臥式容器應力校核

1、第三章 壓力容器總體設計問題,潘家禎華東理工大學機械與動力工程學院,第三章 壓力容器總體設計問題,2,第一節(jié) 總體設計問題概述第二節(jié) 開孔及補強設計第三節(jié) 臥式容器支座設計第四節(jié) 局部應力計算第五節(jié) 容器設計中的結構設計問題,第三章 壓力容器總體設計問題,第三章 壓力容器總體設計問題,3,一、總體結構分析及局部應力問題 二、容器設計中的結構設計問題,第三章 壓力容器總體設計問題第一節(jié) 總體設計

2、問題概述,第三章 壓力容器總體設計問題,4,第一節(jié) 總體設計問題概述一、總體結構分析及局部應力問題,化工容器可以分為許多基本部件，臥式容器分解部件的情況如圖所示。除支座以外的各種部件都是承受壓力載荷的部件，可稱為基本受壓部件，而不受壓力載荷的部件（如支座）則稱為非受壓部件。,第三章 壓力容器總體設計問題,5,當將各個部件組合成容器整體時，會碰到一系列問題：1、如封頭與筒體的連接，由于總體結構幾何不連續(xù)的存在將會產(chǎn)生不連續(xù)應力。2

3、、容器接管開孔及與容器圓筒體的連接破壞了容器筒體內(nèi)薄膜應力分布的連續(xù)性，會產(chǎn)生不連續(xù)應力和應力集中。3、容器將受到各種各樣的局部（機械）載荷作用，這些載荷不同于壓力載荷，將在容器殼體上產(chǎn)生疊加在內(nèi)壓薄膜應力之上的局部應力。局部應力的求解方法比較復雜，至今也沒有統(tǒng)一的方法。,第一節(jié) 總體設計問題概述一、總體結構分析及局部應力問題,第三章 壓力容器總體設計問題,6,1.局部應力： 常常是疊加在由壓力引起的薄膜應力之上的應力，

4、多數(shù)是局部彎曲應力（也有沿壁厚均勻分布的薄膜應力），局部應力有時會達到很高的數(shù)值，而且一般不具備軸對稱性，局部應力過高可能會導致結果出現(xiàn)局部的過度變形而使結構發(fā)生彈塑性失效。 由于局部應力的作用范圍有限，一般應作局部強度校核來確定是否需要局部加強及如何加強。,第一節(jié) 總體設計問題概述二、容器設計中的結構設計問題,第三章 壓力容器總體設計問題,7,2.總體結構幾何不連續(xù)而產(chǎn)生的不連續(xù)應力 不連續(xù)應力有局部性和自限性

5、，只要在結構上有妥善考慮，一般對強度不會有嚴重威脅。因而相關殼體的強度設計只考慮薄膜應力而不考慮不連續(xù)應力。必要時，也應加以考慮，例如凸形封頭設計中的形狀系數(shù)，其中就包含了對不連續(xù)應力影響的考慮。一般來說，結構不連續(xù)應力雖然總是存在的，由于對容器的安全不會有很大影響，在結構的部件強度計算和結構設計中給與足夠的考慮即可。所以常規(guī)的容器設計方法中就可避免進行不連續(xù)應力的繁復計算。從而使常規(guī)設計方便而又保證安全。,第一節(jié) 總體設計問題概述

6、二、容器設計中的結構設計問題,第三章 壓力容器總體設計問題,8,3. 應力集中 應力集中常常發(fā)生在容器上有過渡圓角的地方，分布范圍很小，常規(guī)設計中不予計算，只是在疲勞設計時才予考慮，至于容器接管根部，既存在過渡圓角的應力集中，也存在開孔削弱等問題，比較復雜。 局部應力的求解方法比較復雜，也沒有統(tǒng)一的方法。只能按具體對象分別求解，有時甚至無法求解，只能按實驗測定或數(shù)值計算方法求出。,第一節(jié) 總體設計問題概述二、容器設計

