Расчет рам металлоконструкций и решеток катализатора аппаратов нефти и газа

Константин Владимирович Ефанов

Разработана методика ручного расчета плоских статически неопределимых рам решеток на нагрузку, действующую перпендикулярно плоскости рамы. Описан расчет конструктивных элементов решеток катализатора, используемых в нефтяных и газовых аппаратах, приведены указания по расчету несущих рам металлоконструкций блоков аппаратов.Для несущей балки решетки катализатора подробно рассмотрен вопрос оценки напряженного состояния.Для конструкторов металлоконструкций и технологического оборудования нефтепереработки и газопереработки.

Константин Ефанов

Расчет рам металлоконструкций и решеток катализатора аппаратов нефти и газа

Введение

В практике часто возникает необходимость ручных расчетов на прочность плоских рам, сваренных из стержней металлопроката (прямоугольные пластины, швеллеры, двутавры) от действия нагрузки, приложенной перпендикулярно плоскости рамы. Примерами таких рам являются решетка катализатора в аппаратах нефтепереработки (реакторах и сепараторах), рамах аппаратов в блочном исполнении (аппараты, обвязка и арматура расположены на одной несущей раме, конструкция не относится к объектам капитального строительства), железнодорожных платформах.

В учебной литературе по сопротивлению материалов и строительной механике показан только расчет плоских рам от действия нагрузок, лежащих в плоскости рам и отсутствует методика расчета на нагрузку, приложенную перпендикулярно плоскости рамы. Для того, чтобы применить знания сопротивления материалов для самостоятельной записи выкладок расчета на перпендикулярную нагрузку, необходимо глубокое знание и умение применить расчетные формулы. Это является достаточно трудоемким. Назначение настоящей работы состоит в представлении такой методики для возможности е быстрого применения для расчета рам.

Плоская рама является стержневой системой, т.е. состоящей из тонкостенных стержней конструкцией. Расчет рамы состоит в расчете тонкостенной стержневой системы. Для строительных металлоконструкций расчет заключается в расчете пространственных стержневых конструкций. Но для строительных конструкций расчет выполняется по предельным нагрузкам, а для машиностроительных изделий по допускаемым напряжениям.

На современной уровне расчеты выполняют методом конечных элементов в специальных компьютерных программах. Строительные конструкции рассчитывают в программах lira, SCAD, Robot и др. В этих же программах можно заложить плоскую раму и выполнит её расчет, но только для рам КМ (конструкций металлических), сваренных из металлопроката. Расчет машиностроительных изделий МКЭ выполняется в программах МКЭ таких как Ansys, SolidWorks Simulation и др. Для расчета таких рам, как рамы платформ, решетки катализатора лучше применять программы МКЭ, предназначенные для расчета машиностроительных изделий. Рама решетки катализатора имеет поперечные балки с прорезями, в которые устанавливаются продольные балки, и такую раму лучше рассчитывать в МКЭ типа Ansys или вручную методом строительной механики (методом сил) или упрощенно методом сопротивления материалов (просто расчет балок на изгиб).

Расчет методом конечных элементов является более теоретически обоснованным по сравнению с методами сопротивления материалов, но последние необходимо знать для понимания поведения конструкции (чувствовать конструкцию) в описании простыми формулами математического аппарата сопротивления материалов. Проектировщик (конструктор) должен иметь представление о распределении напряжений, о виде эпюр усилий и моментов в раме. Для расчетов МКЭ необходимо построение 3D может конструкции, специальные программы, для ручных расчетов достаточно нарисовать схему рамы в тетрадке. Ручной расчет может быть предварительным перед детальным расчетом МКЭ.

В практике автора был случай, когда был доступен только ручной расчет, в том случае это был единственный способ подтвердить прочность конструкции решетки катализатора.

В решетках катализатора нагрузка складывается от действия веса катализатора и действия усилия от давления на поверхность катализа