壓力容器總體設(shè)計(jì)問(wèn)題

壓力容器總體設(shè)計(jì)問(wèn)題第1頁(yè)/共109頁(yè)2

一、總體結(jié)構(gòu)分析及局部應(yīng)力問(wèn)題

二、容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題第三章壓力容器總體設(shè)計(jì)問(wèn)題

第一節(jié)總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述第2頁(yè)/共109頁(yè)3第一節(jié)總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述

一、總體結(jié)構(gòu)分析及局部應(yīng)力問(wèn)題化工容器可以分為許多基本部件，臥式容器分解部件的情況如圖所示。除支座以外的各種部件都是承受壓力載荷的部件，可稱為基本受壓部件，而不受壓力載荷的部件（如支座）則稱為非受壓部件。第3頁(yè)/共109頁(yè)4

當(dāng)將各個(gè)部件組合成容器整體時(shí)，會(huì)碰到一系列問(wèn)題：1、如封頭與筒體的連接，由于總體結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)的存在將會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力。2、容器接管開孔及與容器圓筒體的連接破壞了容器筒體內(nèi)薄膜應(yīng)力分布的連續(xù)性，會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力和應(yīng)力集中。3、容器將受到各種各樣的局部（機(jī)械）載荷作用，這些載荷不同于壓力載荷，將在容器殼體上產(chǎn)生疊加在內(nèi)壓薄膜應(yīng)力之上的局部應(yīng)力。局部應(yīng)力的求解方法比較復(fù)雜，至今也沒(méi)有統(tǒng)一的方法。第一節(jié)總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述

一、總體結(jié)構(gòu)分析及局部應(yīng)力問(wèn)題第4頁(yè)/共109頁(yè)51.局部應(yīng)力：常常是疊加在由壓力引起的薄膜應(yīng)力之上的應(yīng)力，多數(shù)是局部彎曲應(yīng)力（也有沿壁厚均勻分布的薄膜應(yīng)力），局部應(yīng)力有時(shí)會(huì)達(dá)到很高的數(shù)值，而且一般不具備軸對(duì)稱性，局部應(yīng)力過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)局部的過(guò)度變形而使結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性失效。由于局部應(yīng)力的作用范圍有限，一般應(yīng)作局部強(qiáng)度校核來(lái)確定是否需要局部加強(qiáng)及如何加強(qiáng)。第一節(jié)總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述

二、容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題第5頁(yè)/共109頁(yè)62.總體結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)而產(chǎn)生的不連續(xù)應(yīng)力不連續(xù)應(yīng)力有局部性和自限性，只要在結(jié)構(gòu)上有妥善考慮，一般對(duì)強(qiáng)度不會(huì)有嚴(yán)重威脅。因而相關(guān)殼體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)只考慮薄膜應(yīng)力而不考慮不連續(xù)應(yīng)力。必要時(shí)，也應(yīng)加以考慮，例如凸形封頭設(shè)計(jì)中的形狀系數(shù)，其中就包含了對(duì)不連續(xù)應(yīng)力影響的考慮。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力雖然總是存在的，由于對(duì)容器的安全不會(huì)有很大影響，在結(jié)構(gòu)的部件強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中給與足夠的考慮即可。所以常規(guī)的容器設(shè)計(jì)方法中就可避免進(jìn)行不連續(xù)應(yīng)力的繁復(fù)計(jì)算。從而使常規(guī)設(shè)計(jì)方便而又保證安全。第一節(jié)總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述

二、容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題第6頁(yè)/共109頁(yè)73.應(yīng)力集中應(yīng)力集中常常發(fā)生在容器上有過(guò)渡圓角的地方，分布范圍很小，常規(guī)設(shè)計(jì)中不予計(jì)算，只是在疲勞設(shè)計(jì)時(shí)才予考慮，至于容器接管根部，既存在過(guò)渡圓角的應(yīng)力集中，也存在開孔削弱等問(wèn)題，比較復(fù)雜。局部應(yīng)力的求解方法比較復(fù)雜，也沒(méi)有統(tǒng)一的方法。只能按具體對(duì)象分別求解，有時(shí)甚至無(wú)法求解，只能按實(shí)驗(yàn)測(cè)定或數(shù)值計(jì)算方法求出。第一節(jié)總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述

二、容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題第7頁(yè)/共109頁(yè)8第一節(jié)總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述

二、容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題本章要討論的容器設(shè)計(jì)問(wèn)題主要涉及兩大類結(jié)構(gòu)問(wèn)題：1、如何從強(qiáng)度上合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。2、如何進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。第8頁(yè)/共109頁(yè)91、如何從強(qiáng)度上合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題從強(qiáng)度上考慮主要是設(shè)計(jì)時(shí)如何使結(jié)構(gòu)的不連續(xù)應(yīng)力、局部應(yīng)力及應(yīng)力集中盡可能的減小，或者如何進(jìn)行合理的局部補(bǔ)強(qiáng)，還涉及到結(jié)構(gòu)的工藝性問(wèn)題。實(shí)際上在作部件設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如封頭設(shè)計(jì)和法蘭設(shè)計(jì)本身都有許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。本章主要從部件組成容器整體時(shí)所需考慮的一些結(jié)構(gòu)問(wèn)題進(jìn)行分析。第一節(jié)總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述

