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卧式容器

卧式容器

第一节概述

卧式容器的设计，除按常规计算圆筒、封头外，还应验算支座处的局部应力。

此局部应力的计算取决于支座的结构型式。

卧室容器的支座型式有鞍式支座、圈座和支腿式支座。

一般对于大直径的薄壁容器和真空操作的卧式容器或支承点多于两个时可采用圈座。

支腿式支座结构虽简单，但由于支承反力集中于局部壳体上，故只适用于较轻的小型卧式容器。

对于较重的大设备，通常采用鞍式支座。

目前应用的鞍式支座，大多是双鞍座式。

从受力情况来分析，支座越多其容器内产生的应力越小，但由于地基不均匀的沉陷、基础水平度的误差或筒体不直、不圆等因素造成支座反力分布不均，反而使局部应力增大，因此一般都采用双支座。

对于此类卧式容器，其受力分析和强度设计都以齐克（L.P.Zick）提出的理论为基础，即将卧式容器当作受均布载荷的双支点的外伸简支梁来分析的，但这种近似分析所求得的各项应力与通过实验测定的各应力值并不完全相同，所以在应力计算式中进行了修正，并按应力的性质对各应力值进行了控制。

我国及其他不少国家都以此理论为依据制订卧式容器的设计规范。

第二节卧式容器计算

一、设计规范

1、GB150《钢制压力容器》——国家标准

适用范围：

（1）鞍式支座（或圈座）支承的薄壁容器；

（2）几何形状对称、载荷均布的容器；

（3）承受非交变性载荷作用的容器；

（4）两支座，且鞍座形心到封头切线之间的距离A≤0.2L；

（5）鞍座包角θ在120°≤θ≤150°范围内。

2、HGJ16《钢制化工容器强度计算规定》——化工部标准

适用范围：

三鞍座卧式容器的设计和计算。

二、受力分析

1、受力分析图、弯矩图和剪力图（见图1）

2、外载荷

（1）设计压力p（内压或外压）

（2）

（2）均布载荷q

容器的质量作用于假想的简支梁（即卧式容器）上，容器质量包括容器自身质量、充满水或所容介质的质量、所有附件及保温层等质量。

简支梁的长度为筒体L加上两个封头的折算长度，封头折算长度2/3hi；得单位长度载荷q。

N/mm

<1-1>

式中L——圆筒长度（两封头切线之间的距离），mm；

hi——封头曲面深度，mm；

F——鞍座反力，N；F=mg/2N<1-2>

m——容器总质量，kg；

g——重力加速度，取g=9.81m/s2。

（3）封头曲面部分质量G。

封头曲面部分的质量作为集中载荷作用于距离切线3/8hi处，其值为：

N<1-3>

（4）水平力矩M0

当容器盛满介质或水时，作用于封头液体静压的合力qRm产生的附加弯矩，（合力作用点位于轴线下方Rm/4处），其值为：

N.mm<1-4>

式中Rm——圆筒的平均半径，mm；Rm=Ri+δn/2mm;

