化工容器設計第十講

1、一、鞍座結構及載荷分析 二、筒體的應力計算與校核 三、鞍座設計,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,化工廠的貯槽、換熱器等設備一般都是兩端具有成型封頭的臥式圓筒形容器。容器的支座，是用來支承容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持穩(wěn)定。 。常用臥式容器支座形式主

2、要有鞍式支座、圈座和支腿三種，如圖所示。,支腿的優(yōu)點是結構簡單，但反力給殼體造成很大的局部應力，用于較輕的小型設備,鞍式支座，通常用于較重的大設備。對于臥式容器，除了考慮操作壓力引起的薄膜應力外，還要考慮容器重量在殼體上引起的彎曲，所以即使選用標準鞍座后，還要對容器進行強度和穩(wěn)定性的校核，,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,置于鞍座上的圓筒形容器與梁相似，當尺寸和載荷一定時，多支點在梁內產(chǎn)生的應力較小，支座數(shù)目似乎應該

3、多些好。但容器采用兩個以上的鞍座時，支承面水平高度不等、殼體不直和不圓等微小差異以及容器不同部位在受力撓曲的相對變形不同，使支座反力難以為各支點平均分攤，導致殼體應力趨大，因此一般情況采用雙支座。采用雙支座時，支座位置的選擇一方面要考慮到利用封頭的加強效應，另一方面又要考慮到不使殼體中因荷重引起的彎曲應力過大，所以按下述原則確定支座的位置：,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,雙鞍座臥式容器的受力狀態(tài)可簡化為受均布載

4、荷的外伸簡支梁，按材料力學計算方法可知，當外伸長度A＝0.207L時，跨度中央的彎矩與支座截面處的彎矩絕對值相等，所以一般近似取A≤0.2L，其中L取圓筒體長度(兩封頭切線間距離)，A為鞍座中心線至封頭切線的距離。如A>0.2L，則由于外伸作用而使支座截面處殼體的彎矩太大，A最大不得大于0.25L。當鞍座鄰近封頭時，則封頭對支座處筒體有加強作用。為了充分利用這一加強效應，在滿足A≤0.2L下應盡量使A≤0.5Ri(筒體內半徑)。

5、 鞍座包角? 的大小對鞍座筒體上的應力有直接關系，一般采用120o、135o、150o三種。 雙鞍座中一個鞍座為固定支座，另一個鞍座應為活動支座。,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 載荷分析,置于對稱分布的鞍座上臥式容器所受的外力包括載荷和支座反力。載荷除了操作內壓或外壓(真空)外，主要是容器的重量(包括自重、附件和保溫層重等)，內部物料或水壓試驗充水的重量。容器受重力作用時，雙鞍座臥式容器可以近似看成支承

6、在兩個鉸支點上受均布載荷的外伸簡支梁。當解除支座約束后，梁上受到如右外力的作用。,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 載荷分析,均布載荷q、支座反力F 容器本身的重量和容器內物料的重量可假設為沿容器長度的均布載荷。因為容器兩端為凸形封頭，所以確定載荷分布長度時，首先要把封頭折算成和容器直徑相同的當量圓筒。對于半球形、橢圓形和碟形等凸形封頭可根據(jù)容積相等的原則，折算為直徑等于容器直徑，長度為2/3H (凸形封頭深

7、度)的圓筒，故重量載荷作用的長度為：,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 載荷分析,均布載荷q、支座反力F 如容器總重量為2F，則作用在外伸梁上(梁全長仍為L)單位長度的均布載荷為：,對于平封頭，H＝0，則,由靜力平衡條件，對稱配置的雙鞍座中每個支座的反力就是F，或寫成：,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 載荷分析,豎直剪力V 和力偶M 封頭本身和封頭中物料的重量為(2/3H)q，

8、此重力作用在封頭(含物料)的重心上。對于半球形封頭，可算出重心的位置e=3/8H，e為封頭重心到封頭切線的距離。按照力線平移法則，此重力可用一個作用在梁端點的橫向剪力V和一個附加力偶m1來代替，即：對于平封頭的V與m1皆為零。,,,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 載荷分析,豎直剪力V 和力偶M 當封頭中充滿液體時，液體靜壓力對封頭作用一水平向外推力。因為液柱靜壓沿容器直徑呈線性變化，所以水平推力偏離