二、容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題第9頁(yè)/共109頁(yè)102、如何進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題容器的各個(gè)部件進(jìn)行組裝時(shí)都需要經(jīng)過(guò)焊接，對(duì)焊接進(jìn)行質(zhì)量控制是整個(gè)容器質(zhì)量保證體系中最重要的一環(huán)，作為容器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須對(duì)容器各個(gè)部分焊接接頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，這就是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題?；な軌喝萜鲗?duì)焊接質(zhì)量的要求是所有焊接設(shè)備中要求最高的一種。焊接接頭的結(jié)構(gòu)涉及到接頭的形式及接頭的坡口形式、幾何尺寸等等。第一節(jié)總體設(shè)計(jì)問(wèn)題概述

二、容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題第10頁(yè)/共109頁(yè)11一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求三、等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)第11頁(yè)/共109頁(yè)12

容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強(qiáng)度方面會(huì)帶來(lái)下列影響:(1)開孔破壞了原有的應(yīng)力分布并引起應(yīng)力集中。

(2)接管處容器殼體與接管形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力。

(3)殼體與接管連接的拐角處因不等截面過(guò)渡而引起應(yīng)力集中。上述三種因素均使開孔或開孔接管部位的引力比殼體中的膜應(yīng)力大，統(tǒng)稱為開孔或接管部位的應(yīng)力集中。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)第12頁(yè)/共109頁(yè)13常用應(yīng)力集中系數(shù)Kt來(lái)描述開孔接管處的力學(xué)特性。若未開孔時(shí)的名義應(yīng)力為σ，開孔后按彈性方法計(jì)算出的最大應(yīng)力為σmax，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)為壓力容器設(shè)計(jì)中對(duì)于開孔問(wèn)題研究的兩大方向是：研究開孔應(yīng)力集中程度，估算Kt值；在強(qiáng)度上如何使因開孔受到的削弱得到合理的補(bǔ)強(qiáng)。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)第13頁(yè)/共109頁(yè)141.平板開小孔的應(yīng)力集中平板開孔的最大應(yīng)力在孔邊處孔邊沿r=a處：第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)第14頁(yè)/共109頁(yè)15(一)開孔的應(yīng)力集中

1.平板開小孔的應(yīng)力集中第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)：p101,(3-2)第15頁(yè)/共109頁(yè)162.薄壁球殼開小圓孔的應(yīng)力集中第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)孔邊處r=a，應(yīng)力集中系數(shù)

球殼受雙向均勻拉伸應(yīng)力作用時(shí)，孔邊附近任意點(diǎn)的兩向應(yīng)力為：第16頁(yè)/共109頁(yè)17

3.薄壁圓柱開小圓孔的應(yīng)力集中

孔邊處r=a，第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)

最大應(yīng)力在孔邊，應(yīng)力集中最嚴(yán)重。

孔邊應(yīng)力集中有局部性，衰減較快。第17頁(yè)/共109頁(yè)18第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)

上述內(nèi)容僅涉及開孔，若開孔處有接管相連時(shí)，開孔處因殼體與接管之間在內(nèi)壓作用下發(fā)生變形協(xié)調(diào)而導(dǎo)致不連續(xù)應(yīng)力出現(xiàn)。球殼上A

B接管上A

C第18頁(yè)/共109頁(yè)19(二)開孔并帶有接管時(shí)的應(yīng)力集中這種情況下的應(yīng)力為局部應(yīng)力，并很快衰減。最大應(yīng)力是球殼開孔邊外側(cè)的環(huán)向應(yīng)力，應(yīng)力集中系數(shù)在2以上。圓柱殼開孔后與接管之間的變形協(xié)調(diào)及附加彎曲應(yīng)力也有同樣的性質(zhì)，但由于理論分析的復(fù)雜性，未必能得到滿意的理論解，有時(shí)還的借助試驗(yàn)測(cè)定或有限元等數(shù)值解的方法求的結(jié)果。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)第19頁(yè)/共109頁(yè)20(三)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力指數(shù)法是美國(guó)壓力容器研究委員會(huì)(PVRC)以大量實(shí)驗(yàn)分析為依據(jù)的一種簡(jiǎn)易的計(jì)算殼體(包括封頭)和接管連接處最大應(yīng)力的簡(jiǎn)易方法，現(xiàn)已列入ASME-Ⅲ、ASME-Ⅷ—2和JISB8250等規(guī)范中。中國(guó)壓力容器的分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(JB4732—95)附錄C中也列入此法。

接管處的三向應(yīng)力如圖3—6所示，是所考慮截面上的經(jīng)向應(yīng)力st、徑向應(yīng)力sr、法向應(yīng)力sn。應(yīng)力指數(shù)I(也有用K)是指所考慮的各應(yīng)力分量與容器在無(wú)開孔接管時(shí)的周向計(jì)算薄膜應(yīng)力之比，其含義實(shí)際上類同于前述的應(yīng)力集中系數(shù)。第20頁(yè)/共109頁(yè)21(三)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)于球殼和成型封頭：該法僅適用于單個(gè)開孔接管，且Di／tn≤lOO，di／Di≤0.5，此外接管根部的內(nèi)外側(cè)均需按規(guī)范給出足夠的過(guò)渡圓角及加強(qiáng)高度尺寸。應(yīng)力指數(shù)法也僅考慮受內(nèi)壓載荷時(shí)的應(yīng)力集中。對(duì)于圓柱殼：第21頁(yè)/共109頁(yè)22(三)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力指數(shù)與應(yīng)力集中系數(shù)Kt的區(qū)別：應(yīng)力指數(shù)I是指所考慮點(diǎn)(可以是一個(gè)或數(shù)個(gè)點(diǎn))的應(yīng)力分量(sθ、st、sr)與容器無(wú)開孔接管時(shí)的周向計(jì)算薄膜應(yīng)力之比。應(yīng)力集中系數(shù)Kt主要指結(jié)構(gòu)某一局部區(qū)域具有最大應(yīng)力分量的點(diǎn)(只有一個(gè)點(diǎn))的最大應(yīng)力分量與無(wú)應(yīng)力集中時(shí)的計(jì)算應(yīng)力(對(duì)容器來(lái)說(shuō)也是無(wú)開孔接管時(shí)的周向計(jì)算薄膜應(yīng)力)之比。因此Kt更具有代表結(jié)構(gòu)特性的含義，一個(gè)局部區(qū)域只有一個(gè)Kt值。Kt的大小可以衡量結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的優(yōu)劣。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力指數(shù)

