卧式储罐设计计算

作者:马尼拉solaire发布日期:2020-05-13 03:15

  过程设备设计(下)过程设备设计(下)30学时学时第五章第五章储存设备(储存设备(7学时)学时)第六章第六章换热设备(换热设备(8学时)学时)第七章第七章塔设备(塔设备(8学时)学时)第八章第八章反应设备(反应设备(6学时)学时)各章的三维动画(各章的三维动画(1学时)学时) 第五章 储存设备第五章 储存设备第一节 概述第一节 概述第二节 卧式储罐第二节 卧式储罐第三节 球形储罐第三节 球形储罐过程设备设计过程设备设计 5.2.1 基本结构基本结构5.2.2 设计计算设计计算第二节 卧式储罐第二节 卧式储罐过程设备设计过程设备设计 教学重点:教学重点:卧式储罐的设计计...

  过程设备设计(下)过程设备设计(下)30学时学时第五章第五章储存设备(储存设备(7学时)学时)第六章第六章换热设备(换热设备(8学时)学时)第七章第七章塔设备(塔设备(8学时)学时)第八章第八章反应设备(反应设备(6学时)学时)各章的三维动画(各章的三维动画(1学时)学时) 第五章 储存设备第五章 储存设备第一节 概述第一节 概述第二节 卧式储罐第二节 卧式储罐第三节 球形储罐第三节 球形储罐过程设备设计过程设备设计 5.2.1 基本结构基本结构5.2.2 设计计算设计计算第二节 卧式储罐第二节 卧式储罐过程设备设计过程设备设计 教学重点:教学重点:卧式储罐的设计计算。卧式储罐的设计计算。教学难点:教学难点:卧式储罐的设计计算。卧式储罐的设计计算。5.2 卧式储罐卧式储罐本章重点本章重点本章计算本章计算难点难点本章计算本章计算重点重点过程设备设计过程设备设计 5.2.1 基本结构基本结构一 、地面卧式储罐一 、地面卧式储罐1.基本结构基本结构图图5-1 地面储罐的基本结构(鞍式支座)地面储罐的基本结构(鞍式支座)过程设备设计过程设备设计 鞍式支座鞍式支座过程设备设计过程设备设计5.2.1 基本结构基本结构 图图5-1 地面储罐的基本结构(圈座)地面储罐的基本结构(圈座)根据内压或外压设备的设计方法根据内压或外压设备的设计方法初步考虑支座形式及结构的影响校核附加载荷下周向、轴向强度和稳定性校核附加载荷下周向、轴向强度和稳定性初步计算厚度计算厚度考虑支座形式及结构的影响从而确定实际的圆筒厚度从而确定实际的圆筒厚度圈座圈座过程设备设计过程设备设计5.2.1 基本结构基本结构 A.鞍式支座鞍式支座设计要点设计要点支座数量的决定支座数量的决定安装位置的安排安装位置的安排鞍座包角的选取鞍座包角的选取鞍座标准的选用鞍座标准的选用过程设备设计过程设备设计5.2.1 基本结构基本结构 支座数量的决定支座数量的决定双鞍座结构较普遍,多支座结构难于保证各支座受力均匀于保证各支座受力均匀双鞍座结构较普遍,多支座结构难安装位置的安排安装位置的安排一般,一般,A 0.2L,且最好,且最好A A 最大不超过最大不超过0.25L0.5R m 双支座双支座鞍座包角的选取鞍座包角的选取影响鞍座处圆筒截面上的应力分布,影响稳定性和储罐影响稳定性和储罐-支座系统重心的高低支座系统重心的高低影响鞍座处圆筒截面上的应力分布,常用包角常用包角120、、135 、、150我国我国JB/T4712用用120、、150为什么为什么?一个固定(重量大,配管较多的一侧)一个固定(重量大,配管较多的一侧)一个可沿轴线移动(操作时和安装时的温度不同可能引起热膨胀以及可能出现弯曲造成附加应力)弯曲造成附加应力)一个可沿轴线移动(操作时和安装时的温度不同可能引起热膨胀以及可能出现过程设备设计过程设备设计5.2.1 基本结构基本结构 鞍座标准的选用的选用鞍座标准利用标准选用支座时要充分考虑要充分考虑设计温度地震设防烈度支座允许载荷是否设有垫板等是否设有垫板等利用标准选用支座时设计温度地震设防烈度支座允许载荷过程设备设计过程设备设计5.2.1 基本结构基本结构 B.圈座B.圈座应用情况应用情况因自身重量而可能造成严重挠曲的薄壁容器挠曲的薄壁容器多于两个支承的长容器多于两个支承的长容器因自身重量而可能造成严重其计算与鞍式支座相同鞍式支座相同其计算与过程设备设计过程设备设计5.2.1 基本结构基本结构 二、地下卧式储罐二、地下卧式储罐1-牺牲阳极牺牲阳极2-浮子液面计浮子液面计3-金属导线-电线保护测试点电线-罐装气相阀门罐装气相阀门9-罐装液相阀门罐装液相阀门10-排污和倒空管阀门排污和倒空管阀门11-罐间气相连接管罐间气相连接管12-罐体罐体13-罐间液相连接管罐间液相连接管14-支座支座图图5-2 地下储罐结构示意图地下储罐结构示意图结构结构过程设备设计过程设备设计5.2.1 基本结构基本结构 优点优点减少占地面积和安全防火距离减少占地面积和安全防火距离避开环境温度的影响避开环境温度的影响埋地措施埋地措施地下室地下室埋土埋土地下支座地下支座涂沥青防锈层或牺牲阳极法涂沥青防锈层或牺牲阳极法地土埋设,达到预期埋土高度地土埋设,达到预期埋土高度过程设备设计过程设备设计5.2.1 基本结构基本结构 5.2.1 基本结构基本结构5.2.2 设计计算设计计算第二节 卧式储罐第二节 卧式储罐过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 给定设计条件:压力、温度、直径、长度、材料等给定设计条件:压力、温度、直径、长度、材料等计算圆筒和封头厚度计算圆筒和封头厚度n,设置鞍座位置设置鞍座位置A 计算容器质量、鞍座反力、轴向弯矩m 、,h计算容器质量、鞍座反力、轴向弯矩、F、、M1、、M 2卧式储罐的计算过程卧式储罐的计算过程计算轴向应力计算轴向应力1~4计算切向应力、计算切向应力、h计算周向应力计算周向应力5-8计算鞍座应力计算鞍座应力9四类应力按此顺序逐一符合要求,则设计结束。则设计结束。四类应力按此顺序逐一符合要求,若四类应力中有任何一个不符合许用要求,则需要做相应调整。许用要求,则需要做相应调整。