第八章-容器零部件-2

第八章容器零部件教學(xué)重點(diǎn)：各零部件標(biāo)準(zhǔn)的選用。教學(xué)難點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選用。例題為一臺(tái)精餾塔配一對(duì)連接塔身與封頭的法蘭。塔的內(nèi)徑為1000mm,操作溫度為280o，設(shè)計(jì)壓力為0.2MPa。塔體材質(zhì)為Q235-B。介質(zhì)無(wú)腐蝕性及其他危害。8.2容器支座容器支座，支承容器重量、固定容器位置并使容器在操作中保持穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)型式由容器自身的型式?jīng)Q定，分

臥式容器支座立式容器支座球形容器支座支座耳式支座支承式支座腿式支座裙式支座立式支座鞍座圈座支腿臥式支座第二節(jié)容器支座一、臥式容器支座鞍座、圈座及支腿圈座：用于大直徑薄壁容器和真空容器，增加局部剛度。支腿：重量較輕的小型容器。

常見(jiàn)的大型臥式儲(chǔ)罐、換熱器等多采用鞍座。是應(yīng)用最為廣泛的一種臥式容器支座。封頭筒體支座（鞍座）圖8-21鞍式支座鞍式支座由橫向筋板、若干軸向筋板和底板焊接而成。在與設(shè)備連接處，有帶加強(qiáng)墊板和不帶加強(qiáng)墊板兩種結(jié)構(gòu)。（一）雙鞍式支座

最大剪力：鞍座處最大彎矩：筒體中心處危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在兩支座中心處和鞍座處圖8-24鞍座受力分析圖1.受力剪力彎矩圖8-25鞍座剪力和彎矩圖

力學(xué)模型的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化為長(zhǎng)度L，受均布載荷q作用的外伸簡(jiǎn)支梁圖8-28雙鞍座臥式支座受力分析均布載荷A、跨距中點(diǎn)處a、彎矩b、應(yīng)力最大合成應(yīng)力發(fā)生在截面最高點(diǎn)或最低點(diǎn)最高點(diǎn)最低點(diǎn)B、支座截面

a、彎矩b、應(yīng)力

最大合成應(yīng)力發(fā)生在截面最高點(diǎn)或最低點(diǎn)。在截面最高點(diǎn)在截面最低點(diǎn)

筒體有加強(qiáng)圈或由封頭加強(qiáng)A≤Rm/2時(shí)，軸向應(yīng)力在橫截面的最高點(diǎn)；當(dāng)筒體不被加強(qiáng)時(shí)，鞍座處筒體轉(zhuǎn)移到了靠近水平中心線(xiàn)處。

圖8-27承受彎矩的無(wú)效和有效截面A≤0.2L且盡可能使A≤0.5Ri

1）為減少支座處筒體最大彎矩，使其應(yīng)力分布合適，使支座跨距中心與支座最大彎矩相等，推導(dǎo)出A=0.207L2)試驗(yàn)證明，當(dāng)A≤0.5Ri時(shí)，封頭對(duì)筒體才有加強(qiáng)作用，因此支座的最佳位置應(yīng)在滿(mǎn)足A≤0.2L的條件下，盡量使A≤0.5Ri2.鞍座的最佳位置3）當(dāng)A＞0.5Ri或筒體無(wú)加強(qiáng)措施而剛性不足時(shí)，在周向彎矩的作用下，鞍座處筒體上將產(chǎn)生“扁塌”現(xiàn)象：

