大型立式容器支腿的应力分析

第 4 5卷第 1 期 2 0 1 6 年 1月 石油化工设备 PETR0一 CHEMI CAL EQUI PMENT Vo L 45 No 1 J a n 2 0 1 6 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 6 0 1 0 0 2 3 0 6 大型立式容器支腿 的应力分析 杨国强 上海森松压力容器有 限公 司 上海2 0 1 3 2 3 摘要 对 4条 支腿 支承的立式容器 给 出支腿的一般应 力计算式 确定了风载荷及地震载荷在 支腿 上产 生 最大应 力 的作 用方 向 并进 行 了支腿 的应 力计算 强度 及稳 定性 校核 关 键词 立式容器 支腿 支承 应力分析 中图分 类 号 TQo S O 2 T E 9 6 2 文献 标 志码 B d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 6 0 1 0 0 5 S t r e s s An a l y s i s o f Le g S u pp o r t o f La r g e s c a l e Ve r t i c a l Ve s s e l s YANG Gu o qi a n g S h a n g h a i Mo r i ma t s u Pr e s s u r e Ve s s e l Co Lt d S h a n g h a i 2 0 1 3 2 3 C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f v e r t i c a l v e s s e l s u p p o r t i n g b y f o u r l a n d i n g l e g s t h e c a l c u l a t i o n f o r m ul a o f s t r e s s f or l a nd i ng l e g s was g i v e n S O a s t o f i nd t he di r e c t i o n o f t h e wi n d a d e a r t hq ua ke l o a d wh i c h pr o du c e d t he ma xi m u m s t r e s s The s t r e s s o n l a nd i ng l e gs wa s c a l c u l a t e d b a s e d on t hi s o r i e nt a t i o n s t r e ng t h c h e c k a nd s t a bi l i t y c he c k o n l a n di ng l e gs we r e m a d e s e p a r a t e l y i n de t a i l Ke y wo r d s v e r t i c a l v e s s e l l e g s u p p o r t s t r e s s a n a l y s i s 腿式支承 简称支腿 一般用 于直径较小 高度 较低及质量较轻 的中小型容器之 中 有些用户鉴于 操作和维修 的方便 对大型容器也要求采用支腿支 承 的方 式 由于大型容器的重量 直径及高度的数值均比较 大 加之地震和风载荷的作用 使支腿本身及支腿与 容器连接的各条焊缝将承受很大的应力 在进行此 类设备设计计算 时 必须根据容器支腿的结构 数量 及分布特点 计入地震和风载荷的影响 进行详细的 力学分 析 文 中对 4条 支腿 支 承 的立 式 容器 在 重 力 风 载 荷和地震载荷作用下的应力进行 了分析 并对支腿 及支腿与容器 的连接焊缝进行强度和稳定性校核 腿式支承立式容器 的结构示意图见图 1 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 2 9 图 1 腿式 支撑立式容器结构图 作者简介 杨国强 1 9 5 7 一 男 天津人 高级工程师 学 士 从事压力容器设计 审核工作 3 o多年 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 石油化工设备 2 0 1 