JBT4731钢制卧式容器讲稿.docx

1、JBT4731钢制卧式容器讲稿JBT 4731-2005 钢制卧式容器讲稿1.适用范围JB/T 47312005钢制卧式容器相对于原来 GB l501989 第 8 章作了部分修订，如：取消圈座支承，增加鞍座轴向弯曲强度校核及附录 A有附加载荷作用时卧式容器的强度汁算等。JB/T 4731 适用于设计压力不大于 35MPa，在均布载荷作用下，由两个对称的鞍式支座支承的常压及受压卧式容器，它不适用于：直接火焰加热及受核辐射作用的卧式容器；经常搬运的卧式容器；带夹套的卧式容器；一一作疲劳分析的卧式容器：卧式容器设计是先根据操作压力 (内压、外压 )确定壁厚，再依据自重、风、地震及其他附加载荷来校核

2、轴向、剪切、周向应力及稳定性，卧式容器设计还包括支座位置的确定及支座本身的设计。2.术语和定义.操作压力.设计压力.计算压力.试验压力设计温度工作温度试验温度计算厚度设计厚度名义厚度有效厚度3设计的一般规定3.1 设计压力的确定 ：（a）设计压力值应不低于操作压力；（b）装有超压泄放装置时，设计压力按 GB150 附录 B 确定设计压力；(c)液化气体，液化石油气的卧式容器，按容规规定确定设计压力；(d)真空容器的设计压力按承受外压考虑， 当装用安全控制装置时，设计压力取 1.25 倍的最大内外压差或 0.1Mpa 两者的较低值；当无安全控制装置时，设计压力取0.1Mpa。32 设计温度的确定

3、：(a)设计温度不低于元件金属在工作时可能达到的最高温度。对于 0 度以下的金属温度 ,设计温度不应高于元件金属在工作时可能达到的最低温度。铭牌上应标志设计温度。(b)低温卧式容器的设计温度按 GB150 附录 C 规定确定。33 元件金属温度确定（a）传热计算；(b)在已使用的同类容器上测定；(C)在使用过程中，金属温度接近介质温度时按内部介质温度确定。34 对于有不同工况的卧式容器， 应按最苛刻的工况设计， 并在图样或技术文件中注明各工况的操作压力和操作温度。3.5 设计载荷（a）.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

4、等附件质量载荷。(b).短期载荷风载、地震载荷 (一般取地震载荷 )，水压试验充水重。(c).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。3.6 厚度附加量 CC=C1+C2C1-钢材厚度负偏差， mm;C2-腐蚀裕量， mm.钢板或钢管的厚度负偏差按相应钢材标准的规定。当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚度的 0.6%时，在计算中负偏差可忽略不计。361 腐蚀裕量

5、 C2为防止容器元件由于腐蚀、 机械磨损而导致厚度削弱减薄 ,应考虑腐蚀裕量 .具体规定如下：a）对有腐蚀或磨损的元件， 应根据预期的设计寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；b）卧式容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；c）碳素钢或低合金钢卧式容器，腐蚀裕量不小于 1mm。37 卧式容器筒体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度按下列规定：a）对碳素钢或低合金钢制卧式容器，不小于 3 mm；b）对高合金钢制卧式容器，不小于 2 mm。38 不锈钢复合钢板的许用应力：（a）对于复层与基层结合率达到 JB4733 规定的 B2 级以上的复合钢板，在设计计算中，如需计入复层材料的

6、强度时，其设计温度下的许用应力：t t t 1 1 2 21 2(b)对于未与卧式容器壳体壁连成整体的耐蚀衬里层， 在设计计算中不考虑耐蚀衬里层的强度。39对于地震载荷与其他载荷组合时，壳壁的应力允许不超过1.2 倍的许用应力。310对于卧式容器，如需选用GB150以外的钢材，应符合GB150附录A 规定。311焊接接头系数对于卧式容器，焊接接头系数应根据受压元件的焊接接头的焊接工艺特点（单面焊或双面焊，有或无垫板）以及无损检测的长度比例确定。312 压力试验与 GB150-1998 一致313 材料(a)卧式压力容器材料应 GB150 规定；卧式常压容器材料应 JB/T4735 规定(b)鞍

7、座，焊在受压壳体上的重要内件，加强圈等非受压元件用钢应符合下列表中规定:使用温度 选用材料 许用应力 sa Mpa0250Q235-B147-20250Q345170-2016MnR(c)鞍座垫板材料应与壳体材料相同；(d)地脚螺栓宜选用符合 GB/T700 规定的 Q235 或符合 GB/T1591 规定的 Q345。如采用其他碳素钢，则 ns=1,6; 如采用其他低合金钢，则 ns2.0。314 鞍式支座卧式容器支座采用 JB/T4712 标准鞍座时，在满足 JB/T4712 所规定的条件时，可免去对鞍座的强度校核；否则应按 JB/T47317.4 进行强度校核。4结构41 支座形式卧式容

