卧式容器设计分析 

卧式容器设计分析

6-6-1

卧式容器设计概述卧式容器的强度设计计算，受诸多因素影响：如设计压力、设计温度、介质、筒体直径和长度、材料以及容器结构等。在此就鞍座位置、加强圈、鞍座等对容器受力影响作一分析。鞍式支座支承的卧式容器的强度计算主要是对圆筒的三项应力进行校核。即：。

a．轴向应力：σ1~σ4

b．周向应力：σ5~σ6

d．切向剪切力：τ当上述应力不能满足强度要求或不大合理时，通常采取调整鞍座位置(A)、增设加强圈及修改鞍座型式与有关结构尺寸三个有效措施相应加以处理。为此，以下就鞍座位置、加强圈、鞍座三个方面对卧式容器的受力影响进行分析。并对卧式容器合理设计的几个环节加以归纳。6-6—2鞍座位置分析

鞍座位置A系指鞍座形心至邻近封头切线的距离，对非对称型鞍座通常以地脚螺栓孔中心线至封头切线的距离作为A’鞍座位置是否适当对容器受力情况影响颇大，它是影响容器设计合理与否的一个重要因素。为使封头对鞍座处的圆筒起加强作用，可取A<0．5Rm,当需调整容器受力状况,，则可适当变动鞍座位置，但A值最大不得大于0．25L，通常不应大于0．2L。一般设计时，可设定A<0．5Rm；但当鞍座平面上设有加强圈，或容器压力较高壁厚较大时、或容器长径比较大时，则A值可较大。如容器的配管或安装无特殊要求，则鞍座位置最好不要在设计前预先加以限定，以便使其位置设计得较合理。某卧式容器，内径为3000mm，圆筒长度(切线至切线)为18780mm，长径比为6．26，且设有加强圈，因而其A值取得较大。设内加强圈时，A=3600mm，A／L=0．192；设外加强圈时，A=3040mm，A／L=0．162。现分析鞍座位置与轴向应力、切向剪应力和周向应力的关系。

(1)鞍座位置与轴向应力的关系筒体轴向应力系由压力和轴向弯矩产生的两项轴向应力组合而成，而鞍座位置的变化，直接影响到弯矩的变化。当A值增大时，圆筒中间处截面的弯矩M1减小，鞍座处截面上的弯矩M2增加。当A=0．2L时，M1和M2值将趋于接近。由于鞍座位置的变化，还将引起鞍座平面上圆筒承受轴向弯矩的有效截面积的变化。当封头邻近鞍座即A<0.5Rm时，由于封头“挺性”的作用，使鞍座截面处的圆筒保持圆形，因而圆筒的整个截面皆可承受弯矩M2的作用；当鞍座远离封头即A>0．5Rm时，封头“挺性”不足以使圆筒在鞍座位置处仍保持圆形，而在切向剪力产生的周向弯矩作用下，使该处圆筒的上部“塌陷”，从而使圆筒有效抗弯截面减小，此时，圆筒有效抗弯截面所对应的圆弧角，等于鞍座包角加上未被鞍座包容的圆筒圆弧角的六分之一。若不考虑鞍座位置的变化对弯矩M2的影响，则因圆筒有效抗弯截面的减小，将使鞍座截面上靠近水平中心线处的圆筒轴向弯曲应力增大约八倍，而鞍座平面横截面最低点处的圆筒轴向弯曲应力将增大约四倍。因而在轴向弯矩引起的轴向应力值较大的情况下，应取A4<0。5Rm。以充分利用封头的“挺性”对圆筒起加强作用，从而有效地降低圆筒轴向应力。(2)鞍座位置与切向剪应力的关系。当封头对圆筒起加强作用时(即A<0．5Rm)，圆筒上靠近鞍座边角处的最大剪应力值不随A值变化而变化。在鞍座平面处的圆筒由于剪应力引起的变形受到封头“挺性”的约束，亦即该截面上圆筒仍能保持圆形。当鞍座远离封头(即A>0．5Rm)，且在鞍座平面处无加强圈时，鞍座处的圆筒因无封头“挺性”的支持，在剪应力的作用下，使该处圆筒上部发生“塌陷”丧失承载能力，从而使剪力分布相应调整：趋向于集中在鞍座边角处附近，且最大剪应力出现在鞍座边角处附近。

