化工容器設(shè)計(jì)第十講

1、一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析 二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核 三、鞍座設(shè)計(jì),第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,化工廠的貯槽、換熱器等設(shè)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(lái)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但反力給殼體造成很大的局部應(yīng)力，用于較輕的小型設(shè)備,鞍式支座，通常用于較重的大設(shè)備。對(duì)于臥式容器，除了考慮操作壓力引起的薄膜應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)鞍座后，還要對(duì)容器進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性的校核，,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,置于鞍座上的圓筒形容器與梁相似，當(dāng)尺寸和載荷一定時(shí)，多支點(diǎn)在梁內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力較小，支座數(shù)目似乎應(yīng)該

3、多些好。但容器采用兩個(gè)以上的鞍座時(shí)，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(duì)變形不同，使支座反力難以為各支點(diǎn)平均分?jǐn)偅瑢?dǎo)致殼體應(yīng)力趨大，因此一般情況采用雙支座。采用雙支座時(shí)，支座位置的選擇一方面要考慮到利用封頭的加強(qiáng)效應(yīng)，另一方面又要考慮到不使殼體中因荷重引起的彎曲應(yīng)力過(guò)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(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,雙鞍座臥式容器的受力狀態(tài)可簡(jiǎn)化為受均布載

4、荷的外伸簡(jiǎn)支梁，按材料力學(xué)計(jì)算方法可知，當(dāng)外伸長(zhǎng)度A＝0.207L時(shí)，跨度中央的彎矩與支座截面處的彎矩絕對(duì)值相等，所以一般近似取A≤0.2L，其中L取圓筒體長(zhǎng)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(dāng)鞍座鄰近封頭時(shí)，則封頭對(duì)支座處筒體有加強(qiáng)作用。為了充分利用這一加強(qiáng)效應(yīng)，在滿足A≤0.2L下應(yīng)盡量使A≤0.5Ri(筒體內(nèi)半徑)。

5、 鞍座包角? 的大小對(duì)鞍座筒體上的應(yīng)力有直接關(guān)系，一般采用120o、135o、150o三種。 雙鞍座中一個(gè)鞍座為固定支座，另一個(gè)鞍座應(yīng)為活動(dòng)支座。,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,(一) 載荷分析,置于對(duì)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(yàn)充水的重量。容器受重力作用時(shí)，雙鞍座臥式容器可以近似看成支承

6、在兩個(gè)鉸支點(diǎn)上受均布載荷的外伸簡(jiǎn)支梁。當(dāng)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(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)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(nèi)物料的重量可假設(shè)為沿容器長(zhǎng)度的均布載荷。因?yàn)槿萜鲀啥藶橥剐畏忸^，所以確定載荷分布長(zhǎng)度時(shí)，首先要把封頭折算成和容器直徑相同的當(dāng)量圓筒。對(duì)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(zhǎng)度為2/3H (凸形封頭深

7、度)的圓筒，故重量載荷作用的長(zhǎng)度為：,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)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(zhǎng)仍為L(zhǎng))單位長(zhǎng)度的均布載荷為：,對(duì)于平封頭，H＝0，則,由靜力平衡條件，對(duì)稱配置的雙鞍座中每個(gè)支座的反力就是F，或?qū)懗桑?第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)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(duì)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(gè)作用在梁端點(diǎn)的橫向剪力V和一個(gè)附加力偶m1來(lái)代替，即：對(duì)于平封頭的V與m1皆為零。,,,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,(一) 載荷分析,豎直剪力V 和力偶M 當(dāng)封頭中充滿液體時(shí)，液體靜壓力對(duì)封頭作用一水平向外推力。因?yàn)橐褐o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(duì)梁的端部則形成一個(gè)力偶m2。 對(duì)液體靜壓力進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到如下的結(jié)果：,,,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,(一) 載荷分析,豎直剪力V 和力偶M 對(duì)液體靜壓力進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到如下的結(jié)果：將m1與m2兩個(gè)力偶合成一個(gè)力偶M：,,,顯而易見(jiàn)，對(duì)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(xué)簡(jiǎn)化為一受均布載荷的外伸簡(jiǎn)支梁，梁的兩個(gè)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(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,(二) 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：,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,(二) 內(nèi)力分析,彎矩,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,(二) 內(nèi)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(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分