9、容器軸線，對梁的端部則形成一個力偶m2。 對液體靜壓力進行積分運算，可得到如下的結果：,,,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 載荷分析,豎直剪力V 和力偶M 對液體靜壓力進行積分運算，可得到如下的結果：將m1與m2兩個力偶合成一個力偶M：,,,顯而易見，對于半球形封頭，Ri＝H，M＝0；而平封頭，H＝0，M＝q/4×R2。,因此，雙鞍座臥式容器力學簡化為一受均布載荷的外伸簡支梁，梁的兩個端部

10、還受到橫剪力V和力偶M的作用,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(二) 內力分析,(1)彎矩 最大彎矩發(fā)生在梁跨度中央的截面和支座截面上，而最大剪力在支座截面附近。支座跨中截面的彎矩：,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(二) 內力分析,彎矩,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(二) 內力分析,彎矩,筒體在支座截面處的彎矩為：,,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分

11、析,(二) 內力分析,彎矩,C2，C3可由圖3-17、圖3-18按 H/Ri和L/Ri的比值查得。M2一般為負值，表示筒體上半部受拉伸，下半部受壓縮。,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 內力分析,剪力,剪力最大值出現(xiàn)在支座處筒體上，以圖的左支座為例，在支座左側的簡體截面上剪力為：,而支座右側筒體截面上剪力為：,對于臥式容器除了考慮由操作壓力引起的薄膜應力外，還要考慮容器總重導致筒體橫截面上的縱向彎矩和剪力?？缰?/p>

12、截面和支座截面是容器可能發(fā)生失效的危險截面。為此必須進行強度或穩(wěn)定性較核。,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,(一)筒體的軸向應力 1.鞍座跨中截面上筒體上的最大軸向應力 截面最高點 截面最低點 當P為正壓或外壓時

13、，σ分別為拉應力或壓應力,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,,,跨中截面,(一)筒體的軸向應力 2.支座截面上筒體的最大軸向應力 如果筒體橫截面上既無加強圈又不被封頭加強(即A>0.5Ri)，該截面在軸向彎矩作用下，筒體的上半部分截面發(fā)生變形，使該部分截面實際上成為不能承受縱向彎矩的“無效截面”，而剩下的下半部分截面才是承受彎矩的“有效截面”，這種情況稱為“扁塌效應”。,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒

14、體的應力計算與校核,,支座截面,(一)筒體的軸向應力 2.支座截面上筒體的最大軸向應力 計算支座處筒體的軸向彎曲正應力時，分兩種情況進行：鞍座平面上筒體有加強圈或已被封頭加強(A<0.5Ri)。由整個圓筒截面承受彎矩，不存在扁塌效應。則該截面的抗彎斷面模數(shù)為 。鞍座截面上未設置加強圈又(A＞0.5Ri)，由于扁塌效應筒體截面僅有一部分能承受彎矩，此時的截面的弧長與2D對應，,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的

15、應力計算與校核,,(一)筒體的軸向應力 2.支座截面上筒體的最大軸向應力 在截面最高點； 在截面最低點： 式中K為考慮扁塌效應使斷面模數(shù)減少的系數(shù)。 式中M2為負值。對于筒體有加強的情況，K1=K2=1.0,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算

16、與校核,(一)筒體的軸向應力 3.筒體軸向應力的校核 筒體上最大軸向應力為 ，其位置如上。 計算得到的軸向拉應力不得超過材料的許用應力 ，壓應力不得超過軸向許用臨界應力 和材料的 。,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,計算 時，應根據(jù)操作和非操作時(指無操作壓力裝滿物料或水的情況)等不同工況，找出危險工況下可能產(chǎn)生的最大應力。例如對有加強的筒體，當

17、 時，只需校核跨中截面的應力，反之兩個截面都要校核；又如：正壓操作的容器，在盛滿物料而未升壓時，其壓應力有最大值，故對穩(wěn)定應取這種工況進行校核。,(二)筒體的切向剪應力 剪力在支座截面處最大，在筒體中引起切向剪應力，有下列三種情況： 1.筒體有加強圈，但未被封頭加強，筒體不存在扁塌效應，在水平中心線處有最大值。,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,,,,(二)筒體的切向剪應力 2.筒體被封頭加強，筒體

