圓形提升蓋板的設(shè)計(jì)計(jì)算

圓形提升蓋板的設(shè)計(jì)計(jì)算1刖言平板是化工設(shè)備中最常見(jiàn)的部件。例如，各種容器的頂蓋或頂板，設(shè)備的人孔蓋板、法蘭蓋，施工中的管道試壓盲板都屬于此種類(lèi)。其中圓形平板最為常見(jiàn)，本文提及的設(shè)備吊裝用的圓形提升蓋板就屬于這一類(lèi)。石油化工裝置中的一些特殊設(shè)備，如反應(yīng)器、反應(yīng)釜，由于其體積大、重量大、壁厚大，常用耐熱合金鋼制造，且經(jīng)過(guò)整體熱處理，所以在設(shè)計(jì)中往往不在殼體上布置吊耳，而是利用其頂部管口來(lái)進(jìn)行吊裝，提升蓋板式吊耳設(shè)計(jì)正是為了滿(mǎn)足這一要求而產(chǎn)生的。本文就有關(guān)的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行論述。2圓形提升蓋的結(jié)構(gòu)形式2.1結(jié)構(gòu)如圖1圖1提升蓋的主要結(jié)構(gòu)由法蘭蓋板和吊耳板組成，吊耳板可為單個(gè)也可使用二個(gè)。吊耳板與蓋板間采用焊接形式。當(dāng)板厚特別大時(shí)也可采用鑄鋼件，蓋板與設(shè)備接口的連接采用法蘭螺栓連接形式，可使用設(shè)備帶來(lái)的螺栓。為增加耳板的側(cè)向剛度和耳板與蓋板連接強(qiáng)度可在二者間設(shè)置肋板。通常吊耳板用卡環(huán)及鋼絲繩與吊裝機(jī)械連接，故耳板尺寸與所用卡環(huán)應(yīng)匹配。重型吊裝蓋板也可通過(guò)專(zhuān)用連接件與吊裝機(jī)械連接。吊裝蓋板通常應(yīng)隨設(shè)備提供。2.2提升蓋的結(jié)構(gòu)種類(lèi)按照提升蓋板與設(shè)備管口的接觸部位分類(lèi)：a、 不承受螺栓彎矩的蓋板此蓋板與設(shè)備接口的接觸部位僅為法蘭螺栓圓部位見(jiàn)圖2-1a、b。b、 承受螺栓彎矩的蓋板此蓋板與設(shè)備接口的密封面部位相接觸，因此螺栓預(yù)緊時(shí)產(chǎn)生的彎矩會(huì)疊加到蓋板上（見(jiàn)圖3）。這二類(lèi)蓋板在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式上有所差別，其力學(xué)模型不同，在設(shè)計(jì)計(jì)算中所用公式也不一樣。由于設(shè)備接口密封面往往高于法蘭螺栓接圓面，設(shè)計(jì)蓋板時(shí)應(yīng)予以充分注意。圖NTa 圖2-1b 圖W-W3圓形蓋板計(jì)算的理論3.1薄板理論基礎(chǔ)從設(shè)計(jì)觀點(diǎn)看，板可分為厚、薄兩種，厚板和薄板的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法是不一樣的，薄板的計(jì)算方法是厚板算法的一個(gè)特例，故掌握厚板理論完全可以解決問(wèn)題。但厚板理論比較復(fù)雜，對(duì)于一般化工設(shè)備而言，大部屬于薄板范圍。薄板理論又稱(chēng)為薄膜理論，其特點(diǎn)是只受拉力，不存在彎曲應(yīng)力，該理論還有幾點(diǎn)假設(shè)：1） 板的厚度較其它尺寸小得多。2） 中間面撓度比板厚小得多，即撓度很小。3） 中間面在彈性變形后僅有彎曲而不伸長(zhǎng)。4） 原垂直于中間面的界面，變形后仍保持平面，且仍垂直于中間面。3.2薄板理論應(yīng)用條件薄板理論是用小撓度理論假定推導(dǎo)的，因涉及到允許誤差和計(jì)算精度，它的使用條件是：1） 薄板的定義是厚度小于其它兩個(gè)尺寸的1/10時(shí)。