鞍座上筒體發(fā)生變形，猶如“扁塌”。鞍座處筒體不起承載作用，成為無(wú)效區(qū)（圖）。圖8-27承受彎矩的無(wú)效和有效截面結(jié)構(gòu)3.鞍座的結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)圖8-28輕型帶墊板包角120°C鞍式支座鞍座包角120°或150°，安放穩(wěn)定。高度200、300、400和500mm。寬度b根據(jù)容器公稱(chēng)直徑查出。鞍座的種類(lèi)鞍座分為A型（輕型）和B型（重型），重型又分為BⅠ～BⅤ五種型號(hào)。A型和B型的筋板和底板、墊板等尺寸不同或數(shù)量不同。每種型式鞍座又分為固定式支座（代號(hào)F）：底板上開(kāi)圓形螺栓孔滑動(dòng)式支座（代號(hào)S）：底座開(kāi)長(zhǎng)圓形螺栓孔材質(zhì)：墊板—與筒體相同，其它---Q235-A.F。標(biāo)準(zhǔn)A—輕型，都是120°包角，都有墊板B—重型，有120°和150°兩種包角，有帶墊板的，也有不帶墊板的。具體標(biāo)記方法如下鞍座標(biāo)準(zhǔn)的選用鞍座標(biāo)準(zhǔn)的選用，首先根據(jù)鞍座實(shí)際承載的大小，確定選用輕型(A型)或重型（BI，BⅡ，BⅢ，BIV，BV型)鞍座（表8－15），找出對(duì)應(yīng)的公稱(chēng)直徑，再根據(jù)容器圓筒強(qiáng)度確定選用120或150包角的鞍座，標(biāo)準(zhǔn)高度下鞍座的允許載荷和各部分結(jié)構(gòu)尺寸可從附錄18和JB／T4712—92中得到。（二）圈式支座

可能造成嚴(yán)重?fù)锨谋”谌萜?；多于兩個(gè)支承的長(zhǎng)容器。圈座采用圈座的情況：對(duì)于大直徑薄壁容器和真空容器，因其自身重量可能造成嚴(yán)重?fù)锨?；多于兩個(gè)支承的長(zhǎng)容器。除常溫常壓下操作的容器外，至少應(yīng)有一個(gè)圈座是滑動(dòng)支承的。（三）支腿

只適用于小型容器。

連接處造成嚴(yán)重的局部應(yīng)力，只適用于小型設(shè)備（DN≤1800、L≤5m）。腿式支座的結(jié)構(gòu)型式、系列參數(shù)等參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4714-92《腿式支座》。二、立式容器支座優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單輕便；缺點(diǎn)：對(duì)器壁產(chǎn)生較大局部應(yīng)力。結(jié)構(gòu)：由筋板和支腳板組成，廣泛用于中、小型立式設(shè)備(高徑比不大于5，總高度不大于10m)（一）耳式支座（懸掛式支座）標(biāo)準(zhǔn)：JB/T4725《耳式支座》，它將耳式支座分為A型（短臂）和B型（長(zhǎng)臂）兩類(lèi)，每類(lèi)又有帶墊板和不帶墊板兩種。B型耳式支座有較大的安裝尺寸，當(dāng)容器外面包有保溫層，或者將容器直接放置在樓板上時(shí)，宜選用B型。帶墊板的耳式支座已標(biāo)準(zhǔn)化JB/T4725-92《耳式支座》。該標(biāo)準(zhǔn)分A型（短臂）和B型（長(zhǎng)臂）（有保溫層或直接放在樓板上）每類(lèi)又分帶墊板與不帶墊板兩種結(jié)構(gòu)A型、AN型耳式支座耳式支座的結(jié)構(gòu)型式表8－17耳式支座結(jié)構(gòu)型式特征型式支座號(hào)適用公稱(chēng)直徑/mm結(jié)構(gòu)特征A1~8DN300~400短臂、帶墊板AN1~3短臂、不帶墊板B1~8長(zhǎng)臂、帶墊板BN1~3長(zhǎng)臂、不帶墊板耳式支座選用的方法：（1）估算設(shè)備總重，算每個(gè)支座的負(fù)荷Q值；（2）確定支座型式，從表8－18按允許負(fù)荷Q允大于實(shí)際負(fù)荷Q，選支座。小型設(shè)備耳式支座，可支承在管子或型鋼制的立柱上。大型設(shè)備的支座往往擱在鋼梁或混凝土制的基礎(chǔ)上。

標(biāo)記方法（二）支承式支座圖8-30支承式支座結(jié)構(gòu)：在容器封頭底部焊上數(shù)根支柱，直接支承在基礎(chǔ)地面上。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單方便，但它對(duì)容器封頭會(huì)產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，因此當(dāng)容器較大或殼體較薄時(shí)，必須在支座和封頭間加墊板，以改善殼體局部受力情況。支承式支座用鋼管、角鋼、槽鋼制作，或用數(shù)塊鋼板焊成，型式、結(jié)構(gòu)、尺寸及材料JB/T4724-92《支承式支座》。

