化工容器设计第十一讲.ppt

一、引言二、壳体局部应力的计算,第四节局部应力计算一、引言,容器除了受内压或外压之外，在其制造、安装和使用过程中还受到许多其它载荷。这些附件包括支座，托架，吊耳和接管等，如右图，通过附件传过来的载荷对壳体的影响通常仅限于附件与壳体连接处附近的局部地区，因此称为局部载荷。,第四节局部应力计算一、引言,当容器同时受到压力载荷时，在这些局部地区还有另外一些局部应力，如局部薄膜应力和弯曲应力，以及在截面尺寸突变的转角处的应力集中。这些局部应力的存在将成为容器发生强度或稳定性失效的主要原因。因为容器总有接管和支撑附件，所以计算局部载荷作用下壳体或接管中的局部应力成为十分必要。由于载荷或几何形状和载荷的非对称性，对局部应力作完整分析过于复杂，往往不便于应用。,第四节局部应力计算一、引言,第四节局部应力计算二、球壳和圆柱壳局部应力的计算,（一）外载荷通过附件传到壳体上的外载荷包括下列几种径向载荷P；外力矩M球壳或周向外力矩和经向外力矩圆柱壳；切向载荷V球壳或周向切向载荷Vc和经向切向载荷VL圆柱壳；扭转力矩MT；上述载荷的不同组合。,二应力（1）一般的计算式由径向载荷和外力矩在薄壳中产生的正应力为式中Ni为i方向单位长度的薄膜内力，N/mmMi为i方向单位长度的内弯矩，Nmm/mmT为壳体厚度，mmKn,Kb为薄膜应力和弯曲应力的应力集中系数对于受静载荷的钢制容器，KnKb1.0,第四节局部应力计算二、球壳和圆柱壳局部应力的计算,第四节局部应力计算二、球壳和圆柱壳局部应力的计算,第四节局部应力计算二、球壳和圆柱壳局部应力的计算,二应力式中i方向对圆柱壳指周向和轴向x，对球壳指切向和经向x，,对圆柱壳为,式中扭转力矩MT在壳体与附件连接处壳壁中产生的切应力，圆柱形附件,第四节局部应力计算二、球壳和圆柱壳局部应力的计算,二应力由切向载荷和转矩在壳体中产生的切应力则按下式计算；,圆柱壳为,球壳,球壳-圆柱壳附件,球壳-方形附件,（二）应力（2）正应力位置和符号。在一般情况下，由局部载荷引起的最大正应力发生在附件与壳体连接处的壳壁内外表面上，如下图所示Au、Bu、Cu、Du和AL、BL、CL、DL八个点。这些点的应力状态为双向应力状态，即对球壳为经向应力x和切向应力。,第四节局部应力计算二、球壳和圆柱壳局部应力的计算,（二）应力（2）正应力位置和符号。,第四节局部应力计算二、球壳和圆柱壳局部应力的计算,球壳-圆柱形,球壳-方形,化工容器设计中的结构设计问题涉及过程工艺、材料、制造与防腐蚀等因素，本节仅从应力与强度角度进行结构分析。从应力与强度上讲必须要考虑如何减小局部应力，若容器的容积愈大，压力愈高，在结构设计中对减小局部应力的考虑应愈仔细，否则局部应力过高将导致结构在局部区域发生过度变形失效，甚至使整个设备毁坏。结构设计中减小局部应力的原则措施是在结构不连续处尽可能圆滑过渡，并应避开焊缝。在有局部载荷作用的地方应适当予以加强，如垫以衬板以减小局部应力。,第五节容器设计中的结构设计问题一、容器的结构设计问题分析,（一）凸形封头边缘直边段的分析碟形、椭圆形或球形封头，在封头与圆筒交接的切线处见图总存在结构不连续应力，不连续应力最大的地方应避免设置焊缝，必须使封头具有一直边段。在直边段之外不连续应力已得到一定的衰减，这样焊缝中即使存在一些小的缺陷以及焊接残余应力，也不致对安全有太大的影响。,第五节容器设计中的结构设计问题一、容器的结构设计问题分析,球形封头，由于封头本身较深，制造时再要增加一直边段就更难冲压，一般不设直边段。球与圆筒的切线也同时成为焊缝见图。但不应忽视环焊缝也是球封头上的焊缝，因此即使球封头本身没有拼接焊缝，然而在计算壁厚时也应考虑焊接接头系数的选取，此种情况不考虑焊接接头系数是不合理的。,（一）凸形封头边缘直边段的分析球形封头与管板相连接的结构，由于焊缝所处的位置是球与平板结合的不连续处，存在较大的不连续应力。此处的焊缝又为单面角焊缝，无法内部探伤。这种结构在实际使用中已多次发生爆炸，不得不使数百台同类设备报废。