內(nèi)外壓容器受壓元件設(shè)計

中國石化工程建設(shè)公司桑如苞向全國壓力容器設(shè)計同行問好！內(nèi)外壓容器——受壓元件設(shè)計壓力容器都離不開一個為建立壓力所必須的承壓外殼—壓力殼。內(nèi)外壓容器設(shè)計即是指對組成壓力殼的各種元件在壓力作用下的設(shè)計計算。壓力殼必須以一定方式來支承：當(dāng)采用鞍式支座支承時成為臥式容器的形式，由于自重、物料等重力作用，在壓力殼上（特別是支座部位）產(chǎn)生應(yīng)力，其受力相當(dāng)于一個兩端外伸的簡支梁，對其計算即為臥式容器標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。當(dāng)采用立式支承時成為立（塔）式容器的形式，由于自重、物料重力、風(fēng)載、地震等作用，在壓力殼上產(chǎn)生應(yīng)力，其受力相當(dāng)于一個直立的懸臂梁，對其計算即為塔式容器標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。當(dāng)壓力殼做成球形以支腿支承時，即成為球罐，在自重、物料重力、風(fēng)載、地震等作用下的計算即為球形儲罐標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。一、壓力容器的構(gòu)成圓筒—圓柱殼壓力作用下，以薄膜應(yīng)力承載，為此整球形封頭—球殼體上產(chǎn)生一次薄膜應(yīng)力，控制值1倍殼體橢圓封頭（橢球殼）許用應(yīng)力。但在相鄰元件連接部位，會碟封（球冠與環(huán)殼）因變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)典型板殼結(jié)構(gòu)錐形封頭（錐殼）力，稱二次應(yīng)力，控制值3倍許用應(yīng)力。圓平板（平蓋）壓力作用下，以彎曲應(yīng)力承載，為此整平板環(huán)形板（開孔平蓋）環(huán)（法蘭環(huán)）許用應(yīng)力。彈性基礎(chǔ)圓平板（管板）二、壓力容器受壓元件計算1）應(yīng)力狀況：兩相薄膜應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的兩倍。2）壁厚計算公式：符號說明見GB150。稱中徑公式：適用范圍，K≤1.5，等價于pc≤0.4[σ]t3）公式來由：內(nèi)壓圓筒壁厚計算公式是從圓筒與內(nèi)壓的靜力平衡條件得出的。設(shè)有內(nèi)壓圓筒如圖所示（兩端設(shè)封頭）。（1）圓筒受壓力pc的軸向作用：pc在圓筒軸向產(chǎn)生的總軸向力：F1=圓筒橫截面的面積：fi=πDiδ由此產(chǎn)生的圓筒軸向應(yīng)力：σh=當(dāng)控制σh≤[σ]時，則：δ1=此即按圓筒軸向應(yīng)力計算的壁厚公式。（2）圓筒受壓力pc的徑向作用（見圖）pc對圓筒徑向作用，在半個圓筒投影面上產(chǎn)生的合力（沿圖中水平方向）：F2=pc·Di·l承受此水平合力的圓筒縱截面面積：f2=2δl由此產(chǎn)生的圓筒環(huán)向應(yīng)力：σθ=當(dāng)控制σθ≤[σ]時，δ2=此式稱為內(nèi)壓圓筒的內(nèi)徑公式。上述計算公式認(rèn)為應(yīng)力是沿圓筒壁厚均勻分布的，它們對薄壁容器是適合的。但對于具較厚壁厚的圓筒，其環(huán)向應(yīng)力并不是均勻分布的。薄壁內(nèi)徑公式與實(shí)際應(yīng)力存在較大誤差。對厚壁圓筒中的應(yīng)力情況以由彈性力學(xué)為基礎(chǔ)推導(dǎo)得出的拉美公式較好地反映了其分布：由拉美公式：厚壁筒中存在的三個方面的應(yīng)力，其中只有軸向應(yīng)力是沿厚度均勻布的。環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力均是非均勻分布的，且內(nèi)壁處為最大值。筒壁三向應(yīng)力中，以周向應(yīng)力最大，內(nèi)壁處達(dá)最大值，外壁處為最小值，內(nèi)外壁處的應(yīng)力差值隨K=Do/Di增大而增大。當(dāng)K=1.5時，由薄壁公式按均勻分布假設(shè)計算的環(huán)向應(yīng)力值比按拉美公式計算的圓筒內(nèi)壁處的最大環(huán)向應(yīng)力要偏低23%，存在較大的計算誤差。由于薄壁公式形式簡單，計算方便、適于工程應(yīng)用。為了解決厚壁筒時薄壁公式引起的較大誤差，由此采取增大計算內(nèi)徑，以適應(yīng)增大應(yīng)力計算值的要求。為此將圓筒計算內(nèi)徑改為中徑，即以（Di+δ）代替Di代入薄壁內(nèi)徑公式中：則有：σθ=經(jīng)變形得：2σθδ－pcδ=pcDiδ（2σθ－pc