用于高度不大、安裝位置距基礎(chǔ)面較近且具有凸形封頭的立式容器。標(biāo)準(zhǔn)：JB/T4724《支承式支座》分為A型和B型，A型支座由鋼板焊制而成；B型支座采用鋼管作支柱。帶墊板的支承式支座（三）腿式支座（支腿）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、安裝方便，在容器下面有較大的操作維修空間。圖8-31腿式支座標(biāo)準(zhǔn)：JB/T4713《腿式支座》A型：角鋼支柱B型：鋼管支柱問(wèn)題：腿式支座與支承式支座的區(qū)別？腿式支座是支承在容器的圓柱體部分支承式支座是支承在容器的底封頭上（四）裙式支座應(yīng)用：高大的立式容器，特別是塔器。形式：圓筒形裙座和圓錐形裙座。1—塔體;2—保溫支承圈;3—無(wú)保溫時(shí)排氣孔;4—裙座筒體;5—人孔;8—螺栓座;7—基礎(chǔ)環(huán);8—有保溫時(shí)排氣孔;9—引出管通道;10—排液孔圖8-32裙式支座裙座結(jié)構(gòu)裙座結(jié)構(gòu)(1)座體它的上端與塔體底封頭焊接在一起，下端焊在基礎(chǔ)環(huán)上。座體承受塔體的全部載荷，并把載荷傳到基礎(chǔ)環(huán)上去。裙座結(jié)構(gòu)(2)基礎(chǔ)環(huán)基礎(chǔ)環(huán)是塊環(huán)形墊板，它把由座體傳下來(lái)的載荷，再均勻地傳到基礎(chǔ)上去。裙座結(jié)構(gòu)(3)螺拴座由座板和筋板組成，供安裝地腳螺栓用，以便地腳螺栓把塔設(shè)備固定在基礎(chǔ)上裙座結(jié)構(gòu)(4)管孔在裙座上有檢修用的人孔、引出管孔,排氣管孔等8.3容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)容器為什么要開(kāi)孔？工藝、安裝、檢修的要求。開(kāi)孔后，為什么要補(bǔ)強(qiáng)？削弱器壁的強(qiáng)度，出現(xiàn)不連續(xù)，形成高應(yīng)力集中區(qū)。設(shè)備與管道的聯(lián)接，設(shè)備上測(cè)量、控制儀表的安裝，都需要開(kāi)孔，也是接管的接口。在設(shè)備上焊好接管后，需要考慮它的長(zhǎng)度（150~200mm），便于安裝、拆卸等。屬于一個(gè)部件，由公稱(chēng)壓力、公稱(chēng)直徑確定形狀。有橢圓形、長(zhǎng)圓形、圓形（常用）一、設(shè)備開(kāi)孔的裝置1.設(shè)備的管口2.人孔、手孔8.3容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)8.3.1.容器開(kāi)孔應(yīng)力集中現(xiàn)象開(kāi)孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)為：

K=σ實(shí)際/σ膜其大小為多少？見(jiàn)平板開(kāi)孔試驗(yàn)測(cè)試：實(shí)測(cè)結(jié)果：K≈3即應(yīng)力集中點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力大約為膜應(yīng)力的3倍。容器開(kāi)孔后在孔邊附件的局部地區(qū)，應(yīng)力會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，這種局部的應(yīng)力增長(zhǎng)現(xiàn)象，叫做應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中區(qū)域的最大應(yīng)力值，稱(chēng)為應(yīng)力峰值。

①開(kāi)孔削弱了器壁材料，破壞了原有應(yīng)力分布并引起應(yīng)力集中；

②殼體與接管連接處形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力；③殼體與接管的拐角處因不等截面過(guò)渡引起應(yīng)力集中。二、開(kāi)孔應(yīng)力集中現(xiàn)象及原因1、開(kāi)孔應(yīng)力集中現(xiàn)象