6年第 4 5 卷 图 1中 4个支腿 采用 H 型 钢 且 通过垫 板 与容 器 焊接 H 为两封 头切 线 T L 之 间 的距 离 D 为 容 器外径 L为支腿 高 为 支腿 和 垫板 之 间 角焊 缝 长 度 mm T L 表示 为封 头切 线位置 1 腿 式支承容器 的自震周期 由文献 1 得支腿在下封头切线 T L 处的偏 移 量 及 自震周 期 1 计算 式如 下 2 GL0 一 了 干了 i UZ T 一 2 砉 2 式 中 G为容器正常运行 时产生的重力 N L为支 腿高度 mm 为支腿个 数 E为弹性模 量 MP a I 为支腿截 面对 z 轴 的惯 性 矩 为 支 腿 截 面 对Y Y 轴的惯性矩 mm g为重力加速度 mm s 2容器下封 头切线 处 的水 平力 及地 震和 风 组合弯矩 根据容 器的设计参 数 和 自震 周期 结合 腿式 支承容器 的结构特点 参照文献 2 计算 出在下封 头切线 T L 处 的地震 和风组合弯矩 M 以及水 平 力 F 3支腿应 力计算 支腿 上 载荷简 化模 型 4个 支腿 分 布 以及 1 支 腿 截 面形 式 和尺 寸 分别 见 图 2 图 中 a为 1 支 腿 和 F 的作用方 向之角度 a为 H 型钢截面高 b 为 H 型 钢 截 面 宽 e为 H 型钢 截 面 宽度 的一 半 e 为 H 型 钢 截 面 上 到 Z Z轴 的 最 大 垂 直 距 离 mm 厂 n 厂 n 3 厂 n 分 别 为 1 2 3 4 支 腿 底 部 所 受 水平 力 N 与设 备焊 接 的支 腿 上端 简 化 为 固定 端 和 底板 焊接 的支腿下 端简 化 为铰支 端 由于作 用到 支腿 上 的地震和风组合弯矩 M 与水平力 F 的方向的不确 定 性 需 要找 出使 支 腿上 产 生 最 大应 力 的作 用 方 向 来进行计算 鉴 于每个 支腿 的材 料 结 构和 尺寸 相 同 并且 沿 容器周向均布 以相同的方式和容器焊接 因此 M 和 F 作用方 向在任意选定的 2个支腿之 间变化会 使 4 个支腿重复出现相 同的受力变化 只是最大应 力 出现 在 不 同 的支 腿 上 而 已 仅 分 析 M 和 F 在 1 和 2 支 腿之 问的作 用方 向变化 导 致支 腿 应力 变 化 的情 况 即可 c 1 文腿 截 I 6 l l到 图 2 立式容器 4个支腿上载荷简化模 型 支腿 分布及 1 支腿截面图示图 3 1 水 平 力在支 腿上产 生 的弯曲 应力 1 和 3 支 腿对 Z Z轴 垂 直 F 方 向 的惯性 矩 相 同 可表 示 为 1 一 3 一 s i n a C O S 0 t 2 和 4 支腿 对 Z Z轴 垂直 F 方 向 的惯性 矩相 同 可 表 示为 I 2 一I 4 C O S d I s i n a 因此 4个 支 腿 对 Z Z轴 的惯性 矩之 和 为 I 一2 由文献 1 得 知 每个 支 腿 所 分 担 的 水 平 力 大小和支腿截面对 Z Z轴 垂直 F 方 向 的惯性矩 大小成 正 比 因此 每 个支 腿 底 部 所受 水 平 力 可 按 下式计 算口 3 式 中 I 为 任 意 一 个 支 腿 截 面 对 z 轴 的惯 性 矩 mm4 将 1 3 支腿 的 惯性 矩 I I 柏 分 别 代 入 式 3 可得 1 3 支 腿底部 所受 水平 力为 f n l Fn 同理 可得 2 4 支 腿底 部所 受水平 力为 fn 2 Fn 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1 期 杨 国强 等 大型立式容器支腿 的应力分析 将 厂 乘以支腿高度 L可得 1 3 支腿 由水平力产生的弯矩为 Mn 一Mn 一LFn 同理可 以得 到 2 4 支 腿 由水平 力 产 生 的弯 矩为 Mn 一Mn 一 由以上分析可知 每个支腿 由水平推力产生的 弯 曲应力均为 警 一 丁一 4 其 中 3 支 腿 e i C C O S a r c tg 一 a 2 4 g N e i c c o s a r c t g 1 c 一 式中 Mn 为任意一个支腿 由其所 受水平推 力产生 的弯 矩 N mm 3 2 风和地震组合弯矩在支腿上产生的拉 压 应 力和弯曲应力 为了平衡地震和风的组合弯矩 1 支腿和 3 支 腿受 