с образованием пластического шарнира)

Для тонкостенных днищ ( 0,005) следует проводить проверку правильности определения размеров пластического шарнира для предотвращения местной потери устойчивости. Местная потеря устойчивости не возникает, если критическое давление потери устойчивости, определяемое по рисунку В.19 как функция , составляет

(В.30)

Расчет потери устойчивости с образованием пластического шарнира может быть включен в расчет прочности путем применения коэффициента формы , имеющего отношение к потере устойчивости. В соответствии с формулами (В.20) и (В.30)

(В.31)

Критическое давление потери устойчивости можно определить в соответствии с рисунком В.19.

Значения для показаны на рисунках В.16 и В.17 для различных значений .

В каждом случае в формулу (В.29) включают наибольшее из значений и .

B.4.3.5 Полусферические и выпуклые днища, подвергаемые внешнему давлению

Для днищ, подвергаемых внешнему давлению, применяют все требования согласно В.4.1 - В.4.3.4, касающиеся воздействия внутреннего давления, с увеличением запаса прочности на 20%.

Дополнительно следует проводить проверку потери устойчивости при упругих деформациях на участке сферической оболочки. Потери устойчивости не возникает, если критическое давление потери устойчивости, определяемое по формуле (В.32), удовлетворяет условию (В.33).

,

(В.32)

(В.33)

Для р - см. 7.1.4.4, для - см. 7.1.4.5.

Коэффициент запаса прочности определяют по таблице В.3 и включают в расчет.

В.5 Допустимое напряжение (запас прочности)

В.5.1 Для допустимых напряжений и коэффициентов запаса прочности s и s' применяют раздел 6.

В.5.2 Значения коэффициента запаса прочности при упругой потере устойчивости сферической оболочки или участка сферической оболочки выпуклого днища, например - для условий эксплуатации и - для условий испытаний, определяют по таблице В.3. Промежуточные значения получают линейной интерполяцией.

Таблица В.3 - Значения коэффициентов запаса прочности и при упругой потере устойчивости сферической оболочки

0,001	5,5	4,0
0,003	4,0	2,9
0,005	3,7	2,7
0,01	3,5	2,6
0,10	3,0	2,2

B.6 Поправки для толщины стенки

При определении значения поправки следует учитывать уменьшение толщины стенки вследствие погрешностей изготовителя (например, для литых днищ или днищ, изготовленных методом глубокой вытяжки).

B.7 Минимально допустимая толщина стенки

B.7.1 Минимальная допустимая толщина стенки должна составлять:

- 5 мм - для ферритных сталей;

- 3 мм - для цветных металлов;

- 2 мм - для нержавеющих (аустенитных и ферритных) сталей.

B.7.2 Для литых днищ минимальное значение толщины стенки зависит помимо всего прочего от процесса производства.

Рисунок В.12 - Значения коэффициента эффективности для сферических оболочек с вертикальным патрубком в зависимости от и при постоянном значении

Рисунок В.13 - Значения коэффициента эффективности для сферических оболочек с вертикальным патрубком в зависимости от и при постоянном значении

Рисунок В.14 - Значения коэффициента эффективности для сферических оболочек с вертикальным патрубком в зависимости от и при постоянном значении

Рисунок В.15 - Значения коэффициента эффективности для сферических оболочек с вертикальным патрубком в зависимости от и при постоянном значении

Рисунок В.16 - Значения коэффициента эффективности для сферических оболочек с вертикальным патрубком в зависимости от и при постоянном значении

Рисунок В.17 - Значения коэффициента формы и для коробовых днищ

Рисунок В.18 - Значения коэффициента формы и для сильно выпуклых (полуэллиптических) днищ

Рисунок В.19 - Определение критического давления потери устойчивости