JBT 4731-2005 钢制卧式容器讲稿

JB/T4731-2005 1.适用范围JB/T 47312005钢制卧式容器相对于原来GB l501989第8章作了部分修订，如：取消圈座支承，增加鞍座轴向弯曲强度校核及附录A有附加载荷作用时卧式容器的强度汁算等。JB/T 4731适用于设计压力不大于35MPa，在均布载荷作用下，由两个对称的鞍式支座支承的常压及受压卧式容器，它不适用于：直接火焰加热及受核辐射作用的卧式容器；经常搬运的卧式容器；带夹套的卧式容器；一一作疲劳分析的卧式容器：卧式容器设计是先根据操作压力(内压、外压)确定壁厚，再依据自重、风、地震及其他附加载荷来校核轴向、剪切、周向应力及稳定性，卧式容器设计还包括支座位置的确定及支座本身的设计。2.术语和定义.操作压力.设计压力.计算压力.试验压力设计温度工作温度试验温度计算厚度设计厚度名义厚度有效厚度3设计的一般规定3.1 设计压力的确定：（a）设计压力值应不低于操作压力；（b）装有超压泄放装置时，设计压力按GB150附录B确定设计压力；(c)液化气体，液化石油气的卧式容器，按容规规定确定设计压力；(d)真空容器的设计压力按承受外压考虑，当装用安全控制装置时，设计压力取1.25倍的最大内外压差或0.1Mpa两者的较低值；当无安全控制装置时，设计压力取0.1Mpa。32设计温度的确定：(a)设计温度不低于元件金属在工作时可能达到的最高温度。对于0度以下的金属温度,设计温度不应高于元件金属在工作时可能达到的最低温度。铭牌上应标志设计温度。(b)低温卧式容器的设计温度按GB150附录C规定确定。33元件金属温度确定（a）传热计算；(b)在已使用的同类容器上测定；(C)在使用过程中，金属温度接近介质温度时按内部介质温度确定。34 对于有不同工况的卧式容器，应按最苛刻的工况设计，并在图样或技术文件中注明各工况的操作压力和操作温度。3.5设计载荷（a）.长期载荷设计压力内压、外压；液体静压力；容器质量载荷自身质量，容器所容纳的物料质量，保温层、梯子平台、接管等附件质量载荷。(b).短期载荷风载、地震载荷(一般取地震载荷)，水压试验充水重。(c).附加载荷在JB/T 4731的附录A中增加有卧式容器上的附加载荷。这是考虑卧式容器上设有立式设备，如换热器、精馏柱、除氧头、液下泵、搅抖器等附属设备(高度均小于10m)时，它对卧式容器圆筒体产生附加弯矩及支座反力。实质上，附加载荷也是一种长期载荷。3.6 厚度附加量CC=C1+C2C1-钢材厚度负偏差，mm;C2-腐蚀裕量，mm.钢板或钢管的厚度负偏差按相应钢材标准的规定。当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚度的0.6%时，在计算中负偏差可忽略不计。361 腐蚀裕量C2 为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄,应考虑腐蚀裕量.具体规定如下：a）对有腐蚀或磨损的元件，应根据预期的设计寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；b）卧式容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；c）碳素钢或低合金钢卧式容器，腐蚀裕量不小于1mm。37 卧式容器筒体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度按下列规定： a）对碳素钢或低合金钢制卧式容器，不小于3 mm； b）对高合金钢制卧式容器，不小于2 mm。