7、中的結構設計問題,第三章 壓力容器總體設計問題,9,第一節(jié) 總體設計問題概述二、容器設計中的結構設計問題,本章要討論的容器設計問題主要涉及兩大類結構問題：1、如何從強度上合理進行結構設計的問題。2、如何進行焊接結構設計的問題。,第三章 壓力容器總體設計問題,10,1、如何從強度上合理進行結構設計的問題 從強度上考慮主要是設計時如何使結構的不連續(xù)應力、局部應力及應力集中盡可能的減小，或者如何進行合理的局部補強，還涉及到結構

8、的工藝性問題。實際上在作部件設計時已經(jīng)涉及到結構設計問題，例如封頭設計和法蘭設計本身都有許多結構設計問題。本章主要從部件組成容器整體時所需考慮的一些結構問題進行分析。,第一節(jié) 總體設計問題概述二、容器設計中的結構設計問題,第三章 壓力容器總體設計問題,11,2、如何進行焊接結構設計的問題 容器的各個部件進行組裝時都需要經(jīng)過焊接，對焊接進行質(zhì)量控制是整個容器質(zhì)量保證體系中最重要的一環(huán)，作為容器設計環(huán)節(jié)必須對容器各個部分焊接

9、接頭的結構進行合理的設計，這就是焊接結構設計問題。 化工受壓容器對焊接質(zhì)量的要求是所有焊接設備中要求最高的一種。焊接接頭的結構涉及到接頭的形式及接頭的坡口形式、幾何尺寸等等。,第一節(jié) 總體設計問題概述二、容器設計中的結構設計問題,第三章 壓力容器總體設計問題,12,一、開孔應力集中及應力集中系數(shù)二、開孔補強設計的要求三、等面積補強計算,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),第三章 壓力容器總體設計問

10、題,13,容器開孔接管后在應力分布與強度方面會帶來下列影響: (1) 開孔破壞了原有的應力分布并引起應力集中。 (2) 接管處容器殼體與接管形成結構不連續(xù)應力。 (3) 殼體與接管連接的拐角處因不等截面過渡而引起應力集中。 上述三種因素均使開孔或開孔接管部位的引力比殼體中的膜應力大，統(tǒng)稱為開孔或接管部位的應力集中。,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),第三章 壓力容器總體設計問題,14,常用應力集中系

11、數(shù)Kt來描述開孔接管處的力學特性。若未開孔時的名義應力為σ，開孔后按彈性方法計算出的最大應力為σmax，則彈性應力集中系數(shù)為壓力容器設計中對于開孔問題研究的兩大方向是：研究開孔應力集中程度，估算Kt值；在強度上如何使因開孔受到的削弱得到合理的補強。,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),第三章 壓力容器總體設計問題,15,1.平板開小孔的應力集中平板開孔的最大應力在孔邊 處

12、孔邊沿r=a處：,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),第三章 壓力容器總體設計問題,16,(一)開孔的應力集中 1.平板開小孔的應力集中,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),應力集中系數(shù)：,p101, (3-2),第三章 壓力容器總體設計問題,17,2.薄壁球殼開小圓孔的應力集中,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),第三章 壓力容器總體設計問題,18,3.薄壁圓柱開小

13、圓孔的應力集中 孔邊處r=a，,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),最大應力在孔邊，應力集中最嚴重。 孔邊應力集中有局部性，衰減較快。,第三章 壓力容器總體設計問題,19,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),上述內(nèi)容僅涉及開孔，若開孔處有接管相連時，開孔處因殼體與接管之間在內(nèi)壓作用下發(fā)生變形協(xié)調(diào)而導致不連續(xù)應力出現(xiàn)。,第三章 壓力容器總體設計問題,20,(二)開孔并帶

14、有接管時的應力集中 這種情況下的應力為局部應力，并很快衰減。最大應力是球殼開孔邊外側的環(huán)向應力，應力集中系數(shù)在2以上。圓柱殼開孔后與接管之間的變形協(xié)調(diào)及附加彎曲應力也有同樣的性質(zhì)，但由于理論分析的復雜性，未必能得到滿意的理論解，有時還的借助試驗測定或有限元等數(shù)值解的方法求的結果。,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),第三章 壓力容器總體設計問題,21,(三) 應力集中系數(shù)的計算,第二節(jié) 開孔及補強設

