化工容器設(shè)計第十一講

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1、一、引言二、殼體局部應(yīng)力的計算第四節(jié)局部應(yīng)力計算一、引言容器除了受內(nèi)壓或外壓之外，在其制造、安裝和使用過程中還受到許多其它載荷。這些附件包括支座，托架，吊耳和接管等，如右圖，通過附件傳過來的載荷對殼體的影響通常僅限于附件與殼體連接處附近的局部地區(qū)，因此稱為局部載荷。第四節(jié)局部應(yīng)力計算一、引言當容器同時受到壓力載荷時，在這些局部地區(qū)還有另外一些局部應(yīng)力，如局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，以及在截面尺寸突變的轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中。這些局部應(yīng)力的存在將成為容器發(fā)生強度或穩(wěn)定性失效的主要原因。因為容器總有接管和支撐附件，所以計算局部載荷作用下殼體或接管中的局部應(yīng)力成為十分必要。由于載荷或

2、幾何形狀和載荷的非對稱性，對局部應(yīng)力作完整分析過于復雜，往往不便于應(yīng)用。第四節(jié)局部應(yīng)力計算一、引言第四節(jié)局部應(yīng)力計算二、球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計算（一）外載荷通過附件傳到殼體上的外載荷包括下列幾種：徑向載荷P；外力矩M(球殼)或周向外力矩和經(jīng)向外力矩(圓柱殼)；切向載荷V(球殼)或周向切向載荷Vc和經(jīng)向切向載荷VL(圓柱殼)；扭轉(zhuǎn)力矩MT；上述載荷的不同組合。(二)應(yīng)力（1）一般的計算式由徑向載荷和外力矩在薄殼中產(chǎn)生的正應(yīng)力為式中：Ni為i方向單位長度的薄膜內(nèi)力，N/mmMi為i方向單位長度的內(nèi)彎矩，N·mm/mmT為殼體厚度，mmKn,Kb為薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的應(yīng)力

3、集中系數(shù)對于受靜載荷的鋼制容器，Kn=Kb=1.0第四節(jié)局部應(yīng)力計算二、球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計算第四節(jié)局部應(yīng)力計算二、球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計算第四節(jié)局部應(yīng)力計算二、球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計算(二)應(yīng)力式中i方向?qū)A柱殼指周向?和軸向x，對球殼指切向?和經(jīng)向x，對圓柱殼為：式中：扭轉(zhuǎn)力矩MT在殼體與附件連接處殼壁中產(chǎn)生的切應(yīng)力，圓柱形附件：第四節(jié)局部應(yīng)力計算二、球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計算(二)應(yīng)力由切向載荷和轉(zhuǎn)矩在殼體中產(chǎn)生的切應(yīng)力則按下式計算；圓柱殼為：球殼：球殼-圓柱殼附件：球殼-方形附件：（二）應(yīng)力（2）正應(yīng)力位置和符號。在一般情況下，由局部載荷引起的最大正應(yīng)

4、力發(fā)生在附件與殼體連接處的殼壁內(nèi)外表面上，如下圖所示：Au、Bu、Cu、Du和AL、BL、CL、DL八個點。這些點的應(yīng)力狀態(tài)為雙向應(yīng)力狀態(tài)，即對球殼為經(jīng)向應(yīng)力?x和切向應(yīng)力??。第四節(jié)局部應(yīng)力計算二、球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計算（二）應(yīng)力（2）正應(yīng)力位置和符號。第四節(jié)局部應(yīng)力計算二、球殼和圓柱殼局部應(yīng)力的計算球殼-圓柱形：球殼-方形：化工容器設(shè)計中的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題涉及過程工藝、材料、制造與防腐蝕等因素，本節(jié)僅從應(yīng)力與強度角度進行結(jié)構(gòu)分析。從應(yīng)力與強度上講必須要考慮如何減小局部應(yīng)力，若容器的容積愈大，壓力愈高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中對減小局部應(yīng)力的考慮應(yīng)愈仔細，否則局部應(yīng)力過高將導致

5、結(jié)構(gòu)在局部區(qū)域發(fā)生過度變形失效，甚至使整個設(shè)備毀壞。結(jié)構(gòu)設(shè)計中減小局部應(yīng)力的原則措施是：在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處盡可能圓滑過渡，并應(yīng)避開焊縫。在有局部載荷作用的地方應(yīng)適當予以加強，如墊以襯板以減小局部應(yīng)力。第五節(jié)容器設(shè)計中的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析（一）凸形封頭邊緣直邊段的分析碟形、橢圓形或球形封頭，在封頭與圓筒交接的切線處(見圖)總存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，不連續(xù)應(yīng)力最大的地方應(yīng)避免設(shè)置焊縫，必須使封頭具有一直邊段。在直邊段之外不連續(xù)應(yīng)力已得到一定的衰減，這樣焊縫中即使存在一些小的缺陷以及焊接殘余應(yīng)力，也不致對安全有太大的影響。第五節(jié)容器設(shè)計中的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題一、容器的

6、結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析球形封頭，由于封頭本身較深，制造時再要增加一直邊段就更難沖壓，一般不設(shè)直邊段。球與圓筒的切線也同時成為焊縫(見圖)。但不應(yīng)忽視環(huán)焊縫也是球封頭上的焊縫，因此即使球封頭本身沒有拼接焊縫，然而在計算壁厚時也應(yīng)考慮焊接接頭系數(shù)的選取，此種情況不考慮焊接接頭系數(shù)是不合理的。（一）凸形封頭邊緣直邊段的分析球形封頭與管板相連接的結(jié)構(gòu)，由于焊縫所處的位置是球與平板結(jié)合的不連續(xù)處，存在較大的不連續(xù)應(yīng)力。此處的焊縫又為單面角焊縫，無法內(nèi)部探傷。這種結(jié)構(gòu)在實際使用中已多次發(fā)生爆炸，不得不使數(shù)百臺同類設(shè)備報廢。從爆炸斷口分析可知，此處存在許多未焊透缺陷。較為理想的做法是采用

7、圖(b)的結(jié)構(gòu)，使管板周圍突出，把角焊縫變成對接焊縫，既可保證焊接質(zhì)量，又可有利于無損檢測。且焊縫又不處于不連續(xù)應(yīng)力最大的地方。但這也帶來了新的問題，即管板毛坯太厚，加工較復雜。第五節(jié)容器設(shè)計中的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題一、容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析（二）變徑段結(jié)構(gòu)分析化工設(shè)備往往需要使直徑不同的兩段筒體連接在一起，連接部位必須考慮圓滑過渡的問題。圖(a)結(jié)構(gòu)使上下連接部位的結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力過大，僅能用于a≤30o的情況。當半錐角30o45o時小端也應(yīng)采用如圖(c)所示的帶過渡區(qū)的折邊錐殼，或者采用如圖(d