2） 撓度小于1/5板厚時(shí)為小撓度。但從實(shí)用觀點(diǎn)，既使撓度達(dá)到1/2板厚時(shí)，仍可作小撓度板計(jì)算。3.3蓋板計(jì)算的理論依據(jù)吊裝蓋板的受力狀態(tài)，基本上與壓力容器的可拆卸平蓋的形式相似，壓力容器的平蓋為均布荷載，而吊裝蓋板為局部載荷?？刹鹦镀缴w的計(jì)算方法在原壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定中有兩種，對(duì)于“中低壓”部分是按薄圓平板公式計(jì)算，“高壓”部分則按“巴赫公式”計(jì)算，二者計(jì)算結(jié)果存在著差別，但在82年版《設(shè)計(jì)規(guī)定》中已統(tǒng)一，計(jì)算公式的形式都采用薄圓平板的計(jì)算公式。容器設(shè)計(jì)中可拆卸平蓋計(jì)算時(shí)受力假設(shè)為：1） 均布載荷P作用在筒支的圓平板上。2） 螺栓載荷Wp作用在圓平板周邊螺栓圓處。

3）墊片反作用力。m作用在圓平板支撐面上（密封面上）。平蓋受力如圖3-1,墊片3）墊片反作用力。m作用在圓平板支撐面上（密封面上）。平蓋受力如圖3-1,墊片。m作用在支撐處，全部力由支撐承受，因而不會(huì)引起圓平板中的撓度和應(yīng)力。在螺栓與墊片比較接近的情況下，螺栓載荷的作用可簡(jiǎn)化成一個(gè)力偶作用在筒支邊上，而且在螺栓數(shù)量較多時(shí)，這種力偶也可以認(rèn)為沿圓周均布，其力學(xué)模型可簡(jiǎn)化如圖3-2。M圖中m為單位圓周長(zhǎng)度上的力矩m=—兀Dc式中M=WpXh；m=K^（3-1）,G 兀DcWp一螺栓力hG一螺栓孔到密封面距離平板所受總的力矩，即由m和p二者引起的力矩之和，且可分別計(jì)算。根據(jù)以上理論，吊裝平蓋的受力狀態(tài)與以上分析類(lèi)似，WpWp圖3-1r-j-n7Dc圖3-2也可采用圓形薄板的計(jì)算公式。4吊裝蓋板的計(jì)算采用《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》中圓形板計(jì)算公式，該公式也是根據(jù)彈性薄板小撓度理論的假定推導(dǎo)的。該手冊(cè)中介紹了周邊鉸支不承受螺栓彎矩的圓形板和承受螺栓彎矩的圓形板兩種計(jì)算公式，計(jì)算符號(hào)說(shuō)明如下：4.1不承受螺栓彎矩的圓形板的計(jì)算此種蓋板的結(jié)構(gòu)形式如圖2.1a和b，它的力學(xué)模型如圖4-1。蓋板的受力為局部均布力q，受力半徑為r，板外側(cè)為鉸支的一個(gè)圓板，在徑向坐標(biāo)為x處產(chǎn)生的彎矩計(jì)算公式為：P2]（4-1）（4-2）pW8 Mr=丑2[4-（1-口）。2—P2]（4-1）（4-2）16 p2Mt=虻[4-（1-口）。2—4（1+口）InP—上主p2]16 p20r=qR0r=qRT圖4-1（4-3）式中q一軸對(duì)稱(chēng)均布荷載N/mm2；m一軸對(duì)稱(chēng)環(huán)形均布線(xiàn)彎矩，N；(4-4)(4-4)(4-5)Mr一徑向線(xiàn)彎矩；N；Mt一切向線(xiàn)彎矩N；0r—剪力；N/mm；Om一由均布線(xiàn)彎矩產(chǎn)起的應(yīng)力;Or一由徑向彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力；O一總應(yīng)力；[O]t-許用應(yīng)力；h—板厚，mm；|J一泊桑比，對(duì)鋼材p=0.3；XP=Rr—局部均布荷載半徑，mm；R-圓板支撐圓半徑，mm；x—計(jì)算部位圓半徑，mm；（此公式如x=R時(shí)，即變?yōu)閳A板上全部均布的受力狀態(tài)。）