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1、1,卧式容器设计,武汉工程大学机械工程学院 曾 真,2,卧式容器设计前言,卧式容器广泛应用在石油化工、医药、食品等工业领域，卧式是相对于立式而言的，其筒体轴线一般为水平。设计所遵循的主要标准有,3,卧式容器设计的特点卧式压力容器的设计由于其支承方式的特点决定了其设计的特殊性，按JB/T4731-2005钢制卧式容器，其设计步骤为：1）卧式容器设计是先根据操作压力(内压、外压或常压)确定壁厚；2）再依据自重、风、地震及其他附加载荷来校核轴向、剪切、周向应力及稳定性；,卧式容器设计前言,4,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,（一）总体结构支座形式及特点 化工厂的贮槽、换热器等设备一般都是两端具有
2、成型封头的卧式圆筒形容器。卧式容器由支座来承担它的重量及固定在某一位置上。常用卧式容器支座形式主要有鞍式支座、圈座和支腿三种，如图所示。支腿的优点是结构简单，但反力给壳体造成很大的局部应力，用于较轻的小型设备。圈座用于大直径薄壁容器。鞍式支座，通常用于 较重的大设备。对于卧式容器，除了考虑操作压力引起的薄膜应力外，还要考虑容器重量在壳体上引起的弯曲，所以即使选用标准鞍座后，还要对容器进行强度和稳定性的校核。,5,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,双鞍座的优点：置于鞍座上的圆筒形容器与梁相似，当尺寸和载荷一定时，多支点在梁内产生的应力较小，支座数目似乎应该多些好。但容器采用两个以上的鞍座时，支
3、承面水平高度不等、壳体不直和不圆等微小差异以及容器不同部位在受力挠曲的相对变形不同，使支座反力难以为各支点平均分摊，导致壳体应力趋大，因此一般情况采用双支座。双鞍座位置设置的原则：采用双支座时，支座位置的选择一方面要考虑到利用封头的加强效应，另一方面又要考虑到不使壳体中因荷重引起的弯曲应力过大，所以按下述原则确定支座的位置：,6,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸简支梁，按材料力学计算方法可知，当外伸长度A0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取A0.2L，其中L取圆筒体长度(两封头切线间距离)，A为鞍座中心线
4、至封头切线的距离。如A0.2L，则由于外伸作用而使支座截面处壳体的弯矩太大，A最大不得大于0.25L。当鞍座邻近封头时，则封头对支座处简体有加强作用。为了充分利用这一加强效应，在满足A0.2L下应尽量使A0.5Ri(筒体内半径)。注意这里的L为两封头切线之间的距离。鞍座包角 的大小对鞍座筒体上的应力有直接关系，一般采用120o、135o、150o三种。双鞍座中一个鞍座为固定支座，另一个鞍座应为活动支座。,7,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(二)载荷分析载荷分类长期载荷设计压力内压、外压；液体静压力；容器质量载荷自身质量，容器所容纳的物料质量，保温层、梯子平台、接管等附件质量载荷。短期载荷
5、风载、地震载荷(一般取地震载荷)，水压试验充水重。附加载荷在JB/T 4731的附录A中增加有卧式容器上的附加载荷。这是考虑卧式容器上设有立式设备，如换热器、精馏柱、除氧头、液下泵、搅抖器等附属设备(高度均小于10m)时，它对卧式容器圆筒体产生附加弯矩及支座反力。实质上，附加载荷也是一种长期载荷。,8,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(二)载荷分析,模型简化 置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。载荷除了操作内压或外压(真空)外，主要是容器的重量(包括自重、附件和保温层重等)，内部物料或水压试验充水的重量。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可以近似看成支承在两个铰支点上受
6、均布载荷的外伸简支梁。当解除支座约束后，梁上受到如下外力的作用。（如右图）,9,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(二)载荷分析,(1)均布载荷q、支座反力F 容器本身的重量和容器内物料的重量可假设为沿容器长度的均布载荷。因为容器两端为凸形封头，所以确定载荷分布长度时，首先要把封头折算成和容器直径相同的当量圆筒。对于半球形、椭圆形和碟形等凸形封头可根据容积相等的原则，折算为直径等于容器直径，长度为2/3H(凸形封头深度)的圆筒，故重量载荷作用的长度为：,10,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(二)载荷分析,(1)均布载荷q、支座反力F 假如容器总重量为2F，则作用在外伸梁上(梁全长仍为L
