水工藝設(shè)備理論和工藝技術(shù)應用

1、水工藝設(shè)備理論和工藝技術(shù)應用3.1 容器應力理論3.3.1 容器概述一、容器概念容器是設(shè)備外部殼體的總稱。在這些設(shè)備中，有的用來貯存物料，例如各種貯罐、水槽、泥槽；有的進行反響過程，例如各種床式反響器、離子交換柱、吸附塔。水工藝中使用的容器壁厚t與曲率半徑R之比一般小于1/10，稱作薄壁容器。即二、容器的分類容器根據(jù)其形狀、承壓、材質(zhì)、內(nèi)部構(gòu)造可分成不同的類型1按容器形狀分為 方形或矩形容器由平板焊成特點：制造簡單，便于布置和分格，但承壓能力差適用范圍：故只用于小型常壓設(shè)備。3.1 容器應力理論 球形容器由數(shù)塊球瓣板拼焊而成(類似籃球)特點：承壓能力好且相同外表積時容器容積最大，但制作麻煩且不

2、便于安置內(nèi)部構(gòu)件適用范圍：一般只用于承壓的貯罐。 圓筒形容器由圓柱形筒體和各種形狀的封頭組成特點：制造較為容易，便于安裝各種內(nèi)部構(gòu)件，且承壓性能較好。適用范圍：各種儲罐，在水工藝中應用最為廣泛(后面主要以圓筒容器為例講)。2按容器承壓情況分為常壓容器：容器僅承受容器內(nèi)介質(zhì)的靜壓力，一般為開口容器。內(nèi)壓容器：容器內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外界壓力的容器。按介質(zhì)工作壓力Pw 的大小，內(nèi)壓容器可分為低壓0.11.6MPa 、中壓10100MPa和高壓容器100MPa。水工藝設(shè)備中，內(nèi)壓容器應用較多，但一般屬于低、中壓容器。內(nèi)壓容器設(shè)計時考慮的是強度問題3.1 容器應力理論外壓容器：容器內(nèi)介質(zhì)壓力小于外界壓力的

3、容器。外壓容器設(shè)計時主要應考慮穩(wěn)定問題。變形3按容器組成材料分為金屬容器非金屬容器4按容器內(nèi)有無填料分為無填料容器填料容器(本章中僅討論水工藝中使用最多的鋼制內(nèi)壓容器。)三、容器結(jié)構(gòu)(以圓筒形容器為例)容器一般由筒體又稱筒身、封頭又稱端蓋、法蘭、支座、進出管及人孔或手孔視鏡等組成如下圖。下面主要講的是有關(guān)中、低壓容器的筒體、封頭的設(shè)計計算的根本知識。3.1 容器應力理論圓筒形容器結(jié)構(gòu)3.1 容器應力理論四、容器設(shè)計的根本要求1工藝要求容器的總體尺寸、接口管的數(shù)目與位置、介質(zhì)的工作壓力Pw、填料的種類、規(guī)格、厚度等一般是根據(jù)工藝生產(chǎn)的要求通過工藝設(shè)計算及生產(chǎn)經(jīng)驗決定。2機械設(shè)計的要求強度 強度是

4、容器抵抗外力而不破壞的能力。剛度 剛度是容器抵抗外力使其不發(fā)生不允許變形的能力。穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是容器或容器構(gòu)件在外力作用下維持其原有形狀的能力。以防止在外力作用下容器被壓癟或出現(xiàn)折皺。嚴密性 容器必須具有足夠的嚴密性，特別是承壓容器和貯存、處理有毒介質(zhì)的容器應具有良好嚴密性?？垢g性和抗沖刷性 容器的材料及其構(gòu)件和填充的填料要能有效的抵抗介質(zhì)的腐蝕和水流的沖刷，以保持容器具有較長的使用年限3.1 容器應力理論經(jīng)濟方面的要求 在保證容器和工藝要求和機械設(shè)計的要求的根底上，應選擇較為廉價的材料以降低制作本錢。制作、安裝、運輸及維修均應方便。3.1.2 回轉(zhuǎn)曲面與回轉(zhuǎn)薄殼1、回轉(zhuǎn)曲面以一條直線或平面