18、上無加強圈，但鞍座靠近封頭，封頭對筒體支座截面起加強作用。,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,,(二)筒體的切向剪應力 2.筒體被封頭加強，筒體上無加強圈，但鞍座靠近封頭，封頭對筒體支座截面起加強作用。,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,,大部分剪力先由支座的右側跨過支座傳至封頭，然后又將載荷傳回到支座靠封頭的左側筒體，切向切應力的分布呈圖所示的狀態(tài)，最大切應力位于 的支座角點

19、處。,最大切應力：,封頭的最大切應力：,(二)筒體的切向剪應力 3.筒體未被加強。,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,,當支座截面上簡體既無加強圈，又未被封頭加強時，則由于存在“扁塌效應”，筒體抗剪的有效截面減少。此有效截面的范圍也為角 對應的弧段內。,最大切向剪應力在 數(shù)值也為：,但K3數(shù)值不相同。,(二)筒體的切向剪應力 4.切向切應力的校核： 鞍座處筒體的最

20、大切向切應力 的大小和位置決定于筒體的加強形式。求得的切應力值不得超過材料在設計溫度下許用應力的0.8倍和軸向許用臨界應力 即,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,封頭中的切應力，其最大值不應超過下列限制：,,(三)筒體的周向應力 支座反力在支座處筒體截面引起切向切應力，這些切應力導致在筒體徑向截面產(chǎn)生周向彎矩Mt。當支座截面上筒體有加強圈加強時，周向彎矩在鞍座邊角處有最大值。理論上最大周向彎矩為：

21、,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,作用在一有效計算寬度 l 的范圍上， l 的取值根據(jù)不同的l /Ri比值而定。,(三)筒體的周向應力當筒體截面無加強圈，封頭對支座處筒體也無加強作用，即A>0.5Ri。若封頭有加強作用，A≤0.5Ri。最大周向彎矩都在鞍座邊角處，數(shù)值上都低于支座截面有加強圈的情況，這兩種情況中的最大周向彎矩仍按上式計算，但其中系數(shù)K按表3-3選取。,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的

22、應力計算與校核,(三)筒體的周向應力,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,(三)筒體的周向應力,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,周向壓縮應力 的計算值，不得大于筒體材料設計溫度下的許用應力 ，即； 合成周向壓縮應力 應不大于設計溫度下材料許用應力的1.25倍，即 如上述條件不滿足，則可加寬支座寬度 或在簡體與支座之間加放加強板(見圖，加強板可與筒體厚度相同，寬度

23、不小于 ，包角不小于 。設置加強板以后，應以筒體計算厚度和加強板厚度之和作為厚度。由于加強板邊緣處筒體并無加強板，所以還應檢查該處的合成壓縮應力，如應力仍超出允許值，則應增加鞍座寬度或包角，或兩者同時增加，也可設置加強圈。,(三)筒體的周向應力,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,(四)鞍座設計,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,增大鞍座包角可以使筒體中的應力降低

24、，但使鞍座相應變得笨重，同時也增加了鞍座所承受的水平推力；過分地減小包角，又使容器容易從鞍座上傾倒，因此在一般情況下建議取,鞍座寬度 的大小，一方面決定于設備給予支座的載荷大小，另一方面要考慮支座處筒體內周向應力不超過允許值。,設備給予鞍座的載荷為沿包角? 對應弧段的不均勻分布的徑向力q，此載荷的水平分力將使鞍座向兩側分開，故鞍座的寬度 必須具有足夠大小。,(四)鞍座設計,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,半個鞍

25、座的水平分力的總和可以用下式表示：,(四)鞍座設計,第三節(jié) 臥式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,承受此水平分力的有效截面的高度為H，最大為筒體最低點以下 的范圍內，此截面上的平均應力不應超過支座材料許用應力值的三分之二，即：,式中： ——對鋼制鞍座取腹板厚度；對混凝土鞍座則為鞍座寬度 ，mm； Hs——計算高度，取鞍座實際高度與 中較小值 ——鞍座材料的許用應力，MPa。,在大多數(shù)情