P=0，此時(shí)Mr和P=0，此時(shí)Mr和Ut都達(dá)到到最大值。Mr=Mt=qr2[4-(1-^)P2-4(1+曰)時(shí)]16Mr6o=o=—rth2式中h2/6—單位長(zhǎng)度上的抗彎斷面系數(shù)式（4-4）（4-5）即為吊裝蓋板應(yīng)力計(jì)算公式。該截面上部受壓下部受拉者為正。4.2承受螺栓彎矩的圓形板計(jì)算此種蓋板的結(jié)構(gòu)形式如圖2-2，圓板有一個(gè)局部均布載荷和一個(gè)由螺栓產(chǎn)生的彎矩，其力學(xué)模型如圖4-2。根據(jù)力的疊加原理，此板的受力計(jì)算可分別計(jì)算并最終疊加，因此，圖4-2力學(xué)模型可分解成如圖4-3a圖4-3a和b的形式。即M=m+Mr(4-6)O=Om+Orm的計(jì)算：(4-7)由圖3-1和式（3-1）M=% om=罷 （4-8）邊界均布力矩在圓平板上任一處產(chǎn)生的力矩，各處都相同，均為m。圖4-3bMr的計(jì)算:由局部均布載荷在徑向坐標(biāo)x處產(chǎn)生的彎矩，其計(jì)算方法同不承受螺栓彎矩的圓板，即可用式（4-1）、（4-2）。此處圓平板的最大受力部位仍在圓平板的中心。4.3圓平板中局部均布載荷的確定1）均布載荷受力范圍的確定吊耳中蓋板受一個(gè)或二個(gè)集中力，其合力通過(guò)板中心，由于力通過(guò)耳板傳遞到圓平板，認(rèn)為圓平板上受力范圍為aXb（即耳板的長(zhǎng)X寬）的范圍上，如是雙耳板可認(rèn)為是二塊耳板所占有的總寬度，假定在此aXb范圍內(nèi)受力是均勻的，這樣便可用式（4-1）（4-2）計(jì)算。由于此受力部位尺寸是一個(gè)長(zhǎng)方形，當(dāng)換算成相當(dāng)于圓形時(shí)即為r=a+入(4-9)4x0.875式中r即為當(dāng)量半徑。2）均布載荷q的確定q是由平蓋吊裝時(shí)的提升力確定的，即q=（4-10）W=KW0K——吊裝計(jì)算系數(shù)N,K可取1.2；W0——吊裝總載荷 N；W——吊裝計(jì)算載荷N。4.4螺栓壓緊力G2的確定螺栓壓緊力g2應(yīng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：a、 當(dāng)予緊及設(shè)備抬頭時(shí)頂蓋板不會(huì)在設(shè)備接口發(fā)生滑移，并能承受其彎矩。b、 當(dāng)設(shè)備直立時(shí)螺栓能承受吊裝總載荷。1）設(shè)備抬頭時(shí)螺栓予緊力的確定螺栓予緊、頂蓋板不發(fā)生滑移時(shí)的平衡條件如下：K—＜G。xf （4-11）22 2式中G2一螺栓的予緊力N；K2一過(guò)擰系數(shù)，K2取1.2,表示在實(shí)際操作中螺栓往往會(huì)過(guò)擰，且摩擦力必須大于抬頭時(shí)的提升力。W/2一設(shè)備抬頭時(shí)提升力，因吊耳在設(shè)備頂部，當(dāng)設(shè)備是均質(zhì)時(shí)，抬頭時(shí)的提升力往往是設(shè)備吊裝計(jì)算荷載的1/2，如不均質(zhì)時(shí)應(yīng)另行計(jì)算。f一摩擦系數(shù)，如鋼對(duì)鋼，可取f=0.2將已知值代入（4-11）G2N號(hào)x——=3W （4-12）由式（4-12）見(jiàn)，螺栓予緊力要遠(yuǎn)大于設(shè)備提升力。2）設(shè)備直立時(shí)，螺栓力的確定設(shè)備直立時(shí)，由于螺栓材質(zhì)好、直徑大，所以每條螺栓的應(yīng)力很小，完全能滿(mǎn)足大于提升力的要求。