化工容器設(shè)計(jì)第十一講

1、一、引言 二、殼體局部應(yīng)力的計(jì)算,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算一、 引 言,容器除了受內(nèi)壓或外壓之外，在其制造、安裝和使用過程中還受到許多其它載荷。這些附件包括支座，托架，吊耳和接管等，如右圖，通過附件傳過來的載荷對殼體的影響通常僅限于附件與殼體連接處附近的局部地區(qū)，因此稱為局部載荷。,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算一、 引言,當(dāng)容器同時受到壓力載荷時，在這些局部地區(qū)

2、還有另外一些局部應(yīng)力，如局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，以及在截面尺寸突變的轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中。這些局部應(yīng)力的存在將成為容器發(fā)生強(qiáng)度或穩(wěn)定性失效的主要原因。因?yàn)槿萜骺傆薪庸芎椭胃郊?，所以?jì)算局部載荷作用下殼體或接管中的局部應(yīng)力成為十分必要。由于載荷或幾何形狀和載荷的非對稱性，對局部應(yīng)力作完整分析過于復(fù)雜，往往不便于應(yīng)用。,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算一、 引言,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算二、 球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計(jì)算,（一）外載荷通過附件傳到殼

3、體上的外載荷包括下列幾種：徑向載荷P；外力矩M(球殼)或周向外力矩和經(jīng)向外力矩(圓柱殼)；切向載荷V(球殼)或周向切向載荷Vc和經(jīng)向切向載荷VL(圓柱殼)；扭轉(zhuǎn)力矩MT；上述載荷的不同組合。,(二) 應(yīng)力（1）一般的計(jì)算式由徑向載荷和外力矩在薄殼中產(chǎn)生的正應(yīng)力為式中：Ni為i方向單位長度的薄膜內(nèi)力，N/mmMi為i方向單位長度的內(nèi)彎矩，N·mm/mmT為殼體厚度，mmKn,Kb為薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的

4、應(yīng)力集中系數(shù)對于受靜載荷的鋼制容器， Kn=Kb=1.0,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算二、 球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計(jì)算,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算二、 球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計(jì)算,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算二、 球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計(jì)算,(二) 應(yīng)力式中i方向?qū)A柱殼指周向? 和軸向x，對球殼指切向? 和經(jīng)向x，,對圓柱殼為：,式中： 扭轉(zhuǎn)力矩MT在殼體與附件連接處殼壁中產(chǎn)生的切應(yīng)力， 圓柱形附件：,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算二

5、、 球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計(jì)算,(二) 應(yīng)力由切向載荷和轉(zhuǎn)矩在殼體中產(chǎn)生的切應(yīng)力則按下式計(jì)算；,圓柱殼為：,球殼：,球殼-圓柱殼附件：,球殼-方形附件：,（二）應(yīng)力（2）正應(yīng)力位置和符號。 在一般情況下，由局部載荷引起的最大正應(yīng)力發(fā)生在附件與殼體連接處的殼壁內(nèi)外表面上，如下圖所示：Au、Bu、Cu、Du和AL、BL、CL、DL八個點(diǎn)。這些點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為雙向應(yīng)力狀態(tài)，即對球殼為經(jīng)向應(yīng)力?x和切向應(yīng)力??。,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算

6、二、 球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計(jì)算,（二）應(yīng)力（2）正應(yīng)力位置和符號。,第四節(jié) 局部應(yīng)力計(jì)算二、 球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計(jì)算,球殼-圓柱形：,球殼-方形：,化工容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題涉及過程工藝、材料、制造與防腐蝕等因素，本節(jié)僅從應(yīng)力與強(qiáng)度角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。從應(yīng)力與強(qiáng)度上講必須要考慮如何減小局部應(yīng)力，若容器的容積愈大，壓力愈高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對減小局部應(yīng)力的考慮應(yīng)愈仔細(xì)，否則局部應(yīng)力過高將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在局部區(qū)域發(fā)生過度變形失效，甚至使整