）=pc·Di當(dāng)σθ控制在[σ]，且考慮接頭系數(shù)時，即σθ取[σ]時，則δ=此即GB150中的內(nèi)壓圓筒公式，稱中徑公式。當(dāng)K=1.5時，按此式計算的應(yīng)力與拉美公式計算的最大環(huán)向應(yīng)力僅偏小3.8%。完全滿足工程設(shè)計要求。4）公式計算應(yīng)力的意義：一次總體環(huán)向薄膜應(yīng)力，控制值[σ]。5）焊接接頭系數(shù)，—指縱縫接頭系數(shù)。6）二次應(yīng)力：當(dāng)圓筒與半球形封頭、橢圓形封頭連接時二次應(yīng)力很小，能自動滿足3[σ]的強(qiáng)度條件，故可不予考慮。2.球殼1）應(yīng)力狀況，各向薄膜應(yīng)力相等2）厚度計算式：δ=稱中徑公式，適用范圍pc≤0.6[σ]等價于K3）公式來由同圓筒軸向應(yīng)力作用情況4）計算應(yīng)力的意義：一次總體、薄膜應(yīng)力（環(huán)向、經(jīng)向）控制值：[σ]。5）焊縫接頭系數(shù)：指所有拼縫接頭系數(shù)（縱縫、環(huán)縫）。注意包括球封與圓筒的連接環(huán)縫系數(shù)。6）與圓筒的連接結(jié)構(gòu)：見GB150附錄J圖J1（d）、（e）、（f）。原則：不能削薄圓筒，局部加厚球殼。7）二次應(yīng)力：當(dāng)半球形封頭與圓筒連接時二次應(yīng)力很小，能自動滿足3[σ]的強(qiáng)度條件，故可不予考慮。A、內(nèi)壓作用下1）應(yīng)力狀況標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭薄膜應(yīng)力分布：經(jīng)向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在頂點(diǎn)。環(huán)向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在頂點(diǎn)，最大壓應(yīng)力在底邊。b)變形特征：趨圓。c)計算對象意義：拉應(yīng)力——強(qiáng)度計算壓應(yīng)力——穩(wěn)定控制b.彎曲應(yīng)力（與圓筒連接）a)變形協(xié)調(diào)，形成邊界力。b)產(chǎn)生二次應(yīng)力c.橢圓封頭的應(yīng)力：薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力。最大應(yīng)力的發(fā)生部位、方向、組成。K的意義K為封頭上的最大應(yīng)力與對接圓筒中的環(huán)向薄膜應(yīng)力的比值，K=K分布曲線可回歸成公式：K=1/6[(a/b)2+2]=1/6[2+()2]不同a/b的K見GB150表7-1。標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭K=1。2）計算公式δ=近似可理解為圓筒厚度的K倍。3）焊縫接頭系數(shù)。指拼縫，但不包括橢封與圓筒的連接環(huán)縫的接頭系數(shù)。4）內(nèi)壓穩(wěn)定：a.a/b≯b.防止失穩(wěn)，限制封頭最小有效厚度：a/b即K≤1δmin≥0.15%Dia/b即K＞1δmin≥0.30%DiB.外壓作用下：1）封頭穩(wěn)定計算是以薄膜應(yīng)力為對象的：：趨扁。過渡區(qū)——不存在穩(wěn)定問題。封頭中心部分——“球面區(qū)”有穩(wěn)定問題。c.計算意義，按外壓球殼。當(dāng)量球殼：對標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭；當(dāng)量球殼計算外半徑：RDo。