16.Критерии прочности материалов, коэффициент запаса, влияние температуры.
В зависимости от практических целей выполняют проектные или проверочные расчеты на прочность.
Проектные расчеты выполняются при проектировании новых машин и аппаратов. Их выполнение, как правило, сочетают с элементами конструирования (т. е. выбор для определенных элементов определенной конфигурации, конструктивным заданием отдельных размеров, определение которых расчетным путем нецелесообразно).
Проверочные расчеты выполняются для проверки возможности использования выбранного аппарата в конкретных условиях эксплуатации. Определяются фактически возникающие в элементах напряжения и сравниваются с допускаемыми при заданных температурах.
2.2.1. Определение допускаемых напряжений
Напряжение, при котором обеспечивается прочность аппарата с расчетным запасом и минимальным расходом конструкционного материала, называют допускаемым напряжением:
Допускаемое напряжение для углеродистых и низколегированных сталей определяется по формуле:
[σ]
= η ∙ min (σт или
/
nт;
/nв;
/nд;
/
nп);
где η (эта)– поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата, принимают от 0,7 до 1,0 в зависимости от категории опасности химических продуктов, как правило, всегда равен 1,0 за исключением стальных отливок (для них η = 0,7–0,8);
–
предел
текучести материала при расчетной
температуре;
–
предел прочности на растяжение (временное
сопротивление) при расчетной температуре
t0;
– условный предел текучести, при котором остаточное удлинение составляет 0,2%;
–среднее значение предела длительной прочности за 105 ч при расчетной температуре;
– средний 1%-ный предел ползучести за 105 ч при расчетной температуре;
nв, nт, nд – коэффициенты запаса прочности по пределу прочности, пределу текучести, пределу длительной прочности;
Таблица2
Значения коэффициентов запаса прочности
Условия нагружения |
Запас прочности |
|||
nв |
nт |
nд |
nп |
|
Рабочие условия |
2,4 |
1,5 |
1,5 |
1 |
Гидравлические испытания |
1,1 |
- |
- |
- |
Для широко используемых в химическом машиностроении марок сталей значения допускаемых напряжений для рабочих условий, рассчитанные согласно формуле, при значении η = 1 приведены в справочниках (Лощинский, Толчинский Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: справочник. – 1970; Смирнов Толчинский Конструирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств: справочник. – Л., 1988) и по ГОСТ 14249–80.∙В таблице 1 приведены значения допускаемые напряжения при различных температурах для углеродистых и легированных сталей.
Таблица 1
Допускаемые напряжения для углеродистых и легированных сталей
tR,°C |
Допускаемое напряжение [σ], МПа |
||
ВСт3 |
10Г2 |
15Х5М |
|
20 |
140 |
180 |
146 |
… |
|
|
|
400 |
85 |
92 |
105 |
При температурах ниже 20°С и отрицательных расчетных температурах значение [σ] принимают равным [σ] при температуре 20°С.
Упругие свойства металлов характеризуются значениями модуля продольной упругости Еt, МПа, и коэффициентом Пуансона μ. Эти значения используются при расчетах на устойчивость формы.
Еt характеризует жесткость материала и его способность противостоять деформации, рассчитывается по закону Гука:
Еt
=
где ε – относительная продольная деформация.
Значения модуля продольной упругости Е приводятся в ГОСТе 14249–80 (приложение 4) либо в справочниках.
Коэффициент Пуансона – безразмерная величина, характеризующая способность металла к поперечной деформации. Значения коэффициента μ изменяются в следующих пределах: 0 ≤ μ ≤ 0,5. Для основных сортов сталей μ = 0,3.
При расчете на прочность и устойчивость сварных элементов аппаратов в расчетные формулы вводят коэффициент прочности сварных швов, значение которого зависит от типа шва и условий сварки [приложение 5].
Таблица
Коэффициенты прочности сварного шва
Вид сварного шва |
Коэффициент прочности сварного шва |
|
Длина контролируемых швов составляет 100% общей длины |
Длина контролируемых швов составляет от 10 до 50% общей длины |
|
Стыковой или тавровый с двухсторонним проваром, выполненный автоматической и полуавтоматической сваркой |
1,0 |
0,9 |
Стыковой с под варкой корня шва или тавровый с двухсторонним сплошным проваром, выполняемый вручную |
1,0 |
0,9 |
Стыковой, доступный к сварке только с одной стороны и имеющий в процессе сварки металлическую подкладку со стороны корня шва, прилегающую по всей длине шва к основному металлу |
0,9 |
0,8 |
Стыковой, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой с одной стороны с флюсовой или керамической подкладкой |
0,8 |
0,65 |
Втавр с конструктивным зазором свариваемых деталей |
0,9 |
0,8 |
Стыковой, выполняемый вручную с одной стороны |
0,9 |
0,65 |