11、析,(二) 內(nèi)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(fù)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(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析,(一) 內(nèi)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(cè)的簡(jiǎn)體截面上剪力為：,而支座右側(cè)筒體截面上剪力為：,對(duì)于臥式容器除了考慮由操作壓力引起的薄膜應(yīng)力外，還要考慮容器總重導(dǎo)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(xiǎn)截面。為此必須進(jìn)行強(qiáng)度或穩(wěn)定性較核。,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,(一)筒體的軸向應(yīng)力 1.鞍座跨中截面上筒體上的最大軸向應(yīng)力 截面最高點(diǎn) 截面最低點(diǎn) 當(dāng)P為正壓或外壓時(shí)

13、，σ分別為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,,,跨中截面,(一)筒體的軸向應(yīng)力 2.支座截面上筒體的最大軸向應(yīng)力 如果筒體橫截面上既無(wú)加強(qiáng)圈又不被封頭加強(qiáng)(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(shí)際上成為不能承受縱向彎矩的“無(wú)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(yīng)”。,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒

14、體的應(yīng)力計(jì)算與校核,,支座截面,(一)筒體的軸向應(yīng)力 2.支座截面上筒體的最大軸向應(yīng)力 計(jì)算支座處筒體的軸向彎曲正應(yīng)力時(shí)，分兩種情況進(jìn)行：鞍座平面上筒體有加強(qiáng)圈或已被封頭加強(qiáng)(A<0.5Ri)。由整個(gè)圓筒截面承受彎矩，不存在扁塌效應(yīng)。則該截面的抗彎斷面模數(shù)為 。鞍座截面上未設(shè)置加強(qiáng)圈又(A＞0.5Ri)，由于扁塌效應(yīng)筒體截面僅有一部分能承受彎矩，此時(shí)的截面的弧長(zhǎng)與2D對(duì)應(yīng)，,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的

15、應(yīng)力計(jì)算與校核,,(一)筒體的軸向應(yīng)力 2.支座截面上筒體的最大軸向應(yīng)力 在截面最高點(diǎn)； 在截面最低點(diǎn)： 式中K為考慮扁塌效應(yīng)使斷面模數(shù)減少的系數(shù)。 式中M2為負(fù)值。對(duì)于筒體有加強(qiáng)的情況，K1=K2=1.0,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算

16、與校核,(一)筒體的軸向應(yīng)力 3.筒體軸向應(yīng)力的校核 筒體上最大軸向應(yīng)力為 ，其位置如上。 計(jì)算得到的軸向拉應(yīng)力不得超過(guò)材料的許用應(yīng)力 ，壓應(yīng)力不得超過(guò)軸向許用臨界應(yīng)力 和材料的 。,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,計(jì)算 時(shí)，應(yīng)根據(jù)操作和非操作時(shí)(指無(wú)操作壓力裝滿物料或水的情況)等不同工況，找出危險(xiǎn)工況下可能產(chǎn)生的最大應(yīng)力。例如對(duì)有加強(qiáng)的筒體，當(dāng)

17、 時(shí)，只需校核跨中截面的應(yīng)力，反之兩個(gè)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(shí)，其壓應(yīng)力有最大值，故對(duì)穩(wěn)定應(yīng)取這種工況進(jìn)行校核。,(二)筒體的切向剪應(yīng)力 剪力在支座截面處最大，在筒體中引起切向剪應(yīng)力，有下列三種情況： 1.筒體有加強(qiáng)圈，但未被封頭加強(qiáng)，筒體不存在扁塌效應(yīng)，在水平中心線處有最大值。,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,,,,(二)筒體的切向剪應(yīng)力 2.筒體被封頭加強(qiáng)，筒體