Do——封頭外徑。2）對對接圓筒的影響。外壓圓筒計算長度L的意義：L為兩個始終保持圓形的截面之間的距離。橢圓封頭曲面深度的1/3處可視為能保持圓形的截面，為此由兩個橢圓封頭與圓筒相連接的容器，該圓筒的外壓計算長度L=圓筒長度+兩個橢圓封頭的直邊段長度+兩倍橢圓封頭曲面深度的1/3。3）圓筒失穩(wěn)特點(diǎn)，a.周向失穩(wěn)（外壓作用）圓形截面變成波形截面，波數(shù)n從2個波至多個波。n=2稱長圓筒，n＞2稱短圓筒。b.軸向失穩(wěn)（軸向力及彎矩作用）塔在風(fēng)彎、地震彎矩和重力載荷作用下的失穩(wěn)。軸線由直線變成波折線。c外壓圓筒計算系數(shù)A—外壓圓筒臨界失穩(wěn)時的周向壓縮應(yīng)變，與材料無關(guān)，只與結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)（查圖6—2）。B—外壓圓筒許用的周向壓縮應(yīng)力的2倍，與材料彈性模量有關(guān)（查圖6—3至圖6—10）。d外壓圓筒許用外壓的計算D0×L×P=2δe×B/2×LD0×P=δe×B[P]=δe×B/D0=B/(D0/δe)———GB150中（6—1）式。e外壓圓筒的計算外壓圓筒既有穩(wěn)定問題又有壓縮強(qiáng)度問題，但對D0/δe≥20的圓筒通常只有穩(wěn)定問題，為此僅需按穩(wěn)定進(jìn)行計算，GB150中（6—1）式、（6—2）式即是。（6—2）式是指在彈性階段時的計算式。對D0/δe＜20的圓筒穩(wěn)定問題和壓縮強(qiáng)度問題并存，為此需按穩(wěn)定和強(qiáng)度分別進(jìn)行計算，GB150中（6—4）式中的前一項(xiàng)即是按穩(wěn)定計算的許用外壓力，而第二項(xiàng)即是按壓縮強(qiáng)度計算的許用外壓力。對D0/δe＜4的圓筒，其外壓失穩(wěn)都為長圓筒形式，故失穩(wěn)時的臨界應(yīng)變A都直接按長圓筒計算，（6—3）式即是。受力、變形特征，應(yīng)力分布，穩(wěn)定，控制條件與橢封相似，只不過形狀系數(shù)由K（橢封）改為M。內(nèi)容從略1)薄膜應(yīng)力狀態(tài)，a.計算模型：當(dāng)量圓筒。應(yīng)力狀況與圓筒相似，同處的環(huán)向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力的兩倍，但不同直徑處應(yīng)力不同。：δ=Dc——計算直徑。：一次、總體（大端）環(huán)向薄膜應(yīng)力，控制值[σ]。。指錐殼縱縫的接頭系數(shù)。2）彎曲應(yīng)力狀態(tài)（發(fā)生于與圓筒連接部位）a.變形協(xié)調(diào)，產(chǎn)生邊界力，可引起較大邊緣應(yīng)力，即二次應(yīng)力，需考慮。b.錐殼端部的應(yīng)力。端部應(yīng)力由薄膜應(yīng)力+邊緣應(yīng)力組成。大端：最大應(yīng)力為縱向（軸向）拉伸薄膜應(yīng)力+軸向彎曲拉伸應(yīng)力組成。小端：起控制作用的應(yīng)力為環(huán)向（局部）薄膜應(yīng)力。c.大、小端厚度的確定。a)大端：當(dāng)軸向總應(yīng)力超過3[σ]時，（由查圖7-11確定），則需另行計算厚度，稱大端加強(qiáng)段厚度。計算公式：δr=其中：Q稱應(yīng)力增值系數(shù)，其中體現(xiàn)了邊緣應(yīng)力的作用，并將許用應(yīng)力控制值放寬至3[σ]。b)小端：當(dāng)環(huán)向局部薄膜應(yīng)力超過1.1[σ]（由查圖7-13確定）時，則需另行計算厚度，稱小端加強(qiáng)段厚度。計算公式：δr=其中：Q也稱應(yīng)力增值系數(shù)，其中體現(xiàn)邊界力作用引起的局部環(huán)向薄膜應(yīng)力，并將許用應(yīng)力控制值調(diào)至1.1[σ]。a)錐殼大端加強(qiáng)段長度L1：L1=2與之相接的圓筒也同時加厚至δr，稱圓筒加強(qiáng)段其最小長度L=2錐殼大端加強(qiáng)段長度的意義是當(dāng)量圓筒在均布邊界力作用下，圓筒中軸向彎曲應(yīng)力的衰減長度。