若四类应力中有任何一个不符合过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 调整方法调整方法增加圆筒或封头厚度增加圆筒或封头厚度调整鞍座位置调整鞍座位置调整鞍座形式调整鞍座形式设置加强件、加强板或加强圈设置加强件、加强板或加强圈调整方法和顺序,见课本调整方法和顺序,见课本238页页过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 一、卧罐的载荷分析一、卧罐的载荷分析1.压力:压力:2.储罐重量:圆筒储罐重量:圆筒+封头3.物料重量:正常操作时物料重量:正常操作时=物料重量水压试验时水压试验时=充水重量4.其他载荷:环境影响下的载荷,如风载、雪载、地震载等其他载荷:环境影响下的载荷,如风载、雪载、地震载等内压或外压内压或外压封头+附件的总重量附件的总重量物料重量充水重量卧罐总重量作用的总长度为卧罐总重量作用的总长度为L=L+((4/3))H两凸形封头折算成同直径圆筒长度同直径圆筒长度两凸形封头折算成过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 单位长度的均布载荷单位长度的均布载荷忽略储罐自身重量忽略储罐自身重量工程上的简化力学模型简化力学模型工程上的gRqi2HLF4LFq322+==过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 简化过程简化过程图图5-3 双鞍座卧式储罐受力分析 (双鞍座卧式储罐受力分析 (a )受力分析受力分析过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 力学模型的简化力学模型的简化简化为长度简化为长度L,受均布载荷,受均布载荷q作用的外伸简支梁图图5-3 双鞍座卧式储罐受力分析 (双鞍座卧式储罐受力分析 (b) 两支点外伸梁作用的外伸简支梁两支点外伸梁q课本错误课本错误过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 封头本身和其中物料的总量封头本身和其中物料的总量作用在其重心上作用在其重心上凸形封头(包括物料)重心近似凸形封头(包括物料)重心近似到封头切线距离到封头切线=凸形封头(包括物料)重量近似在简支梁端点的等效载荷为凸形封头(包括物料)重量近似在简支梁端点的等效载荷为剪力:剪力:力偶:力偶:HqFq3H2=qm421=过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 罐内充满的液体对平板封头推力力矩近似:罐内充满的液体对平板封头推力力矩近似:442i2iicqRRqRSym===对其他凸形封头的推力力矩均简化为推力力矩均简化为对其他凸形封头的图图5-4 液体静压力及其合力及其合力液体静压力平移到轴线后力的大小忽略不计大小忽略不计过程设备设计过程设备设计平移到轴线 设计计算设计计算 过程设备设计过程设备设计得梁端点的力偶得梁端点的力偶通过以上简化通过以上简化卧罐的力学简化模型卧罐的力学简化模型)(422i212HRqmmM==q课本错误课本错误图图5-3 双鞍座卧式储罐受力分析双鞍座卧式储罐受力分析((b) 两支点外伸梁) 两支点外伸梁5.2.2 设计计算设计计算 过程设备设计过程设备设计剪力剪力弯矩弯矩图图5-3 双鞍座卧式储罐受力分析双鞍座卧式储罐受力分析((c) 剪力图) 剪力图((d) 弯矩图) 弯矩图M1M25.2.2 设计计算设计计算 二、内力分析二、内力分析二、内力分析二、内力分析((1)弯矩)弯矩A. 圆筒在支座跨中截面处的弯矩圆筒在支座跨中截面处的弯矩简化简化整理几何参数整理几何参数M1为正:上半部圆筒受压缩下半部圆筒受拉伸下半部圆筒受拉伸为正:上半部圆筒受压缩)4)(2()2()2(32)(422i21LLqALFLHqHRqM+=)341 ( 4)()(21221LHLHLRCi+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=)(11ALCFM=过程设备设计过程设备设计课本错误,没有平方课本错误,没有平方5.2.2 设计计算设计计算 B. 圆筒在支座截面处的弯矩圆筒在支座截面处的弯矩简化简化整理几何参数整理几何参数M2为负:上半部圆筒受拉伸为负:上半部圆筒受拉伸下半部圆筒受压缩下半部圆筒受压缩)2(32)(422i2AqAHqAHRqM=LHC3412+=LRHRCii2223=⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=23221CARCLACFAMi过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 ((2)剪力)剪力A. 支座跨距中点处截面的剪力等于支座跨距中点处截面的剪力等于0B. 支座截面上的剪力:支座截面上的剪力:a.当当A>>0.5Ri时:时:b.当当A0.5Ri时:时:FV =保守做法保守做法应计及外伸圆筒和封头两部分重量的影响重量的影响应计及外伸圆筒和封头两部分⎟⎟⎠⎟⎟⎞⎜⎜⎝⎜⎜⎛+=⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=HLALFHAqFV34232((5-5a)((5-5b)))过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 三、圆筒应力计算和强度校核三、圆筒应力计算和强度校核((1)圆筒上的轴向应力)圆筒上的轴向应力((2)支座截面处圆筒和封头上的切向切应力和封头的附加拉伸应力和封头的附加拉伸应力((3))支座截面处圆筒和封头上的切向切应力)支座截面处圆筒的周向弯曲应力支座截面处圆筒的周向弯曲应力((4))支座截面处圆筒的周向压缩应力支座截面处圆筒的周向压缩应力((5)周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核)周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核((6)加强圈设计)加强圈设计圆筒圆筒周向应力周向应力过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 ((1)圆筒上的轴向应力)圆筒上的轴向应力除支座附近截面外,其他各处圆筒在承受轴向弯矩时,除支座附近截面外,其他各处圆筒在承受轴向弯矩时,仍然可以看成抗弯截面模量为仍然可以看成抗弯截面模量为Rie的空心圆截面梁,的空心圆截面梁,而并不承受周向弯矩的作用。