2、產(chǎn)生原因

定義：局部補(bǔ)強(qiáng)的金屬截面積必須等于或大于開(kāi)孔所減去的殼體截面積，其含義在于補(bǔ)足殼壁的平均強(qiáng)度，即用與開(kāi)孔等截面的外加金屬來(lái)補(bǔ)償被削弱的殼壁強(qiáng)度。優(yōu)點(diǎn)：長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)單易行，在一般壓力容器使用條件下能夠保證安全，因此不少?lài)?guó)家的容器設(shè)計(jì)規(guī)范主要采用該方法，如ASMEⅧ-1和GB150等。（一）補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)原則三、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)原則、形式與結(jié)構(gòu)1、等面積補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題：沒(méi)有考慮開(kāi)孔處應(yīng)力集中的影響，沒(méi)有計(jì)入容器直徑變化的影響，補(bǔ)強(qiáng)后對(duì)不同接管會(huì)得到不同的應(yīng)力集中系數(shù)，即安全裕量不同，因此有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。指開(kāi)孔容器在接管處達(dá)到全域塑性時(shí)的極限壓力應(yīng)等于無(wú)孔殼體的屈服壓力；同時(shí)，按彈性計(jì)算的最大應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)2σs定義2、塑性失效補(bǔ)強(qiáng)原則（二）補(bǔ)強(qiáng)形式1、內(nèi)加強(qiáng)平齊接管

2、外加強(qiáng)平齊接管

3、對(duì)稱(chēng)加強(qiáng)凸出接管4、密集補(bǔ)強(qiáng)四種補(bǔ)強(qiáng)形式的比較從強(qiáng)度角度看密集補(bǔ)強(qiáng)最好，對(duì)稱(chēng)凸出接管次之，內(nèi)加強(qiáng)平齊接管第三，外加強(qiáng)平齊接管效果最差從制造角度看（三）補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)元件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)指補(bǔ)強(qiáng)金屬采用什么結(jié)構(gòu)方式與被補(bǔ)強(qiáng)的殼體或接管連成一體結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)圈貼焊在殼體與接管連接處，見(jiàn)圖8-33.優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，使用經(jīng)驗(yàn)豐富圖8-33補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)缺點(diǎn)1）與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時(shí)，存在較大熱膨脹差，在補(bǔ)強(qiáng)局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；2）難以與殼體形成整體，抗疲勞性能差。1、補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)圈中低壓容器應(yīng)用最多的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，一般使用在靜載、常溫、中低壓容器中a.材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于540MPab.補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于1.5δnc.殼體名義厚度δn不大于38mm適用范圍HG21508-92《補(bǔ)強(qiáng)圈》，JB/T4738-95《補(bǔ)強(qiáng)圈》標(biāo)準(zhǔn)注意為了檢驗(yàn)焊縫的緊密性，補(bǔ)強(qiáng)板上開(kāi)有一個(gè)M10的小螺紋孔，從這里通入壓縮空氣，并在補(bǔ)強(qiáng)圈與器壁的連接焊縫外涂抹肥皂水，如果焊縫有缺陷．就會(huì)在該處吹起肥皂泡.結(jié)構(gòu)在開(kāi)孔處焊上一段厚壁接管，見(jiàn)圖8-34。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊縫少，補(bǔ)強(qiáng)效果好，高強(qiáng)度低合金鋼制壓力容器一般都采用該結(jié)構(gòu)圖8-34厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)2、加強(qiáng)元件補(bǔ)強(qiáng)（又稱(chēng)接管補(bǔ)強(qiáng)或厚壁管補(bǔ)強(qiáng)）厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)圖8-35整鍛件補(bǔ)強(qiáng)

整體鍛件3、整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)將接管與部分殼體邊同加強(qiáng)部分作為整體鍛件，然后與殼體焊接在一起。