15、計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),應力指數(shù)法是美國壓力容器研究委員會(PVRC)以大量實驗分析為依據(jù)的一種簡易的計算殼體(包括封頭)和接管連接處最大應力的簡易方法，現(xiàn)已列入ASME-Ⅲ、ASME-Ⅷ—2和JISB 8250等規(guī)范中。中國壓力容器的分析設計標準(JB 4732—95)附錄C中也列入此法。,接管處的三向應力如圖3—6所示，是所考慮截面上的經(jīng)向應力st、徑向應力sr、法向應力sn。應力指數(shù)I(也有用K)是指所考慮的各應力分量

16、與容器在無開孔接管時的周向計算薄膜應力之比，其含義實際上類同于前述的應力集中系數(shù)。,第三章 壓力容器總體設計問題,22,(三) 應力集中系數(shù)的計算,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),對于球殼和成型封頭：,該法僅適用于單個開孔接管，且Di／tn≤lOO，di／Di≤0.5，此外接管根部的內(nèi)外側均需按規(guī)范給出足夠的過渡圓角及加強高度尺寸。應力指數(shù)法也僅考慮受內(nèi)壓載荷時的應力集中。,對于圓柱殼：,第三章 壓力容器總體

17、設計問題,23,(三) 應力集中系數(shù)的計算,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),應力指數(shù)與應力集中系數(shù)Kt的區(qū)別：,應力指數(shù) I 是指所考慮點(可以是一個或數(shù)個點)的應力分量(sθ、 st 、sr)與容器無開孔接管時的周向計算薄膜應力之比。 應力集中系數(shù)Kt主要指結構某一局部區(qū)域具有最大應力分量的點(只有一個點)的最大應力分量與無應力集中時的計算應力(對容器來說也是無開孔接管時的周向計算薄膜應力)之比。因此K

18、t更具有代表結構特性的含義，一個局部區(qū)域只有一個Kt值。Kt的大小可以衡量結構應力集中的優(yōu)劣。結構的應力指數(shù) I 可以有多個(如拐角的內(nèi)側、外側、不同方向)，而且不一定是最大的(第六章疲勞設計中還論述此問題)。,第三章 壓力容器總體設計問題,24,(三)應力集中系數(shù)的計算,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),2.球殼開孔接管處應力集中系數(shù)曲線,為便于設計、對不同直徑的和不同厚度的殼，帶有不同直徑與厚度的接管，按理

19、論計算得到的應力集中系數(shù)綜合繪制成一組組曲線。圖3-7為球殼帶平齊式接管在內(nèi)壓作用下的應力集中系數(shù)圖。,第三章 壓力容器總體設計問題,25,(三)應力集中系數(shù)的計算,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),2.球殼開孔接管處應力集中系數(shù)曲線,圖3—8為內(nèi)伸式接管的圖 圖中采用了與應力集中系數(shù)相關的兩個無因次的結構幾何參數(shù)，也是通過理論分析得出的兩個幾何相似準數(shù)。其一是開孔系數(shù) ? ：,第三章 壓力容器總體設計問題

20、,26,(三)應力集中系數(shù)的計算,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),2.球殼開孔接管處應力集中系數(shù)曲線,另一個無因次量為t /T,由圖可知，當? 越大，即開孔直徑越大時應力集中系數(shù)越高。相反，減小孔徑，增大殼壁厚度均可降低應力集中系數(shù)。,另外，內(nèi)伸式接管的應力集中系數(shù)較低，尤其是內(nèi)伸接管壁厚較厚時能有效地降低應力集中。,第三章 壓力容器總體設計問題,27,(三)應力集中系數(shù)的計算,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開