I可以有多個(gè)(如拐角的內(nèi)側(cè)、外側(cè)、不同方向)，而且不一定是最大的(第六章疲勞設(shè)計(jì)中還論述此問(wèn)題)。第22頁(yè)/共109頁(yè)23(三)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算

第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)2.球殼開孔接管處應(yīng)力集中系數(shù)曲線

為便于設(shè)計(jì)、對(duì)不同直徑的和不同厚度的殼，帶有不同直徑與厚度的接管，按理論計(jì)算得到的應(yīng)力集中系數(shù)綜合繪制成一組組曲線。圖3-7為球殼帶平齊式接管在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力集中系數(shù)圖。第23頁(yè)/共109頁(yè)24(三)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算

第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)2.球殼開孔接管處應(yīng)力集中系數(shù)曲線

圖3—8為內(nèi)伸式接管的圖圖中采用了與應(yīng)力集中系數(shù)相關(guān)的兩個(gè)無(wú)因次的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，也是通過(guò)理論分析得出的兩個(gè)幾何相似準(zhǔn)數(shù)。其一是開孔系數(shù)：第24頁(yè)/共109頁(yè)25(三)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算

第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)2.球殼開孔接管處應(yīng)力集中系數(shù)曲線另一個(gè)無(wú)因次量為t/T

由圖可知，當(dāng)

越大，即開孔直徑越大時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)越高。相反，減小孔徑，增大殼壁厚度均可降低應(yīng)力集中系數(shù)。

另外，內(nèi)伸式接管的應(yīng)力集中系數(shù)較低，尤其是內(nèi)伸接管壁厚較厚時(shí)能有效地降低應(yīng)力集中。第25頁(yè)/共109頁(yè)26(三)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算

第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)2.球殼開孔接管處應(yīng)力集中系數(shù)曲線上述應(yīng)力集中系數(shù)曲線有一定的適用條件。當(dāng)過(guò)小或過(guò)大時(shí)上述曲線均會(huì)有較大的誤差，因此第一個(gè)適用條件為：

其次，當(dāng)殼壁過(guò)厚，即Rm／T過(guò)小時(shí)，應(yīng)力沿壁厚分布的不均勻性增大，應(yīng)力集中系數(shù)將明顯比圖示值減小，但Rm／T過(guò)大時(shí)，即極薄容器的情況，因不連續(xù)效應(yīng)施加給殼體的附加彎曲效應(yīng)更為明顯，使Kt值明顯過(guò)大，使實(shí)際的應(yīng)力集中系數(shù)比曲線偏大：因此第二個(gè)限制條件為：第26頁(yè)/共109頁(yè)27

2.球殼開孔接管處應(yīng)力集中系數(shù)曲線第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)

上述圖線也可推廣到球殼局部補(bǔ)強(qiáng)的情況。如圖3-9所示，此時(shí)將開孔系數(shù)中的厚度T改為T’即可。這是因?yàn)殚_孔接管處的應(yīng)力集中有局部性，超過(guò)一定范圍后T’

變?yōu)門時(shí)，對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)也沒(méi)有什么影響了。嚴(yán)格地講應(yīng)將補(bǔ)強(qiáng)部分的厚度T’視為整體壁厚。第27頁(yè)/共109頁(yè)28

3.橢圓形封頭開孔的應(yīng)力集中系數(shù)第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)

橢圓形封頭中心區(qū)開孔接管處的應(yīng)力集中系數(shù)也可以近似地采用上述球殼開孔接管的曲線，只要將橢圓中心處的曲率半徑折算為球的半徑即可：第28頁(yè)/共109頁(yè)29

4.圓筒開孔接管及其他情況的應(yīng)力集中系數(shù)圓筒上的開孔接管應(yīng)力集中系數(shù)可采用上述球殼開孔接管的曲線近似的用于圓筒上，也有一些經(jīng)驗(yàn)曲線可使用。當(dāng)球殼或圓筒上的接管上作用有軸向力、剪力或彎矩，可先求出各自的最大應(yīng)力，再進(jìn)行代數(shù)疊加而得到。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一、開孔應(yīng)力集中及應(yīng)力集中系數(shù)第29頁(yè)/共109頁(yè)30開孔部分的應(yīng)力集中將引起殼體局部的強(qiáng)度削弱，若開孔很小并有接管，且接管又能使強(qiáng)度的削弱得以補(bǔ)償，則不需另行補(bǔ)強(qiáng)。若開孔較大，就要采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)措施。一般容器只要通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)將應(yīng)力集中系數(shù)降低到一定的范圍即可。按“疲勞設(shè)計(jì)”的容器必須嚴(yán)格限制開孔接管部位的最大應(yīng)力。經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)后的接管區(qū)可以使應(yīng)力集中系數(shù)降低，但不能消除應(yīng)力集中。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求第30頁(yè)/共109頁(yè)31