力 大小 相 同 方 向相 反 同理 2 支 腿 和 4 支 腿 受力 大小 相 同 方 向相 反 4个 支腿 所受 拉 压 力 应 满足 以下 关 系 M f v 1 Dc o s a f 2 Ds i n a f v l Ds i n 0 f v 2 Dc o s a 式中 D 为容器支腿垫板外径 mm f f v z 分别为 1 2 支腿由组合弯矩产生的拉力 N 解 以上 方 程 组 可 得 1 3 支 腿 所 受 的 拉 压 力 为 f v l 一 一 同理可得 2 4 支腿所受拉 压 力为 M S i n d 广 v z 一 一 v 一 一 将每个支腿所受拉 压 力 除以支腿截面积 A 可得 l 3 支腿 产生 的拉 压 应 力为 z一百 一 0 同理可以得到 2 4 支腿上产生 的拉 压 应 力 为 一 将支腿所受拉 压 力乘 以力 的作用点到截面形 心的距离 e 可得 1 3 支腿弯矩为 M1 一 一fv l e e M c 百 os 一 r 同理可得 2 4 支腿弯矩为 M2 一 一f v 2 P M s i n a 1 3 支腿承受 的弯曲应力为 一 半 2 一 一 同理可得 2 4 支腿弯曲应力为 一 2 一 一 百 J 由此 可知 当 a O 时 1 3 支腿 由地震 和风 组合弯矩 M 产生 的拉 压 应力和弯 曲应力最大 当 一 9 0 时 2 4 支腿 由地震和风组合弯矩 M 产生 的拉 压 应力和弯 曲应力最 大 4个支腿 的拉 压 应 力都 为 一 弯 曲应力 都 为 一 3 3 操作重量在支腿上产生的压缩应力和弯曲应 力 每个 支腿 所受 压缩 应力 相等 可表 示为 一 9 每个支腿所受的弯曲应力也是相等 可表示为 一 1 0 4 地震 和风载 荷在 支 腿上 产 生最 大组 合应 力的作用方 向 支腿的组合应力主要 由水平力 F 产生 的弯曲 应力 地震和风组合弯矩 M 产生的拉 压 应力和弯 曲应 力 以及 容 器 操 作 重 量 G 产 生 的压 应 力 和 弯 曲 应力组成 水平力 地震和风组合弯矩 的作用方向 是变化的 由这些载荷在支腿上产生的组合应力也 是变化的 因此 应找 出使支腿产生最大组合应力 的作用 方 向 在 此方 向上 求 出最 大组 合 应 力 后进 行 强 度 和稳定 性校 核 由支腿 的分布特点可知 水平力 地震 和风组合 弯矩的作用方向在 1 和 2 支腿之间变化 可在 3 和 4 支腿 上产 生最 大压 应力 将 式 4 式 5 式 7 相加 可得 3 支腿 由地震 和风载荷产生的组合应力为 一 LF co sl a rc F t g 干 b 一 a 苦 e Z M c os a 式 中 a为 自变量 t 7 为 a的 函数 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 石油化工设备 2 0 1 6 年第 4 5卷 a ar c c t g 一 c f c t g 鲁 l 5 示例计算 2 M A 1 4 e 2 c L F n D c o s I a r c t g b l 有 一 支腿 支 承 的立 式 容器 容 器 和 支腿 的 结构 形式 符号 和尺 寸参考 图 1 及 图 2 5 1 设计参数 容器 设 计 压 力 0 1 一 0 1 MP a 设 计 温 度 1 5 0 壳 体材 料 3 0 4 0 8 封 头 规 格 外 径 厚 度 THA 4 3 0 0 1 4 mm 简 体 规格 外 径 厚 度 为 4 3 2 4 1 2 mm H 一 1 2 55 6 m m 4个 H 型 钢 支 腿 沿 容 器 周 向 均 布 型 号 为 HK 3 0 0 c 截 面 尺 寸 n一 3 2 0 mm b 一 3 0 5 mm c 一 2 2 1 mm P I 5 2 5 mm 支腿 高度 L一2 0 0 0 mm 支 腿垫板 外径 D一4 3 4 8 mm 支腿材料 Q 2 3 5 B 弹性模量 E一2 O 1 1 0 MP a 截面 积 A一 2 2 5 1 0 mm 截 面 对 x x 轴 的惯 性 矩 I 一 4 0 9 4 8 1 0 mm 对 轴 的 惯 性 矩 一1 3 7 3 4 1 0 mm 支腿 和垫 板 之 间的角 焊缝 长度 h一 5 0 0 mm 支 腿 材 料 许 用 应 力 一 1 