21、孔應力集中及應力集中系數(shù),2.球殼開孔接管處應力集中系數(shù)曲線,上述應力集中系數(shù)曲線有一定的適用條件。當 過小或過大時上述曲線均會有較大的誤差，因此第一個適用條件為：,其次，當殼壁過厚，即Rm／T 過小時，應力沿壁厚分布的不均勻性增大，應力集中系數(shù)將明顯比圖示值減小，但Rm／T 過大時，即極薄容器的情況，因不連續(xù)效應施加給殼體的附加彎曲效應更為明顯，使Kt值明顯過大，使實際的應力集中系數(shù)比曲線偏大：因此第二個限制條件為：,第三章

22、 壓力容器總體設計問題,28,2.球殼開孔接管處應力集中系數(shù)曲線,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),上述圖線也可推廣到球殼局部補強的情況。如圖3-9所示，此時將開孔系數(shù)? 中的厚度T 改為T ’ 即可。這是因為開孔接管處的應力集中有局部性，超過一定范圍后T ’ 變?yōu)門 時，對應力集中系數(shù)也沒有什么影響了。嚴格地講應將補強部分的厚度T ’視為整體壁厚。,第三章 壓力容器總體設計問題,29,3.橢圓形封頭開孔的應力集

23、中系數(shù),第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),橢圓形封頭中心區(qū)開孔接管處的應力集中系數(shù)也可以近似地采用上述球殼開孔接管的曲線，只要將橢圓中心處的曲率半徑折算為球的半徑即可：,第三章 壓力容器總體設計問題,30,4.圓筒開孔接管及其他情況的應力集中系數(shù)圓筒上的開孔接管應力集中系數(shù)可采用上述球殼開孔接管的曲線近似的用于圓筒上，也有一些經(jīng)驗曲線可使用。當球殼或圓筒上的接管上作用有軸向力、剪力或彎矩，可先求出各自的最大

24、應力，再進行代數(shù)疊加而得到。,第二節(jié) 開孔及補強設計一、開孔應力集中及應力集中系數(shù),第三章 壓力容器總體設計問題,31,開孔部分的應力集中將引起殼體局部的強度削弱，若開孔很小并有接管，且接管又能使強度的削弱得以補償，則不需另行補強。若開孔較大，就要采取適當?shù)难a強措施。一般容器只要通過補強將應力集中系數(shù)降低到一定的范圍即可。按“疲勞設計”的容器必須嚴格限制開孔接管部位的最大應力。經(jīng)過補強后的接管區(qū)可以使應力集中系數(shù)降低，但不能消除應

25、力集中。,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,第三章 壓力容器總體設計問題,32,(一)允許不另行補強的最大開孔直徑由于各種強度富余量的存在，容器開孔并非都要補強。 a.不另行補強的最大孔徑為 b.當兩孔中心之間的間距大于兩孔直徑之和的兩倍 時，則每一孔均可視為單個開孔。,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,第三章 壓力容器總體設計問題,33,(二)最大開孔的限制 由于殼體上開孔越大

26、開孔系數(shù)ρ越大，應力集中系數(shù)也越大，因此規(guī)范設計中對開孔的最大值加以限制。各國規(guī)范的規(guī)定相差不大，中國容器標準中對最大開孔直徑的限制如下：,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,第三章 壓力容器總體設計問題,34,1.補強圈補強,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,(三) 補強元件的類型,2.接管補強,3.整鍛件補強,第三章 壓力容器總體設計問題,35,1.補強圈補強 優(yōu)點：結構簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐

27、富。 缺點：補強區(qū)域分散，與殼體搭焊連接，抗疲勞性能差。不能與殼體表面貼合，在中溫以上使用時殼壁局部熱應力較大， 常用場合：中低壓容器，材料的屈服強度低于540MPa、補強圈的厚度小于1.5T、殼體壁厚T 不大于38mm。,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,(三) 補強元件的類型,第三章 壓力容器總體設計問題,36,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,(三) 補強元件的類型,2.接管補強

28、優(yōu)點：補強區(qū)集中于開孔應力最大的地方，比補強圈更能有效地降低應力集中系數(shù)，而且結構簡單，只需一段厚壁管即可，制造與檢驗都方便。 缺點：必須保證全焊透。 常用場合：低合金鋼容器或某些高壓容器。,第三章 壓力容器總體設計問題,37,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,(三) 補強元件的類型,3.整鍛件補強 優(yōu)點：補強區(qū)域更集中在應力集中區(qū)，能最有效地降低應力集中系數(shù)，而且全部焊接接頭容易成為對接焊，易探傷，質(zhì)量易