(3)鞍座位置与周向应力的关系由于周向压缩力和周向弯矩的作用，在鞍座边缘处和鞍座加强板边缘处产生周向应力。对无加强圈的卧式容器，其鞍座平面上的周向弯矩尚难从理论上推导。GB150式(8-19)—(8-22)中的后一项即为由周向弯矩产生的周向应力，其弯矩值按在鞍座平面上有加强圈时的周向弯矩取值。但实际上，无加强圈时的周向弯矩比有加强圈时的周向弯矩为小，为了使计算应力与实际应力相接近，因而假定圆筒有一较大的宽度承受这一假想的弯矩，该宽度为下列二者值中的较小值：圆筒平均直径的两倍或筒体长度的二分之一。鞍座中心距封头切线之间的距离不同，封头对圆筒的加强效应也有所不同，因而周向弯矩也随之变化。为此在式(8—19)—(8—22)中引入了系数足K6，以对周向弯矩加以修正。当A值在0．5Rm~Rm范围内变化时，由周向弯矩引起的周向应力随A的增加呈线性增加；而若A<0．5Rm或A>Rm，该项应力不随A值而变化，但A>Rm时弯矩引起的周向应力为A<0．5Rm时的四倍。为使鞍座边角处和鞍座加强板边缘处的周向应力值较低，应使A<0．5Rm。周向应力σ5、σ7、σ8与A值无关。大量的卧式容器工程设计计算表明，鞍座边角处和鞍座加强板边缘处的周向应力往往是容器计算中起控制作用的应力。为了降低该两处的周向应力，使A<0．5Rm，是一有效的途径。综上述鞍座位置对卧式容器受力的影响，可得如下结论。(1)鞍座邻近封头，可降低鞍座截面处圆筒轴向应力、鞍座边角处和鞍座加强板边缘处的周向应力；(2)增大鞍座与封头之间的距离，有利于降低圆筒中间处的轴向应力；(3)在鞍座远离封头(A>0．5Rm)的情况下，A值的变化对剪应力大小的影响与容器长径比有关。6-6-3

加强圈设置加强圈，可有效地改善容器的受力情况。设置在鞍座平面上的加强圈，可全面改善容器在鞍座处的应力状况：降低该处的轴向应力、圆筒切向剪应力和周向应力。对大直径薄壁容器，在鞍座平面处的周向应力通常很大，为了降低该处的周向应力，设置加强圈是极其有效的。根据需要，加强圈可配置在容器内侧或外侧，但从容器的强度和美观角度来说，以设置容器内部、位于鞍座平面上为好。当容器所盛的介质具有较大的腐蚀性、或容器在操作时不允许有内件时，则应考虑设置靠近鞍座的外加强圈。加强圈作为受力构件，且与筒体焊成一体而不可拆，因而当其设置在容器内时，应考虑腐蚀裕量和钢板负偏差。对于工字钢、槽钢等型钢，由于腹板厚度较小，不宜作为物料有很大腐蚀性的容器内加强圈。内加强圈可采取由板材组焊而成的结构；而外加强圈结构；则可选用不等边角钢。对有加强圈的筒体，剪应力作用在整个圆筒截面上，此时由剪应力引起的周向弯矩可用解析法求出，此周向弯矩由有效宽度为b2=b+1．56的圆筒体与加强圈的组合截面共同承受。在讨论鞍座位置与周向应力的关系时，已提到无加强圈的筒体，假定宽度为平均直径的两倍或长度二分之一的圆筒截面承受周向弯矩。由于设置加强圈后，圆筒有效宽度(b+1．56)远较无加强圈时的圆筒计算宽度为小，为此要求加强圈需有足够大的截面与圆筒有效宽度组合以承受周向弯矩。加强圈截面形状通常有矩形、T形(或L形)及工字形(或П形)。圈的截面形状及尺寸，对存在于鞍座边角处圆筒中及加强圈上不与筒壁相接的内缘或外缘处的周向应力影响颇大；因而设计时，对加强圈的截面形状的选取及尺寸的确定应加以足够的注意。值得指出，加强圈的设置会增大鞍座处圆筒中的周向弯矩，因而可能产生这样一种情况：即在设置加强圈后，圆筒的周向应力不仅未降低，反而大于原先计算的周向应力值，为此需重新调整加强圈的截面或尺寸。6-6-4鞍座选用分析鞍式支座是卧式容器的主要支承元件。鞍座一般均选用标准部件(见JB／T4712-92)，按其承载能力分为轻型(A型)和重型(B型)两种,对于小直径容器(DN<900mm)的鞍座又可分为带垫板和不带垫板两种结构。鞍座的结构尺寸如鞍座宽度、垫板尺寸、鞍座包角、鞍座高度和腹板厚度等直接影响到鞍座平面处的各项应力值。(1)鞍座宽度鞍座宽度即鞍座的轴向宽度，是指鞍座与容器圆筒部分相接触部分的宽度。鞍座宽度大小将影响到圆筒的周向应力，该宽度对圆筒鞍座处横截面的最低点处的周向应力影响较大；而对于鞍座边角处的周向应力，因鞍座宽度仅影响周向压缩力所产生的周向应力，而该项应力相对于周向弯矩产生的周向应力来说相对较小，故总的来说，影响较小。(2)垫板尺寸当垫板尺寸满足以下条件时，垫板起加强作用(此时可称之为加强板)。a．垫板的宽度不小于圆筒有效宽度b2,b．垫板对圆筒体的包角不小于θ+12°