从爆炸断口分析可知，此处存在许多未焊透缺陷。较为理想的做法是采用图b的结构，使管板周围突出，把角焊缝变成对接焊缝，既可保证焊接质量，又可有利于无损检测。且焊缝又不处于不连续应力最大的地方。但这也带来了新的问题，即管板毛坯太厚，加工较复杂。,第五节容器设计中的结构设计问题一、容器的结构设计问题分析,（二）变径段结构分析化工设备往往需要使直径不同的两段筒体连接在一起，连接部位必须考虑圆滑过渡的问题。图a结构使上下连接部位的结构不连续应力过大，仅能用于a≤30o的情况。当半锥角30o45o时小端也应采用如图c所示的带过渡区的折边锥壳，或者采用如图d所示的反向曲线形式的回转壳变径段。变径段的结构设计与强度设计方法在我国压力容器标准中有具体规定。所有带过渡段折边的焊缝均不布置在几何不连续的切点处，所有折边都有一直边段。,第五节容器设计中的结构设计问题一、容器的结构设计问题分析,（三）支座与容器的连接结构对用于支承立式容器的悬挂式支座亦称耳式支座，其结构见下图。这些支座的反力作用在容器被支承的部位，容器便承受了局部载荷，将产生局部应力。但对于较小较轻的容器，如果容器本身已有足够的厚度，则可不加垫板。如果设备很重，例如重达数百吨的大型固定床反应器，则应在支座与容器之间焊上垫板，以减小壳体中的局部应力。,第五节容器设计中的结构设计问题一、容器的结构设计问题分析,加垫板有时不完全是为减小局部应力，不锈钢容器，其支座不需要用不锈钢材料而用碳钢即可，但为了避免不锈钢壳体与碳钢支座直接焊接，可以在支座处衬上不锈钢的垫板。,（三）支座与容器的连接结构大型立式容器及塔设备一般不用悬挂式支座及支承式支座，而采用裙式支座。裙式支痤由一圆筒体和底部支承圈组成，圆筒体部分的顶端则与立式容器的底封头焊接相连。圆筒体的直径可以与容器直径相同。裙式支座对立式容器的反力作用比较均匀，局部应力不很大，但裙座本身却要承受立式容器的重量包括内部物料重量和风载荷、地震载荷。其结构设计和强度与稳定性计算可参见化工设备设计。,第五节容器设计中的结构设计问题一、容器的结构设计问题分析,（三）支座与容器的连接结构球形容器在工业上常用于大型的贮藏带有压力的气体或液化气体的贮存容器，它比同样压力同样容积的其他容器消耗的钢材少，占地面积也最小，有显著的经济性，在大型的化工、石油化工、城市煤气和冶金企业中被广泛应用。,第五节容器设计中的结构设计问题一、容器的结构设计问题分析,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线上，承受容器及物料的重量、由风载荷和地震载荷构成的倾倒力。支柱间用拉杆相连，增加稳定性。支柱在赤道处与球壳相切，对球壳的法向作用力极小，因此支承处壳体中的局部应力最小，而且一般可以不加垫板。,（四）化工容器的人孔、手孔与视孔化工容器上除安置接管以外还常设置必要的人孔、手孔及视孔窥镜，它们有不同的用途。合理地设置这些开孔是容器整体结构设置的不可缺少的部分。,第五节容器设计中的结构设计问题一、容器的结构设计问题分析,人孔便于人员进入容器的内部设置的。除人员进出外还便于容器内构件的吊装。从容器的安全角度可进行内部检验。因此人孔的公称直径不得小于450mm，常用的500mm。由此内构件的宽度不得超过人孔的内径。人孔增加了容器的泄漏点，这是不利的方面，一台容器上不要设置过多的人孔。离地较高的人孔，不论是卧式容器还是立式容器，都要附设扶梯和或操作平台。,（四）化工容器的人孔、手孔与视孔,第五节容器设计中的结构设计问题一、容器的结构设计问题分析,手孔直径较小的容器无需人员进出，但为对内壁进行观察与检查应设置手孔。许多容器既无人孔又无手孔，封头又不可拆，给投运后的在役定期检验带来了麻烦，无法观察，又不能到内壁贴片作X射线检测，无法对容器的安全状况做出正确评价，无法执行质量监察部门对容器进行定期检查的规定。手孔的公称直径一般在200mm左右。,视孔对容器内部情况进行观察所需要的。视孔要装玻璃的透明视镜并有可靠的法兰密封。