(一)允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑由于各種強(qiáng)度富余量的存在，容器開孔并非都要補(bǔ)強(qiáng)。

a.不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大孔徑為

b.當(dāng)兩孔中心之間的間距大于兩孔直徑之和的兩倍時(shí)，則每一孔均可視為單個(gè)開孔。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求TDdmm14.0=第31頁(yè)/共109頁(yè)32

(二)最大開孔的限制

由于殼體上開孔越大開孔系數(shù)ρ越大，應(yīng)力集中系數(shù)也越大，因此規(guī)范設(shè)計(jì)中對(duì)開孔的最大值加以限制。各國(guó)規(guī)范的規(guī)定相差不大，中國(guó)容器標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)最大開孔直徑的限制如下：第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求第32頁(yè)/共109頁(yè)331.補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求(三)補(bǔ)強(qiáng)元件的類型2.接管補(bǔ)強(qiáng)3.整鍛件補(bǔ)強(qiáng)第33頁(yè)/共109頁(yè)341.補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，使用經(jīng)驗(yàn)豐富。缺點(diǎn)：補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域分散，與殼體搭焊連接，抗疲勞性能差。不能與殼體表面貼合，在中溫以上使用時(shí)殼壁局部熱應(yīng)力較大，

常用場(chǎng)合：中低壓容器，材料的屈服強(qiáng)度低于540MPa、補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度小于1.5T、殼體壁厚T不大于38mm。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求(三)補(bǔ)強(qiáng)元件的類型第34頁(yè)/共109頁(yè)35第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求(三)補(bǔ)強(qiáng)元件的類型2.接管補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)強(qiáng)區(qū)集中于開孔應(yīng)力最大的地方，比補(bǔ)強(qiáng)圈更能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一段厚壁管即可，制造與檢驗(yàn)都方便。缺點(diǎn)：必須保證全焊透。常用場(chǎng)合：低合金鋼容器或某些高壓容器。第35頁(yè)/共109頁(yè)36第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求(三)補(bǔ)強(qiáng)元件的類型

3.整鍛件補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域更集中在應(yīng)力集中區(qū)，能最有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)，而且全部焊接接頭容易成為對(duì)接焊，易探傷，質(zhì)量易保證。這種補(bǔ)強(qiáng)件的抗疲勞性能最好，疲勞壽命僅降低10％一15％。缺點(diǎn)：鍛件供應(yīng)困難，制造煩瑣，成本較高。常用場(chǎng)合：只用于重要的設(shè)備，如高壓容器，核容器及材料屈服強(qiáng)度在500MPa以上的容器等。第36頁(yè)/共109頁(yè)37

(四)補(bǔ)強(qiáng)圈和焊接的基本要求大多數(shù)中低壓化工容器采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，最常用的是外補(bǔ)強(qiáng)的平齊接管式，只有在僅靠單向補(bǔ)強(qiáng)不足以達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)要求時(shí)才采用內(nèi)外雙面補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。補(bǔ)強(qiáng)圈與接管及與殼體的焊接是填角焊及搭焊，視容器操作條件及設(shè)計(jì)要求決定是否全焊透。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求第37頁(yè)/共109頁(yè)38

(五)開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求1.等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體處本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積A不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積A0。即：

這種以通過(guò)開孔中心的縱截面上的投影面積來(lái)衡量的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，具有使開孔后截面的平均應(yīng)力不致升高的含義。在一般情況下可以滿足開孔補(bǔ)強(qiáng)的需要，方法簡(jiǎn)便，我國(guó)的容器標(biāo)準(zhǔn)采用的主要是這種方法。

但是等面積法忽視了開孔處應(yīng)力集中與開孔系數(shù)的影響，相同大小的孔，殼體直徑很大時(shí)較小，強(qiáng)度削弱就少，反之殼體直徑很小時(shí)很大，造成的削弱也大。因此等面積法有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。第38頁(yè)/共109頁(yè)39

(五)開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求2.極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則由于開孔只造成殼體的局部強(qiáng)度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個(gè)截面進(jìn)入塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動(dòng)，此時(shí)的載荷便為極限載荷。利用塑性力學(xué)方法對(duì)帶有整體補(bǔ)強(qiáng)的開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)求解出塑性失效的極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即以大量的計(jì)算可以定出補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)。第39頁(yè)/共109頁(yè)40第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)三、等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)焊縫金屬截面積開孔削弱的截面積A0殼體計(jì)算壁厚外多余的金屬面積A1

有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)另外增加的補(bǔ)強(qiáng)元件的金屬截面積接管計(jì)算厚度外的多余金屬截面積wXYZtn第40頁(yè)/共109頁(yè)41第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)三、等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算開孔削弱的截面積A0殼體計(jì)算壁厚外多余的金屬面積A1

有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)焊縫金屬截面積有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)另外增加的補(bǔ)強(qiáng)元件的金屬截面積接管計(jì)算厚度外的多余金屬截面積開孔削弱的截面積：管壁削弱的面積接管的名義厚度wXYZwXYZtn第41頁(yè)/共109頁(yè)42

(二)有效補(bǔ)強(qiáng)范圍等面積補(bǔ)強(qiáng)法認(rèn)為在右圖中的WXYZ的矩形范圍內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)是有效的。超過(guò)該范圍的補(bǔ)強(qiáng)沒(méi)有作用。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)三、等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算wXYZtn第42頁(yè)/共109頁(yè)43