38不锈钢复合钢板的许用应力：（a）对于复层与基层结合率达到JB4733规定的B2级以上的复合钢板，在设计计算中，如需计入复层材料的强度时，其设计温度下的许用应力： (b)对于未与卧式容器壳体壁连成整体的耐蚀衬里层，在设计计算中不考虑耐蚀衬里层的强度。39 对于地震载荷与其他载荷组合时，壳壁的应力允许不超过1.2倍的许用应力。310对于卧式容器，如需选用GB150以外的钢材，应符合GB150附录A规定。311 焊接接头系数对于卧式容器，焊接接头系数应根据受压元件的焊接接头的焊接工艺特点（单面焊或双面焊，有或无垫板）以及无损检测的长度比例确定。312 压力试验与GB150-1998一致313 材料(a) 卧式压力容器材料应GB150规定；卧式常压容器材料应JB/T4735规定(b) 鞍座，焊在受压壳体上的重要内件，加强圈等非受压元件用钢应符合下列表中规定:使用温度选用材料许用应力sa Mpa0250Q235-B147-20250Q345170-2016MnR(c)鞍座垫板材料应与壳体材料相同；(d)地脚螺栓宜选用符合GB/T700规定的Q235或符合GB/T1591规定的Q345。如采用其他碳素钢，则ns=1,6; 如采用其他低合金钢，则ns2.0。314 鞍式支座卧式容器支座采用JB/T4712标准鞍座时，在满足JB/T4712所规定的条件时，可免去对鞍座的强度校核；否则应按JB/T47317.4进行强度校核。4 结构41支座形式卧式容器的支座大多为鞍式支座，三鞍座，很少使用圈座。JB/T 4731主要对双鞍座对称布置情况作了规定。卧式容器支座采用鞍座时，无论双、三或多鞍座，都必须只有一个为固定支座，其余为滑动支座，以减少圆筒体因热胀、冷缩或圆筒体及物料质量引起的对支座产生的附加载荷。对双鞍座，固定端多选在容器接管较大、较多的一侧。对三鞍座，固定端选在中间支座以减少滑动端的位移量。滑动端支座下的基础面应埋设钢平板，对伸缩频率较高的可在鞍座底板与基础面平板间设滚动柱。采用混凝土鞍座时，容器支座区应焊有衬板，并用定位板限制容器的转动：容器支座区的衬板或鞍座加强板与圆筒体焊接时，应采用连续焊，但在最低处，在板的两侧需留有50mm长不焊。42 支座设置 图 41对于双鞍座上卧式容器的应力作精确的理论分析十分困难，目前国内外有关容器设计规范均采用Zick在1951年在实验研究的基础上提出的近似分析和计算方法，按Zick的假设及分析，置于鞍座上的卧式容器可简化为对称分布的承受均布载荷的双铰支点的外伸梁进行分析。由材料力学可知，一全长为L的双支点相同外伸的简支梁，当仅承受均布横向载荷且外伸长A=0.207L时，其支座处及两支座中和处的弯矩绝对值相等从而使得由均布载荷引起的圆筒体的轴向弯曲应力()绝对值为最小，但对大直径、薄壁卧式容器，起控制的应力往往是鞍座处的等这些应力。因此应当尽可能使A0.5Ra，以有效地利用封头对圆筒体的加强作用，对L/Di很大，如比值大于15且壁厚较薄的卧式容器，为避免支座跨距过大导致圆筒体产生严重变形及应力过大，可以考虑设置三个以上支座。但三个以上支座有可能因支座高度偏差及基础的不均匀沉降而产生支座处的附加弯矩及附加支反力，因此尽量少用。4.3 加强圈的设置（1）加强圈应是整圈或相当于整圈结构，加强圈与壳体连接应符合GB150的规定；（2）考虑卧式容器支座处局部应力时，可在鞍座平面或靠近鞍座平面处设置加强圈，见下图： 图42 图43(3) 考虑卧式容器外压失稳时，加强圈的设置和计算按GB150的规定。5载荷分析和内力分析置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。载荷除了操作内压或外压(真空)外，主要是容器的重量(包括自重、附件和保温层重等)、内部物料或水压试验充水的重量。