7、)单位长度的均布载荷为：,对于平封头，H0，则,由静力平衡条件，对称配置的双鞍座中每个支座的反力就是F，或写成：,11,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(二)载荷分析,(2)竖直剪力V 和力偶M 封头本身和封头中物料的重量为(2/3H)q，此重力作用在封头(含物料)的重心上。对于半球形封头，可算出重心的位置e=3/8H，e为封头重心到封头切线的距离。按照力线平移法则，此重力可用一个作用在梁端点的横向剪力V和一个附加力偶m1来代替，即：对于平封头的V与m1皆为零。,12,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(二)载荷分析,(2)竖直剪力V 和力偶M 当封头中充满液体时，液体静压力对封头作用一
8、水平向外推力。因为液柱静压沿容器直径呈线性变化，所以水平推力偏离容器轴线，对梁的端部则形成一个力偶m2。对液体静压力进行积分运算，可得到如下的结果：,13,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(二)载荷分析,(2)竖直剪力V 和力偶M 对液体静压力进行积分运算，可得到如下的结果：将式(320)的m1与式(321)的m2两个力偶合成一个力偶M：,显而易见，对于半球形封头，RiH，M0；而平封头，H0，Mq/4R2。,14,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(三)内力分析,(1)弯矩 最大弯矩发生在梁跨度中央的截面和支座截面上，而最大剪力在支座截面附近。支座跨中截面的弯矩：,15,卧式容器设计一
9、、鞍座结构及载荷分析,(三)内力分析,(1)弯矩,16,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(三)内力分析,(1)弯矩,筒体在支座截面处的弯矩为：,17,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(三)内力分析,(1)弯矩,C2，C3可由图3-17、图3-18按 H/Ri和L/Ri的比值查得。M2一般为负值，表示筒体上半部受拉伸，下半部受压缩。,18,卧式容器设计一、鞍座结构及载荷分析,(三)内力分析,(2)剪力,剪力最大值出现在支座处筒体上，以图的左支座为例，在支座左侧的筒体截面上剪力为：,而支座右侧筒体截面上剪力为：,通常,19,对于卧式容器除了考虑由操作压力引起的薄膜应力外，还要考虑容器质量导
10、致筒体横截面上的纵向弯矩和剪力。跨中截面和支座截面是容器可能发生失效的危险截面。为此必须进行强度或稳定性校核。,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,20,(一)筒体的轴向应力 1.鞍座跨中截面上筒体上的最大轴向应力 轴向最高点 轴向最低点 当P为正压或外压时，分别为拉应力或压应力,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,跨中截面,21,(一)筒体的轴向应力 2.支座截面上筒体的最大轴向应力 如果筒体横截面上既无加强圈又不被封头加强(即A0.5Ri)，该截面在轴向弯矩作用下，筒体的上半部分截面发生变形，使该部分截面实际上成为不能承受纵向弯矩的“无效截面”，而剩下的下半部分截面才是承受弯矩的“有效
11、截面”，这种情况称为“扁塌效应”。,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,支座截面,22,(一)筒体的轴向应力 2.支座截面上筒体的最大轴向应力 计算支座处筒体的轴向弯曲正应力时，分两种情况进行：鞍座平面上筒体有加强圈或已被封头加强(A0.5Ri)。由整个圆筒截面承受弯矩，不存在扁塌效应。则该截面的抗弯断面模数为。鞍座截面上未设置加强圈又(A0.5Ri)，由于扁塌效应筒体截面仅有一部分能承受弯矩，此时的截面的弧长与2D对应，,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,23,(一)筒体的轴向应力 2.支座截面上筒体的最大轴向应力 在截面最高点；在截面最低点：式中K为考虑扁塌效应使断面模数减少的系数。
12、式中M2为负值。对于筒体有加强的情况，K1=K2=1.0,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,24,(一)筒体的轴向应力 3.筒体轴向应力的校核 筒体上最大轴向应力为，其位置如上。计算得到的轴向拉应力不得超过材料的许用应力，压应力不得超过轴向许用临界应力 和材料的。,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,计算 时，应根据操作和非操作时(指无操作压力装满物料或水的情况)等不同工况，找出危险工况下可能产生的最大应力。例如对有加强的筒体，当 时，只需校核跨中截面的应力，反之两个截面都要校核；又如：正压操作的容器，在盛满物料而未升压时，其压应力有最大值，故对稳定应取这种工况进行校核。,25,（二）筒