1 3 MP a 支腿 和垫 板 之 间 的角 焊 缝 剪 切 许 用 应 力 r 一6 7 8 MP a 设备运行时产生的重力 G一5 3 0 2 4 0 N 设备安 装地的地震设防烈度为 7级 0 1 g 第一组 地面粗 糙度类别 B 场地类别 I 基本风压 q 一5 0 0 N m 5 2 计算 过程 5 2 1 腿 式支承容 器的 自震周期 将 G一 5 3 0 2 4 0 N L一 2 0 0 0 mm 一 4 E一 2 01 1 0 M Pa J 一4 0 94 8 1 0 m m 一 1 3 7 3 4 1 0 mm g 一9 8 0 0 mm s 代入式 1 可 得 Y 一6 4 mm y L一6 4 2 0 0 0 0 0 0 3 2 此 数 值 满 足 文 献 1 中 y L 1 2 0 0的规定 将 的数值代入式 2 可得腿式支 承容器的 自震 周期 T一0 1 6 S 5 2 2 下 封 头切 线 T L 处 的 水 平 力 与地 震和风组合弯矩 根据容器的设计参数和 自震周期 结合腿式支 承容器的结构特点 参照文献 2 计算 出下封头切线 T L 处 的 地 震 和 风 组 合 弯 矩 M 一 3 9 2 1 0 N mm 水平力 F 一 5 6 7 9 6 N 计算过程略 5 2 3 地震和 风 载荷在 支腿 上 产 生最 大组 合应力的作用方向角 由式 5 可 知 当 一0 时 作 用 在 3 支 腿 上 的 压力产 生 的应 力最 大 由式 6 可 知 当 a 一9 0 时 作 用在 4 支腿上 的压 力产 生 的应 力最 大 均 为 危 险 的作用方 向 因两种情况相 同 仅校核 a O 时 3 支腿 的压应 力 即可 将 口 一 3 2 0 mm b 一 3 0 5 mm c 一2 2 1 mm e 一 1 5 2 5 mm L 2 0 0 0 mm F 一 5 6 7 9 6 N D 一 4 3 4 8 mm 一 3 9 2 1 0 N m m 一 4 0 9 4 8 1 0 mm 一 1 3 7 3 4 1 0 mm A 一 22 5 1 0 m m 分别 代人 式 1 1 和式 1 2 可 得 在 a 一2 5 3 时 作 用 在 3 支腿上的压力和弯矩产生的组合压应力最大 a 一6 4 7 时 作用在 4 支腿上 的压力和弯矩产生的 组合 压应 力最大 均 为危 险的作用 方 向 因两种情况相同 仅校核 a 一6 4 7 时 4 支腿的 组合 压应 力 即可 5 2 4支腿组合压应力计算 支腿 受 力 主要 由水平 力 产生 的弯 曲应 力 地 震 与风组合弯矩产生的拉 压 应力和弯曲应力 以及设 备运 行时 产生 的重力 产生 的压应 力和 弯 曲应 力组 成 为拉 应力 一 为压应 力 将 a 一 0 代 入 式 4 式 5 式 7 式 9 式 1 0 后求出每一项应力 相加后得 3 支腿靠近容 器侧 的最大压应力 LF M e M G Ge 一一l b z b 一 一D I 一 一 v 将 L一2 0 0 0 mm G一5 3 0 2 4 0 N M 一 3 9 2 1 0 N m m F 一5 6 79 6 N I 一4 09 4 8 1 0 m m 一 1 3 7 3 4 1 0 mm D 4 3 4 8 mm A一2 2 5 1 0 mm 以及 e 一 1 5 2 5 mm 代 人 上 式 可 得 一一 6 3 5 M Pa 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1 期 杨国强 等 大型立式容器支腿 的应力分析 将 一6 4 7 代入 式 4 式 6 式 8 式 9 式 1 0 后求出每一项应力 相加后得 4 支腿靠近容 器侧的最大压应力为 一 一 2 2 l c s 2 1 圭 一 坐 一 e 2 M s i n6 4 7 G G DI 4 A 4 同理代 入 以上 参数 得 d 一 一6 7 2 MP a 1 2 支腿 的拉 压 应 力 均小 于 3 和 4 支 腿 上的应力 计算过程略 5 2 5 支腿 的 强度 和 稳 定性 校 核 当a 一0 时 3 支腿截面靠近容器侧的压应力 最大 当 a 一6 4 7 时 4 支腿截面靠近容器侧 的组 合压应力最大 因此 仅校核 3 和 4 支腿即可 1 根 支 腿 惯 性 