在設(shè)備直立時(shí)，由于頂蓋上有提升力的作用，其受力狀態(tài)可見(jiàn)圖3-1，頂蓋上由于提升力W小于螺栓予緊力G2,故在提升力作用，僅在頂蓋與設(shè)備接口處的接觸面上壓力變小，而螺栓的緊力未發(fā)生變化。故設(shè)備直立時(shí)的螺栓力仍可按原緊力G2計(jì)算。4.5許用應(yīng)力的確定將式（4-4）變化成圓形平板受全部均布力時(shí)M廣斜M廣斜4一(")P2一41")七P](4-4)r此時(shí)，式中r=R，即6==1，Ip=Ir-IR=0，p=0.3R nnnMt=笑X3.3如。=土/＜［o］，且將r=DD 代入上式即得：0.309：0.309xP瀝Tg)一(4-5)式（4-5）k=0.309，與GB150中受均布載荷周邊鉸接的圓形平板厚度的計(jì)算公式完全一致。故利用式（4-4）計(jì)算吊裝蓋板厚度時(shí)的許用應(yīng)力應(yīng)?。?。］=9］t，即鋼制壓力容器GB150中，鋼板在相應(yīng)溫度和相應(yīng)厚度時(shí)的許用應(yīng)力。如Q235，厚度小于40mm，W20°C時(shí)，［O］t=113；16MnR，厚度N60?100，W20C時(shí)，［O］t=153Mpa；厚度＞100?120，W20C時(shí)，［O］t=150Mpa。

按GB150平蓋設(shè)計(jì)規(guī)定，在選取鋼板厚度時(shí)要考慮鋼板厚度負(fù)公差的影響，并圓整到鋼板名義厚度。由于吊裝蓋板上有耳板，且起到一定的加強(qiáng)作用，故在此計(jì)算時(shí)可不予考慮。5計(jì)算舉例現(xiàn)有一蓋板式吊耳，結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖5-1a、b注：1.吊具所用鋼板材質(zhì)均為黃弟日；2.此吊具為吊裝最大重童川注：1.吊具所用鋼板材質(zhì)均為黃弟日；2.此吊具為吊裝最大重童川計(jì)算圓平板厚度是否能滿(mǎn)足吊裝要求。由圖尺寸得到：a+b=400+500，r=_ =257mm4x0.875w=kw0=1.2X70t=1.2X70X9.8X103=823X103N

kwq=鬲際潟.968N/mm2故現(xiàn)按只要吊蓋耳板孔的高度h設(shè)計(jì)正常，設(shè)備直立時(shí)平蓋的應(yīng)力往往大于設(shè)備起吊時(shí)的應(yīng)力，故現(xiàn)按設(shè)備直立時(shí)計(jì)算。5.1按蓋板不受螺栓彎矩計(jì)算按圖5-1b看平板受力應(yīng)為此形式。TOC\o"1-5"\h\zH亡 r257此時(shí)R=990.5/2=495.25mmP== =0.519u=0.3,h=90mm,R495.25采用公式(4-4)(4-5)\o"CurrentDocument"Q=9x整[4-(1-u)P2-4(1-u)IP]h2 16 n\o"CurrentDocument"—x3.968x2572(4-(1-0.3)0.519-4(1-0.3)I 25^]902 16 n495.25=12.133X5.473=66.41N/mm2〈g]5.2如按蓋板承受螺栓彎矩計(jì)算此時(shí)，R=4。。，此為密封面中心圓半徑P=—=117=0.6425HR4001）局部均布載荷產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算利用公式（4-4）（4-5）得出，or=湍x誣：：2572[4-(1-0.3)x0.6425-4(1-0.3)I0.6425]=12.13X4.789=58.11N/mm22）螺栓彎矩引起的圓板中心應(yīng)力計(jì)算由式(4-11)(4-12)G2=3w=3X823X103N=2469X1。3N由式（3-1）兀x2(800/2)w』GG2xhG2469x103x(990.5-800)/2