5、曲線作母線，繞其同平面的軸線即回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周就形成了回轉(zhuǎn)曲面。2、回轉(zhuǎn)薄殼以回轉(zhuǎn)曲面作為中間面的殼體稱作回轉(zhuǎn)殼體。內(nèi)外外表之間的法向距離稱為殼體厚度。對于薄殼，常用中間面來代替殼體的幾何特性。3、經(jīng)線如圖示，在曲面上取一點C，過C點和回轉(zhuǎn)軸OO作一平面，該平面與回轉(zhuǎn)曲面的交線OB稱作曲面的經(jīng)線3.1 容器應力理論4、緯線過C點作與OO軸垂直的平面，該平面與回轉(zhuǎn)曲面的交線為一個圓，稱為回轉(zhuǎn)曲面的平行圓，平行圓就是回轉(zhuǎn)曲面的緯線。平行圓的圓心K3必在軸OO上，平行圓的半徑CK3用r表示。5、第一曲率半徑過C點作經(jīng)線的法線CN，CN線上必有C點的曲率中心K1點，CK1是經(jīng)線上C點的曲率半徑，用1表示

6、，稱C點的第一曲率半徑。6、第二曲率半徑過C點再作一個與經(jīng)線OB在C點的切線相垂直的平面，該平面與回轉(zhuǎn)曲面的交線為一條平面曲線，可以證明該曲線在C點的曲率中心K2必定在OO軸上，CK2稱作點的第二曲率半徑，用2表示。3.1 容器應力理論(a)(b)(d)(c)dQ2r p dL cosdQ2rpdrQ2rc m sin=3.1 容器應力理論3.1.3回轉(zhuǎn)薄殼的薄膜應力回轉(zhuǎn)薄殼承受內(nèi)壓后，在經(jīng)線方向和緯線方向都要產(chǎn)生伸長變形，所以，在經(jīng)線方向?qū)a(chǎn)生經(jīng)向應力m，在緯線方向會產(chǎn)生環(huán)向應力m 。由于軸對稱，故同一緯線上各點的經(jīng)向應力m 和環(huán)向應力m 均相等。由于我們涉及的殼體為薄殼，可以認為m 和m

7、 在殼壁厚度上均勻分布。1經(jīng)向薄膜應力-殼體平衡方程用一個與回轉(zhuǎn)殼體中間面正交的圓錘面切割一承受內(nèi)壓的殼體，取截面以下的別離體進行研究。該別離體上作用著介質(zhì)的內(nèi)壓力p和經(jīng)向應力m圖b、c，二者在軸方向應互相平衡即作用力和反作用力的關(guān)系。從這種觀點出發(fā)，推導出計算經(jīng)向應力m的公式。在別離體COC1取一寬度為dL的環(huán)帶圖b，其上作用的氣體壓力在軸線方向的合力是dQ，其值為dQ2r p dL cos3.1 容器應力理論從圖d可推出 ，所以dQ2rpdr 那么作用在殼體COC1上的氣體壓力沿軸線上的合力Q為 式中rc為處同心圓的半徑，而 為此同心圓的面積?？梢钥闯龅拇笮≈慌c介質(zhì)壓強p和截取處的橫截面的

8、面積有關(guān)，而與別離體的外表形狀無關(guān)。p為常數(shù)時，相當于作用在垂直投影面上經(jīng)向應力在軸線方向的合力Q為Q2rc m sin= 由于Q = Q,可解得： 從圖c可以看出： 3.1 容器應力理論由此可得： 式中：p-介質(zhì)內(nèi)壓力，MPa；2-殼體中間面在計算點處的第二曲率半徑，mm；-殼體壁厚，mm。此式稱作殼體平衡方程。單元體截取及各截面上的應力m和在法線上的分量p dl1 dl2=2 Qm sin +2 Q sin3.1 容器應力理論2環(huán)向薄膜應力(微體平衡方程又稱拉普拉斯方程在殼體上用兩對截面和殼體的內(nèi)外外表截取一小單元體，如圖示。這兩對截面一是相鄰的夾角為d的徑線平面；二是兩個相鄰的與殼體中面