(三)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)金屬面積A有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)WXYZ內(nèi)可作為有效補(bǔ)強(qiáng)金屬的面積有以下幾種：第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)三、等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算wXYZA1A2A3A4第43頁(yè)/共109頁(yè)44

(三)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)金屬面積A第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)三、等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算wXYZA1A2A3A4第44頁(yè)/共109頁(yè)45

以上是殼體上單個(gè)開孔的等面積補(bǔ)強(qiáng)方法，工程上有時(shí)還會(huì)碰到并聯(lián)開孔的情況，如果各相鄰孔之間的孔心距小于兩孔平均直徑的兩倍，則這些相鄰孔就不可以再以單孔論處，而應(yīng)作并聯(lián)開孔進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)。另外還有開排孔、平板蓋開孔的情況，其補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法可按照《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中第六章的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行。對(duì)于成型封頭開孔大小超過(guò)Di/2時(shí)，也超出了等面積補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)定適用范圍，此時(shí)可采用“變徑段”結(jié)構(gòu)作過(guò)渡。第二節(jié)開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)三、等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算第45頁(yè)/共109頁(yè)46

一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核

三、鞍座設(shè)計(jì)第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析第46頁(yè)/共109頁(yè)47第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析第47頁(yè)/共109頁(yè)48第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析

化工廠的貯槽、換熱器等設(shè)備一般都是兩端具有成型封頭的臥式圓筒形容器。臥式容器由支座來(lái)承擔(dān)它的重量及固定在某一位置上。常用臥式容器支座形式主要有鞍式支座、圈座和支腿三種，如圖所示。支腿的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但反力給殼體造成很大的局部應(yīng)力，用于較輕的小型設(shè)備鞍式支座，通常用于較重的大設(shè)備。對(duì)于臥式容器，除了考慮操作壓力引起的薄膜應(yīng)力外，還要考慮容器重量在殼體上引起的彎曲，所以即使選用標(biāo)準(zhǔn)鞍座后，還要對(duì)容器進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性的校核，第48頁(yè)/共109頁(yè)49第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析置于鞍座上的圓筒形容器與梁相似，當(dāng)尺寸和載荷一定時(shí)，多支點(diǎn)在梁內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力較小，支座數(shù)目似乎應(yīng)該多些好。但容器采用兩個(gè)以上的鞍座時(shí)，支承面水平高度不等、殼體不直和不圓等微小差異以及容器不同部位在受力撓曲的相對(duì)變形不同，使支座反力難以為各支點(diǎn)平均分?jǐn)?，?dǎo)致殼體應(yīng)力趨大，因此一般情況采用雙支座。采用雙支座時(shí)，支座位置的選擇一方面要考慮到利用封頭的加強(qiáng)效應(yīng)，另一方面又要考慮到不使殼體中因荷重引起的彎曲應(yīng)力過(guò)大，所以按下述原則確定支座的位置：第49頁(yè)/共109頁(yè)50第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析雙鞍座臥式容器的受力狀態(tài)可簡(jiǎn)化為受均布載荷的外伸簡(jiǎn)支梁，按材料力學(xué)計(jì)算方法可知，當(dāng)外伸長(zhǎng)度A＝0.207L時(shí)，跨度中央的彎矩與支座截面處的彎矩絕對(duì)值相等，所以一般近似取A≤0.2L，其中L取圓筒體長(zhǎng)度(兩封頭切線間距離)，A為鞍座中心線至封頭切線的距離。如A>0.2L，則由于外伸作用而使支座截面處殼體的彎矩太大，A最大不得大于0.25L。當(dāng)鞍座鄰近封頭時(shí)，則封頭對(duì)支座處簡(jiǎn)體有加強(qiáng)作用。為了充分利用這一加強(qiáng)效應(yīng)，在滿足A≤0.2L下應(yīng)盡量使A≤0.5Ri(筒體內(nèi)半徑)。鞍座包角的大小對(duì)鞍座筒體上的應(yīng)力有直接關(guān)系，一般采用120o、135o、150o三種。雙鞍座中一個(gè)鞍座為固定支座，另一個(gè)鞍座應(yīng)為活動(dòng)支座。第50頁(yè)/共109頁(yè)51第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)載荷分析

置于對(duì)稱分布的鞍座上臥式容器所受的外力包括載荷和支座反力。載荷除了操作內(nèi)壓或外壓(真空)外，主要是容器的重量(包括自重、附件和保溫層重等)，內(nèi)部物料或水壓試驗(yàn)充水的重量。容器受重力作用時(shí)，雙鞍座臥式容器可以近似看成支承在兩個(gè)鉸支點(diǎn)上受均布載荷的外伸簡(jiǎn)支梁。當(dāng)解除支座約束后，梁上受到如下外力的作用。第51頁(yè)/共109頁(yè)52第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)載荷分析(1)均布載荷q、支座反力F

容器本身的重量和容器內(nèi)物料的重量可假設(shè)為沿容器長(zhǎng)度的均布載荷。因?yàn)槿萜鲀啥藶橥剐畏忸^，所以確定載荷分布長(zhǎng)度時(shí)，首先要把封頭折算成和容器直徑相同的當(dāng)量圓筒。對(duì)于半球形、橢圓形和碟形等凸形封頭可根據(jù)容積相等的原則，折算為直徑等于容器直徑，長(zhǎng)度為2/3H(凸形封頭深度)的圓筒，故重量載荷作用的長(zhǎng)度為：第52頁(yè)/共109頁(yè)53第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)載荷分析(1)均布載荷q、支座反力F