而并不承受周向弯矩的作用。2过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 ((1)圆筒上的轴向应力(续))圆筒上的轴向应力(续)如果圆筒不设加强圈,且圈,且A0.5Ri ,由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩,在周向弯矩的作用下,导致支座处圆筒的上半部发生变形,产生所谓“扁塌”现象,见图,见图5-5。如果圆筒不设加强,由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩,在周向弯矩的作用下,导致支座处圆筒的上半部发生变形,产生所谓“扁塌”现象。过程设备设计过程设备设计“扁塌扁塌”现象引起的无效区现象引起的无效区无效截面积无效截面积有效截面积有效截面积d5.2.2 设计计算设计计算 ((1)圆筒上的轴向应力(续))圆筒上的轴向应力(续)“扁塌”一旦发生,那么支座处圆筒截面的上部就成为难以抵抗轴向弯矩的“无效截面”,而剩下的圆筒下部截面才是能够承担轴向弯矩的“有效截面”。效截面”。“扁塌”一旦发生,那么支座处圆筒截面的上部就成为难以抵抗轴向弯矩的“无效截面”,而剩下的圆筒下部截面才是能够承担轴向弯矩的“有过程设备设计过程设备设计“扁塌扁塌”现象引起的无效区现象引起的无效区无效截面积无效截面积有效截面积有效截面积d5.2.2 设计计算设计计算 齐克据实验测定结果认为,与认为,与“有效截面有效截面”弧长对应的半圆心角等于鞍座包角之半加上半加上/6,即齐克据实验测定结果弧长对应的半圆心角等于鞍座包角之,即图图5-5“扁塌扁塌”现象现象)5360(12162+=+=o“扁塌扁塌”现象引起的无效区现象引起的无效区无效截面积无效截面积有效截面积有效截面积d过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 a跨距中点处圆筒截面跨距中点处圆筒截面由轴向弯矩引起的轴向应力由轴向弯矩引起的轴向应力跨距中点处圆筒截面跨距中点处圆筒截面由内压引起的轴向应力由内压引起的轴向应力跨距中点处圆筒截面跨距中点处圆筒截面总的轴向应力总的轴向应力最高点(压缩应力)最高点(压缩应力)最低点(拉伸应力)最低点(拉伸应力)eiRMM211=eiR212=eipR2=eieipR2RM211+=eieipR2RM212+=((5-6)((5-7)))过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 b 支座截面处圆筒支座截面处圆筒由轴向弯矩引起的轴向应力由轴向弯矩引起的轴向应力惯性矩、抗弯截面模量变化变化支座截面处圆筒由轴向弯矩引起的轴向支座截面处圆筒由轴向弯矩引起的轴向(拉伸惯性矩、抗弯截面模量拉伸)应力应力3当圆筒在鞍座平面上有加强圈或被封头加强当圆筒在鞍座平面上有加强圈或被封头加强(即ARm/2)时轴向应力(即)时轴向应力3位于横截面最高点处位于横截面最高点处当圆筒在鞍座平面上没有加强圈或不被封头加强当圆筒在鞍座平面上没有加强圈或不被封头加强(即ARm/2)时轴向应力(即)时轴向应力3位于靠近水平中心线处位于靠近水平中心线处位置位置过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 大大大大小小小小过程设备设计过程设备设计eiRKM122=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛==23i200023sin2cossincossineiiRRRMIyM3●●43●●433●((5-8))不扁塌不扁塌扁塌扁塌5.2.2 设计计算设计计算 支座截面处圆筒由轴向弯矩引起的轴向支座截面处圆筒由轴向弯矩引起的轴向(压缩位置始终处于截面最低点位置始终处于截面最低点压缩)应力应力4过程设备设计过程设备设计3●●4333●●4●不扁塌不扁塌扁塌扁塌5.2.2 设计计算设计计算 大小大小K1、、K2为“扁塌”现象引起的抗弯截面模量减少系数为“扁塌”现象引起的抗弯截面模量减少系数包角包角齐克齐克有效截面对应的半圆心角有效截面对应的半圆心角K1、、K2(表表5-1)过程设备设计过程设备设计eiRKM222=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎠sin2⎞⎜⎝⎛==23i20024cossinsineiinRRRMIyM((5-9))5.2.2 设计计算设计计算 表表5-1 系数系数K1、、K2值值过程设备设计过程设备设计条件条件鞍座包角鞍座包角K1K2A0.5Ri即封头对圆筒起即封头对圆筒起加强作用,或鞍座处有加加强作用,或鞍座处有加强圈的圆筒强圈的圆筒1201351501.01.01.01.01.01.0A>>0.5Ri且圆筒无加强且圆筒无加强圈,或虽有加强圈,但加圈,或虽有加强圈,但加强圈不在鞍座处强圈不在鞍座处1201351500.1070.1320.1610.1920.2340.2795.2.2 设计计算设计计算 圆筒上的轴向应力校核圆筒上的轴向应力校核圆筒上的轴向应力由两部分组成,即圆筒上的轴向应力由两部分组成,即压力压力及及轴向弯矩轴向弯矩引起的轴向应力叠加引起的轴向应力叠加拉伸应力拉伸应力压缩应力压缩应力[] t[] cr[] t过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 在操作工况、试验工况和充水工况下,卧式储罐所受的载荷并不相同,应分别进行筒体应力计算和强度校核:载荷并不相同,应分别进行筒体应力计算和强度校核:在操作工况、试验工况和充水工况下,卧式储罐所受的a.