9、正交且夾角為d的錐面?？疾煨卧wabcd的力平衡，從而找出環(huán)向應力與經(jīng)向應力m和殼體所受內(nèi)壓力之間的關(guān)系。由于小單元體很小，可以認為ab和cd面上的環(huán)向應力和bc和ad面上經(jīng)向應力m均是勻布的。設(shè)ab=cd=dl1；bc=ad=dl2，殼體厚度為。在小單元體的法線方向上作用著介質(zhì)的內(nèi)壓力p，其合力p的值為P=p dl1 dl2在bc和ad面上的經(jīng)向應力m，其合力值Qm為Qm=m dl2在ab和cd面上作用著環(huán)向應力，其合力值Q為Q= dl13.1 容器應力理論內(nèi)壓力p、經(jīng)向應力m和環(huán)向應力的作用方向見圖。小單元體在其法線方向上受力是平衡的，據(jù)此可得出p dl1 dl2=2 Qm sin +2

10、 Q sin 將Qm=m dl2 ，Q= dl1代入，并考慮d和d均很小， , 上式變?yōu)閜 dl1 dl2=2m dl2 +2 dl2 經(jīng)整理簡化后可得 又因為那么：這個公式稱作微體平衡方程又稱拉普拉斯方程。3.1 容器應力理論3.1.4 內(nèi)壓薄壁容器的應力一、圓柱殼對于圓柱殼體，殼體上各點的1=、2D/2(見P92頁?？傻?結(jié)論:(1)圓柱殼上的環(huán)間應力比經(jīng)向應力大一倍。 (2)決定圓柱殼承壓能力大小是中徑與殼體壁厚之比，而不是壁厚的絕對數(shù)值。3.1 容器應力理論二、球殼的薄膜應力球殼中面上的任一點的1和2均等于球殼的中面半徑，可得 結(jié)論:(1)球殼上各點的應力相等，而且m和也相等。 (2)

11、球殼上的薄膜應力只有同直徑同壁厚圓柱殼的環(huán)向應力的一半或者說等于經(jīng)向應力。3.1 容器應力理論薄膜應力理論在球殼上的應用3.1 容器應力理論三、橢圓殼簡述水工程中常用橢球殼的一半作為容器的封頭，它是由四分之一橢圓曲線繞回轉(zhuǎn)軸Oy旋轉(zhuǎn)而形成的，見圖示。 半橢球殼上各點的m和可按下式分別計算。 式中：a-半橢球殼長軸的一半；b-半橢球殼短軸的一半；-半橢球殼的壁厚；x，y-半橢球殼殼體上各點的橫坐標和縱坐標；p-容器承受的內(nèi)壓力。3.1 容器應力理論結(jié)論：1 橢球殼上各點的應力是不等的，它與各點的坐標x，y有關(guān)。2 橢球殼上應力的大小及其分布情況與橢球的長軸與短軸之比a/b有關(guān)。a/b值增大時，橢

12、球殼上的最大應力將增大，而當a/b=1時，橢球殼即變?yōu)榍驓?，將a=b代入即變?yōu)榍驓τ嬎愎?，這時殼體的受力最為有利。3 水工藝設(shè)備用半個橢球用作容器的端蓋時，為便于沖壓制造和降低容器高度，封頭的深度淺一些，即a/b大一些較好。但a/b的增大將導致應力的增大，故橢球封頭的a/b不應超過2。4 當a/b2時，半橢球封頭的最大膜應力產(chǎn)生于半橢球的頂點，即x=0，y= b處，其值為： 3.1 容器應力理論半橢球母線3.1 容器應力理論四、錐形殼錐形殼一般用于容器的封頭或變徑段，如下圖。錐形殼的薄膜應力表達式如下： 式中：p-介質(zhì)的內(nèi)壓力，MPa；-錐殼的半頂角；-錐殼的壁厚;r-計算點所在平行圓的

13、半徑，即該點距回轉(zhuǎn)軸的距離；從上述二式中可以看出隨著半錐角的增大殼體的應力將變大，所以在承壓容器中太大的錐角是不宜采用的。同時也可以看出，錐形殼中最大應力產(chǎn)生于大端，其值分別為 式中：D-容器的中徑。3.1 容器應力理論四、錐形殼錐形殼一般用于容器的封頭或變徑段，如下圖。錐形殼的薄膜應力表達式如下： 式中：p-介質(zhì)的內(nèi)壓力，MPa；-錐殼的半頂角；-錐殼的壁厚;r-計算點所在平行圓的半徑，即該點距回轉(zhuǎn)軸的距離；從上述二式中可以看出隨著半錐角的增大殼體的應力將變大，所以在承壓容器中太大的錐角是不宜采用的。同時也可以看出，錐形殼中最大應力產(chǎn)生于大端，其值分別為 式中：D-容器的中徑。3.1 容器應