如容器總重量為2F，則作用在外伸梁上(梁全長(zhǎng)仍為L(zhǎng))單位長(zhǎng)度的均布載荷為：對(duì)于平封頭，H＝0，則

由靜力平衡條件，對(duì)稱配置的雙鞍座中每個(gè)支座的反力就是F，或?qū)懗桑旱?3頁(yè)/共109頁(yè)54第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)載荷分析(2)豎直剪力V和力偶M

封頭本身和封頭中物料的重量為(2/3H)q，此重力作用在封頭(含物料)的重心上。對(duì)于半球形封頭，可算出重心的位置e=3/8H，e為封頭重心到封頭切線的距離。按照力線平移法則，此重力可用一個(gè)作用在梁端點(diǎn)的橫向剪力V和一個(gè)附加力偶m1來(lái)代替，即：對(duì)于平封頭的V與m1皆為零。第54頁(yè)/共109頁(yè)55第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)載荷分析(2)豎直剪力V和力偶M

當(dāng)封頭中充滿液體時(shí)，液體靜壓力對(duì)封頭作用一水平向外推力。因?yàn)橐褐o壓沿容器直徑呈線性變化，所以水平推力偏離容器軸線，對(duì)梁的端部則形成一個(gè)力偶m2。對(duì)液體靜壓力進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到如下的結(jié)果：

第55頁(yè)/共109頁(yè)56第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)載荷分析(2)豎直剪力V和力偶M

對(duì)液體靜壓力進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到如下的結(jié)果：將式(3—20)的m1與式(3—21)的m2兩個(gè)力偶合成一個(gè)力偶M：顯而易見，對(duì)于半球形封頭，Ri＝H，M＝0；而平封頭，H＝0，M＝q/4×R2。第56頁(yè)/共109頁(yè)57第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)內(nèi)力分析(1)彎矩

最大彎矩發(fā)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附近。支座跨中截面的彎矩：第57頁(yè)/共109頁(yè)58第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)內(nèi)力分析(1)彎矩

第58頁(yè)/共109頁(yè)59第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)內(nèi)力分析(1)彎矩

筒體在支座截面處的彎矩為：第59頁(yè)/共109頁(yè)60第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)內(nèi)力分析(1)彎矩

C2，C3可由圖3-17、圖3-18按H/Ri和L/Ri的比值查得。M2一般為負(fù)值，表示筒體上半部受拉伸，下半部受壓縮。第60頁(yè)/共109頁(yè)61第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)一、鞍座結(jié)構(gòu)及載荷分析(一)內(nèi)力分析(2)剪力

剪力最大值出現(xiàn)在支座處筒體上，以圖的左支座為例，在支座左側(cè)的簡(jiǎn)體截面上剪力為：而支座右側(cè)筒體截面上剪力為：第61頁(yè)/共109頁(yè)62

對(duì)于臥式容器除了考慮由操作壓力引起的薄膜應(yīng)力外，還要考慮容器質(zhì)量導(dǎo)致筒體橫截面上的縱向彎矩和剪力?？缰薪孛婧椭ё孛媸侨萜骺赡馨l(fā)生失效的危險(xiǎn)截面。為此必須進(jìn)行強(qiáng)度或穩(wěn)定性較核。第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核第62頁(yè)/共109頁(yè)63(一)筒體的軸向應(yīng)力

1.鞍座跨中截面上筒體上的最大軸向應(yīng)力軸向最高點(diǎn)

軸向最低點(diǎn)

當(dāng)P為正壓或外壓時(shí)，σ分別為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核跨中截面第63頁(yè)/共109頁(yè)64(一)筒體的軸向應(yīng)力

2.支座截面上筒體的最大軸向應(yīng)力如果筒體橫截面上既無(wú)加強(qiáng)圈又不被封頭加強(qiáng)(即A>0.5Ri)，該截面在軸向彎矩作用下，筒體的上半部分截面發(fā)生變形，使該部分截面實(shí)際上成為不能承受縱向彎矩的“無(wú)效截面”，而剩下的下半部分截面才是承受彎矩的“有效截面”，這種情況稱為“扁塌效應(yīng)”。第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核支座截面第64頁(yè)/共109頁(yè)65(一)筒體的軸向應(yīng)力

2.支座截面上筒體的最大軸向應(yīng)力計(jì)算支座處筒體的軸向彎曲正應(yīng)力時(shí)，分兩種情況進(jìn)行：鞍座平面上筒體有加強(qiáng)圈或已被封頭加強(qiáng)(A<0.5Ri)。由整個(gè)圓筒截面承受彎矩，不存在扁塌效應(yīng)。則該截面的抗彎斷面模數(shù)為。鞍座截面上未設(shè)置加強(qiáng)圈又(A＞0.5Ri)，由于扁塌效應(yīng)筒體截面僅有一部分能承受彎矩，此時(shí)的截面的弧長(zhǎng)與2D對(duì)應(yīng)，第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核支座截面第65頁(yè)/共109頁(yè)66(一)筒體的軸向應(yīng)力

2.支座截面上筒體的最大軸向應(yīng)力在截面最高點(diǎn)；

在截面最低點(diǎn)：

式中K為考慮扁塌效應(yīng)使斷面模數(shù)減少的系數(shù)。式中M2為負(fù)值。對(duì)于筒體有加強(qiáng)的情況，K1=K2=1.0第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核第66頁(yè)/共109頁(yè)67(一)筒體的軸向應(yīng)力

3.筒體軸向應(yīng)力的校核筒體上最大軸向應(yīng)力為，其位置如上。計(jì)算得到的軸向拉應(yīng)力不得超過(guò)材料的許用應(yīng)力，壓應(yīng)力不得超過(guò)軸向許用臨界應(yīng)力和材料的。第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核