在操作工况下,由储罐重量、物料重量等所引起的拉伸、压缩弯曲应力,应与设计压力(内压或外压)引起的轴向拉伸(或压缩)应力进行叠加;拉伸(或压缩)应力进行叠加;在操作工况下,由储罐重量、物料重量等所引起的拉伸、压缩弯曲应力,应与设计压力(内压或外压)引起的轴向b.在试验工况下,由压力试验时的试验介质(一般为水)重量、储罐重量等引起的位伸、压缩弯曲应力,应与试验压力所引起的轴向拉伸应力相叠加;压力所引起的轴向拉伸应力相叠加;在试验工况下,由压力试验时的试验介质(一般为水)重量、储罐重量等引起的位伸、压缩弯曲应力,应与试验c.在充水工况下,水压试验过程中若已充满水而水压尚未升起时,或在操作过程中充满物料后而压力尚未升起时,由充水或物料重量以及储罐重量引起的拉伸、压缩弯曲应力。充水或物料重量以及储罐重量引起的拉伸、压缩弯曲应力。在充水工况下,水压试验过程中若已充满水而水压尚未升起时,或在操作过程中充满物料后而压力尚未升起时,由过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 依据支座截面处圆筒的不同加强方式,切向切(剪)应力的分析分三种情况种情况依据支座截面处圆筒的不同加强方式,切向切(剪)应力的分析分三a. 支座截面处设置有加强圈的圆筒支座截面处设置有加强圈的圆筒5.2.2 设计计算设计计算过程设备设计过程设备设计((2) 支座截面处圆筒和封头上的切向切(剪)应力和封头的附加拉伸应力和封头的附加拉伸应力) 支座截面处圆筒和封头上的切向切(剪)应力b. 支座截面处无加强圈且支座截面处无加强圈且A0.5Ri 的圆筒的圆筒c. 被封头加强的圆筒被封头加强的圆筒d.封头中的附加拉伸应力封头中的附加拉伸应力d. 封头中的附加拉伸应力封头中的附加拉伸应力((A((A用)用)0.5Ri,封头对圆筒起加强作用),封头对圆筒起加强作用)0.5Ri,封头对圆筒起加强作,封头对圆筒起加强作 a.支座截面处设置有加强圈的圆筒:支座截面处设置有加强圈的圆筒:其中,剪力其中,剪力eieiRV3KRVsin==sin3=K⎥⎦⎥⎥⎤⎢⎣⎢⎢⎡+=HLALFV342((5-10))图图5-6 支座截面上有加强圈时圆筒上的切向切应力圆筒上的切向切应力支座截面上有加强圈时V在切向的分量在切向的分量有加强的情况有加强的情况最大值在最大值在A、、B位置位置过程设备设计过程设备设计当当=sin=1,K3=1/为最大为最大/2时,时,=0.3195.2.2 设计计算设计计算AB注意:剪力方向力方向注意:剪V b.在支座截面处无加强圈且在支座截面处无加强圈且A0.5Ri 的筒体:的筒体:=时,最大时,最大当当o120=、、o135、、o150 时,可对应求得时,可对应求得=K31.171 、、 0.958 和和 0.799图图5-7 未被加强圆筒上的切向切应力的切向切应力未被加强圆筒上()isincossin+==enRVCeieiRVKRV3maxcossinsin+==其中,剪力其中,剪力⎥⎦⎥⎥⎤⎢⎣⎢⎢⎡+=HLALFV342((5-11))无任何加强的情况无任何加强的情况AB过程设备设计过程设备设计注意:剪力方向力方向注意:剪5.2.2 设计计算设计计算 AB图图5-8 被封头加强的圆筒被封头加强的圆筒上的切向切应力上的切向切应力c.被封头加强的圆筒:被封头加强的圆筒:此时外伸部分重量忽略,由此假设外伸部分无剪力,看右图假设外伸部分无剪力,看右图此时外伸部分重量忽略,由此截面上上下力相等截面上上下力相等其中,剪力其中,剪力V=F当当分别为分别为120、、135和和150时,时,K3=0.880、、0.645和和0.485。。最大值在最大值在A、、B位置位置eieiRFKRFcossin3max)cossin+(sin==⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=cossincossinsin3K((5-12))有加强的情况有加强的情况当当=时,最大最大时,过程设备设计过程设备设计注意:剪力方向力方向注意:剪5.2.2 设计计算设计计算 d. 封头中的附加拉伸应力(封头中的附加拉伸应力(A0.5Ri,封头对圆筒起加强作用),封头对圆筒起加强作用)当当分别为分别为120、、135和和150时时K4=0.401、、0.344和和0.297heiheihRFKRF2⎝4225 . 1cossinsin+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=cossinsin8324K((5-13))图图5-8中,封头切向切应力会对封头产生水平的附加拉伸应力,作用范围沿着封头的整个高度。高度。中,封头切向切应力会对封头产生水平的附加拉伸应力,作用范围沿着封头的整个过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算K3和和K4的汇总见表的汇总见表 5-2。。 表表5-1 系数系数K3、、K4值值条件条件鞍座包角鞍座包角 圆筒120135150120135150120135150120135150圆筒K31.1710.9580.7990.3190.3190.3190.8800.6540.4850.8800.6540.485封头封头K4A>>0.5Ri且圆筒无加强圈,或虽有加强圈,但加强圈不在鞍座处在鞍座处且圆筒无加强圈,或虽有加强圈,但加强圈不A>>0.5Ri,但圆筒在鞍座平面有加强圈面有加强圈,但圆筒在鞍座平b<<A0.5Ri0.4010.3440.2970.8800.6540.4850.5b<<Ab封头对圆筒起加强作用起加强作用封头对圆筒过程设备设计过程设备设计K3:: 0.319// 0.880 // 1.171比例:比例:0.880 // 0.4015.2.2 设计计算设计计算 切向切(剪)应力的校核切向切(剪)应力的校核筒体中的切向切应力,应小于材料的许用切应力筒体中的切向切应力,应小于材料的许用切应力,即作用在封头上的附加拉伸应力和由内压所引起的拉伸应力相叠加后力相叠加后+即作用在封头上的附加拉伸应力和由内压所引起的拉伸应其中,其中,K是椭圆形封头形状系数,是椭圆形封头形状系数,如果是碟形或圆形,请同学考虑。