臥式容器的多支座設(shè)計(jì)

1、大型多鞍庵臥式容器設(shè)計(jì)方法分析陳志偉I,壽比南s鄭譯洋I(I.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所浙江 杭;W 310027；2.全國鋸爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委西會，北京100029搞 要:為嘩低穹fe和軼座反力，長徑比大的臥衣客S大步靈用三軼生或.多軼座支揮.務(wù)年來，多鞍 座菱卜式容器的設(shè)計(jì)并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前大多呆用三專矩理論計(jì)IT穹矩和鞍座反丈，再引用 歿雄臥式容器的Zi伙校歧方法對應(yīng)力進(jìn)行校核。A種方法步1»復(fù)親，干便于工怪應(yīng)用©農(nóng)近, 歐洲協(xié)凋柝準(zhǔn)ENI3445(非直接受火壓力容S提出了 一種不同于傳炕方法的:多鞍® &式咨器的攝 新設(shè)計(jì)方蟲Y這是多轉(zhuǎn)座臥式

2、客器設(shè)計(jì)第一決正式.:有入標(biāo)準(zhǔn)。本文主是介紹FNI3445 +由多軼矗 臥式容S設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法的不同井對育神設(shè)計(jì)方法寧存在西一些問題進(jìn)行了探討C 關(guān)H闔卜或容得：多座；壓力:&St址計(jì)中圖分類號:TQa55.2;TVO50.2文標(biāo)iRS|：A:«章4«號；181 - 4837(2005)I -»20-<4Analysis of the Design Method of HorizontalVessels Supported on Multi 一 saddlesCHEN ZM-wd . SHOD Bi- rair. ZHENG fin - ysmg

3、*(1 .IcfesLtUtc of Cheozical Maehanex AihI PtOCort Equipment Zhejiang Unrverstly. Hangzhou 31aNc « gC f*» lcC«MI -*>*> '/.CcOm LI *h » >* 1Cl 怙臥式容辭的等效整體軸向力,N,2人于J更屁忌Fg最大允許壓力P&H,封頭的高度,mm膽第i個(gè)鞍座處容器所受夸矩,NmMg第個(gè)鞍座之間容gSft大彎矩衛(wèi)m JI大允許彎矩,NfP計(jì)算壓力，刊P"最大允許壓力,pga第i個(gè)鞍座處的剪力

4、NQz-一ft大允許剪力NR,容器«體的內(nèi)半徑,mmW容器的總重«（包括內(nèi)部介質(zhì)的重）,& 嶺流體的S鞍痊的包角/1前言多年以來,大多數(shù)臥式壓力容器都采用雙較座 支，但是隨著過程設(shè)備的大型化和焊接工藝的逐 步成熟，超長型臥式容器有了增加的趨勢。此類容 器如果采用雙鞍座支撐鞍座間跨距必然會增大，筒 體中間截面的撓度也會相應(yīng)增加從而筒體會產(chǎn)牛簡化為受均布載荷的靜不定梁，利用三彎矩理論來 計(jì)算鞍座處的彎矩和鞍座反力再引用L.P.Zick雙 鞍座臥式容器的應(yīng)力計(jì)算和校核模型對多鞍座臥 式容器進(jìn)行設(shè)計(jì)。L/2予 /> 眾：圖1 ©座均勻分布的多截嘩臥式容器il

5、L最初的L P.Zick法只適用于鞍座對稱分布的 雙鞍座臥式容器，但后來隨著設(shè)備大型化的發(fā)展，特 別是需要長徑比大的臥式容器沒有現(xiàn)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 可以參考，設(shè)計(jì)人員逐步引用雙鞍座臥式容器的設(shè) 計(jì)方法kP.Zick法，起初用于三鞍座臥式容器的設(shè) 計(jì)，后來逐步引進(jìn)到大型多鞍座臥丈容器的設(shè)計(jì)。 這一方法屬于半理論、半經(jīng)驗(yàn)的方法雖然有一定理 論推導(dǎo)，但是其推導(dǎo)過程引人了許多由實(shí)驗(yàn)測定并 由作者判斷作岀的假說。雖然此方法經(jīng)過長期實(shí) 踐,并沒有出現(xiàn)大的問題但其保守性太強(qiáng),對于設(shè) 備的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)什技術(shù)的進(jìn)步都不具有積極作用。Q占M夕ittRtrKL十疥SB的工4亠一吉辺古 體中間載面的撓度也會相應(yīng)增加，從而筒