14、力理論錐形殼3.1 容器應力理論3.1.5 壓力容器的強度計算一、壓力容器與常壓容器受勞動部頒發(fā)的?壓力容器平安技術(shù)監(jiān)察規(guī)程?簡稱?容規(guī)?管理的壓力容器必須同時滿足以下三個條件：1. 最高工作壓力pw0.1MPa不含液體靜壓力。2. 容器內(nèi)徑D1150mm，且容積V25L。3. 介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點的液體。在水工藝設(shè)備中，使用最多的是充滿常溫水的壓力容器。嚴格地講，這些容器不屬于?容規(guī)?監(jiān)察的壓力容器。但是假設(shè)水的壓力較高，器壁也會產(chǎn)生較大的應力，這種容器的壁厚仍然與受?容規(guī)?監(jiān)察的容器一樣按強度計算確定。容器的壁厚是壓力容器設(shè)計的一個主要方面，常壓容器的壁厚一般

15、按剛度及制造要求來確定。3.1 容器應力理論二、內(nèi)壓圓筒壁厚確實定1理論計算壁厚以圓筒體為例：經(jīng)向薄膜應力和環(huán)向薄膜應力分別是 假設(shè)鋼板在設(shè)計溫度下的許用應力為，按薄膜應力條件： 由于容器的筒體一般用鋼板卷焊而成，焊縫可能存在某些缺陷許用應力應乘以一個焊縫系數(shù)，1。于是 3.1 容器應力理論另外，一般由工藝條件確定的是圓筒的內(nèi)直徑D1，故在上式中代入D= D1+，得 解出，去掉不等號便得到 式中：-圓筒的計算厚度，mm；p-設(shè)計內(nèi)壓；MPa；D1-圓筒的內(nèi)直徑，亦稱壓力容器的公稱直徑，mm；-鋼板在設(shè)計溫度下的許用應力；MPa；-焊縫系數(shù)。2 設(shè)計厚度考慮腐蝕裕量假設(shè)容器的設(shè)計使用壽命為n年，

16、介質(zhì)對容器壁的年腐蝕量為mm/年，那么使用過程中，器壁因腐蝕而減薄的總量稱作腐蝕裕量，其值為C1=n。計算厚度與腐蝕裕量之和稱作設(shè)計厚度，用d表示。d=+C13.1 容器應力理論4圓筒壁的名義厚度由于鋼板的生產(chǎn)標準中規(guī)定了一定量的允許正、負偏差值，故鋼板的實際厚度可能小于標注的名義厚度。故在容器壁的厚度應加上鋼板的負偏差C2。保險起見另外，計算得出的鋼板厚度一般不會恰恰等于鋼板的規(guī)格厚度，故需將計算厚度向上調(diào)整使其符合鋼板的規(guī)格厚度如生產(chǎn)時的鋼板系列：5，10，20mm等，此調(diào)整值稱為圓整值，其值不應大于1至2mm。將鋼板的設(shè)計厚度加上鋼板的負偏差并向上圓整至鋼板的規(guī)格厚度得出容器壁的名義厚度

17、，用n表示，即n=d+C2+=+ C1+C2+3.18式中：n-圓筒的名義厚度，mm；d-圓筒的設(shè)計厚度，mm；C1-腐蝕裕量，mm；C2-鋼板負偏差，mm；-圓整值，mm。3.1 容器應力理論3圓筒的有效厚度e=+ 容器的設(shè)計壓力P，鋼板在設(shè)計溫度下的許用應力、焊縫系數(shù)、鋼板或鋼管的負偏差C2以及圓整值均可按有關(guān)設(shè)計標準和設(shè)計手冊選用。4容器壁的最小厚度min當容器的設(shè)計壓力較低時，由強度計算確定的容器壁的厚度不能滿足容器制造、運輸和安裝等方面的要求，因此對圓筒的最小壁厚作了規(guī)定，用min表示。應當注意的是，規(guī)定的最小厚度內(nèi)并不包括腐蝕裕量C1。即器壁圓筒的名義厚度n選用鋼板的標注厚度應等于