整鍛件補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開(kāi)孔應(yīng)力最大部位，能最有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)；可采用對(duì)接焊縫，并使焊縫及其熱影響區(qū)離開(kāi)最大應(yīng)力點(diǎn)，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10～15%。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)鍛件供應(yīng)困難，制造成本較高。重要壓力容器，如核容器、材料屈服點(diǎn)在500MPa以上的容器開(kāi)孔及受低溫、高溫、疲勞載荷容器的大直徑開(kāi)孔容器等。應(yīng)用焊接接頭系數(shù)小于1，但開(kāi)孔位置不在焊縫上等等強(qiáng)度裕量接管和殼體實(shí)際厚度大于強(qiáng)度需要的厚度接管根部有填角焊縫上述因素相當(dāng)于對(duì)殼體進(jìn)行了局部加強(qiáng)，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開(kāi)孔處的最大應(yīng)力。因此，對(duì)于滿(mǎn)足一定條件的開(kāi)孔接管，可以不予補(bǔ)強(qiáng)。3、允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開(kāi)孔直徑（四）允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的條件GB150規(guī)定：在設(shè)計(jì)壓力≤2.5MPa的殼體上開(kāi)孔，兩相鄰開(kāi)孔中心的間距（對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算）大于兩孔直徑之和的2倍，且接管公稱(chēng)外徑≤89mm時(shí)，只要接管最小厚度滿(mǎn)足表8-19要求，就可不另行補(bǔ)強(qiáng)。表8-1不另行補(bǔ)強(qiáng)的接管最小厚度mm8.05.04.03.5897885574845383225接管公稱(chēng)外徑最小厚度GB150對(duì)開(kāi)孔最大直徑的限制基本原則使有效補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積，等于或大于開(kāi)孔所削弱的金屬面積。（一）允許開(kāi)孔的范圍a.圓筒上開(kāi)孔的限制：內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)，開(kāi)孔最大直徑d≤，且d≤520mm；內(nèi)徑Di＞1500mm時(shí)，開(kāi)孔最大直徑d≤，且d≤1000mm。四、等面積補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法

b.凸形封頭或球殼上開(kāi)孔最大直徑d≤。c.錐殼（或錐形封頭）上開(kāi)孔最大直徑d≤，Di為開(kāi)孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。d.在橢圓形或碟形封頭過(guò)渡部分開(kāi)孔時(shí)，其孔的中心線(xiàn)宜垂直于封頭表面。承受內(nèi)壓（8-14）式中A—開(kāi)孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；

d—開(kāi)孔直徑

●圓形孔：d=di+2Cdi—接管內(nèi)直徑（二）所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積A(即開(kāi)孔削弱的截面積A)

δ—?dú)んw開(kāi)孔處的計(jì)算厚度，mm；

δet—接管有效厚度，δet=δnt-C，mm；

fr—強(qiáng)度削弱系數(shù)，等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比，當(dāng)該值大于1.0時(shí)，取fr=1.0。（8-17）b、外壓圓筒或球殼：圖8-38有效補(bǔ)強(qiáng)范圍示意圖（a）在一定范圍內(nèi)能起補(bǔ)強(qiáng)作用，除了此范圍，則起不到補(bǔ)強(qiáng)作用。有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)：矩形WXYZ，見(jiàn)圖8-38。（三）開(kāi)孔有效補(bǔ)強(qiáng)范圍及補(bǔ)強(qiáng)面積的計(jì)算有效寬度B：取二者中較大值B=2dB=d+2δn+2δnt式中B—補(bǔ)強(qiáng)有效寬度，mm；

δn—?dú)んw開(kāi)孔處的名義厚度，mm；

δnt—接管名義厚度，mm。內(nèi)外側(cè)有效高度：取式中較小值外側(cè)高度h1=接管實(shí)際外伸高度h2=接管實(shí)際內(nèi)伸高度內(nèi)側(cè)高度（8-22）（8-23）

在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的矩形WXYZ范圍內(nèi),可作為有效補(bǔ)強(qiáng)的金屬截面積Ae＝A1＋A2＋A3(四)補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)金屬面積Ae①A1—?dú)んw有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積。

②A(yíng)2—接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積。③A3—有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積。若Ae=A1+A2+A3≥A則開(kāi)孔后不需要另行補(bǔ)強(qiáng)。

若Ae=A1+A2+A3＜A則開(kāi)孔需要另外補(bǔ)強(qiáng)，所增加的補(bǔ)強(qiáng)金屬截面積A4應(yīng)滿(mǎn)足

A4=A-Ae

(8-24)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)步驟P185用于裝置測(cè)量、控制儀表，或連接其他設(shè)備和介質(zhì)的輸送管道。㈠接口管焊接設(shè)備的接口管長(zhǎng)度8.4容器附件鑄造設(shè)備接管可與筒體一并鑄出。螺紋管主要用來(lái)接溫度計(jì)、壓力表或液面計(jì)等，陰螺紋或陽(yáng)螺紋。

㈡凸緣接管長(zhǎng)度必須很短時(shí)可用凸緣代替(又叫突出接口)。凸緣本身有加強(qiáng)作用，不需另外補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)螺柱折斷在螺栓孔中，取出較困難。凸緣與管道法蘭配用