Расчетная часть-Расчет газосепаратора, дросселя, пружины клапана-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет газосепаратора, дросселя, пружины клапана-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

7 Расчет газосепаратора, дросселя, пружины клапана.
7. 1 Прочностной расчет газосепаратора и штуцеров.
Рассчитаем корпус аппарата на прочность. Материал: Ст 09Г2С-9

〖 Ϭ〗_ф=(P*D)/2(S-C_1 )φ, (1)

где P=8.8 МПа – расчетное внутреннее избыточное давление;
D=0.8м – внутренний диаметр сосуда или аппарата;
S=0.025 м – исполнительная толщина стенки обечайки;
С1=0.002 м – прибавка для компенсации коррозии и эрозии;
=1 - коэффициент прочности сварных швов;
Ϭ_ф - фактическое напряжение, МПа.

Ϭ_ф=(8.8*800)/(2*(25-2)*1)=153 МПа.
Сравним получившийся результат с допускаемым напряжением стали 09Г2С при t0=100 0C.

Ϭ_ф<[Ϭ], (2)

где Ϭ_ф - фактическое напряжение, МПа;
[Ϭ]=160 МПа – допускаемое напряжение стали 09Г2С при t0=100 0C.

Рассчитаем диаметр обечайки сепаратора:

DR=D, (3)

где DR – расчетный диаметр обечайки, м;
D – наружный диаметр корпуса, м.

DR=0.8 м.

Расчетный диаметр для патрубка 186х25 из Ст10Г2:

〖 D〗_R=2D√(1-3 x^2/D,) (4)

где DR – расчетный диаметр для цилиндрической обечайки, м;
x – расстояние от центра укрепляемого отверстия до осей эллиптического днища, м;
D – то же, что и в формуле (1).
Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, перехода или днища, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия, а также ось, которого лежит в плоскости поперечного сечения обечайки

〖 d〗_R=d+〖2C〗_в, (5)

где dR – расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, м;
d=0.136 м. – внутренний диаметр штуцера;
Св=0.002 м – сумма прибавок к расчетной толщине стенки штуцера.

d_R=0.136+0.004=0.140 м.

Расчетная толщина стенки обечайки

〖 S〗_R^'=(P×D)/(2×[Ϭ]×φ_p-P), (6)

где S_R^' - расчетная толщина стенки обечайки, м;
D – то же, что и в формуле (1);
P=8,8 МПа – расчетное внутреннее избыточное давление;
[Ϭ]=160 МПа – допускаемое напряжение стали 09Г2С , при t0=100 0C.
=1 - коэффициент прочности сварных швов.


S_R^'=(8,8×0.8)/(2×160×1-8,8)=0.0226 м.

Расчет толщины стенки эллиптического днища произведем по формуле:

S_R^'=(P×D_R)/(4×[Ϭ]×φ-P), (7)

где S_R^' - расчетная толщина стенки эллиптического днища, м;
DR – то же, что и в формуле (3);
P=8,8 МПа – расчетное внутреннее избыточное давление;
[Ϭ]=160 МПа – допускаемое напряжение стали 09Г2С , при t0=100 0C;
=1 - коэффициент прочности сварных швов.


S_R^'=(8.8×0.016)/(4×160×1-8,8)=0.0223 м.

Расчетная толщина стенки штуцера:

〖 S〗_1R=(P×(d+2C))/(2×φ_1×[Ϭ]-P) (8)

где 〖 S〗_1R – расчетная толщина стенки штуцера, м;
d=0.136м. – внутренний диаметр штуцера;
С=0.002 м. – прибавка для компенсации коррозии и эрозии;
[Ϭ]=160 МПа – допускаемое напряжение стали 09Г2С при t0=100 0C;
P=8,8 МПа – расчетное внутреннее избыточное давление;
=1 - коэффициент прочности сварных швов.

〖 S〗_1R=(8.8×(0.136+0.004))/(2×1×160-8.8)=0.004 м.

Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки, перехода днища в окрестности штуцера определяются по формуле:

〖 l〗_R=√(D_R×(S-C)), (9)

где l_R – расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки, перехода днища в окрестности штуцера;
DR=0.8м. – расчетный диаметр обечайки;
S=0.025м. – исполнительная толщина стенки штуцера;
С=0.002 м. – прибавка для компенсации коррозии и эрозии;

l_R=√(0.8×(0.025-0.002) )=0.136 м.

