3 Понятие о тонкостенных и толстостенных аппаратах

В зависимости от отношения диаметра оболочки к ее толщине условно принято разделять оболочки на толстостенные (при отношении толщины стенки к внутреннему диаметру S/D 0,1), в теории которых рассматривается трехосное напряженное состояние, и тонкостенные, (при S/D 0,1), теория которых основана на рассмотрении двухосного напряженного состояния.

Следует отметить, что в нормативной документации не принята терминология, в которой сосуды называют тонко или толстостенными.

При расчете на прочность сосудов и аппаратов (СиА) применяется ГОСТ 52857.2, в котором приводятся только условия применения расчетных формул. Например, для цилиндрических оболочек эти условия имеют следующий вид

,	для обечаек и труб при Dв  200 мм (1.12)
	для обечаек и труб при Dв  200 мм (1.13)

где c - сумма прибавок к расчетной толщине, мм.

Но в данном ГОСТе есть ссылка на ГОСТ 52630-2006, котором указывается, что нормы и методы распространяются на стальные сосуды и аппараты, работающие под давлением не более 16 МПа. Такие сосуды в научной литературе обычно относятся к тонкостенным.

Кроме этого разработан ГОСТ Р 54522-2011: Сосуды и аппараты высокого давления. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических обечаек, днищ, фланцев, крышек.

Настоящий стандарт устанавливает нормы и методы расчета на прочность при статическом нагружении сосудов и аппаратов (далее – сосудов), работающих под действием внутреннего давления свыше 10 до 130 МПа, применяемых в химической, нефтехимической промышленности, производстве минеральных удобрений и других смежных отраслях промышленности.

В данном случае сосуды и аппараты также не называются толстостенными, а называются сосудами высокого давления.

При этом хотелось обратить внимание, что границы применения расчетных формул и, соответственно, деления сосудов на тонко и толстостенные отличаются в данных ГОСТах. Для, так называемых тонкостенных, в ГОСТ 52630-2006 верхняя гранится давления равна 16 МПа, а в ГОСТ - нижняя граница, при которой начинает действовать данный ГОСТ, и ,соответственно, сосуды относятся к толстостенным, равна 10 МПа.

В данной дисциплине мы принимаем условное деление на тонкостенные и толстостенные. При этом принимаем, что граница деления соответствует внутреннему давлению, равному 10 МПа.

Применительно к листовым конструкциям большинство оболочек являются тонкостенными, для которых характерно безмоментное двухосное напряженное состояние, за исключением мест скачкообразного изменения нагрузки или формы оболочки, где возникают локальные, быстро затухающие при удалении от этих мест (краев), напряжения краевого эффекта.

В данных разделах мы будем рассматривать только тонкостенные осесимметричные оболочки.

Толстостенные будут более подробно изучаться в дисциплине «Особенности конструирования и расчета элементов в конструкциях».

4 Экономичные конструкции тонкостенных сосудов и аппаратов, их форма, типы и назначение

Большое распространение оболочек объясняется их экономичностью по сравнению с равнопрочными конструкциями, состоящими из плоских пластин. Например, при одной и той же площади F поперечного сечения сосуда и одинаковом постоянном внутреннем давлении наибольшие напряжения в стенке сосуда вдали от торцов при прямоугольной призматической форме (рисунок 1.14 а) будут в несколько десятков раз больше, чем при цилиндрической форме (рисунок 1.14 б). Это обусловлено тем, что в пластинах, образующих прямоугольный сосуд, вследствие изгиба наблюдается большая неравномерность распределения напряжений, чем в цилиндрической оболочке.

Рисунок 1.14- Прямоугольный и цилиндрический сосуды

Для упрощения и удешевления изготовления составляющим частям элементов конструкций придают простейшие геометрические формы − цилиндрическую, сферическую и коническую. Корпуса большинства сосудов и аппаратов представляют собой комбинацию этих простейших форм.

С точки зрения экономии материала и равномерного распределения напряжений, возникающих в материале стенок от нагрузок, наиболее благоприятной формой является сферическая. Сфера обладает наименьшей поверхностью на единицу объема, и при заданном давлении толщина ее стенки оказывается минимальной. Однако изготовление сферических оболочек более сложно и дорого, чем изготовление цилиндрических обечаек. Сфера − весьма неподходящая форма для размещения внутренних рабочих устройств аппарата и для организации тока взаимодействующих агентов. Поэтому сферическую форму придают или большим хранилищам для жидкостей и газов, в которых благодаря этому удается уменьшить вес конструкции (рисунок 1.15), или аппаратам, в которых наименьшее отношение их наружной поверхности к объему существенно важно для хорошей работы, как, например, в танках для жидкого кислорода.

Рисунок 1. 15 - Сферическое хранилище

В большинстве аппаратов основной рабочий объем ограничен цилиндрической обечайкой, сделанной из листового материала, или цилиндрическими обечайками с фланцами, т. е. царгами, а крышки делаются сферическими, эллиптическими или коническими.

Значительно реже применяются аппараты, ограниченные не поверхностями вращения, а плоскими стенками. Плоские стенки применяются только в аппаратуре, работающей при небольших перепадах давления. Плоские стенки невыгодны потому, что они плохо сопротивляются действующему на них давлению и расход металла на единицу полезного объема в таких конструкциях бывает более высок. Плоские стенки неудобны и из технологических соображений: их «ведет» и коробит при сварке; отливка аппаратов, ограниченных плоскими стенками, трудна и сопряжена с опасностью брака. Однако во многих случаях невозможно обойтись без применения плоских стенок, и они часто служат основными составными частями аппаратов. Такими частями являются трубные решетки теплообменников, тарелки колонных аппаратов, перегородки и т. д. При существовании перепада давлений, действующего на плоские элементы, они усиливаются ребрами, анкерными тягами, трубами и т. д