3.3壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)

1、1 1華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)2第一節(jié) 總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述第二節(jié) 開(kāi)孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題第三章 壓力容器總體設(shè)計(jì)問(wèn)題3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)3 一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析 二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核 三、鞍座設(shè)計(jì)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3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)4第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷

2、分析3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)5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。臥式容器由支座來(lái)承擔(dān)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。 l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l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， 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)6

3、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n 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)該多些好。n 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)?，?dǎo)致殼體應(yīng)力趨大，因此一般情況采用雙支座。n 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： 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)7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

4、析l雙鞍座臥式容器的受力狀態(tài)可簡(jiǎn)化為受均布載荷的外伸簡(jiǎn)支梁，按材料力學(xué)計(jì)算方法可知，當(dāng)外伸長(zhǎng)度A0.207L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A0.2L，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A0.2L，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。l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(mǎn)足A0.2L下應(yīng)盡量使A0.5Ri(筒體內(nèi)半徑)。 l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。 l雙鞍座中一個(gè)鞍座為固定支座，另一個(gè)鞍

5、座應(yīng)為活動(dòng)支座。 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)8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(chēng)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，梁上受到如下外力的作用。 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)9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l(1)均布載荷均布載荷q、支座反力、支

6、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 (凸形封頭深度)的圓筒，故重量載荷作用的長(zhǎng)度為：兩個(gè)封頭3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)10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l(1)均布載荷均布載荷q、支座反力、支座反力F p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： p對(duì)于平封頭，H0，則 p由靜力平

7、衡條件，對(duì)稱(chēng)配置的雙鞍座中每個(gè)支座的反力就是F，或?qū)懗桑?3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)11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l(2)(2)豎直剪力豎直剪力V 和力偶和力偶M p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(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。p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：p對(duì)于平封頭的V與m1皆為零。 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)12第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座

8、結(jié)構(gòu)及載荷分析(一) 載荷分析l(2)(2)豎直剪力豎直剪力V 和力偶和力偶M p當(dāng)封頭中充滿(mǎn)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，所以水平推力偏離容器軸線，對(duì)梁的端部則形成一個(gè)力偶m2。 p對(duì)液體靜壓力進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到如下的結(jié)果： 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)13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l(2)(2)豎直剪力豎直剪力V 和力偶和力偶M p對(duì)液體靜壓力進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到如下的結(jié)果：p將式(320)的m1與式(321)的m2兩個(gè)力偶合成一個(gè)力偶M：l顯而易見(jiàn)，對(duì)于半球形封頭，RiH，M

9、0；l而平封頭，H0，Mq/4R2。 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)14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l(1)(1)彎矩彎矩 p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。p支座跨中截面的彎矩： 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)15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l(1)(1)彎矩彎矩 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)16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l(1)(1)彎矩彎矩 筒體在支座截面處的彎矩為：

10、HLFq342HLFq342-A3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)17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l(1)(1)彎矩彎矩 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。 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)18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l(2)(2)剪力剪力 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)的筒體截面上剪力為： 而支座右側(cè)筒體截面上剪力為： 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥

11、式容器支座設(shè)計(jì)19 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，還要考慮容器質(zhì)量導(dǎo)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(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3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)20(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 軸向最高點(diǎn) 軸向最低點(diǎn) 當(dāng)P為正壓或外壓時(shí)，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MPatRMtpRWMeiei211112273MPatRMtpRWMeiei211122283跨中截面3.3 壓力容器的

12、整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)21(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A0.5Ri)，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(chēng)為“扁塌效應(yīng)”。第三節(jié) 臥式容器支座設(shè)計(jì)二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核支座截面3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)22(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：l鞍座平面上筒體有加強(qiáng)圈或已被封頭加強(qiáng)(

13、A0.5Ri。l若封頭有加強(qiáng)作用，A0.5Ri。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、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)32(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3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)33(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3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)34l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

14、許用應(yīng)力 ，即； l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 l如上述條件不滿(mǎn)足，則可加寬支座寬度 或在筒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 不小于 ，包角不小于 。l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3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)35(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

15、與校核 增大鞍座包角可以使筒體中的應(yīng)力降低，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。 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)36(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)鞍座的水平分力的總和可以用下式表示： 3.3 壓力容器的整體設(shè)計(jì)問(wèn)題-III 臥式容器支座設(shè)計(jì)37(四)鞍座設(shè)計(jì)