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可以近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简支梁，梁上受到如下外力的作用，见图（51）。5.1均布载荷q和支座反力F假设容器本身的重量和容器内物料的重量为mg，沿容器长度均匀分布。一般情况下容器两端为凸形封头，所以确定载荷分布长度时，首先要把封头折算成和容器直径相同的当量圆筒。对于半球形椭圆形和碟形等凸形封头可根据容积相等的原则，折算为直径等于容器直径，长度为(hi凸形封头深度)的圆筒，故重量载荷作用的长度为为两端封头切线间距离。容器总重量mg应该与两个支座反力2F相等，故作用在外伸梁上单位长度的均布载荷为： （1） 由静力平衡条件，对称配置的双鞍座中每个支座的反力就是F，或写成： （2） 5.2 竖直剪力V和力偶M封头本身和封头中物料的重量为，此重力作用在封头(含物料)的重心上。对于半球形封头，可算出重心的位置为封头重心到封头切线的距离，Ri为圆筒内半径。这一关系也近似用于其他形式的凸形封头，即。按照力线平移法则，此重力可用一个作用在梁端点的横向剪力V和一个附加力偶m1来代替，即： （3）和 （4） 此外，当封头中充满液体时，液体静压力对封头作用一水平向外推力。因为液柱静压沿容器直径呈线性变化，所以水平推力偏离容器轴线，对梁的端部则形成一个力偶m2。对液体静压力进行积分运算，可得到如下的结果: （5） 式中Ra为圆筒平均半径，并令。将式(4)的m1式为(5)的m2两个力偶合成一个力偶M，即： （6） 因此，双鞍座卧式容器力学上简化为一受均布载荷的外伸简支梁，两梁的两个端部还分别受到横剪力V和力偶M的作用，如图所示，见表5-1。5.3 弯矩和剪力和材料力学梁受弯曲分析相似，上述外伸简支梁在重量载荷作用下，梁截面上有弯矩和剪力存在，其弯矩图和剪力图如图所示。由图51可知，最大弯矩发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处，它们可按下述方法计算。1.弯矩筒体在支座跨中截面的弯距，按图所示梁的平衡条件得到。 （7）以代入则得： （8）M1通常为正值，表示上半部筒体受压缩，下半部筒体受拉伸。筒体在支座截面处弯矩为 （9）M2一般为负值，表示筒体上半部受拉伸，下半部受压缩。表5-1 不同封头的端部V、M和弯矩M2的方向容器封头封头深度hi端部横剪力V端部力偶M支座截面处弯矩M2平封头000 标准椭圆封头0 半球形封头Ra0V2。6 卧式容器壳体应力计算6.1计算步骤(1)先按GB150设计压力(内压、外压、常压)或最小壁厚选取原则，求出圆筒体、封头等壁厚。(2)按JB/T 4731计算各项应力并进行校核。由前面分靳可知，对于卧式容器除了考虑由操作匡力引起的薄膜应力外，还要考虑容器总重导致筒体横截面上的纵向弯矩和剪力，而且跨中截面和支座截面是容器可能发生失效的危险截面，因此，为了进行强度或稳定性校核，需要确定危险截面上的最大应力的位置与大小。(3)对卧式容器筒体上有附属设备时，需按JB/T 4731的附录A将附加载荷作为集中载荷与卧式容器原有的均布载荷等一并考虑，求出组合条件下的支座反力和弯矩进行强度校核。(4)水压试验时应力校核。6.2圆筒体的轴向应力及其位置圆筒体的轴向应力及其位置见图61。1.两支座跨中截面处圆筒体的轴向弯曲应力截面最高点压应力)： （12)截面最低点(拉应力)： （13）图61 筒体的轴向应力2.支座截面处圆筒体的轴向弯曲应力截面最高点(拉应力)： (14)截面最低点(压应力)： (15)式中：pc计算压力；Ra圆筒平均半径；e圆筒有效壁厚；K1，K2系数，根据圆筒是否被加强和支座包角查表，见JB/T 4731。3.