如果是碟形或圆形,请同学考虑。当封头承受外压时,当封头承受外压时,5-14中不必计算内压引起的拉伸应力中不必计算内压引起的拉伸应力htt][ 8 . 0][=thh][25. 1heiKpD2h=((5-14))过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算周向应力校核周向应力校核((3)支座截面处圆筒的)支座截面处圆筒的周向弯曲应力+周向弯曲应力((4)支座截面处圆筒的)支座截面处圆筒的周向压缩应力周向压缩应力筒体所受周向应力筒体所受周向应力 ((3)支座截面处圆筒的)支座截面处圆筒的周向弯曲应力周向弯曲应力支座截面上的切向切应力引起筒体径向截面产生周向弯矩筒体径向截面产生周向弯矩支座截面上的切向切应力引起有加强圈、无加强圈、封头是否加强的周向弯矩有加强圈、无加强圈、封头是否加强的周向弯矩M有加强圈、无加强圈、封头是否加强的抗弯截面模量W有加强圈、无加强圈、封头是否加强的抗弯截面模量周向弯矩引起的周向弯曲应力周向弯矩引起的周向弯曲应力与周向压缩应力一同校核与周向压缩应力一同校核过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算剪应力互等定理互等定理剪应力 a.在支座截面上有加强圈的筒体周向弯矩在支座截面上有加强圈的筒体周向弯矩MdlPtU图图5-9 在鞍座平面内有加强圈时半环上的作用力在鞍座平面内有加强圈时半环上的作用力在圆环顶点在圆环顶点A处矩和周向力。利用边界条件矩和周向力。利用边界条件,即即A点的水平位移和转角为零零,可以确定可以确定MA和处,存在周向弯存在周向弯点的水平位移和转角为和Pt。。在在MA、切应力切应力意角度意角度为:为:、Pt和圆环上切向和圆环上切向作用下作用下,可得出任处的周向弯矩处的周向弯矩M可得出任cosiRcosiR ( 1- )MA/2KdRiN0siniRF=A过程设备设计过程设备设计这种工况可以理论计算理论计算这种工况可以5.2.2 设计计算设计计算 ⎩⎨⎧++=)sin(cos412cossin23sin2cosiFRM⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫⎥⎦⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎣⎢⎢⎢⎢⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛×222sin21cossincos2sin649((5-15))过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 由图由图5-11查查K6从而得从而得M图图5-10 周向弯矩周向弯矩M在圆筒上的分布在圆筒上的分布iFRKM6=)(~ 、、fFRMi当当=时具有最大值具有最大值时iFRM 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算((5-16))6iMFRK=写作:写作: 图图5-11 系数系数K6值值过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算6iMFRK=查查K6从而得从而得M b.在支座截面处没有加强圈的筒体周向应力在支座截面处没有加强圈的筒体周向应力包括包括A及筒体虽有加强圈,但加强圈不是位于支承截面附近时。及筒体虽有加强圈,但加强圈不是位于支承截面附近时。0.5Ri ,,封头对支座处截面的筒体不起加强作用以封头对支座处截面的筒体不起加强作用以由切向切应力分布可知,在鞍座边角处的最大周向弯矩小于按有加强圈时推导得出的值,按加强圈时推导得出的值,按iFRK 6值计算偏于安全。值计算偏于安全。由切向切应力分布可知,在鞍座边角处的最大周向弯矩小于按有iFRK 6过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算齐克研究指出,在支座截面处筒体承受周向弯矩的有效宽度,可取可取4Ri或或L/2中的较小值,因此筒体的抗弯截面模量中的较小值,因此筒体的抗弯截面模量W为:齐克研究指出,在支座截面处筒体承受周向弯矩的有效宽度,为:iRL8iRL82e2e32)4 (61iiRRW==2e2e121)2(61LLW==沿轴向长度沿轴向长度26bW=厚度厚度梁的长度梁的长度b 则在支座截面处没有加强圈的筒体周向应力为:则在支座截面处没有加强圈的筒体周向应力为:包括包括A0.5Ri ,,封头对支座处截面的筒体不起加封头对支座处截面的筒体不起加强作用以及筒体虽有加强圈,但加强圈不是位于强作用以及筒体虽有加强圈,但加强圈不是位于支承截面附近时支承截面附近时iRL8iRL82e6623FKWM==2e6612iLFRKWM==过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算((5-17)((5-18))) c.被封头加强的圆筒的周向弯曲应力被封头加强的圆筒的周向弯曲应力弯矩:弯矩:表表5-3中的中的中的K6 和中的K6已经包含了已经包含了5-17、和5-19、、5-20式中的、5-18式式式中的K6iFRKM6=6641KK=iRL8iRL8过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算2e6623FKWM==662e12iMWK FRL= = ((5-20)((5-19))) 通过鞍座作用于筒体上的载荷导致在支座截面处筒体上产生在支座截面处筒体上产生周向压缩通过鞍座作用于筒体上的载荷导致周向压缩a.用加强圈加强圆筒用加强圈加强圆筒b.未用任何形式加强的圆筒未用任何形式加强的圆筒c.