Расчетные длины внешней и внутренней части штуцера, участвующего в укреплении отверстия определяются по формуле:

〖 l〗_1R=1.25×√((d+2C_S )+(S_1-C_S)) , (10)

где d=0.136м. – внутренний диаметр штуцера;
СS=0.002 м. – прибавка для компенсации коррозии и эрозии;
S1=0.025м. – исполнительная толщина стенки штуцера;
l1R – расчетная длина внешней и внутренней части штуцера, м.

l_1R=1.25×√((0.136+0.004)+(0.025-0.002) )=0.071м.

Расчетный диаметр отверстия, не требующего укрепления при отсутствии избыточной толщины стенки сосуда, производим по формуле:

〖 d〗_oR=0.4×√(D_R (S-C)) , (11)

где doR – расчетный диаметр отверстия не требующий укрепления при отсутствии избыточной толщины стенки сосуда, м;
DR=0.8м. – расчетный диаметр обечайки;
S=0.025м. – исполнительная толщина стенки штуцера;
С=0.002 м. – прибавка для компенсации коррозии и эрозии.

d_oR=0.4×√(0.8×(0.025-0.002) )=0.054м.
Условие укрепления отверстий

Для укрепления отверстия утолщением стенки сосуда или штуцера накладным кольцом, или торообразной вставкой, или отбортовкой не должно выполняться условие:

〖 l〗_1R (S_1-S_1R-C)×z_1+l_R (S-S_R-C)≥0.5(d_R-d_oR )×S_R (12)

где l1R – расчетная длина внешней и внутренней части штуцера, м;
S1=0.025м. – исполнительная толщина стенки штуцера;
〖 S〗_1R – расчетная толщина стенки штуцера, м;
С=0.002 м. – прибавка для компенсации коррозии и эрозии;
z1=1 – поправочный коэффициент при расчетах;
l_R – расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки, перехода днища в окрестности штуцера;
S=0.025м. – исполнительная толщина стенки штуцера;
S_R^' - расчетная толщина стенки эллиптического днища, м;
dR – расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, м;
doR – расчетный диаметр отверстия не требующий укрепления при отсутствии избыточной толщины стенки сосуда, м.

0.071×(0.025-0.004-0.002)×1+0.136(0.025-0.0226-0.002)≥0.5(0.014-0.054)×0.0226

0.014>0.0097

Следовательно, укрепляющие кольца не нужны.
Расчет фланцев корпусных, штуцерных и крепеж к ним не производится, т.к. прочность их гарантируется ГОСТ 12833-67.

  Расчет дросселя.
Диаметр трубы подходящей к дросселю:

D=√((4*1.1Gmax)/ρππ ), (13)

где Gmax=0.3кг/с – максимальный расход;
ρ=1.2кг/м3 – плотность газа;
π=7м/с – скорость газа в трубопроводе.
D=√((4*1.1*0.3)/(3.14*1.2*10))=0.187м.

Для установки в трубопровод с внутренним диаметром 0.187 м. выбираем дроссель с поворотной заслонкой диаметром 0.18м. Соответственно диаметр рабочего органа будет 0.178 м. для того, чтобы не касаться внутренних стенок при открытии и закрытии. Посчитаем площадь проходного сечения дросселя.

F=(π〖D_др〗^2)/4, (14)

где F – площадь проходного сечения, м2;
π=3.14
D_др=0.18м. - диаметр проходного сечения дросселя.
F_(р.о)=(3.14×〖(0.18)〗^2)/4=0.025 м^2.

Рассчитаем потерю давления при полном открытии дросселя:

ΔΡ_ромакс=ζ_ромакс (1.1G_max)/(2gρF_ро^2 ), (15)

где ΔΡ_ромакс - потеря давления при максимальном открытии, Па;
ζ_ромакс=0.6 – коэффициент расходной характеристики;
G_max=0.3 кг/с - максимальный расход газа;
g=9.8 м/с^2 – ускорение свободного падения;
ρ=1.2 кг/м^3 - плотность газа.

ΔΡ_ромакс=0.6×(1.1×0.3)/(2×9.8×1.2×0.025)=0.33 Па.