Ri——圆筒内半径，mm；

δn——圆筒名义厚度，mm。

3、圆筒轴向弯矩

双鞍座支承的卧式容器，由于上述载荷，按假设条件根据材料力学便可绘出其弯矩图。

从弯矩图可知最大弯矩位于容器支座处或圆筒中间处的截面上，其值为：

（1）在鞍座处圆筒截面上的轴向弯矩M2

取鞍座中心线左侧为截离体（见图2），其各力对鞍座中心线a求矩：

综合考虑G0、q及水平力矩作用，

N.mm<1-5>

图2鞍座处圆筒截面上的弯矩与剪力

（2）圆筒中间处截面的轴向弯矩M1

同理，取圆筒中间处左侧为截离体（见图3），将各截荷对其纵向中心求矩，即为中间处截面上的轴向弯矩。

将式<1-1><1-5>代入经整理得：

N.mm<1-6>

图3跨中截面弯矩

4、竖直剪力V

双支座卧式容器同两支点梁一样，由于容器载荷所引起的最大竖直剪力出现在支座截面处（见图2），并取靠近纵向中心一侧的V值，取力的平衡，则竖直剪力为：

V=F-G0-A.q

将<1-1><1-3>代入经整理得：

<1-7>

三、最佳鞍座位置

1、根据材料力学分析，当跨中截面与支座截面弯矩相等时，用料及应力分布最合理。

由此原则导出支座中心与封头切线间的距离A=0.207L，如果大于此值支座处的轴向弯曲应力将显著增加。

2、封头的刚性一般比筒体大，对筒体有局部加强作用。

试验证明A≤0.5Rm时，封头对筒体有加强作用。

当A>0.5Rm或筒体无加强措施而刚性不足时，在周向弯矩的作用下，鞍座处筒体上将产生“扁塌”现象，成为无效区不起承载作用，使支座处筒体中各种应力增大。

根据以上二点得出确定卧式容器鞍座的最佳位置，首先必须满足A≤0.2L，其次尽量使A≤0.5Rm。

四、应力计算及校核

由受力分析知道，卧式容器筒体内存在三种应力，即轴向应力

（σ1~σ4）、切向剪应力（τ）和周向应力（σ5~σ8）。

在设计计算时必须对此三项应力进行校验。

1、轴向应力（σ1~σ4）

圆筒的轴向应力由两部分组成，即由压力产生的轴向应力和轴向弯矩（M1或M2）产生的轴向应力组成。

（1）压力产生的轴向应力

MPa

式中p——设计压力，MPa

（2）轴向弯矩产生的轴向应力（σ1~σ4）

跨中截面处：

最高点（最大压应力）

MPa（图4中b1点）

最低点（最大拉应力）

MPa（图4中b2点）

式中W1——跨中截面抗弯断面模数W1=3.14R2mδemm3

鞍座截面处（二种情况）

a.当筒体被封头加强（即A/Rm≤0.5）或在鞍座平面上设有加强圈时，圆筒整个截面都有效地承受弯矩作用，则：

图4筒体轴向弯曲应力

最高点（最大拉应力）

MPa（图4中a1点）

最低点（最大压应力）

MPa（图4中a2点）

式中W2——鞍座处截面抗弯断面模数W2=3.14R2mδemm3

b.当筒体未被封头加强（即A/Rm＞0.5）或在鞍座平面上无加强圈时，筒体上部由于“扁塌”现象减少了圆筒承受弯矩的有效面积，因此抗弯模量W2必须分别乘以削弱系数K1、K2，这时最大拉应力下移至靠近水平中心线处（图4-c中a1点），其值为：

（最大拉应力）

MPa

最低点（最大压应力）

MPa（图4-c中a2点）

式中K1,K2查阅有关教科书。

（3）轴向应力组合

将压力产生的轴向应力与轴向弯矩产生的轴向应力叠加，即

σ1~4=σp+σ1~4

MPa（b1）<1-8>

MPa（b2）<1-9>

MPa（a1）<1-10>

MPa（a2）<1-11>

（4）轴向应力的校核

在校核轴向应力时，应根据容器的不同工作条件进行组合，求出最大拉应力和最大压应力。

见下表。

表中：

[σ]t—设计温度下容器材料的许用应力，MPa；

[σ]ac—设计温度下容器材料的轴向许用压缩应力，MPa。

按GB150—89《钢制压力容器》确定。

最大轴向应力的组合与校核条件

压力

最大轴向应力的性质与位置

状态

应力的组合

校核条件

P＞0

最大拉应力出现在a1点或b2点

最大压应力出现在a2点或b2点

操作状态

非操作状态盛满

水（介质）时

σp+σ’2或

σp+σ’3

σ’1σ’4

≤[σ]t

≤[σ]t

且≤[σ]ac

P＜0

最大拉应力出现在a1点或b2点

最大压应力出现在a2点或b2点

非操作状态盛满

水（介质）时

操作状态

σ’2或σ’3

σp+σ’1

或σp+σ’3

≤[σ]t

≤[σ]t

且≤[σ]ac

2、切向剪应力（τ）

由于容器载荷所引起的最大竖直剪应力出现在鞍座截面处，因而需校核在鞍座截面处圆筒的切向剪应力τ，剪应力τ的大小与封头是否对圆筒起加强作用，以及在鞍座处是否设有加强圈等因素有关。

切向应力限制条件：

鞍座处筒体的最大切向剪应力：

τmax≤0.8[σ]t，τmax≤[σ]cr

封头中的最大剪应力：

τhmax≤1.25[σ]t-σh

3、周向应力（σ5~σ8）

支座反力在支座处筒体截面引起切向剪应力，这些剪切应力导致在筒体径向截面产生周向弯矩，支座反力在与鞍座接触的筒体上还产生周向压缩力，由此，卧式容器在均布载荷和支座反力的作用下，鞍座处的圆筒将产生周向压缩与弯曲：