半 径 r 一 1 3 7 3 X 1 0 8 一 7 8 1 mm 支腿 细 长 比 一 L 一2 一5 1 2 其 中 为长度系数 对于一端固定 另一端铰支的支 腿 由文献 4 查得 2 0 由 一5 1 2查文献 3 图 8 1 O可得 忌 一0 8 4 所 以 一吉 一1 1 9 由文献 3 式 8 2 4可得 口 一 2 3 O 6 1 2 1 3 当 a 0 时 3 支腿 的压应力按式 5 式 9 计 算可得 一9 9 MP a 弯 曲应 力按式 4 式 7 式 1 0 计算可得 2 一5 3 6 MP a 代人 式 1 3 得 d 一4 3 9 MP a l 1 3 MP a 因此 3 支腿满足强度和稳定性要求 当 a 一6 4 7 时 4 支 腿 的 压 应 力 按 式 6 式 9 计算得 一9 5 MP a 弯曲应力按式 4 式 8 式 1 O 计算得 1 d 2 3 5 7 7 MP a 代入 式 1 3 得 4 5 9 MP a 1 1 3 MP a 因此 4 支腿满足强度和稳定性要求 5 2 6 支腿 和垫板 角焊缝校核 当 一0 时 3 支 腿 压力 最 大 数值 为 F一 G 4 2 2 2 7 1 6 N 此 时 弯 矩 数 值 为 M 一 与 一 1 4 3 1 O N mm 所 以 仅校核 3 支腿的角焊缝 即可 支 腿 和垫 板 之 间 的角 焊缝 共 计 2条 长 度 h 一 5 0 0 mm 焊 角 高 c 一 1 2 mm 焊 缝 受 剪 面 积 S一 0 7 O 7 c 2 h 一8 4 8 4 mm 焊缝抗 弯断面系数 W一 2 0 7 0 7 f h 6 7 0 7 1 0 mm 弯 曲应力 口 M 2 0 3 MP a 垂 直压 力 产 生 的 切应力 r 一 一2 6 3 MP a 因此焊缝 中的组合应力 r 一 r 一3 3 2 MP a r 一6 7 8 MP a 由此可 以得 出 3 支 腿 和垫 板 的 角焊 缝 满 足强 度 要求 6 结 语 1 对于腿式支承的大型容器 由于容器本身重 量大 再加 上风 和 地震 载荷 的作 用 在 支 腿 上 支 腿 和容器垫板连接的角焊缝处产生很大 的应力 必须 进行准确的力学分析 而文献 3 中关 于支腿的强 度和稳定性计算 并未计入 由于容器对支腿作用力 的作用点不在支腿截 面形心而产生的弯曲应力 即 文 中式 7 式 8 和式 I O 而此弯 曲应力数值很 大 不应被忽略掉 2 风和地震载荷在容器支腿上产生的最大组 合应力的作用方 向并不一定在 一4 5 应根据容器 和支腿的设计参数按文 中式 1 1 和式 1 2 求 出 而 文献 3 中都按 4 5 计算是不准确的 3 大型薄壁容器直径大 壁厚小且 刚性差 为 了分散和降低支腿对容器 的局部应力 要求在支腿 和壳体之间设置垫板 并适 当加长支腿和垫板之 间 的角 焊缝 参考文献 E l i Mo s s D R 压力容器设 计手册 M 陈允 中 译 北京 中国石化 出版社 2 0 0 6 Mo s s D R P r e s s u r e Ve s s e l D e s i g n Ma n u a l M CHE N Yu n z h o n g Tr a n s l a t i o n B e i j i n g Ch i n a Pe t r o c h e mi c al Pr e s s Co Lt d 2 006 2 NB T 4 7 o 4 1 2 o 1 4 塔式容器I s NB T 4 7 0 4 1 2 0 1 4 Ve r t i c a l Ve s s e l s S u p p o r t e d b y S k i r t S 3 丁伯民 黄正林 压力容器 M 北京 化学工业出版 社 2 0 0 3 DI NG B o rai n HUANG Zh e n g l i n Pr e s s u r e Ve s s e l I M B e ij i n g C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s 2 0 0 3 4 孙训方 方孝淑 关来泰 材料力学 M 北京 高等教 育出版社 2 0 0 2 S UN Xu n f a n g F ANG Xi a o s h u GUAN La