m=兀D-兀&2R一?' —93619N兀x2(800/2)由式(4-8)mx693619x6o=—=————=69.35N/mm2mh2 9023）總應(yīng)力

a=ar+am=58.11+69.35=127.46>[o] [a]t=113N/mm2。4）螺栓擰緊要求由計(jì)算看，本設(shè)備吊裝時(shí)，螺栓擰緊力為2649KN，此力分配到16個(gè)M90螺栓中時(shí)，每個(gè)螺栓緊力為165.6KN。P 165.6x103螺栓中的應(yīng)力a質(zhì)——= =28.5N/mm2，如螺栓使用的是40MnB，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的合金鋼0兀r2兀x4320高強(qiáng)度螺栓，其aB=765Mpa，aS=635Mpa，相當(dāng)于8.8級(jí)螺栓，螺栓許用應(yīng)力[a]t=235Mpa，相當(dāng)于安全系數(shù)m=3，由于擰緊時(shí)，螺栓應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，所以螺栓容易過(guò)擰，故應(yīng)予以控制。當(dāng)采用圖2-1結(jié)構(gòu)形式時(shí)，螺栓緊力比計(jì)算值w大一些，也不影響圓蓋板的受力。5.3結(jié)論1） 例題中，蓋板如采用圖（2-1）a形式，完全能滿(mǎn)足使用要求，如采用圖（2-2）形式，不能滿(mǎn)足要求。2） 從計(jì)算結(jié)果看，螺栓彎矩將占總應(yīng)力的54%，影響較大，故消除螺栓彎矩影響可減少板厚。6其它計(jì)算方法介紹6.1在2004年全國(guó)工程建設(shè)行業(yè)大型設(shè)備吊裝市場(chǎng)研究暨技術(shù)交流會(huì)論文集中，由中石化寧波工程公司洪堅(jiān)平撰寫(xiě)《提升蓋的設(shè)計(jì)與計(jì)算》中有關(guān)于圓蓋板的計(jì)算公式如下：1）設(shè)備呈臥態(tài)起吊時(shí)3Mc m+1、,2(R-r)am=[1+( )IbT4Mt2r mgKR10 1b2)設(shè)備呈立態(tài)時(shí)，/ ,、r2—(/ ,、r2—(m—1)—]2R2bam= [—(m—1)+(m+1)I-b-2兀"122 gr0rr2（注：在論文集上，上式最后右下角數(shù)據(jù)為沽2Rbr2是否印刷有誤，現(xiàn)修改成專(zhuān)，可能比較合理）2R2b式中Mc一彎曲力矩，Mc=FHXhfh一起吊時(shí)提升力H一吊點(diǎn)至蓋板的距離r0r0一提蓋吊耳板處的當(dāng)量半徑，r°==mm；J一提升蓋板厚度，mm；t2一吊耳板厚度，mm；

m一泊桑比的倒數(shù)，m=-；RRb一法蘭蓋板螺栓圓半徑，Rb=%mm；K1K1一系數(shù)K1=0.49R2

b