13、体的切向剪应力 剪力在支座截面处最大，在筒体中引起的切向剪应力，有下列三种情况：1、筒体有加强圈，但未被封头加强，筒体不存在扁塌效应，在水平中心线处有最大值。,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,26,(二)筒体的切向剪应力 2.筒体被封头加强，筒体上无加强圈，但鞍座靠近封头，封头对筒体支座截面起加强作用。,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,27,(二)筒体的切向剪应力 2.筒体被封头加强，筒体上无加强圈，但鞍座靠近封头，封头对筒体支座截面起加强作用。,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,大部分剪力先由支座的右侧跨过支座传至封头，然后又将载荷传回到支座靠封头的左侧筒体，切向切应力的分布
14、呈图所示的状态，最大切应力位于 的支座角点处。,最大切应力：,封头的最大切应力：,28,(二)筒体的切向剪应力 3.筒体未被加强。,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,当支座截面上简体既无加强圈，又未被封头加强时，则由于存在“扁塌效应”，筒体抗剪的有效截面减少。此有效截面的范围也为角 对应的弧段内。,最大切向剪应力在 数值也为：,但K3数值不相同。,29,(二)筒体的切向剪应力 4.切向切应力的校核：鞍座处筒体的最大切向切应力 的大小和位置决定于筒体的加强形式。求得的切应力值不得超过材料在设计温度下许用应力的0.8倍和轴向许用临界应力 即,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,封头中的切应力
15、，其最大值不应超过下列限制：,30,(三)筒体的周向应力 支座反力在支座处筒体截面引起切向切应力，这些切应力导致在筒体径向截面产生周向弯矩Mt。周向弯矩在鞍座边角处有最大值。理论上最大周向弯矩为：,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,作用在一有效计算宽度 l 的范围上，l 的取值根据不同的l/Ri比值而定。,31,(三)筒体的周向应力当筒体截面无加强圈，封头对支座处筒体也无加强作用，即A0.5Ri。若封头有加强作用，A0.5Ri。最大周向弯矩都在鞍座边角处，数值上都低于支座截面有加强圈的情况，这两种情况中的最大周向弯矩仍按上式计算，但其中系数K按表3-3选取。,卧式容器设计二、筒体的应力计算
16、与校核,32,(三)筒体的周向应力,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,33,(三)筒体的周向应力,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,34,周向压缩应力 的计算值，不得大于筒体材料设计温度下的许用应力，即；合成周向压缩应力 应不大于设计温度下材料许用应力的1.25倍，即 如上述条件不满足，则可加宽支座宽度 或在简体与支座之间加放加强板(见图，加强板可与筒体厚度相同，宽度 不小于，包角不小于。设置加强板以后，应以筒体计算厚度和加强板厚度之和作为厚度。由于加强板边缘处筒体并无加强板，所以还应检查该处的合成压缩应力，如应力仍超出允许值，则应增加鞍座宽度或包角，或两者同时增加，也可设置加强圈。,
17、(三)筒体的周向应力,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,35,卧式容器设计二、筒体的应力计算与校核,(三)筒体的周向应力当筒体截面有加强圈，分别计算鞍座边角处圆筒的周向应力 及鞍座边角处加强圈内缘或外缘表面周向应力（计算 公式略）周向应力，应不大于设计温度下材料许用应力的1.25 倍。总之，周向应力校核条件为：,36,卧式容器设计三、鞍座设计,(一)概述卧式容器支座采用JB/T4712标准鞍座时，在满足JB/T4712所规定的条件时（鞍座包角q为120或150，地震烈度8度，钢/钢摩擦系数0.3），可免去对鞍座的强度校核；否则应按JB/T47317.4进行强度校核。如下列情况：重新设计鞍座
18、时，卧式容器上有附加载荷，或其上有配管及地震力载荷，或对需抽芯的换热器时，需对鞍座腹板/筋板组合截面进行强度校核。,37,(一)概述,卧式容器设计三、鞍座设计,增大鞍座包角可以使筒体中的应力降低，但使鞍座相应变得笨重，同时也增加了鞍座所承受的水平推力；过分地减小包角，又使容器容易从鞍座上倾倒，因此在一般情况下建议取,鞍座宽度 的大小，一方面决定于设备给予支座的载荷大小，另一方面要考虑支座处筒体内周向应力不超过允许值。,设备给予鞍座的载荷为沿包角 对应弧段的不均匀分布的径向力q，此载荷的水平分力将使鞍座向两侧分开，故鞍座的宽度 必须具有足够大小。JB4712的标准鞍座即依此制定出。,38,(二)鞍座设计,卧式容器设计三、鞍座设计,半个鞍座的水平分力的总和可以用下式表示：,39,(二)鞍座设计,卧式容器设计三、鞍座设计,承受此水平分力的有效截面的高度为H，最大为筒体最低点以下 的范围内，此截面上的平均应力不应超过支座材料许用应力值的三分之二，当无垫板或垫板不起加强作用时：,式中：对钢制鞍座取腹板厚度；对混凝土鞍座则为鞍座宽度，mm；Hs计算高度，取鞍座实际高度与 中较小值 鞍座材料的许用应力，MPa。,在大多数情况下，鞍座宽度 取。,