被封头加强的圆筒被封头加强的圆筒无加强圈无加强圈(在(在“加强圈设计加强圈设计”中讨论)中讨论)((4)支座截面处圆筒的)支座截面处圆筒的周向压缩应力周向压缩应力过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 b.未用任何形式加强的圆筒未用任何形式加强的圆筒由支座反力对筒体截面处所由支座反力对筒体截面处所引起的周向压缩载荷,可由筒体上的微内力筒体上的微内力和鞍座和鞍座 q作用于筒体的径向反力作用于筒体的径向反力对筒体中心取力矩平衡求取。对筒体中心取力矩平衡求取。引起的周向压缩载荷,可由图图5-12 周向压缩载荷周向压缩载荷dA/2qTmax()icossinsin+aRFe++=+1=cossincos(icos)coscos()sin+sinFRdRFTeieFKFT5maxcossin=+=(= 时)(= 时)过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算((5-21)) c.被封头加强的圆筒被封头加强的圆筒⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=dcossinid]cossinsinRsinRRFRFTieeiei⎟⎠⎞⎜⎝⎛++=cossincoscosFFKFT5maxcossincos1=⎟⎠⎞⎜⎝⎛++=(= 时)(= 时)过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算0课本错误课本错误((5-22))切应力的分布切应力的分布 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算表表5-3 系数系数K5、、K6值值K K6 6鞍座包角鞍座包角K K5 5120120135 135 150 150 0.7600.7110.6730.01320.01030.00700.05280.04130.0316i RA5 . 0i RA5 . 0K6K6= K64 41 1 未被加强的筒体和被封头加强的筒体在截面最低处存在最大的压缩力压缩力Tmax, 但在此处不存在周向弯矩但在此处不存在周向弯矩M在最大的周向弯矩在最大的周向弯矩M并存在一定的周向压缩力T , 齐克认为值可取值可取 T=F/4未被加强的筒体和被封头加强的筒体在截面最低处存在最大的; 而在鞍座边角处存而在鞍座边角处存齐克认为,其,并存在一定的周向压缩力其周向压缩应力为周向压缩应力为承受周向压缩力的“有效长度”承受周向压缩力的“有效长度”eTbT2=ei Rbb56. 1+2=((5-23))过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算支座的轴向宽度支座的轴向宽度 ((5)周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核的强度校核)周向弯曲应力和周向压缩应力(3)、、(4)求得的应力叠加后,进行校核求得的应力叠加后,进行校核过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算周向弯曲周向弯曲应力应力6周向压缩周向压缩应力应力5 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算((5)周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核)周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核当筒体上鞍座垫板的宽度不小于当筒体上鞍座垫板的宽度不小于b2,且鞍座垫板的包角达到(包角达到(+12 )时,则可认为鞍座垫板起到加强 )时,则可认为鞍座垫板起到加强,且鞍座垫板的作用,并与筒体一起承受周向压缩应力及周向弯曲应作用,并与筒体一起承受周向压缩应力及周向弯曲应力;力;如果以上两个条件均不满足,则认为鞍座垫板不起如果以上两个条件均不满足,则认为鞍座垫板不起加强板的作用,即仅由筒体承受周向压缩应力和周向弯曲应力。曲应力。加强板的作用,即仅由筒体承受周向压缩应力和周向弯鞍座垫板鞍座垫板ei Rbb56. 1+2= ((5)周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核(续))周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核(续)无垫板或垫板不起加强作用时无垫板或垫板不起加强作用时垫板起加强作用时垫板起加强作用时横截面最低点处横截面最低点处5鞍座边角处鞍座边角处6横截面最低点处横截面最低点处5鞍座边角处鞍座边角处6过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算56有效厚度有效厚度e不同不同 无垫板或垫板不起加强作用时无垫板或垫板不起加强作用时横截面最低点处横截面最低点处5((5-25a)((5-25b)))过程设备设计过程设备设计鞍座边角处鞍座边角处6teeeiF2K2RbF][25. 13)56. 1+( 466=teieeiLFR2KRbF][25. 112)56. 1+( 466-K5F=i R8Li R8L-K5F课本错误错误课本5.2.2 设计计算设计计算压缩应力5压缩应力弯曲应力6弯曲应力((5-24 ))teei RbFK][)56. 1+(55= 垫板起加强作用时垫板起加强作用时横截面最低点处横截面最低点处5过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算鞍座边角处鞍座边角处6i R8Li R8LteeeiFKRbF][25. 1)( 23))(56. 1+( 4212616++=-K5Ftei2eeiLFR+K2RbF][25. 1)(12))(56. 1+( 41616+=-K5F()teeiRbFK][)56. 