(θ为鞍座包角)。对于标准鞍座所附的垫板应按上述两个条件进行验算。如满足，则在计算周向应力时可把垫板的厚度考虑在内；否则，应按周向应力情况设定加强板尺寸以替代垫板。设置加强板，可极其有效地降低鞍座边角处的周向应力。但应注意到，由于加强板的设置，起控制作用的周向应力可能转移至鞍座加强板边缘处的圆筒体上。从理论上说，虽可以增加加强板厚度使鞍座边角处圆筒中的周向应力降至许用值以下，但由于周向应力危险点的转移，加强板厚度的增加不能降低加强板边缘处圆筒中的周向应力，故一般应先验算加强板边缘处圆筒中的周向应力。(3)鞍座高度和腹板厚度鞍座高度和腹板厚度这两结构尺寸将影响鞍座有效断面的平均应力。但在绝大多数情况下。该平均应力不起控制作用。{4}鞍座包角正常情况下鞍座包角不应小于120°。标准鞍式支座轻型采用120°包角，重型采用150°包角。采用较大的包角，有利于降低鞍座平面处的轴向应力、切向剪应力和周向应力。对大直径卧式容器，由于受载大，所以可选用包角为150°的重型鞍座。下表中示出了鞍座包角为150°时的各项应力与120°包角时相应应力的比值(设包角120°时的应力值为1．0)。从表中可见，采用包角θ为150°的鞍座，在鞍座边角处由周向弯矩引起的周向应力比包角为120°的鞍座相应周向应力减小约40％，并同时能有效地降低鞍座平面处圆筒中的轴向应力和切向剪应力。鞍座包角150°与120°时的应力比值┌────────────────────┬────┬──────────┐│

应

力

名

称

│应力比值│

条

件

│├────┬───────────────┼────┼──────────┤│

│

M2／(3．14K1)

│

0．665│

││轴向应力│

│

│

A>0．5Rm。

││

│

M2／3．14K2)

│

0．688│

│├────┼───────────────┼────┼──────────┤│

│

τH

│

0．736│

││

│

│

│

A≤C．5Rm

││

├───────────────┼────┤

││

剪应力│

│

0．551│

││

│

├────┼──────────┤│

│

τ

│

│

││

│

│

0．682│

A>0。5Rm

│├────┼───────────────┼────┼──────────┤│

│

σ5

│

0．885│

││

├───────────────┼────┤

││

│

σ6(由周向弯矩引起部分)

│

0．599│

无加强圈

││

├───────────────┼────┤

││

│

σd(由周向弯矩引起部分)

│

0．580│

││

├───────────────┼────┼────┬─────┤│

│

由周向弯矩引起

│

0．599│

│位于鞍座

││

├───────────────┼────┤

│

││周向应力│

由周向压缩力引起

│

0．887│

│

平面处

││

├───────────────┼────┤

├─────┤│

│

由周向弯矩引起

│

0．611│有加强圈│

││

├───────────────┼────┤

│

││

│

由周向压缩力引起

│

0．808│

│靠近鞍座必││

├───────────────┼────┤

│

││

│

σ5

│

0．885│

│

││

├───────────────┼────┤

│

││

│

σ6(由周向弯矩引起部分)

│

0．599│

│

│

6-6-5卧式容器合理设计要领在选材已定的条件下，卧式容器