7、個設(shè)備毀壞。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減小局部應(yīng)力的原則措施是： 在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處盡可能圓滑過渡，并應(yīng)避開焊縫。 在有局部載荷作用的地方應(yīng)適當(dāng)予以加強(qiáng)，如墊以襯板以減小局部應(yīng)力。,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題一、 容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析,（一）凸形封頭邊緣直邊段的分析 碟形、橢圓形或球形封頭，在封頭與圓筒交接的切線處(見圖)總存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，不連續(xù)應(yīng)力最大的地方應(yīng)避免設(shè)置焊縫，必須使封頭具有一直邊段。在直邊段之外不連

8、續(xù)應(yīng)力已得到一定的衰減，這樣焊縫中即使存在一些小的缺陷以及焊接殘余應(yīng)力，也不致對安全有太大的影響。,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題一、 容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析,球形封頭，由于封頭本身較深，制造時再要增加一直邊段就更難沖壓，一般不設(shè)直邊段。球與圓筒的切線也同時成為焊縫(見圖)。但不應(yīng)忽視環(huán)焊縫也是球封頭上的焊縫，因此即使球封頭本身沒有拼接焊縫，然而在計(jì)算壁厚時也應(yīng)考慮焊接接頭系數(shù)的選取，此種情況不考慮焊接接頭系數(shù)是不合理的。,（一）

9、凸形封頭邊緣直邊段的分析 球形封頭與管板相連接的結(jié)構(gòu)，由于焊縫所處的位置是球與平板結(jié)合的不連續(xù)處，存在較大的不連續(xù)應(yīng)力。此處的焊縫又為單面角焊縫，無法內(nèi)部探傷。這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中已多次發(fā)生爆炸，不得不使數(shù)百臺同類設(shè)備報(bào)廢。從爆炸斷口分析可知，此處存在許多未焊透缺陷。較為理想的做法是采用圖(b)的結(jié)構(gòu)，使管板周圍突出，把角焊縫變成對接焊縫，既可保證焊接質(zhì)量，又可有利于無損檢測。且焊縫又不處于不連續(xù)應(yīng)力最大的地方。但這也帶來了新

10、的問題，即管板毛坯太厚，加工較復(fù)雜。,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題一、 容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析,（二）變徑段結(jié)構(gòu)分析 化工設(shè)備往往需要使直徑不同的兩段筒體連接在一起，連接部位必須考慮圓滑過渡的問題。圖(a)結(jié)構(gòu)使上下連接部位的結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力過大，僅能用于a ≤30o的情況。當(dāng)半錐角30o 45o時小端也應(yīng)采用如圖(c)所示的帶過渡區(qū)的折邊錐殼，或者采用如圖(d)所示的反向曲線形式的回轉(zhuǎn)殼——變徑段。

11、 變徑段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法在我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中有具體規(guī)定。 所有帶過渡段折邊的焊縫均不布置在幾何不連續(xù)的切點(diǎn)處，所有折邊都有一直邊段。,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題一、 容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析,（三）支座與容器的連接結(jié)構(gòu) 對用于支承立式容器的懸掛式支座(亦稱耳式支座)，其結(jié)構(gòu)見下圖。這些支座的反力作用在容器被支承的部位，容器便承受了局部載荷，將產(chǎn)生局部應(yīng)力。但對于較小較輕的容器，如果容器本身已有足夠的厚度

12、，則可不加墊板。如果設(shè)備很重，例如重達(dá)數(shù)百噸的大型固定床反應(yīng)器，則應(yīng)在支座與容器之間焊上墊板，以減小殼體中的局部應(yīng)力。,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題一、 容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析,加墊板有時不完全是為減小局部應(yīng)力，不銹鋼容器，其支座不需要用不銹鋼材料而用碳鋼即可，但為了避免不銹鋼殼體與碳鋼支座直接焊接，可以在支座處襯上不銹鋼的墊板。,（三）支座與容器的連接結(jié)構(gòu) 大型立式容器及塔設(shè)備一般不用懸掛式支座及支承式支座，而采用裙式