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

19、處。,最大切應(yīng)力：,封頭的最大切應(yīng)力：,(二)筒體的切向剪應(yīng)力 3.筒體未被加強(qiáng)。,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,,當(dāng)支座截面上簡(jiǎn)體既無(wú)加強(qiáng)圈，又未被封頭加強(qiáng)時(shí)，則由于存在“扁塌效應(yīng)”，筒體抗剪的有效截面減少。此有效截面的范圍也為角 對(duì)應(yīng)的弧段內(nèi)。,最大切向剪應(yīng)力在 數(shù)值也為：,但K3數(shù)值不相同。,(二)筒體的切向剪應(yīng)力 4.切向切應(yīng)力的校核： 鞍座處筒體的最

20、大切向切應(yīng)力 的大小和位置決定于筒體的加強(qiáng)形式。求得的切應(yīng)力值不得超過(guò)材料在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力的0.8倍和軸向許用臨界應(yīng)力 即,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,封頭中的切應(yīng)力，其最大值不應(yīng)超過(guò)下列限制：,,(三)筒體的周向應(yīng)力 支座反力在支座處筒體截面引起切向切應(yīng)力，這些切應(yīng)力導(dǎo)致在筒體徑向截面產(chǎn)生周向彎矩Mt。當(dāng)支座截面上筒體有加強(qiáng)圈加強(qiáng)時(shí)，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(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,作用在一有效計(jì)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(yīng)力當(dāng)筒體截面無(wú)加強(qiáng)圈，封頭對(duì)支座處筒體也無(wú)加強(qiáng)作用，即A>0.5Ri。若封頭有加強(qiáng)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(qiáng)圈的情況，這兩種情況中的最大周向彎矩仍按上式計(jì)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(shè)計(jì)二、筒體的

22、應(yīng)力計(jì)算與校核,(三)筒體的周向應(yīng)力,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,(三)筒體的周向應(yīng)力,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,周向壓縮應(yīng)力 的計(jì)算值，不得大于筒體材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 ，即； 合成周向壓縮應(yīng)力 應(yīng)不大于設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)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(jiǎn)體與支座之間加放加強(qiáng)板(見(jiàn)圖，加強(qiáng)板可與筒體厚度相同，寬度

23、不小于 ，包角不小于 。設(shè)置加強(qiáng)板以后，應(yīng)以筒體計(jì)算厚度和加強(qiáng)板厚度之和作為厚度。由于加強(qiáng)板邊緣處筒體并無(wú)加強(qiáng)板，所以還應(yīng)檢查該處的合成壓縮應(yīng)力，如應(yīng)力仍超出允許值，則應(yīng)增加鞍座寬度或包角，或兩者同時(shí)增加，也可設(shè)置加強(qiáng)圈。,(三)筒體的周向應(yīng)力,第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,(四)鞍座設(shè)計(jì),第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,增大鞍座包角可以使筒體中的應(yīng)力降低

24、，但使鞍座相應(yīng)變得笨重，同時(shí)也增加了鞍座所承受的水平推力；過(guò)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(shè)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(yīng)力不超過(guò)允許值。,設(shè)備給予鞍座的載荷為沿包角? 對(duì)應(yīng)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(cè)分開(kāi)，故鞍座的寬度 必須具有足夠大小。,(四)鞍座設(shè)計(jì),第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核,半個(gè)鞍

25、座的水平分力的總和可以用下式表示：,(四)鞍座設(shè)計(jì),第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)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(diǎn)以下 的范圍內(nèi)，此截面上的平均應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)支座材料許用應(yīng)力值的三分之二，即：,式中： ——對(duì)鋼制鞍座取腹板厚度；對(duì)混凝土鞍座則為鞍座寬度 ，mm； Hs——計(jì)算高度，取鞍座實(shí)際高度與 中較小值 ——鞍座材料的許用應(yīng)力，MPa。,在大多數(shù)情