29、保證。這種補強件的抗疲勞性能最好，疲勞壽命僅降低10％一15％。 缺點：鍛件供應困難，制造煩瑣，成本較高。 常用場合：只用于重要的設備，如高壓容器，核容器及材料屈服強度在500MPa以上的容器等。,第三章 壓力容器總體設計問題,38,(四)補強圈和焊接的基本要求 大多數(shù)中低壓化工容器采用補強圈補強，最常用的是外補強的平齊接管式，只有在僅靠單向補強不足以達到補強要求時才采用內(nèi)外雙面補強結構。 補強圈與接管及與殼體的焊接是填

30、角焊及搭焊，視容器操作條件及設計要求決定是否全焊透。,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,第三章 壓力容器總體設計問題,39,(五) 開孔補強的設計準則,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,1.等面積補強準則 在有效的補強范圍內(nèi)，殼體處本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積A不應少于開孔所減少的有效截面積A0。即：,這種以通過開孔中心的縱截面上的投影面積來衡量的補強設計方法，具有使開孔后截面的平均應力不致升

31、高的含義。在一般情況下可以滿足開孔補強的需要，方法簡便，我國的容器標準采用的主要是這種方法。,但是等面積法忽視了開孔處應力集中與開孔系數(shù)的影響，相同大小的孔，殼體直徑很大時? 較小，強度削弱就少，反之殼體直徑很小時? 很大，造成的削弱也大。因此等面積法有時顯得富裕，有時顯得不足。,第三章 壓力容器總體設計問題,40,(五)開孔補強的設計準則,第二節(jié) 開孔及補強設計二、開孔補強設計的要求,2.極限分析補強設計準則 由于開孔只造

32、成殼體的局部強度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個截面進入塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動，此時的載荷便為極限載荷。利用塑性力學方法對帶有整體補強的開孔補強結構求解出塑性失效的極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來進行補強結構設計，即以大量的計算可以定出補強結構的尺寸要求，使其具有相同的應力集中系數(shù)。,第三章 壓力容器總體設計問題,41,第二節(jié) 開孔及補強設計三、等面積補強計算,第三章 壓力容器總體設計問題,42,第二節(jié) 開孔及

33、補強設計三、等面積補強計算,開孔削弱的截面積：,,管壁削弱的面積,接管的名義厚度,第三章 壓力容器總體設計問題,43,(二)有效補強范圍等面積補強法認為在右圖中的WXYZ的矩形范圍內(nèi)補強是有效的。超過該范圍的補強沒有作用。,第二節(jié) 開孔及補強設計三、等面積補強計算,,第三章 壓力容器總體設計問題,44,(三)補強區(qū)內(nèi)補強金屬面積A有效補強區(qū)WXYZ內(nèi)可作為有效補強金屬的面積有以下幾種：,第二節(jié) 開孔及補強設計三、等面積補強

34、計算,A1,A2,A3,A4,第三章 壓力容器總體設計問題,45,(三)補強區(qū)內(nèi)補強金屬面積A,第二節(jié) 開孔及補強設計三、等面積補強計算,A1,A2,A3,A4,第三章 壓力容器總體設計問題,46,以上是殼體上單個開孔的等面積補強方法，工程上有時還會碰到并聯(lián)開孔的情況，如果各相鄰孔之間的孔心距小于兩孔平均直徑的兩倍，則這些相鄰孔就不可以再以單孔論處，而應作并聯(lián)開孔進行聯(lián)合補強。另外還有開排孔、平板蓋開孔的情況，其補強設計方法可按照《

35、鋼制壓力容器》標準中第六章的相應規(guī)定進行。對于成型封頭開孔大小超過Di/2時，也超出了等面積補強的規(guī)定適用范圍，此時可采用“變徑段”結構作過渡。,第二節(jié) 開孔及補強設計三、等面積補強計算,第三章 壓力容器總體設計問題,47,一、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,第三章 壓力容器總體設計問題,48,第三節(jié)