18、或大于下述的最小厚度min和腐蝕裕量C1之和，但當min鋼板負偏差時，可以將C2包括在min之內(nèi)。筒體的最小壁厚的規(guī)定如下：1. 對于碳鋼和低合金鋼容器2. 對于不銹鋼容器3.1 容器應力理論3.1.6 平板的彎曲應力容器的封頭和矩形壓力容器在內(nèi)壓作用下，將產(chǎn)生很大的彎曲應力，我們就不能僅僅依靠薄膜應力理論來進行它們的設(shè)計和計算。1環(huán)形截面的變形及環(huán)向彎曲應力M2徑向變形和徑向彎曲應力Mr3最大彎曲應力Mmax3.1 容器應力理論周邊簡支、承受均布載荷的圓平鋼板，最大彎曲應力產(chǎn)生于圓板中心處的上下外表處，其值為： Mmax= Mmax-周邊簡支、均布載荷時圓形鋼板的最大彎曲應力，MPa；p-均

19、布載荷，MPa；D-圓形平板的直徑，mm；-圓形平板的厚度，mm；-圓板上外表的應力，表示受壓縮；+-圓板下外表的應力，表示受拉伸。周邊固定，承受均布載荷時圓平板的最大彎曲應力出現(xiàn)在板的四周的上下外表處，對于鋼板其值為：Mmax=(M)r=R=(Mr)r=R= Mmax-周邊固定均布載荷時的圓形鋼板的最大彎曲應力，MPa；其它符號意義同上。3.1 容器應力理論4彎曲應力與薄膜應力的比較最大彎曲應力可寫作Mmax=周邊簡支平板k=0.31；周邊固定平板k=0.188。Mmax= 結(jié)論：承受均布載荷p的圓形平板的最大彎曲應力Mmax是同直徑、同厚度的圓柱形殼體承受同樣大的壓力時所產(chǎn)生的薄膜應力的

20、倍。由于容器的直徑與厚度的比值一般大于50，所以，同等條件下，平板內(nèi)產(chǎn)生的最大彎曲應力至少是圓筒壁的薄膜應力的2030倍。所以容器的封頭應盡量防止使用平板形，而且也應盡量防止使用矩形的壓力容器。3.1 容器應力理論3.1.7 壓力容器的二次應力薄膜應力和彎曲應力都是直接由荷載引起的，稱作一次應力或根本應力。在外力作用下，每個零件均有發(fā)生變形的趨勢，但這個變形的趨勢要受到相鄰零部件的限制。我們把由于相互連接的零部件各自欲發(fā)生變形而受到對方限制引起的應力稱作二次應力。對于回轉(zhuǎn)殼體的壓力容器，在內(nèi)壓的作用下，封頭和筒身是連接在一起的，二者的變形將相互受到對方的限制，這種相互制約必導致產(chǎn)生一組大小相等

21、，方向相反的內(nèi)力系，由這組內(nèi)力所產(chǎn)生發(fā)生于兩個部件連接處的應力稱作邊界應力。1平板封頭：圓柱形筒身和平板封頭連接處的橫截面內(nèi)產(chǎn)生的最大二次彎曲應力可按下式計算 Mm= 從該式可以看出，在這種連接處將產(chǎn)生很大的邊界應力，其值比由內(nèi)壓引起的環(huán)向薄膜應力還要大54%。3.1 容器應力理論2半球形封頭：在承受內(nèi)壓時，封頭的半徑增值小于筒體的半徑增值，因為二者是連接在一起的，故連接處封頭的直徑將被筒體向外拉大，而筒體的直徑將被封頭往里壓小，其結(jié)果是在封頭內(nèi)產(chǎn)生二次拉伸薄膜應力，在筒體內(nèi)產(chǎn)生二次壓縮薄膜應力。因為封頭內(nèi)的一次薄膜應力只有同厚度圓柱形筒體的一半，將二次薄膜應力疊加上去后也不會引起強度不夠的問題。筒體內(nèi)的二次薄膜應力是負值，疊加到一次薄膜應力上的結(jié)果只會使總的應力值下降，當然更沒有問題。 當封頭與筒體等厚時，在球形封頭與筒體連接處的橫截面上沒有彎曲應力存在。雖然在連接處兩側(cè)的封頭與筒體內(nèi)存在二次彎曲應力，但其值都很小，不會引起強度上的問題。因此球形封頭