13、支座。裙式支痤由一圓筒體和底部支承圈組成，圓筒體部分的頂端則與立式容器的底封頭焊接相連。圓筒體的直徑可以與容器直徑相同。裙式支座對立式容器的反力作用比較均勻，局部應(yīng)力不很大，但裙座本身卻要承受立式容器的重量(包括內(nèi)部物料重量)和風(fēng)載荷、地震載荷。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算可參見《化工設(shè)備設(shè)計(jì)》。,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題一、 容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析,（三）支座與容器的連接結(jié)構(gòu) 球形容器在工業(yè)上常用于大型的貯藏帶有壓

14、力的氣體或液化氣體的貯存容器，它比同樣壓力同樣容積的其他容器消耗的鋼材少，占地面積也最小，有顯著的經(jīng)濟(jì)性，在大型的化工、石油化工、城市煤氣和冶金企業(yè)中被廣泛應(yīng)用。,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題一、 容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析,小型的(如50m3)球形容器常采用小的裙式支座。大型400m3、1000m3及2000m3的球形容器常用立柱支承。立柱又布置在正切于球形容器的赤道線上，承受容器及物料的重量、由風(fēng)載荷和地震載荷構(gòu)成的傾倒力。支柱

15、間用拉桿相連，增加穩(wěn)定性。支柱在赤道處與球殼相切，對球殼的法向作用力極小，因此支承處殼體中的局部應(yīng)力最小，而且一般可以不加墊板 。,（四）化工容器的人孔、手孔與視孔 化工容器上除安置接管以外還常設(shè)置必要的人孔、手孔及視孔(窺鏡)，它們有不同的用途。合理地設(shè)置這些開孔是容器整體結(jié)構(gòu)設(shè)置的不可缺少的部分 。,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題一、 容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析,人孔——便于人員進(jìn)入容器的內(nèi)部設(shè)置的。除人員進(jìn)出外還便于容

16、器內(nèi)構(gòu)件的吊裝。從容器的安全角度可進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)。因此人孔的公稱直徑不得小于450mm，常用的500mm。由此內(nèi)構(gòu)件的寬度不得超過人孔的內(nèi)徑。人孔增加了容器的泄漏點(diǎn)，這是不利的方面，一臺容器上不要設(shè)置過多的人孔。離地較高的人孔，不論是臥式容器還是立式容器，都要附設(shè)扶梯和或操作平臺。,（四）化工容器的人孔、手孔與視孔,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題一、 容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析,手孔——直徑較小的容器無需人員進(jìn)出，但為對內(nèi)壁進(jìn)行觀察與檢

17、查應(yīng)設(shè)置手孔。許多容器既無人孔又無手孔，封頭又不可拆，給投運(yùn)后的在役定期檢驗(yàn)帶來了麻煩，無法觀察，又不能到內(nèi)壁貼片作X射線檢測，無法對容器的安全狀況做出正確評價，無法執(zhí)行質(zhì)量監(jiān)察部門對容器進(jìn)行定期檢查的規(guī)定。手孔的公稱直徑一般在~200mm左右。,視孔——對容器內(nèi)部情況進(jìn)行觀察所需要的。視孔要裝玻璃的透明視鏡并有可靠的法蘭密封。從使用溫度與壓力選用合適的透明材料。為觀察方便要在容器的同一水平高度上在直徑方向的兩端各開一視孔，便于采光。必

18、要時，可在視孔結(jié)構(gòu)上專門設(shè)置照明燈。,（一）化工容器焊縫的分類,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題二、 容器焊縫的分類,容器的組裝采用焊接，焊縫是焊肉、熔合線和熱影響區(qū)的總稱，亦稱焊接接頭。焊縫的接頭和坡口形式的設(shè)計(jì)直接影響到焊接的質(zhì)量與容器的安全。焊縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)在化工容器的裝配總圖或部件圖中以節(jié)點(diǎn)圖表示出來。,,容器上不同部位不同部件間的連接焊縫可按其在整體強(qiáng)度與安全中所處地位的不同將它們分為A、B、C、D四類，以合理地設(shè)計(jì)這些焊