i t a i M e c h a n i c s o f Ma t e r i a l s M B e ij i n g Hi g h e r E d u c a t i o n P r e s s 2 0 0 2 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 4 5卷第 1期 2 0 1 6年 1月 石油化工设备 P ETRO CHEMI CAI EQUI PMENT Vo1 4 5 NO 1 J a n 2 0 1 6 文章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 6 0 1 0 0 2 8 0 6 盖板隔膜密封热交换器隔膜垫片结构 分析及 比较 苏 燕 一 马一鸣 一 孙 昊 于 啸 1 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公 司 甘肃 2 上海蓝滨石化设备有限责任公 司 上海 解德 甲 马云霖 兰 州 7 3 0 0 7 0 2 01 51 8 摘 要 针对 高压 热交换 器隔板 隔膜 密封 的核 心部 件 隔膜 垫片进 行 定 性判 断 构 建 3种 隔膜 垫 片模 型进 行 了应 力分析 计 算 出危 险截 面的应 力水 平 确 定 了垫 片厚度 差 对其 端 部 密封 焊缝 的影 响 此 计算结果可为隔膜垫片的工程应用提供一定的参考 关键 词 热交换器 高压 隔膜垫片 焊接密封 应力分析 比较 中图分 类号 TQO 5 O 2 02 4 2 2 1 文献标 志码 B d o i l O 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 6 0 1 0 0 6 An a l y s i s a nd Co mp a r i s o n o f Di a p hr a g m Ga s k e t o f Di a p h r a g m He a t Ex c ha n g e r s S U Ya n MA Yi mi n g S UN Ha o 一 YU Xi a o XI E De j i a 一 MA Yu n l i n 1 La np e c Te c hn o l og i e s Li mi t e d La n z h ou 73 0 0 7 0 Chi na 2 S h a n g h a i L a n b i n P e t r o c h e mi c a l Eq u i p me n t Co Lt d S h a n g h a i 2 0 1 5 1 8 C h i n a E 5 陈偕 中 化工 容器设计 M 上海 上海 科学 技术 出版 社 1 9 8 7 CHE N K a i z h o n g C h e mi c a l V e s s e l s D e s i g n M S h a n g h a i S h a n g h a i S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Pr e s s 1 9 87 6 余国琮 化工容器及设备 M 天津 天津大学 出版社 1 98 0 YU Gu o e o n g Ch e mi c a l Ve s s e l s E q u i p me n t s M Ti a n j i n Ti a n i i n Un i v e r s i t y P r e s s 1 9 8 0 7 G B 1 5 0 1 1 5 0 4 2 O 1 1 压力容器I s G B 1 5 0 1 1 5 O 4 2 o 1 1 P r e s s u r e Ve s s e l s S 8 吴泽炜 化工容器设 计 M 武汉 湖北科学 技术 出版 社 1 9 8 5 WU Z e w e i D e s i g n o f C h e mi c a l Ve s s e l s M Wu Han H u be i Sc i e nc e a nd Te c hn ol og y Pub l i s hi ng Hou s e 1 9 85 9 郑津洋 董其伍 桑芝富 过程设备设计 M 北京 化 学工业出版社 2 0 0 1 ZHENG J