筒体轴向应力的校核计算得到的卧式容器筒体上最大轴向应力。计算时，应根据操作和非操作时(指无操作压力装满物料或无试验压力装满水的情况)等不同工况，找出危险工况下可能产生的最大应力。在操作工况条件下，轴向拉应力不得超过材料在设计温度下的许用应力，压应力不应超过轴向许用临界应力和材料的。在水压试验条件下，轴向拉应力不得超过；压应力不应超过为材料常温屈服强度，B为轴向许用压缩应力。应该注意到：对于正压操作的容器，在盛满物料而未升压时，其压应力最大值，故取这种工况对稳定性应进行校核。又如对有加强的筒体(图61中左侧M-M截面)，当时只需校核跨中截面的应力，反之两个截面都要校核。6.3 筒体切向剪应力剪力在支座截面处为最大，该剪力在筒体中壁引起切向剪应力，计算鞍座截面切向剪应力与该截面是否得到加强有关，所以分为以下三种情况。（1）筒体有加强圈，但未被封头加强（），由于筒体在鞍座处有加强圈加强，筒体的整个横截面都能有效地承相剪力的作用，此时截面上的切向剪应力分布呈正弦函数形式，如图62（a）所示，在水平中心线处有最大值。 （16）式中系数K3，根据圆筒被加强情况和支座包角查表，见JB/T 4731。（2）筒体未被加强，当支座截面上筒体既无加强圈，又未被封头加强时，则由于存在无效区，筒体抗剪的有效截面减少。应力分布情况见图62(b)，最大切向剪应力在处。剪应力的计算式与式(16)相同，但K3数值不相同。(3)筒体被封头加强(即)，筒体无加强圈，但鞍座靠近封头封头对筒体支座截面起加强作用，此时，大部分剪力先由支座(此处指左支座)的右侧跨过支座传至封头，然后又将载荷传回到支座靠封头的左测筒体，此时筒体中切向剪应力的分布呈图62（c）所示的状态，最大剪应力位于的支座角点处。 最大剪应力可按下式计算： （17）式中系数K3数值与前不同，根据标准JB/T 4731查取。（4）切向剪应力的校核求寻的剪应力值不得超过材料在设计温度下许用应力的0.8倍，即。6.4封头应力校核圆筒体被封头加强时，封头内的附加拉应力(封头上剪应力的水平分量)为： （18） 式中:凸形封头的有效厚度；K4系数，根据支座包角查表，见JB/T 4731。强度校核。注：为内压引起封头拉应力，计算公式见JB/T 4731。外压封头可不计。6.5 支座处圆筒体的周向应力1.支座处圆筒的周向压缩力和周向弯矩支座反力在与鞍座接触的筒体上还产生周向压缩力P，当筒体未被加强圈或封头加强时，在鞍座边角处的周向压缩力假设为，在支座截面筒体最低处，周向压缩力达到最大，这些周向压缩力均由壳体有效宽度来承受。支座反力在支座处筒体截面引起切向剪应力，这些剪切应力导致在筒体径向截面产生周向弯矩Mt，周向弯矩在鞍座边角处有最大值。理论上最大周向弯矩为： （19）且作用在一有效计算宽度为l的筒体抗弯截面上，l的取值与不同的筒体长径比有关，当时，l=4Ri；时，上面系数K5、K6根据鞍座包角按标准查取，其中K6值还和鞍座与封头切线的相对距离A/Ra有关，见JB/T 4731。2.圆筒截面最低点处的周向压应力 (20)式中：k系数；k=1，支座与圆筒体不相焊；k=0.1，支座与圆筒体相焊；厚度；当无垫板或垫板不起加强作用，则，当垫板起加强作用时，则；圆筒有效厚度；鞍度垫板有效厚度。注：垫板起加强作用的条件是：要求垫板厚度不小于0.6倍圆筒厚度；垫板宽大于或等于b2，垫板包角不小于。一般情况下，加强板(垫板)宜取等于壳体圆筒厚度。3.无加强圈圆筒体鞍座处最大周向应力(1)鞍座边角处的最大周向应力：当时： (21)当： (22)式中：厚度，当无垫板或垫板不起加强作用时，则；当垫板起加强作用时，则以代替，以代替。(2)鞍座垫板边缘处圆筒体中的周向应力：当时： (23)当： (24)注：、公式中第二项为周向弯矩引起的壁厚上的弯曲应力。