19、縫結(jié)構(gòu)和進(jìn)行合適的質(zhì)量控制與檢驗(yàn)。焊縫分類情況可參見上圖。,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題二、 容器焊縫的分類,容器殼體上縱向焊縫及凸形封頭上的拼接焊縫都承受最大主應(yīng)力，屬于A類焊縫。容器殼體上的環(huán)向焊縫所受的主應(yīng)力僅為縱焊縫應(yīng)力的一半，將其分類為B類焊縫。球形封頭與圓筒殼的連接環(huán)縫不屬于B類而應(yīng)屬于A類焊縫，因?yàn)檫@條環(huán)縫相當(dāng)于凸形封頭上的拼接焊縫。A類及B類焊縫全部應(yīng)為對接焊縫。,,,（一）化工容器焊縫的分類,第五節(jié) 容器

20、設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題二、 容器焊縫的分類,法蘭、平封頭、管板等厚截面部件與殼體及管道的連接焊縫屬C類焊縫，C類焊縫是填角焊縫。接管、人孔或集液槽等與殼體或封頭的連接焊縫屬于D類焊縫，這基本上是不同尺寸的回轉(zhuǎn)殼體相貫處的填角焊縫 。這種焊縫分類方法源于ASME規(guī)范第Ⅲ卷，現(xiàn)已被吸收到中國容器標(biāo)準(zhǔn)中來，有利于焊縫質(zhì)量的管理。,,（一）化工容器焊縫的分類,（二）化工受壓容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題二、

21、 容器焊縫的分類,1．回轉(zhuǎn)殼體的拼接焊縫必須采用對接焊縫 容器殼體上的縱向及環(huán)向焊縫、凸形封頭上的拼縫，即A、B兩類焊縫，是容器上要求最高的焊縫，對容器的安全至關(guān)重要，必須采用對接焊。對接焊縫易于焊透，質(zhì)量易于保證，易于作無損檢測，可得到最好的焊縫質(zhì)量。不允許用搭焊。 對接焊縫不需過于堆高，堆高將引起焊趾處的應(yīng)力集中。寧愿焊縫內(nèi)部質(zhì)量好一點(diǎn)，殘余應(yīng)力小一點(diǎn)，而盡量降低堆高并過渡光滑，這對于低溫操作和承受交變載荷防止疲勞破

22、壞的容器是非常重要的。,,（二）化工受壓容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題二、 容器焊縫的分類,2．對接接頭應(yīng)采用等厚度焊接 厚度不等的兩部分回轉(zhuǎn)殼體對接時必須使接頭兩側(cè)的厚度相等，減少剛度差，降低應(yīng)力集中，便于焊接。接頭兩側(cè)的厚度之差不超過表中數(shù)值，可按較厚板的厚度進(jìn)行坡口設(shè)計(jì)。若超過，對較厚板作單面或雙面削薄處理，削薄部分的長度至少是兩板厚度差的3倍，即l≥3(δ1一δ 2)，或斜度為1：

23、3。,（二）化工受壓容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則,第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題二、 容器焊縫的分類,3．焊接接頭應(yīng)便于進(jìn)行無損檢測 對焊接質(zhì)量或無損檢測要求較高的容器，應(yīng)使搭接或角接的接頭設(shè)計(jì)成對接接頭，例如管板與球形封頭的焊接結(jié)構(gòu)就優(yōu)于圖(a)的結(jié)構(gòu)，它使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中改善，方便進(jìn)行X射線拍片和超聲檢驗(yàn)，在焊接結(jié)構(gòu)上保證了容器的制造質(zhì)量。,(三)容器焊接接頭的坡口設(shè)計(jì),第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題二、 容器焊縫

24、的分類,焊縫坡口設(shè)計(jì)是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，合適的坡口可讓焊條或焊絲伸人坡口根部，以保證焊透。坡口的基本尺寸為坡口角度a、根高P和根距C。容器設(shè)計(jì)圖紙上對重要的焊接接頭必須用節(jié)點(diǎn)圖表明坡口這三個尺寸的具體數(shù)值。對接、搭接和角接焊縫的坡口均有各自的特點(diǎn)，分別適用于不同的場合。但不論什么坡口均有一些共同的基本原則：,(三)容器焊接接頭的坡口設(shè)計(jì),第五節(jié) 容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題二、 容器焊縫的分類,焊縫坡口的基本原則：,盡量減少填充金