36、 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,第三章 壓力容器總體設計問題,49,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。臥式容器由支座來承擔它的重量及固定在某一位置上。常用臥式容器支座形式主要有鞍式支座、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

37、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，,第三章 壓力容器總體設計問題,50,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(nèi)產(chǎn)生的應力較小，支座數(shù)目似乎應該多些好。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

38、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：,第三章 壓力容器總體設計問題,51,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

39、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，則封頭對支座處簡體有加強作用。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(nèi)半徑)。 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。

40、雙鞍座中一個鞍座為固定支座，另一個鞍座應為活動支座。,第三章 壓力容器總體設計問題,52,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(nèi)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(nèi)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

41、到如下外力的作用。,第三章 壓力容器總體設計問題,53,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,(1)均布載荷q、支座反力F 容器本身的重量和容器內(nèi)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 (凸形封頭深度)的圓筒，故重量載

42、荷作用的長度為：,第三章 壓力容器總體設計問題,54,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,(1)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?qū)懗桑?第三章 壓力容器總體設計問題,55,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,(2)豎直

43、剪力V 和力偶M 封頭本身和封頭中物料的重量為(2/3H)q，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。,,,第三章 壓力容器總體設計問題,56,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,(2)豎直剪力V 和力偶M

44、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：,,,第三章 壓力容器總體設計問題,57,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,(2)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：將式(3—20)的m1與式(3—21)的m2兩個力偶合成

45、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。,,,第三章 壓力容器總體設計問題,58,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 內(nèi)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：,第三章 壓力容器總體設計問題,59,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 內(nèi)力分析,(

46、1)彎矩,第三章 壓力容器總體設計問題,60,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 內(nèi)力分析,(1)彎矩,筒體在支座截面處的彎矩為：,第三章 壓力容器總體設計問題,61,第三節(jié) 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 內(nèi)力分析,(1)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。,第三章 壓力容器總體設計問題,62,第三節(jié)

47、 臥式容器支座設計一、鞍座結構及載荷分析,(一) 內(nèi)力分析,(2)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：,第三章 壓力容器總體設計問題,63,對于臥式容器除了考慮由操作壓力引起的薄膜應力外，還要考慮容器質(zhì)量導致筒體橫截面上的縱向彎矩和剪力。跨中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

48、力計算與校核,第三章 壓力容器總體設計問題,64,(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 軸向最高點 軸向最低點 當P為正壓或外壓時，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,,,

49、跨中截面,第三章 壓力容器總體設計問題,65,(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、筒體的應力計算與校核,,支座截面,第三章 壓力容器

50、總體設計問題,66,(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、筒體的應力計算與校

51、核,第三章 壓力容器總體設計問題,67,,(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

52、設計二、筒體的應力計算與校核,第三章 壓力容器總體設計問題,68,(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

53、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 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。,第三章 壓力容器總體設計問題,69,(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

54、容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,,第三章 壓力容器總體設計問題,70,(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,,第三章 壓力容器總體設計問題,71,(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

55、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 的支座角點處。,最大切應力：,封頭的最大切應力：,第三章 壓力容器總體設計問題,72,(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

56、效截面的范圍也為角 對應的弧段內(nèi)。,最大切向剪應力在 數(shù)值也為：,但K3數(shù)值不相同。,第三章 壓力容器總體設計問題,73,(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

57、切應力，其最大值不應超過下列限制：,,第三章 壓力容器總體設計問題,74,(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：,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。,第三章 壓力容器總體設計問題,7

58、5,(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、筒體的應力計算與校核,第三章 壓力容器總體設計問題,76,(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,第三

59、章 壓力容器總體設計問題,77,(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,第三章 壓力容器總體設計問題,78,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 不小于

60、 ，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,第三章 壓力容器總體設計問題,79,(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

61、中的應力降低，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(nèi)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。,第三章 壓力容器總體設計問題,80,(四)鞍座設計,第三節(jié) 臥