計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)操作和非操作時(shí)(指無(wú)操作壓力裝滿物料或水的情況)等不同工況，找出危險(xiǎn)工況下可能產(chǎn)生的最大應(yīng)力。例如對(duì)有加強(qiáng)的筒體，當(dāng)時(shí)，只需校核跨中截面的應(yīng)力，反之兩個(gè)截面都要校核；又如：正壓操作的容器，在盛滿物料而未升壓時(shí)，其壓應(yīng)力有最大值，故對(duì)穩(wěn)定應(yīng)取這種工況進(jìn)行校核。第67頁(yè)/共109頁(yè)68(二)筒體的切向剪應(yīng)力剪力在支座截面處最大，在筒體中引起切向剪應(yīng)力，有下列三種情況：

1.筒體有加強(qiáng)圈，但未被封頭加強(qiáng)，筒體不存在扁塌效應(yīng)，在水平中心線處有最大值。第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核第68頁(yè)/共109頁(yè)69(二)筒體的切向剪應(yīng)力

2.筒體被封頭加強(qiáng)，筒體上無(wú)加強(qiáng)圈，但鞍座靠近封頭，封頭對(duì)筒體支座截面起加強(qiáng)作用。第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核第69頁(yè)/共109頁(yè)70(二)筒體的切向剪應(yīng)力

2.筒體被封頭加強(qiáng)，筒體上無(wú)加強(qiáng)圈，但鞍座靠近封頭，封頭對(duì)筒體支座截面起加強(qiáng)作用。第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核

大部分剪力先由支座的右側(cè)跨過(guò)支座傳至封頭，然后又將載荷傳回到支座靠封頭的左側(cè)筒體，切向切應(yīng)力的分布呈圖所示的狀態(tài)，最大切應(yīng)力位于的支座角點(diǎn)處。最大切應(yīng)力：

封頭的最大切應(yīng)力：

第70頁(yè)/共109頁(yè)71(二)筒體的切向剪應(yīng)力

3.筒體未被加強(qiáng)。第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核

當(dāng)支座截面上簡(jiǎn)體既無(wú)加強(qiáng)圈，又未被封頭加強(qiáng)時(shí)，則由于存在“扁塌效應(yīng)”，筒體抗剪的有效截面減少。此有效截面的范圍也為角對(duì)應(yīng)的弧段內(nèi)。最大切向剪應(yīng)力在數(shù)值也為：

但K3數(shù)值不相同。第71頁(yè)/共109頁(yè)72(二)筒體的切向剪應(yīng)力

4.切向切應(yīng)力的校核：鞍座處筒體的最大切向切應(yīng)力的大小和位置決定于筒體的加強(qiáng)形式。求得的切應(yīng)力值不得超過(guò)材料在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力的0.8倍和軸向許用臨界應(yīng)力即第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核封頭中的切應(yīng)力，其最大值不應(yīng)超過(guò)下列限制：第72頁(yè)/共109頁(yè)73(三)筒體的周向應(yīng)力支座反力在支座處筒體截面引起切向切應(yīng)力，這些切應(yīng)力導(dǎo)致在筒體徑向截面產(chǎn)生周向彎矩Mt。當(dāng)支座截面上筒體有加強(qiáng)圈加強(qiáng)時(shí)，周向彎矩在鞍座邊角處有最大值。理論上最大周向彎矩為：第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核

作用在一有效計(jì)算寬度l的范圍上，

l的取值根據(jù)不同的l

/Ri比值而定。第73頁(yè)/共109頁(yè)74(三)筒體的周向應(yīng)力當(dāng)筒體截面無(wú)加強(qiáng)圈，封頭對(duì)支座處筒體也無(wú)加強(qiáng)作用，即A>0.5Ri。若封頭有加強(qiáng)作用，A≤0.5Ri。最大周向彎矩都在鞍座邊角處，數(shù)值上都低于支座截面有加強(qiáng)圈的情況，這兩種情況中的最大周向彎矩仍按上式計(jì)算，但其中系數(shù)K按表3-3選取。第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核第74頁(yè)/共109頁(yè)75(三)筒體的周向應(yīng)力第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核第75頁(yè)/共109頁(yè)76(三)筒體的周向應(yīng)力第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核第76頁(yè)/共109頁(yè)77周向壓縮應(yīng)力的計(jì)算值，不得大于筒體材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，即；合成周向壓縮應(yīng)力應(yīng)不大于設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力的1.25倍，即如上述條件不滿足，則可加寬支座寬度或在簡(jiǎn)體與支座之間加放加強(qiáng)板(見圖，加強(qiáng)板可與筒體厚度相同，寬度不小于，包角不小于。設(shè)置加強(qiáng)板以后，應(yīng)以筒體計(jì)算厚度和加強(qiáng)板厚度之和作為厚度。由于加強(qiáng)板邊緣處筒體并無(wú)加強(qiáng)板，所以還應(yīng)檢查該處的合成壓縮應(yīng)力，如應(yīng)力仍超出允許值，則應(yīng)增加鞍座寬度或包角，或兩者同時(shí)增加，也可設(shè)置加強(qiáng)圈。(三)筒體的周向應(yīng)力第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核第77頁(yè)/共109頁(yè)78(四)鞍座設(shè)計(jì)第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核

增大鞍座包角可以使筒體中的應(yīng)力降低，但使鞍座相應(yīng)變得笨重，同時(shí)也增加了鞍座所承受的水平推力；過(guò)分地減小包角，又使容器容易從鞍座上傾倒，因此在一般情況下建議取