式(23)和式(24)中K6值为鞍座板包角的相应值。，位置见图63。4.有加强圈的圆筒体(1)加强圈位于鞍座平面上。最大弯矩发生在鞍座边角处。加强圈位于鞍座平面上，是指加强圈中心平面与鞍座中心平面之间在容器轴线方向的距离。在鞍座边角处圆筒体的内外表面处最大弯曲应力： (25)式中e，对内加强圈为加强圈与圆筒体组合截面形心线距圆筒体外表面的距离；对外加强圈为加强圈与圈筒体组合截面形心线距圆简体内表面的距离。鞍座边角处加强圈内、外缘处的周向应力： (26)(2)加强圈靠近鞍座平面。加强圈靠近鞍座平面是指加强圈中心平面与鞍座中心平面之间在容器轴线方向的距离且。周向压应力的计算按式(20)。鞍座边角处周向应力的计算按式(21)和式(22)。K6按选取。最大周向应力、发生在靠近水平中心线处(在90左右)的圆筒体内外表面及加强圈的内外缘。此时K7、K8值与加强圈在鞍座面内的情况下同。5.周向应力校核7 鞍座设计鞍座宽度b一般取大于或等于8，当采用标准“鞍式支座”时，b应取筋板大端宽度与腹板厚b0之和，筋板对称布置时，b应包括腹板厚b0(图41)。当所用的鞍座超出标准规定的适用范围(鞍座包角120、150，地震烈度8度，钢/钢摩擦系数0.3)而重新设计鞍座时，或卧式容器上有附加载荷，或其上有配管及地震力载荷，或对需抽芯的换热器时，需对鞍座腹板/筋板组合截面进行强度校核。图22.5 鞍座腹板水平分力7.l腹板有效截面内水平平均拉应力设备给予鞍座的载荷为沿包角对应弧段的不均匀分布的径向力q，此载荷的水平分力将使鞍座向两侧分开，半个鞍座的水平分力的总和为。当无垫板或垫板不起加强作用时：鞍座腹板有效截面内的水平方向平均按应力： （27）当垫板起加强作用时： （28）式中：Hs计算高度，取鞍座实际高度与中较小值；br垫板有效宽度。取垫板宽度b4及圆筒体有效宽度两者中之小者。7.2 容器轴向载荷引起的鞍座压应力地震力的轴向分力可以引起鞍座压应力。(1)当地震载荷的轴向力小于或等于鞍座底板与基础静摩擦力(FEfmg)时，在轴向弯矩及垂直载荷作用下，支座腹板与筋板组合截面的压应力 (29)(2)当地震载荷的轴向力大于底板与基础的静摩擦力(FEfmg)时，支座腹板与筋板组合截面内产生的弯曲压力 (30)(3)温度变化使圆筒体伸缩而产生的弯曲压应力 (31)以上三式中：FE地震力(按容器轴向作用)；FE=amg。表22.5.2抗震设防烈度789设计基本地震加速度0.10g0.15g0.20g0.30g0.40g地震影响系数，a0.080.120.160.240.32f鞍座底板与基础间静摩擦系数；钢底板与钢基础垫板f=0.3；钢底板与水泥面基础，f=0.4；fs鞍座钢底板对钢基础垫板的动摩擦系数，fs=0.15； HV圆筒中心至基础表面距离，mm；H圆筒最低表面至基础表面距离，mm；Asa腹圆板与筋板(小端)组合截面面积，mm2；Zr腹板与筋板(小端)组合截面系数，mm3。7.3强度校核鞍座计算应力的强度校核条件按JB/T 4731规定。8 鞍座卧式容器的合理化设计一个设计，首先要满足工艺及结构强度要求，同时又要结构合理、节省材料。在初定结构参数后要审查各应力是否合理或超标，依应力情况可调整各结构参数。一般调节步骤是：使A0.5Ra增设鞍座垫板增加鞍座包角增设加强圈。8.1鞍座轴向位置1.与轴向应力的关系当A0.5Ra时，由于封头对圆筒体的加强作用，在鞍座承受M2弯矩时抗弯截面为整个圆截面，而A0.5Ra时，抗弯截面减少为，从而使、增大，对L/D较大的长卧式容器，取A0.5Ra时可能使M1偏大，这时应调整A满足0.2LA0.5Ra先使、合格，再校核其他应力。2.与切向剪应力的关系当A0.5Ra或加强圈靠近鞍座平面时，式(16)中与A有关，A增大减小。另外，该公