（1）周向压缩力PA，由于鞍座的径向反力和切向剪力的作用，鞍座截面在θ角范围内将产生周向压缩力PA，PA大小随φ变，且发生在φ=π处，即筒体截面的最低点（见图5）。

<1-12>

K5——系数，其值随θ而变。

（2）周向弯矩Mθ

由于载荷的作用，鞍座处筒体横截面上将产生周向弯矩。

周向弯矩的分布对称于Y轴，最大弯矩发生在鞍座边角处（见图6）。

Mφ=K6FRm<1-13>

或Mφ=K7FRm<1-14>

式中K6、K7——系数，查阅有关教科书。

（3）周向应力计算

a.无加强圈时

i）垫板不起加强作用时

图5周向压缩应力图6周向弯矩

在横截面最低点处

由最大周向压缩力PAmax引起的压应力

MPa<1-15>

式中K——系数，当容器不焊在支座上时，取K=1；

当容器焊在支座上时，取K=0.1

b2——有效宽度b2=1.56nm；

b——支座轴向宽度，mm

在鞍座边角处

此处筒体中的周向应力，不仅要考虑周向压缩力，还要考虑周向弯矩。

所以该处的周向应力由二部分组成，另外由于抗周向弯矩截面系数当L＞8Rm时及当L≤8Rm时数值不同，因此：

当L/Rm≥8时：

MPa<1-16>

当L/Rm＜8时：

MPa<1-17>

式中：

K5、K6——系数，查阅有关教科书。

ii）垫板起加强作用时

垫板起加强作用时，其σ5、σ6计算式只要将式<1-15>、<1-16>、<1-17>公式中的δe用（δe+δre）代入即可，δre为垫板有效厚度,即得σ5、σ6计算式<1-18>、<1-19>、<1-20>。

当垫板起加强作用时，还必须计算垫板边缘处圆筒的周向应力，即当L/Rm≥8时：

MPa<1-21>

当L/Rm＜8时：

MPa<1-22>

式<1-21>、<1-22>中的K6值必须采用鞍座垫板包角（θ+12）°的K6值。

b.加强圈位于鞍座平面上时

在鞍座边角处圆筒的周向应力：

MPa<1-23>

式中e——加强圈与圆筒组合截面形心距圆筒外表面或内表面的距离，nm；（见图8）

A0——一个支座所有加强圈与圆筒起加强作用有效段的组合截面积，mm2；

I0——一个支座所有加强圈与圆筒起加强作用有效段的组合截面对该截面形心轴X-X惯性矩，nm4；

K7、C4——系数，查阅有关教科书。

在鞍座边角处，加强圈内缘或外缘表面的周向应力：

MPa<1-24>

c.当加强圈靠近鞍座时，

σ5—按式（1-15）计算；

σ7—按式（1-23）计算；

σ8—按式（1-24）计算；

σ6—按式（1-16）、式（1-17）或式（1-19）、式（1-20）计算。

（4）周向应力的组合

周向应力主要校验其周向压应力，应按最不利情况考虑。

在操

作工况下，由于设计压力也产生周向应力，此周向应力在内压工况时为拉应力，故不加考虑。

而在真空工况下其周向应力为压应力，在应力组合时应加以考虑，但由于这部分应力很小，可以忽略。

（5）周向应力的校核

|σ5|≤[σ]t

σ6、σ6‘、σ7与σ8为局部应力故

|σ6|、|σ6‘|、|σ7|≤1.25[σ]t

|σ8|≤1.25[σ]tr

式中[σ]t——设计温度下圆筒材料的许用应力，MPa;