6、體會產(chǎn)生 較大的彎曲和變形，造成厚度增加影晌了容器的經(jīng) 濟(jì)性。采用多鞍座支承是解決該問題的有效方法之 一。對于該類超長型容器，采用多贛座結(jié)構(gòu),會改善 受力情況井能抑制容器的扳動因此多鞍座的臥式 容器將會得到趙來超多的應(yīng)用。2務(wù)鞍座臥式容器設(shè)3方法簡介由于長期以來多鞍座的臥式容器的設(shè)計(jì)方法和 便用存在方法不可靠、不均勻沉降等問題，所以設(shè)計(jì) 者在工業(yè)應(yīng)用中都盡量避免采用。但是在有些耍求 設(shè)備較長的場合設(shè)備必須采用多鞍座支撐。例如: 天然氣凈化裝S中鋼制硫冋收冷凝器;鐵路枕木防 膺行業(yè)用于浸注枕木的熬制ah煉油廠環(huán)保用廢氣 排放煙囪，也可視為超長的多支承臥式容器典型 的多鞍座臥式容器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

7、該類臥式容器 的設(shè)計(jì)，除r通過常規(guī)容器的內(nèi)壓、外壓設(shè)計(jì)外還 應(yīng)對鞍座處和鞍座界面處的筒體應(yīng)力進(jìn)行校核。L.P.Zick于1951年提岀專門針對于雙鞍座臥式容器的設(shè)計(jì)方法，并于1971年進(jìn)行了補(bǔ)允。長期 以來，多鞍座臥式容器的研究一S沒有停止。近些 年形成的比較通用的設(shè)計(jì)方法是將多鞍座臥式容器2003年之前，多鞍座臥式容器的設(shè)計(jì)一直沒有 正式的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。近些年隨著歐洲承壓設(shè)備行業(yè)的 高速發(fā)展歐洲協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)EK13445非宜接受火壓力 容器第3篇16.8節(jié)明確給出了多軼座臥式容器的 設(shè)計(jì)方袪。此方法針對常用的鞍座均勻分布的多鞍 座臥式容器以具體的公式形式給出了鞍座處彎矩、 剪力的計(jì)算方法，并給出了強(qiáng)

8、度和穩(wěn)定性的校核方 程C目前,EN13445中提出的新的多鞍座臥式容器 的設(shè)計(jì)方法，是世界上第一部多鞍座臥式容器設(shè)計(jì) 的標(biāo)準(zhǔn)。從此,多鞍座臥式容器的設(shè)計(jì)有了正式的 標(biāo)準(zhǔn)可依。3兩種設(shè)計(jì)方法的蓋別雖然L.P.Zick法和歐洲協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)方法都是以 受均勻載荷的多支撐簡支梁作為簡化模樂，通過該 簡化模型對鞍座處的彎矩進(jìn)行計(jì)算但兩種方法在 適用條件、瑞部受力的處理方法、求解思路校核形 式等具休內(nèi)容上存在巨大差別。3.1適用條件不同每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有一定的適用范圍。關(guān)于臥式容器 的設(shè)i+,EN13445中明確給出了設(shè)廿條件，并以條款 21的形式列出如圖2所示。ffl2 O.OOIwg/UwO05.6(Fw5wI

9、抄；IDi；(3鞍座所受壓力垂直向下；容器輕座緒構(gòu)彎矩沒有考慮封頭的具體形狀，比L.P.Zick法計(jì) 算簡也但是并不是說其計(jì)算精度比L.P.Zick法 低，因?yàn)長.P.Zick法端部彎矩計(jì)算過程中水平推力 的計(jì)算也引入了近似。臥式容器的封頭對爾體穩(wěn)定性有一定加強(qiáng)作 用。kP.Zick法認(rèn)為當(dāng)*wO5Ri時(shí)封頭對鞍座處 筒體有加強(qiáng)作用汕N13445方法提出了更寬松的設(shè) 計(jì)，認(rèn)為40.5D,時(shí)封頭對鞍座處筒體仍有加強(qiáng) 作用。3.3求解思路不同a)般推薦容器與鞍座焊接，在焊接不方便 時(shí)，需保證鞍座均勻支撐；(5)為了滅小由于熱膨脹引起的縱向位移的影 響只宵一個(gè)鞍座a定在基礎(chǔ)上其他鞍座都可沿軸 向自由

