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第八章 钢制卧式容器

第八章 钢制卧式容器

第一节 卧式容器受力分析

【学习目标】 学习JB /T 4731-2005《钢制卧式容器》,掌握双鞍座支承卧式容器的受力状态分析和容器强度计算.

一、JB /T 4731《钢制卧式容器》标准简介

JB /T 4731-2005《钢制卧式容器》标准规定了钢制卧式容器的设计、制造、检验和验收的要求。

该标准适用于设计压力不大于35MPa ,在均布载荷作用下,由两个位置对称的鞍式支座支承的卧式容器。

二、双鞍座支承卧式容器结构

1、支座

卧式容器支座采用鞍式支座(见图8-1)。当支座焊在容器上时,其中的一个支座应采用滑动支座或滚动结构。卧式容器一般采用双鞍座支承,两个鞍座对称相向布置。

2、支座的配置

支座的位置应尽量使支座中心到封头切线的距离A 小于或等于0.5R a (R a :圆筒的平均半径,R a =R i +δn /2),当无法满足这一要求时,A 值不宜大于0.2L 。

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图8-1 鞍式支座支承的卧式容器

三、双鞍座支承卧式容器受力分析

1、支座反力 2

mg F

2、圆筒轴向弯矩

圆筒轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座平面上(见图8-2)。

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图8-2 卧式容器载荷、支座反力、剪力及弯矩图

(1)圆筒中间横截面上的轴向弯矩计算:

()??

??

?

?

??????-+-+=L A L h L h R FL M i

i

a 4

34121422

21

(2)鞍座平面上的轴向弯矩计算:

????

?

???????+-+---=L h AL h R L A FA M i

i a 341211222 3、圆筒剪力

最大剪力位于圆筒支座处横截面上(见图8-2),剪力计算:

?????

? ?

?+-=342i h L A L F V 4、圆筒周向弯矩 圆筒鞍座平面上还存在周向弯矩的作用(见图8-3)。

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图8-3 圆筒周向弯矩图 当无加强圈或加强圈在鞍座平面内时,其最大弯矩点在鞍座边角处,Mp =K 6FR a ;当加强圈靠近鞍座平面时,其最大弯矩点在靠近横截面水平中心线处,每个加强圈上的最大弯曲力矩Mp =K 6FR a /n (n 为加强圈个数)。

四、双鞍座支承卧式容器应力状态的定性分析

1、圆筒中间横截面

圆筒中间横截面承受较大的轴向弯矩。在最高点处产生轴向压应力,如果压应力过大有可能造成圆筒中间横截面最高点处受压失稳(压瘪);在最低点处产生轴向拉应力,该应力与内压产生的薄膜应力相叠加,有可能造成圆筒中间横截面最低点处强度不足而破坏。

圆筒中间横截面上,由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算:

最高点处: e

a e a c R M R p δδσ21114.32-= 最低点处: e

a e a c R M R p δδσ21214.32+=

2、鞍座平面 (1)鞍座平面上圆筒也承受较大的轴向弯矩,与圆筒中间横截面一样,要计算由压力及轴向弯矩引起的轴向应力。

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注:62,2180βθθβ+=?-=

图8-4 支座处圆筒轴向应力位置 a )当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强(即A ≤R a /2)时,轴向应力σ3位于横截面最高处〔见图8-4 a )〕;当圆筒未被加强时,轴向应力σ3位于靠近水平中心线处〔见图8-4 b )〕:

e a e a c R K M R p δδσ212314.32-=

b )在横截面最低点处: e

a e a c R K M R p δδσ222414.32+= (2)鞍座平面上,由周向弯矩引起的圆筒周向应力计算:

① 无加强圈圆筒(见图8-5),垫板起加强作用时,要求垫板的厚度应不小于0.6倍圆

筒厚度,垫板的宽度应不小于圆筒有效宽度b 2,垫板包角应不小于(θ+12°)。一般情况下加强板(垫板)宜取等于壳体圆筒厚度。

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图8-5 圆筒周向应力的位置(无加强圈)

a )在横截面的最低点处:

()2

5

5b F

kK

re e δδσ+-=

b )在鞍座边角处:

当L/R ≥8时: ()()22

626234re

e re e F

K b F δδδδσ+-+-=

当L/R <8时: ()()

22626124re e a

re e L FR

K b F δδδδσ+-+-=

c )鞍座垫板边缘处:

当L/R ≥8时: 26

2/6234e

e F

K b F δδσ--=

当L/R <8时: 262/6124e

a

e L FR K b F δδσ--=

3、切向剪应力计算

(1)圆筒切向剪应力计算

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注:θα4019

171-=

图8-6 圆筒切向剪向应力位置

① 圆筒被封头加强(即A ≤R a /2)时,其最大剪应力τ位于圆筒上靠近鞍座边角处C 、D 点〔见图8-6 b )〕。

e

a R F K δτ3= ② 圆筒未被封头加强(即A >R a /2)时:

圆筒在鞍座平面上有加强圈,其最大剪应力τ位于截面的水平中心线处A 、B 点〔见图8-6 a )〕;在鞍座平面上无加强圈或靠近鞍座处有加强圈,其最大剪应力τ位于靠近鞍座边角处C 、D 点〔见图8-6 b )〕。

?????

?

??????+-=i e a h L A L R F K 3423δτ (2)封头切向剪应力计算

圆筒被封头加强(即A ≤R a /2)时,封头的最大剪应力计算:

he

a h R F K δτ4= 以上公式中:k ——系数。当容器不焊在支座上时,取k =1;当容器焊在支座上时,取k =0.1。

K 1~K 9——系数,祥见JB/T 4731-2005。

b 2——圆筒的有效宽度,取n a R b b δ56.12+=,mm 。

δe ——圆筒有效厚度,mm 。

δre ——鞍座垫板有效厚度,mm 。

五、鞍座设计

当卧式容器的鞍式支座按JB /T 4712选取时,在满足JB /T 4712所规定的条件时,可免去

对鞍式支座的强度校核;否则,应按JB /T 4731-2005《钢制卧式容器》标准7.4条款进行强度校核。

JB /T 4712鞍式支座设计条件:设计温度200℃;地震设防烈度8度(Ⅱ类场地土)。 鞍座包角一般为120°~150°。钢制鞍座宽度b 一般大于或等于a R 8。当采用JB /T 4712的鞍座时,b 值应取筋板大端宽度与腹板厚度之和。

鞍座材料的选用:鞍式支座材料为Q235-A ,也可用其他材料。垫板材料一般应与容器筒体材料相同。焊接材料的选用参照有关标准。当鞍式支座设计温度等于或低于-20℃时,应根据实际设计条件,必要时设计者可以对腹板等材料提出附加低温检验要求,或是选用其他合适的材料。

地脚螺栓宜选用符合GB /T 700规定的Q235或符合GB /T 1591规定的Q345。如采用其他碳素钢,则n s =1.6;如采用其他低合金钢,则n s ≥2.0。

六、释义

双支点支承的钢制卧式容器,在计算时的力学模型是将卧式容器简化为承受均布载荷的双支承外伸梁,其危险截面主要有三个:圆筒中间横截面、鞍座平面上的圆筒横截面、封头切线横截面。

① 在圆筒中间横截面上,圆筒主要受力状态是由压力引起的薄膜应力与轴向弯矩引起的弯曲应力的组合轴向应力,该组合轴向应力与鞍座位置、鞍座垫板、加强圈数量等无关。

② 在鞍座平面的圆筒横截面上,圆筒受力状态较为复杂,包括轴向组合应力、周向弯矩引起的周向应力、切向剪应力;而且在该横截面上影响应力状态的因素也较多,包括鞍座位置、鞍座垫板、加强圈数量、圆筒的长径比等,因此计算公式也分为许多种情况,应用时要注意。

③ 在封头切线横截面上,要计算封头切向剪应力。

第二节 教学设计

综合练习1:应用SW6软件完整设计教学项目一,打印强度设计计算书。

教学项目一:100m 3

C 5(戊烷)储罐

综合练习2、应用CAD 软件绘制教学项目一设备装配图,打印图纸。

教学项目一:100m 3C 5(戊烷)储罐