1+(155+=鞍座垫板厚度厚度鞍座垫板 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算((6)加强圈设计)加强圈设计如卧式储罐支座因结构原因而不能设如卧式储罐支座因结构原因而不能设置在靠近封头处,且圆筒不足以承受周向置在靠近封头处,且圆筒不足以承受周向弯矩时,就需在支座截面处的筒体上设置弯矩时,就需在支座截面处的筒体上设置加强圈,以便与圆筒一起承载。加强圈,以便与圆筒一起承载。a.用加强圈加强圆筒用加强圈加强圆筒 (在(在“加强圈设计加强圈设计”中讨论)支座截面处圆筒的支座截面处圆筒的周向压缩应力中讨论)周向压缩应力 位置位置加强圈可设置于鞍座截面或靠近鞍座截面的筒体上,可设置在筒体内侧或外侧,见图可设置在筒体内侧或外侧,见图5-13。加强圈可设置于鞍座截面或靠近鞍座截面的筒体上,。图图5-13 加强圈结构加强圈结构xxb1deeAeiRb56. 11+eiRb56. 11+Ab1b1xxedeAeiRb56. 11+xxxb1b1de(a)在鞍座截面上的加强圈上的加强圈在鞍座截面(b)靠近鞍座的内加强圈内加强圈靠近鞍座的(c)靠近鞍座的外加强圈外加强圈靠近鞍座的e过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 情况情况I:鞍座截面处设置内加强圈时:鞍座截面处设置内加强圈时鞍座鞍座边角处边角处筒壁外缘周向应力筒壁外缘周向应力78鞍座鞍座边角处边角处加强圈内缘周向应力力加强圈内缘周向应tiAFKIeFRK][25. 108077=tiAFKIdFRK][25. 108078=((5-26)((5-27)))过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算加强圈加强圈弯曲应力应力弯曲压缩应力应力压缩弯曲应力应力弯曲压缩应力应力压缩最低截面存在最大压缩应力,但周向弯曲应力为为0。此面变得很厚,不用校核压缩应力。不用校核压缩应力。最低截面存在最大压缩应力,但周向弯曲应力。此面变得很厚, 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算其中,其中,A0-加强圈与有效宽度内筒壁的组合截面积,见图积,见图5-13(a)中的阴影线截面积;-加强圈与有效宽度内筒壁的组合截面ⅠⅠ0-加强圈与有效宽度内筒壁的组合截面积对中性轴的惯性矩,见图面积对中性轴的惯性矩,见图5-13(a)中的阴影线截面对中的阴影线截面对x-x轴的惯性矩;矩;d-图-图5-13(a)中组合截面中性轴至加强圈内缘的距离;内缘的距离;e-图-图5-13(a)中组合截面中性轴至筒壁外缘的距离。缘的距离。中的阴影线截面积;-加强圈与有效宽度内筒壁的组合截轴的惯性中组合截面中性轴至加强圈中组合截面中性轴至筒壁外xxb1deeAeiRb56. 11+ 情况情况II: 靠近鞍座截面处设置加强圈时靠近鞍座截面处设置加强圈时图图5-13 加强圈结构加强圈结构(b)靠近鞍座的内加强圈内加强圈靠近鞍座的(c)靠近鞍座的外加强圈外加强圈靠近鞍座的过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 tei RbK][)56. 1+(F055=圆筒截面最低处圆筒截面最低处鞍座边角处鞍座边角处tinAFKnIeFRK][25. 108077=((5-28)((5-29))((5-30)))tinAFKnIdFRK][25. 108078=过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算存在最大压缩应力,但周向弯曲应力为周向弯曲应力为0存在最大压缩应力,但周向弯曲应力和周向压缩应力叠加向压缩应力叠加周向弯曲应力和周弯曲应力应力弯曲压缩应力应力压缩压缩应力应力压缩弯曲应力应力弯曲n每个支座处加强圈的数量每个支座处加强圈的数量 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算内加强圈外加强圈78782 2 55 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算位于鞍座平面处的加强圈位于鞍座平面处的加强圈内环[见图见图5-13(a)]120135 靠近鞍座平面的加强圈靠近鞍座平面的加强圈内环[见图见图5-13(b)]120135 150 内环内环外环见图外环见图5-13(c)120135 K5K7K8150 150 --0.0528 0.0413 0.03160.340 0.323 0.303----0.760 0.711 0.6730.0581 0.0471 0.03550.271 0.248 0.2190.760 0.711 0.6730.0581 0.0471 0.03550.217 0.248 0.219表表5-4 系数系数K5、、K7 和和 K8条件条件系数系数 四、鞍座强度校核四、鞍座强度校核鞍座包角鞍座包角一般为一般为120 ~~150i R8一般规定钢制鞍座的宽度一般规定钢制鞍座的宽度b一般可取大于或等于步决定鞍座宽度步决定鞍座宽度b值后,必须通过上述一系列校核后,最终确定确定b值。如难以满足周向应力的校核条件,则可增加鞍座垫板宽度至不小于垫板宽度至不小于bb56. 12+=,初,初一般可取大于或等于值后,必须通过上述一系列校核后,最终,以降低筒体上的周,以降低筒体上的周向应力水平。向应力水平。值。如难以满足周向应力的校核条件,则可增加鞍座ei R过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算对鞍座而言,筒体对其施加的径向载荷如图荷如图5-14所示。此径向力的水平分量即为鞍座本身所承受的水平推力。承受的水平推力。对鞍座而言,筒体对其施加的径向载所示。