10、運(yùn)動；(6容器上任何局部載荷作用點(diǎn)距離鞍座的距 離不得小于丿0爲(wèi)0I n I 3/iM-fitrKkrt*3SL4»4Xft+ H Tfft-fcfc 1ENIS445中的16.8.5.2節(jié)明確#出了務(wù)鞍障臥離不御小于JOg 0L.P.Ziek多鞍座臥戒容器設(shè)計(jì)法是工程技術(shù)人 員引用現(xiàn)在的雙鞍座臥式容器設(shè)計(jì)法，并結(jié)合大量 的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而形成的設(shè)計(jì)方祛由丁沒有形成正戒 的標(biāo)準(zhǔn)，因此也不存在該方祛的具體適用條件，一般 依據(jù)収鞍座臥式容器的設(shè)計(jì)前提條件E3.2蠕部受力處理方法不同在EN13445中，多鞍座臥式容器端部彎矩= q Dl/l6；L.P.Zick法給出了詳細(xì)的計(jì)算方注，通 過近似不

11、同封頭型式的臥式容器具有不同的端部 彎矩。當(dāng)封頭為橢圓形或謀形時(shí)丸二%（1- 器）;為球形封頭時(shí)由于液體靜壓力的方向通過球 心故V, = Oo因?yàn)闋攺S普q，可見兩種方法中饑 的差別在于曙9 弓g的系數(shù)不同,EN13445中為 爭（介質(zhì)質(zhì)1*與容器總質(zhì)域之比）J.P.Zidc法為（1 -普）。EN13445標(biāo)準(zhǔn)中通過容器整體來計(jì)算端部22 -3.3求解老路不同EN13445中的16.8.5.2節(jié)明確提岀了多軼座臥 式容器鞍座的分布應(yīng)該盡a保證各鞍座上受力均 勻。因此，對于載荷均勻分布的臥式容器，鞍座也應(yīng) 該均勻分布此種悄況下（EN13445中B型多鞍座臥 式容器），鞍座反力F,= IT/川，并且

12、給出了轅座處彎 矩甌、剪力Q,的簡單計(jì)算公式：在£ = 1和i = n時(shí)；陸=max（ 003/2 -； gf/B）;在 F = 2 至 i =s n - I ：陸=也2/8;鞍座處的剪力：Qi =0.5Fio對于鞍朋非均勻分布的臥式容器鞍座反力片 通過養(yǎng)不定結(jié)構(gòu)力學(xué)方程求礙C鞍座處彎矩闊、剪 力Q鞍座間彎矩通過梁理論求得。L.P.Zick法首先計(jì)算出容器各鞍座處的彎矩。 它以鞍座（2- n - 1）兩側(cè)相鄰的筒體為研究對象. 根據(jù)靜不定梁的三彎矩理論，列出« -2個(gè)三彎矩 方程加上根據(jù)容器兩端外伸筒體列出的2個(gè)力學(xué) 平衡方程則可解出各鞍座處的彎矩 M然后進(jìn)一步求出技座反力

13、和跨距間彎矩。EN13445中先求解鞍座反力，再求解鞍座處彎 矩風(fēng)、剪力Q,還有鞍座間彎矩WsL.P.Zick法中 首先通過三彎矩力學(xué)方程求出簌座處的彎矩，再通 過彎矩求出鞍座反力。顯然二者的求解順序不同。 L.P.Zick祛使用了三彎矩方程組求取鞍座彎矩，但 是此方法的求解較EN13445中的方法復(fù)雜，不適宜 工程應(yīng)用。EN13445的計(jì)算方法簡單工程應(yīng)用性 強(qiáng)，但削提是使各個(gè)鞍座均勻受力，而其并沒有提供 均勻受力的鞍座分布方法，曲于工程中鞍座分布來 說丄.P.Zick法中的等距分布相對更實(shí)際一些。3.4校核形戎不同EN13445中考慮了容器在零壓力和設(shè)計(jì)壓力兩 種情況下的受力情況，分別對其