(r+0.7R)2b一吊耳寬度（長(zhǎng)度），b=2R；Fv一提升力（計(jì)算重量），F(xiàn)v=KXWc,Nmm；Wc一提升總質(zhì)量K-載荷系數(shù)，K=1.1?1.59]一安全許用應(yīng)力，9]=%1.66.2說(shuō)明因本公式未給出資料來(lái)源，用此公式計(jì)算時(shí)，在結(jié)果上會(huì)差別很大，采用時(shí)應(yīng)注意，并使用原件，但資料中其它公式可參考使用。7、蓋板螺栓使用數(shù)量對(duì)蓋板強(qiáng)度的影響7.1由于吊裝中蓋板螺栓受力很小，往往有些設(shè)計(jì)或使用者減小了螺栓的數(shù)量，如16個(gè)減為8個(gè)或更少，此時(shí)會(huì)對(duì)蓋板的受力起很大影響，現(xiàn)分析如下:7.2蓋板的受力狀態(tài)圖7-1只用8個(gè)螺栓，螺栓減少后布置如圖7-1，此時(shí)的蓋板受力已不是一個(gè)周邊均勻支承的圓板。圖7-11） 對(duì)于單個(gè)吊耳的蓋板式其受力狀態(tài)已不是一個(gè)完整周邊均勻支承的圓平板，仍用原周邊均勻支承的平板公式計(jì)算會(huì)有偏差，且趨向于不安全。2） 對(duì)于二個(gè)耳板的蓋板，此時(shí)受力狀態(tài)已相當(dāng)于一個(gè)梁的受力狀態(tài)，不過(guò)此梁為中央局部均布載荷，梁支承寬度為*的受力梁，此時(shí)梁的受力使用直梁彎曲的計(jì)算公式比較合理。7.3舉例1）現(xiàn)使用圖5-1的計(jì)算條件a假定按梁計(jì)算、彎矩可按直梁公式計(jì)算。b梁的截面為一個(gè)變截面梁板中部的寬度，考慮周邊

螺栓孔的影響，寬度按800mm計(jì)取。c由于耳板的影響增加了梁的剛度，應(yīng)給于考慮。d此梁的危險(xiǎn)斷面應(yīng)在板的中心a-a截面，此處有最大的彎矩。耳板邊緣b-b截面，此處的抗彎斷面系數(shù)較小，但彎矩較大，故應(yīng)按這二個(gè)位置來(lái)校核其強(qiáng)度。校核梁的許用應(yīng)力可用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定中設(shè)計(jì)許用應(yīng)力f（也可用材料力學(xué)計(jì)算公式計(jì)算）。載荷系數(shù)對(duì)動(dòng)載荷取k=1.4（按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范）此時(shí)m1=寫(xiě)嚴(yán)1.4x70x9.8x103x95.25此時(shí)m1=寫(xiě)嚴(yán)2此時(shí)f—設(shè)計(jì)許用應(yīng)力對(duì)Q235板厚60-100mm f=190N/mm2；Q345板厚50-100mm f=250N/mm2；2）舉例計(jì)算=45739050Nmm，q△rc=400.△< L=990.5=45739050Nmm，q△rc=400.△< L=990.5 >圖7-3G2q=400=1.4x70x9.8x103400=2401N/mm2，板中心彎矩M12401x2401x400x9.8x990.5（2—觀[v 990.5）=189799050Nmm，a不考慮耳板加強(qiáng)時(shí)bh2W=6==8°°x902=1080x103mm3，6Ma= 1=175.74<[a]。Wb考慮耳板加強(qiáng)時(shí)在a-a斷面W=2407342mm3（組合截面用平行軸定理計(jì)算）189799050°=2407342=78.84<[a]=999000mm3，6bh2740x902=999000mm3，6在b-b斷面W=—6qc（l—c）_2401x400x590.5M= = =141779050Nmm，2 4a=141.9<[a]。由計(jì)算看，螺栓減少時(shí)對(duì)不承受周邊螺栓彎矩的影響，其計(jì)算應(yīng)力增加很多，但本例仍屬安全。如考慮螺栓彎矩影響，則計(jì)算應(yīng)力會(huì)更大。所以，當(dāng)螺栓減少時(shí)要根據(jù)蓋板尺寸及受力情況重新核算。8、 耳板與圓蓋板的