此径向力的水平分量即为鞍座本身所图图5-14 鞍座的水平推力鞍座的水平推力图图5-12 周向压缩载荷周向压缩载荷/2qTmax()icossinsin+aRFe作用力与反作用力作用力与反作用力q与与q水平推力水平推力 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 q角处的周向拉力为角处的周向拉力为推导原理(见式5-21)推导,在鞍座包角范围内的)推导,在鞍座包角范围内的 T ~在径向力在径向力的作用下,鞍座垫板的纵向截面上产生周向拉的作用下,鞍座垫板的纵向截面上产生周向拉力,设力,设,其值可按周向压缩力的,其值可按周向压缩力的推导原理(见式限内将鞍座上的切向切应力予以积分来求取。限内将鞍座上的切向切应力予以积分来求取。⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=+=sin(dcoscoscos)cossinsinFRFRTii则鞍座上的径向反力则鞍座上的径向反力 q⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=sincoscoscosiiRFRT== q 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算此径向反力的水平分量即为作用于鞍座上的水平推力此径向反力的水平分量即为作用于鞍座上的水平推力::F⎞⎟⎟⎠⎟⎟⎜⎜⎝⎜⎜⎛++==dcossinsin21cos1)sin(2FRqFiFK9=式中式中cossinsin21cos129++=K、当=120、135和150时,可K9=0.204、0.231和0.260。 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算上面推导的水平推力是对筒体未被加强时得到上面推导的水平推力是对筒体未被加强时得到的,根据齐克的观点,对于筒体被封头加强以及加强圈加强时,用同样的加强圈加强时,用同样的K9值计算鞍座上的水平推力推力F ,其结果是安全的。,其结果是安全的。的,根据齐克的观点,对于筒体被封头加强以及值计算鞍座上的水平 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算齐克提出,仅在筒体最低部位以下齐克提出,仅在筒体最低部位以下Ri/3范围内的鞍座腹板承受此水平推力内的鞍座腹板承受此水平推力F,考虑到此时未范围计及筒体上的周向弯矩影响,推荐采用较低的许用应力,其值取正常许用应力的用应力,其值取正常许用应力的2/3,于是,考虑到此时未计及筒体上的周向弯矩影响,推荐采用较低的许,于是tibRFK1][323099=鞍座有效断面的平均应力鞍座有效断面的平均应力周向拉应力,周向拉应力,水平方向水平方向JB/T4712((5-31))注意:如鞍座的实际高度小于注意:如鞍座的实际高度小于 Ri/3,则以鞍座的实际高度计算鞍式支座有效断面的平均应力际高度计算鞍式支座有效断面的平均应力,则以鞍座的实9鞍座腹板厚度鞍座腹板厚度Ri/3鞍座并不是越高越好越高越好鞍座并不是 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算总结结总应力位置应力位置中间截面中间截面支座截面支座截面支座结构支座结构有加强圈加强有加强圈加强A>>0.5Ri(无封头加强、无加强圈加强)(无封头加强、无加强圈加强)A0.5Ri(有封头加强,但无加强圈加强)(有封头加强,但无加强圈加强)应力类型应力类型轴向(正应力,轴向(正应力,1~4))切(剪)应力(、切(剪)应力(、h))周向(正应力,周向(正应力,5~8))鞍座应力鞍座应力9应力分布应力分布见各图见各图 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算四类应力四类应力一、轴向应力一、轴向应力1~4二、切(剪)应力二、切(剪)应力:支座截面圆筒中的切向切应力h:封头中的水平附加拉应力(封头加强时才有):封头中的水平附加拉应力(封头加强时才有):支座截面圆筒中的切向切应力5:支座截面最低处,周向压缩应力6:支座截面边角处,周向弯曲应力周向应力校核:周向应力校核:(支座边角处)总(支座边角处)总= 7、 、 8为有加强圈时鞍座边角处弯曲应力为有加强圈时鞍座边角处弯曲应力+压缩应力分为:鞍座截面设置内加强圈,靠近鞍座截面设置加强圈分为:鞍座截面设置内加强圈,靠近鞍座截面设置加强圈:支座截面最低处,周向压缩应力:支座截面边角处,周向弯曲应力5 ÷÷4 + 6,(支座最低端)总,(支座最低端)总= 压缩应力5三、周向应力三、周向应力5~8四、鞍座应力四、鞍座应力9:鞍座腹板纵向截面所受的周向拉伸应力(水平方向):鞍座腹板纵向截面所受的周向拉伸应力(水平方向) 卧式储罐的计算过程卧式储罐的计算过程给定设计条件:压力、温度、直径、长度、材料等给定设计条件:压力、温度、直径、长度、材料等计算圆筒和封头厚度计算圆筒和封头厚度n,设置鞍座位置设置鞍座位置A 计算容器质量、鞍座反力F、轴向弯矩,h计算容器质量、鞍座反力、轴向弯矩m 、、M1、、M 2计算轴向应力计算轴向应力1~ ~ 4计算切向应力、计算切向应力、h计算周向应力计算周向应力5-8计算鞍座应力计算鞍座应力9四类应力按此顺序逐一符合要求,则设计结束。设计结束。四类应力按此顺序逐一符合要求,则若四类应力中有任何一个不符合许用要求,则需要做相应调整。许用要求,则需要做相应调整。若四类应力中有任何一个不符合过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算 过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算按程序进行计算计算按程序进行 随堂小测验随堂小测验一、请阐述“扁塌”现象。一、请阐述“扁塌”现象。二、双鞍座卧式容器设计中应计算二、双鞍座卧式容器设计中应计算哪些应力?并简述这些应力是如哪些应力?并简述这些应力是如何产生的。何产生的。过程设备设计过程设备设计5.2.2 设计计算设计计算


马尼拉solaire

上一篇:三、酸雾净化塔产品技术简介生产车间酸雾废气

下一篇:城镇燃气设计中全压力式液化石油气罐储罐区的