14、進(jìn)行校核。該方法 設(shè)定了兩個(gè)參數(shù),7 = 2,83( a,/),= 0-91 析/"E并定義了 8個(gè)計(jì)算系數(shù)(心” KQ,計(jì)算 出最大允許鞍座處載荷從而得岀強(qiáng)度校核公 式:FW Fmaio失穩(wěn)校核公式：少問題。例如地基沉降和臨界長徑比問題。4.1 地基不均勻沉降雖然多鞍座臥式容器的彎曲應(yīng)力較小,但是要 求各鞍座嚴(yán)格保持在同一水平面上。在多數(shù)情況 下,多轉(zhuǎn)座容器的土建基礎(chǔ)是各自獨(dú)立，各不相連 的。這往往造成基礎(chǔ)沉降不一致，使得各鞍座不在 同一平面,從而會改變筒體鞍座處支承反力和彎矩, 逬而引起筒體應(yīng)力的變化.上述兩種方法中鞍座反力的計(jì)算都沒有考慮基 礎(chǔ)不均勻沉降的影響。有些資料中提出了

15、r午用水 平誤差”的概念；有些設(shè)計(jì)中在考慮基礎(chǔ)沉降時(shí), 采用引人安全系數(shù)的方法，將鞍座反力和彎矩乘以 12】4后進(jìn)行校核n劇?？傊诙喟白O(shè)計(jì)中, 在不能避免基礎(chǔ)況降的情況下，應(yīng)該考慮基礎(chǔ)沉降 對筒體應(yīng)力場的彩響。4.2臨界長徑比（L/DJ一般推薦雙鞍座臥式容器的長徑比（£/m）控 制在5以內(nèi)，長徑比（E/DJ大于10的臥式容器多數(shù)失穩(wěn)校核公式±I P 1/尸i + I 陸 1/% + q/Fz + ( QM QzFwO只有當(dāng)跨距之間彎矩.叫3 > Af,. 時(shí)，才對跨距間筒體進(jìn)行校核，從而省古了一些不必 耍的計(jì)算。L.P.Ziuk法中的校枝部分采用傳統(tǒng)的校核方 式

16、g先計(jì)算岀設(shè)計(jì)壓力下臥式容器各個(gè)危臉點(diǎn)的 堪大應(yīng)力，然后與許用應(yīng)力相比較。多鞍座臥式 客器應(yīng)力校核也引用了相同的方法2打L.P.Zick袪沒有比較各個(gè)彎矩之間的關(guān)系，無 論大小一律計(jì)算出各個(gè)倩況下的規(guī)定的危險(xiǎn)點(diǎn)的 受力情況，然啟與許用應(yīng)力進(jìn)行比較，增加了一些不 必要的計(jì)算過理S雜。塚上所述，EN1344S中無提岀的多鞍座臥式容 器的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的巴?.P.Zick迭相比較具有較 明顯的優(yōu)點(diǎn)其笫一次明確的提出了多鞍座臥式容 器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，改變了以前沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的歷史且 明確提出了標(biāo)準(zhǔn)的適用條件憂化了端部彎矩的計(jì) 算方法創(chuàng)新了臥式容器的設(shè)計(jì)思路和校核方法新 増加了零壓力狀態(tài)的校核計(jì)算過程簡單，工

17、程應(yīng)用 性強(qiáng)共中有不少值得借鑒之處。4 兩種設(shè)計(jì)方法中存在的不足&工程應(yīng)用中9多鞍座臣卜式容#8仍燃存在著不制住5以內(nèi).長徑比(L/9)大于10的臥武容略多數(shù) 采用多鞍座支撐。但是目前兩沖臥式容器的設(shè)讓方 法中都沒有明確的說W多大長脛比下應(yīng)該使用多鞍 座支掙更合理Q采用雙鞍座和多鞍座支撐的臥式容 器的臨界長:徑比還有持于進(jìn)一步研究。IKN13445 . L'nfirBfS iVmtuirr Vew(n( Sj .鄭津洋.扛伍*芝鬲，過稈設(shè)備迓計(jì)M.北京，化 學(xué)工業(yè)出版社.2001,胡贏MJ?大5?多枝座蒸E釜強(qiáng)度計(jì)算及計(jì)算機(jī)押序J3.化工設(shè)計(jì)J999.9(2):33-55.5黃骼多穢座臥式容的受力茹析和強(qiáng)度計(jì)WJ化 工設(shè)備設(shè)計(jì)，1998,352) "8-21馮志力，陳良才，劉根凡關(guān)于三被座臥攻