从使用温度与压力选用合适的透明材料。为观察方便要在容器的同一水平高度上在直径方向的两端各开一视孔，便于采光。必要时，可在视孔结构上专门设置照明灯。,（一）化工容器焊缝的分类,第五节容器设计中的结构设计问题二、容器焊缝的分类,容器的组装采用焊接，焊缝是焊肉、熔合线和热影响区的总称，亦称焊接接头。焊缝的接头和坡口形式的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全。焊缝结构的设计应在化工容器的装配总图或部件图中以节点图表示出来。,,容器上不同部位不同部件间的连接焊缝可按其在整体强度与安全中所处地位的不同将它们分为A、B、C、D四类，以合理地设计这些焊缝结构和进行合适的质量控制与检验。焊缝分类情况可参见上图。,第五节容器设计中的结构设计问题二、容器焊缝的分类,容器壳体上纵向焊缝及凸形封头上的拼接焊缝都承受最大主应力，属于A类焊缝。容器壳体上的环向焊缝所受的主应力仅为纵焊缝应力的一半，将其分类为B类焊缝。球形封头与圆筒壳的连接环缝不属于B类而应属于A类焊缝，因为这条环缝相当于凸形封头上的拼接焊缝。A类及B类焊缝全部应为对接焊缝。,,,（一）化工容器焊缝的分类,第五节容器设计中的结构设计问题二、容器焊缝的分类,法兰、平封头、管板等厚截面部件与壳体及管道的连接焊缝属C类焊缝，C类焊缝是填角焊缝。接管、人孔或集液槽等与壳体或封头的连接焊缝属于D类焊缝，这基本上是不同尺寸的回转壳体相贯处的填角焊缝。这种焊缝分类方法源于ASME规范第Ⅲ卷，现已被吸收到中国容器标准中来，有利于焊缝质量的管理。,,（一）化工容器焊缝的分类,（二）化工受压容器焊接结构设计的基本原则,第五节容器设计中的结构设计问题二、容器焊缝的分类,1．回转壳体的拼接焊缝必须采用对接焊缝容器壳体上的纵向及环向焊缝、凸形封头上的拼缝，即A、B两类焊缝，是容器上要求最高的焊缝，对容器的安全至关重要，必须采用对接焊。对接焊缝易于焊透，质量易于保证，易于作无损检测，可得到最好的焊缝质量。不允许用搭焊。对接焊缝不需过于堆高，堆高将引起焊趾处的应力集中。宁愿焊缝内部质量好一点，残余应力小一点，而尽量降低堆高并过渡光滑，这对于低温操作和承受交变载荷防止疲劳破坏的容器是非常重要的。,,（二）化工受压容器焊接结构设计的基本原则,第五节容器设计中的结构设计问题二、容器焊缝的分类,2．对接接头应采用等厚度焊接厚度不等的两部分回转壳体对接时必须使接头两侧的厚度相等，减少刚度差，降低应力集中，便于焊接。接头两侧的厚度之差不超过表中数值，可按较厚板的厚度进行坡口设计。若超过，对较厚板作单面或双面削薄处理，削薄部分的长度至少是两板厚度差的3倍，即l≥3δ1一δ2，或斜度为13。,（二）化工受压容器焊接结构设计的基本原则,第五节容器设计中的结构设计问题二、容器焊缝的分类,3．焊接接头应便于进行无损检测对焊接质量或无损检测要求较高的容器，应使搭接或角接的接头设计成对接接头，例如管板与球形封头的焊接结构就优于图a的结构，它使结构的应力集中改善，方便进行X射线拍片和超声检验，在焊接结构上保证了容器的制造质量。,三容器焊接接头的坡口设计,第五节容器设计中的结构设计问题二、容器焊缝的分类,焊缝坡口设计是焊接结构设计的重要内容，合适的坡口可让焊条或焊丝伸人坡口根部，以保证焊透。坡口的基本尺寸为坡口角度a、根高P和根距C。容器设计图纸上对重要的焊接接头必须用节点图表明坡口这三个尺寸的具体数值。对接、搭接和角接焊缝的坡口均有各自的特点，分别适用于不同的场合。但不论什么坡口均有一些共同的基本原则,三容器焊接接头的坡口设计,第五节容器设计中的结构设计问题二、容器焊缝的分类,焊缝坡口的基本原则,尽量减少填充金属量既可节省焊接材料，又可减少焊接工作量。,保证焊透，避免产生各种焊接缺陷采用双面焊或单面焊双面成型；仔细清根，保证焊透。,改善劳动条件要便于焊接，便于清根，尽量减少容器内部的焊接工作量，清根尽可能在容器外部进行，因此常使V形坡口的开口设置在容器内壁，焊根设在外壁。,