62、式容器支座設計二、筒體的應力計算與校核,半個鞍座的水平分力的總和可以用下式表示：,第三章 壓力容器總體設計問題,81,(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(nèi)，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

63、際高度與 中較小值 ——鞍座材料的許用應力，MPa。,在大多數(shù)情況下，鞍座寬度 取 。,第三章 壓力容器總體設計問題,82,一、引言 二、殼體局部應力的計算,第四節(jié) 局部應力計算一、 引言,第三章 壓力容器總體設計問題,83,容器除了受內(nèi)壓或外壓之外，在其制造、安裝和使用過程中還受到許多其它載荷。這些附件包括支座，托架，吊耳和接管等，如右圖，通

64、過附件傳過來的載荷對殼體的影響通常僅限于附件與殼體連接處附近的局部地區(qū)，因此稱為局部載荷。,第四節(jié) 局部應力計算一、 引言,第三章 壓力容器總體設計問題,84,當容器同時受到壓力載荷時，在這些局部地區(qū)還有另外一些局部應力，如局部薄膜應力和彎曲應力，以及在截面尺寸突變的轉角處的應力集中。這些局部應力的存在將成為容器發(fā)生強度或穩(wěn)定性失效的主要原因。因為容器總有接管和支撐附件，所以計算局部載荷作用下殼體或接管中的局部應力成為十分必

65、要。由于載荷或幾何形狀和載荷的非對稱性，對局部應力作完整分析過于復雜，往往不便于應用。,第四節(jié) 局部應力計算一、 引言,第三章 壓力容器總體設計問題,85,第四節(jié) 局部應力計算二、 球殼和圓柱殼局部應力的計算,（一）外載荷通過附件傳到殼體上的外載荷包括下列幾種：徑向載荷P；外力矩M(球殼)或周向外力矩和經(jīng)向外力矩(圓柱殼)；切向載荷V(球殼)或周向切向載荷Vc和經(jīng)向切向載荷VL(圓柱殼)；扭轉力矩MT；上述載荷的不

66、同組合。,第三章 壓力容器總體設計問題,86,(二) 應力（1）一般的計算式由徑向載荷和外力矩在薄殼中產(chǎn)生的正應力為式中：Ni為i方向單位長度的薄膜內(nèi)力，N/mmMi為i方向單位長度的內(nèi)彎矩，N·mm/mmT為殼體厚度，mmKn,Kb為薄膜應力和彎曲應力的應力集中系數(shù)對于受靜載荷的鋼制容器， Kn=Kb=1.0,第四節(jié) 局部應力計算二、 球殼和圓柱殼局部應力的計算,第三章 壓力容器總體設計問題,87,第

67、四節(jié) 局部應力計算二、 球殼和圓柱殼局部應力的計算,第三章 壓力容器總體設計問題,88,第四節(jié) 局部應力計算二、 球殼和圓柱殼局部應力的計算,(二) 應力式中i方向?qū)A柱殼指周向? 和軸向x，對球殼指切向? 和經(jīng)向x，,對圓柱殼為：,第三章 壓力容器總體設計問題,89,式中： 扭轉力矩MT在殼體與附件連接處殼壁中產(chǎn)生的切應力， 圓柱形附件：,第四節(jié) 局部應力計算二、 球殼和圓柱殼局部應力的計算,(二) 應力由

68、切向載荷和轉矩在殼體中產(chǎn)生的切應力則按下式計算；,圓柱殼為：,球殼：,球殼-圓柱殼附件：,球殼-方形附件：,第三章 壓力容器總體設計問題,90,（二）應力（2）正應力位置和符號。 在一般情況下，由局部載荷引起的最大正應力發(fā)生在附件與殼體連接處的殼壁內(nèi)外表面上，如下圖所示：Au、Bu、Cu、Du和AL、BL、CL、DL八個點。這些點的應力狀態(tài)為雙向應力狀態(tài)，即對球殼為經(jīng)向應力?x和切向應力??。,第四節(jié) 局部應力計算二、 球殼和