b)錐殼小端加強(qiáng)段長度L1L1=與之相接的圓筒也同時加厚至δr，稱圓筒加強(qiáng)段，其最小長度L=。錐殼小端加強(qiáng)段長度的意義是：當(dāng)量圓筒在均布邊界力作用下圓筒中局部環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減長度。c)錐殼大小端加強(qiáng)段長度比較。略去大端與小端直徑的差異，大端軸向彎曲應(yīng)力的衰減長度約為小端環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減長度的倍（1.414倍）。大端指2小端指3、4、5之小者。應(yīng)注意，錐殼加強(qiáng)段厚度δr計算中的與錐殼厚度δ計算中的是不同的。3)折邊錐形封頭當(dāng)錐殼大端加強(qiáng)段厚度較大時，可采用帶折邊結(jié)構(gòu)，它將大大緩和其軸向彎曲應(yīng)力，此時錐形封頭帶折邊的大端，按當(dāng)量碟形封頭計算。對錐形封頭小端帶折邊的結(jié)構(gòu)，其對減小環(huán)向薄膜應(yīng)力作用不明顯，為此對α≤45°時計算與無折邊相同。對α＞45°時，Q查圖（7—5）。1)應(yīng)力狀況：兩向彎曲應(yīng)力，徑向、環(huán)向彎曲應(yīng)力。2)兩種極端邊界支持條件。：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)不受約束，σmax在板中心，徑向彎曲應(yīng)力與環(huán)向彎曲應(yīng)力相等。b.固支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)受絕對約束（等于零），σmax在板邊緣，為徑向彎曲應(yīng)力。c.螺栓墊片聯(lián)接的平蓋按筒支圓板處理，σmax在板中心。三、開孔補(bǔ)強(qiáng)1.殼和板的開孔補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則。a.殼（內(nèi)壓）的補(bǔ)強(qiáng)——拉伸強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)，等面積補(bǔ)強(qiáng)。b.板的補(bǔ)強(qiáng)——彎曲強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)，半面積補(bǔ)強(qiáng)。2.等面積補(bǔ)強(qiáng)法。補(bǔ)強(qiáng)計算對象是薄膜應(yīng)力，未計及開孔邊緣的二次應(yīng)力（彎曲應(yīng)力等）。大開孔時，由于孔邊出現(xiàn)較大的彎曲應(yīng)力，故不適用大開孔。1)開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A。A=dδ+2δetδ(1-fr)d——開孔計算直徑，d=di+2cδ——開孔計算厚度，開孔部位按公式計算的厚度。dδ——?dú)んw開孔喪失的承受強(qiáng)度的面積。2δetδ(1-fr)——由于接管材料強(qiáng)度低于筒體時所需另行補(bǔ)償?shù)拿娣e。2）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍a.殼體：B=2d意義：受均勻拉伸的開小孔大平板，孔邊局部應(yīng)力的衰減范圍。b.接管：圓柱殼在端部均布力作用下，殼中環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減范圍（同錐殼小端加強(qiáng)段長度的意義）。3.d，δ的確定。1)d圓筒：縱向截面上的開孔直徑b.球殼：較大直徑c.橢封，碟封，同球殼d.錐殼：同圓筒。2)δa.圓筒：按δb.球殼：按δc.橢圓封頭：過渡區(qū)δ取封頭計算厚度，球面區(qū)，δ取球面當(dāng)量球殼計算厚度。標(biāo)準(zhǔn)橢封當(dāng)量球殼半徑RiDid.碟形封頭：周邊r部位開孔，δ取封頭計算厚度中心R部位開孔，δ取球殼計算厚度。δ取開孔中心處計算直徑2R的計算厚度。四、法蘭包括墊片、螺栓、法蘭三部分。1)墊片寬度Nbob2)墊片比壓力墊片在予緊時，為了消除法