Перепад давления незначительный, поэтому не требуется изменять конструкцию дросселя. Т. к. переход внутреннего диаметра дросселя ко внутреннему диаметру штуцера составляет 0.04 м необходимо выполнить конусный переход длиною:

l=(D_(р.о.)-d)/(0.28), (16)

где Dр.о.=0.178м. – диаметр рабочего органа дросселя;
d=0.136 – внутренний диаметр штуцера;
l – длина конусного перехода. м.

l=(0.178-0.136)/(0.28)=0.15м.

7.3 Расчет размеров пружины клапана.
Учитывая, что внутреннее давление газосепаратора составляет 8.8 МПа, по справочным данным выбираем пружину 1 класса, раздел 2, позиция 219. Материал пружины Ст51ХФА ГОСТ 14959-79.
Определим жесткость пружины по формуле:

c=(F_2-F_0)/h, (17)

где с – жесткость пружины;
F2 =3500Н – сила пружины при рабочей деформации;
F0=2500Н – сила пружины при предварительной деформации;
h=3мм. – высота подъема рабочего органа.

c=(3500-2500)/3=333 Н/мм

Определим рабочее число витков пружины по формуле:

n=c_1/c, (18)

где n – число рабочих витков пружины;
с1=1532 Н/мм. – жесткость одного витка;
с=330 Н/мм. – жесткость пружины.

n=1532/330≈4.5

Определяем общее число витков по формуле:

n_1=n+n_2, (19)

где n1 – общее число витков пружины;
n=4.5 – число рабочих витков пружины;
n=1.5 – число нерабочих витков пружины.

n_1=4.5+1.5=6

Найдем средний диаметр пружины по формуле:

D=D_1-d, (20)

где D – средний диаметр пружины, м;
D1=0.05 – наружный диаметр пружины;
d=0.01 – диаметр проволоки.

D=0.05-0.01=0.04м.

Найдем предварительную деформацию пружины по формуле:

s_1=F_1/c, (21)
где s1 – предварительная деформация пружины;
F1=3000 Н – сила пружины при предварительной деформации;
с=333 Н/мм. – жесткость пружины.

s_1=3000/333/1000=0.009м.

Аналогично найдем рабочую и максимальную деформацию пружины:

s_2=F_2/c, (22)

где s2 – рабочая деформация пружины;
F2=3500 Н – сила пружины при рабочей деформации;
с=333 Н/мм. – жесткость пружины.

s_2=3500/333/1000=0.0106 м.

s_3=F_3/c, (23)

где s3 – максимальная деформация пружины;
F3=4000 Н – сила пружины при рабочей деформации;
с=333 Н/мм. – жесткость пружины.

s_3=4000/333/1000=0.012 мм.

Найдем длину пружины при максимальной деформации:

l_3=(n_1+1-n_3 )×d, (24)

где l3 – длина пружины при максимальной деформации, м;
n1=6 – общее число витков пружины;
n3=1.5 – число торцевых витков;
d=10мм. – диаметр проволоки.

l_3=(6+1-1.5)×10/1000=0.055м.

Тогда длина пружины в свободном состоянии:

l_0=l_3+s_3, (25)

где l3=55 мм. – длина пружины при максимальной деформации;
l0 – длина пружины в свободном состоянии;
s3=12мм. – максимальная деформация пружины.

l_0=55/1000+12/1000=0.067м.

Отсюда найдем длину пружины при предварительной деформации:

l_1=l_0-s_1, (26)

где l1 – длина пружины при предварительной деформации;
l0=67 мм. – длина пружины в свободном состоянии;
s1 =9 мм. – предварительная деформация пружины.

l_1=67/1000-9/1000=0.058м.
Найдем теперь рабочую длину пружины:

l_2=l_0-s_2, (27)

где l2 – длина пружины при рабочей деформации;
l0=67 мм. – длина пружины в свободном состоянии;
s2 =10.6 мм. – предварительная деформация пружины.

l_2=67/1000-10.6/1000=0.054 м.

Шаг пружины в свободном состоянии:

t=s_3^'+d, (28)

где t – шаг пружины в свободном состоянии;
s_3^'=2.6 мм. – максимальная деформация одного витка пружины;
d=10 мм. – диаметр одного витка пружины.

t=2.6/1000+10/1000=0.0126 м.