[σ]tr——设计温度下加强圈材料的许用应力，MPa。

五、鞍座设计和选用

1、受力分析

（1）垂直静载荷

由容器及介质的质量引起。

（2）水平分力Fs

半个鞍座上的水平分力是各水平分力的总和，以下式表示

Fs=K9FN<1-25>

式中K9——系数，（查GB150表8-5）。

承受此水平分力的有效截面限于筒体最低点以下Rm/3距离内。

（3）摩擦力Pf

由于容器膨胀或收缩，在底板上产生的力。

Pf=f·FN<1-26>

式中f——摩擦系数。

（4）地震载荷Pe

Pe=KFN<1-27>

式中：

K——地震系数，当地震烈度为8级时K=0.135。

2、鞍座包角θ

增大包角可使筒体内的应力降低，但鞍座变得笨重，材料消耗增多，同时也增加了鞍座承受的水平推力。

而过分减小包角，设备容易从支座上倾倒。

通常采用θ=120°，必要时θ=150°。

3、鞍座宽度b

鞍座宽度将影响筒体内的周向应力，它的大小要使支座处筒体内的周应力不超过许用值，一般取b≥8。

4、垫板尺寸

垫板不作加强板用时，垫板宽度不小于b。

垫板作为加强板用时，其宽度b2=b+1.56，且垫板的弧长与简体圆心夹角应为θ+12°。

垫板有效厚度δre=δn。

5、鞍座有效断面平均应力校核

<1-28>

式中b——钢制鞍座的腹板厚度，mm；

Hs——计算高度，取鞍座实际高度和Rm/3两者中的较小值。

计算所得的σ9不应超过鞍座材料许用应力[σ]sa的2/3倍。

6、标准鞍座支座的选用

（1）标准号：

JB/T4712-92《鞍式支座》

（2）选用鞍座时应满足鞍座的设计条件：

a.设计温度为200℃；

b.地震设防烈度为8度（II类场地上）；

c.鞍座设置应尽可能靠近封头，即A应小于或等于D0（容器外径）的四分之一，且不大于0.2L（L为两封头切线间的距离），当需要时不得大于0.25L；

（3）鞍座允许载荷

在标准高度下其允许载荷按标准表中规定，当鞍座高度增加时，允许载荷下降，其值可按其附录B确定。

（4）鞍座型式选定

该标准鞍座有轻型、重型；包角120°、150°；有无垫板之分，选用时按鞍座实际承载大小确定轻型或重型；按容器圆筒强度需要确定包角大小。

（5）垫板选择

当容器公称直径大于900mm时，该标准鞍座都设置垫板；当容器公称直径小于或等于900mm时，该标准鞍座分带垫板和不带垫两种，当符合下列条件之一时必须设置垫板；

a.容器圆筒有效厚度小于或等于3mm时；

b.容器圆筒鞍座处的周向应力大于规定值时；

c.容器圆筒有热处理要求时；

d.容器圆筒与鞍座间温差大于200℃时；

e.当容器圆筒材料与鞍座材料不具有相同或相近化学成成和性能指标时。

（6）基础垫板

当容器基础为钢筋混凝土时，其滑动鞍座底板下面必须安装基础垫板，并要求平整光滑，其尺寸参照其附录C确定。

当容器操作壁温与安装环境温度有较大差异时，应注意满足鞍座长腰孔L大于或等于操作时的膨胀量和安装公差之和，可按其附录A查取核算确定，地脚螺栓定位应注意温差膨胀量和方向。

（7）结构说明：

a.本标准中垫板上开一通气孔以利于焊接或需热处理的设备热处理时气体的排放。

b.筋板上设置了两个螺栓孔供容器接地用。

（8）标记方法

JB/T4712-92鞍座X1X2————X3

X1——型号（A、BI、BII、BIII、BIV、BV）

X2——（公称直径（mm）

X3——（F、S）。

一台容器所使用的两个鞍座必须一个F型，一个S型。

其目的是当容器温度发生变化或载荷变化产生轴向热变形时，S型支座可随容器沿地面滑动，以防止热应力产生。

注：

①若鞍座高度h，垫片宽度b4，垫板厚度δ4，底板滑动长孔长度l与标准尺寸不同，则应在名称栏注明：

h=，b4=,S4=,l=；

②鞍座材料：

支座/垫板。

4.卧式容器合理设计

在选材已定的条件下，卧式容器设计合理与否，大致可归纳为下列几点：

a.合理的容器直径和长度（长径比）；

常用的长径比范围为3~6。

不合理的长径比，会导致材料浪费、结构复杂以及受力情况差。

b.合理的支座形式和位置；

鞍座由于结构简单且使容器受力状态较好，因而使用最多。

合理的鞍座位置能使容器受力状态得到改善，材料得到较充分利用。

c.合理的加强设计（不包括开孔补强）

卧式容器的加强设计包括：

（1）利用封头的挺性对鞍座平面处的圆筒起加强作用；

（2）选择合适的支座结构和型式；（3）在必要时设置加强件（加强板和加强圈）。

总之，对卧式容器的设计，应对上述几点进行综合分析处理，以使设计合理。