鞍座寬度的大小，一方面決定于設(shè)備給予支座的載荷大小，另一方面要考慮支座處筒體內(nèi)周向應(yīng)力不超過(guò)允許值。

設(shè)備給予鞍座的載荷為沿包角對(duì)應(yīng)弧段的不均勻分布的徑向力q，此載荷的水平分力將使鞍座向兩側(cè)分開，故鞍座的寬度必須具有足夠大小。第78頁(yè)/共109頁(yè)79(四)鞍座設(shè)計(jì)第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核

半個(gè)鞍座的水平分力的總和可以用下式表示：第79頁(yè)/共109頁(yè)80(四)鞍座設(shè)計(jì)第三節(jié)臥式容器支座設(shè)計(jì)

二、筒體的應(yīng)力計(jì)算與校核

承受此水平分力的有效截面的高度為H，最大為筒體最低點(diǎn)以下的范圍內(nèi)，此截面上的平均應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)支座材料許用應(yīng)力值的三分之二，即：式中：——對(duì)鋼制鞍座取腹板厚度；對(duì)混凝土鞍座則為鞍座寬度，mm；

Hs——計(jì)算高度，取鞍座實(shí)際高度與中較小值

——鞍座材料的許用應(yīng)力，MPa。在大多數(shù)情況下，鞍座寬度取。第80頁(yè)/共109頁(yè)81

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、引言第81頁(yè)/共109頁(yè)82容器除了受內(nèi)壓或外壓之外，在其制造、安裝和使用過(guò)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(guò)附件傳過(guò)來(lái)的載荷對(duì)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、引言第82頁(yè)/共109頁(yè)83當(dāng)容器同時(shí)受到壓力載荷時(shí)，在這些局部地區(qū)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(duì)稱性，對(duì)局部應(yīng)力作完整分析過(guò)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83頁(yè)/共109頁(yè)84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(guò)附件傳到殼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。第84頁(yè)/共109頁(yè)85(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(zhǎng)度的薄膜內(nèi)力，N/mmMi為i方向單位長(zhǎng)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)力的應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)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85頁(yè)/共109頁(yè)86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86頁(yè)/共109頁(yè)87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(duì)球殼指切向和經(jīng)向x，對(duì)圓柱殼為：第87頁(yè)/共109頁(yè)88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、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：第88頁(yè)/共109頁(yè)89（二）應(yīng)力（2）正應(yīng)力位置和符號(hào)。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(gè)點(diǎn)。這些點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為雙向應(yīng)力狀態(tài)，即對(duì)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

二、球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計(jì)算第89頁(yè)/共109頁(yè)90（二）應(yīng)力（2）正應(yīng)力位置和符號(hào)。

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：第90頁(yè)/共109頁(yè)91

化工容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題涉及過(guò)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(duì)減小局部應(yīng)力的考慮應(yīng)愈仔細(xì)，否則局部應(yīng)力過(guò)高將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在局部區(qū)域發(fā)生過(guò)度變形失效，甚至使整個(gè)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(guò)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(wèn)題

一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析第91頁(yè)/共109頁(yè)92（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(duì)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(wèn)題

一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

球形封頭，由于封頭本身較深，制造時(shí)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(shí)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(méi)有拼接焊縫，然而在計(jì)算壁厚時(shí)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。第92頁(yè)/共109頁(yè)93（一）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(wú)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(tái)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(duì)接焊縫，既可保證焊接質(zhì)量，又可有利于無(wú)損檢測(cè)。且焊縫又不處于不連續(xù)應(yīng)力最大的地方。但這也帶來(lái)了新的問(wèn)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(wèn)題

一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析第93頁(yè)/共109頁(yè)94（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(guò)渡的問(wèn)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(guò)大，僅能用于a≤30o的情況。當(dāng)半錐角30o<a≤45o時(shí)大端應(yīng)采用帶過(guò)渡區(qū)的折邊錐殼，見圖(b)。當(dāng)a>45o時(shí)小端也應(yīng)采用如圖(c)所示的帶過(guò)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。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(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中有具體規(guī)定。所有帶過(guò)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(wèn)題

一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析第94頁(yè)/共109頁(yè)95（三）支座與容器的連接結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)于較小較輕的容器，如果容器本身已有足夠的厚度，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(wèn)題

一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

加墊板有時(shí)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。第95頁(yè)/共109頁(yè)96（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(duì)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(wèn)題

一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析第96頁(yè)/共109頁(yè)97（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(wèn)題

一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)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。支柱間用拉桿相連，增加穩(wěn)定性。支柱在赤道處與球殼相切，對(duì)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。第97頁(yè)/共109頁(yè)98（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(wèn)題

一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)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(guò)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(tái)容器上不要設(shè)置過(guò)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(tái)。第98頁(yè)/共109頁(yè)99（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(wèn)題

一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析手孔——直徑較小的容器無(wú)需人員進(jìn)出，但為對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行觀察與檢查應(yīng)設(shè)置手孔。許多容器既無(wú)人孔又無(wú)手孔，封頭又不可拆，給投運(yùn)后的在役定期檢驗(yàn)帶來(lái)了麻煩，無(wú)法觀察，又不能到內(nèi)壁貼片作X射線檢測(cè)，無(wú)法對(duì)容器的安全狀況做出正確評(píng)價(jià)，無(wú)法執(zhí)行質(zhì)量監(jiān)察部門對(duì)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(duì)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