8、器的支座大多为鞍式支座，三鞍座，很少使用圈座。JB/T 4731 主要对双鞍座对称布置情况作了规定。卧式容器支座采用鞍座时，无论双、三或多鞍座，都必须只有一个为固定支座，其余为滑动支座，以减少圆筒体因热胀、冷缩或圆筒体及物料质量引起的对支座产生的附加载荷。对双鞍座，固定端多选在容器接管较大、较多的一侧。对三鞍座，固定端选在中间支座以减少滑动端的位移量。滑动端支座下的基础面应埋设钢平板，对伸缩频率较高的可在鞍座底板与基础面平板间设滚动柱。采用混凝土鞍座时，容器支座区应焊有衬板，并用定位板限制容器的转动：容器支座区的衬板或鞍座加强板与圆筒体焊接时，应采用连续焊，但在最低处，在板的两侧需留有 50m

9、m 长不焊。42 支座设置图 41对于双鞍座上卧式容器的应力作精确的理论分析十分困难，目前国内外有关容器设计规范均采用 Zick 在 1951 年在实验研究的基础上提出的近似分析和计算方法，按Zick 的假设及分析，置于鞍座上的卧式容器可简化为对称分布的承受均布载荷的双铰支点的外伸梁进行分析。由材料力学可知，一全长为 L 的双支点相同外伸的简支梁，当仅承受均布横向载荷且外伸长 A=0.207L 时，其支座处及两支座中和处的 弯矩绝对值相等从而使得由均布载荷引起的圆筒体的轴向弯曲应力 ( 1， 2， 3， 4 )绝对值为最小，但对大直径、薄壁卧式容器， 起控制的应力往往是鞍座处的 6， 6， 7

10、， 8， 9， 等这些应力。因此应当尽可 能使 A0.5Ra，以有效地利用封头对圆筒体的加强作用 ，对 L/D i 很大，如比值大于 15 且壁厚较薄的卧式容器， 为避免支座跨距过大导致圆筒体产生严重变形及应力过大，可以考虑设置三个以上支座。但三个以上支座有可能因支座高度偏差及基础的不均匀沉降而产生支座处的附加弯矩及附加支反力，因此尽量少用。4.3 加强圈的设置（1）加强圈应是整圈或相当于整圈结构，加强圈与壳体连接应符合GB150 的规定；（2）考虑卧式容器支座处局部应力时，可在鞍座平面或靠近鞍座平面处设置加强圈，见下图：图 42图 43(3)考虑卧式容器外压失稳时，加强圈的设置和计算按GB1

11、50 的规定。5载荷分析和内力分析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均布载荷的外伸简支梁，梁上受到如下外力的作用，见图（ 51）。5.1 均布载荷 q 和支座反力 F假设容器本身的重量和容器内物料的重量为 mg，沿容器长度均匀分布。一般情况下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

12、径等于容器直径，长度为 23 hi (hi 凸形封头深度 )的圆筒，故重量载荷作用的长度为 L 4hi / 3, L 为两端封头切线间距离。容器总重量 mg 应该与两个支座反力 2F 相等，故作用在外伸梁上单位长度的均布载荷为：qmg2F（1）4 hi4 hiLL33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：q L4hi3F2（2）5.2 竖直剪力 V 和力偶 M封头本身和封头中物料的重量为2 hi q ，此重力作用在封头 (含物料 )的重心上。对于3 Ri3半球形封头，可算出重心的位置 e, e为圆筒内半径。为封头重心到封头切线的距离， R8i这一关系也近似用于其他形

13、式的凸形封头，即 e 3 hi 。按照力线平移法则，此重力可用8一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：V2 hi q（3）3和m12 hi q3 hihi2q（4）384此外，当封头中充满液体时，液体静压力对封头作用一水平向外推力。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 :m2 (qRi ) RaRa2q（5）44式中 Ra 为圆筒平均半径，并令 RiRa 。将式 (4)的 m1 式为 (5)的 m2 两个力偶合成一个力偶M，即：M m2 m1q ( Ra2hi2 )（6

14、）4因此，双鞍座卧式容器力学上简化为一受均布载荷的外伸简支梁，两梁的两个端部还分别受到横剪力 V 和力偶 M 的作用，如图所示，见表 5-1。5.3 弯矩和剪力和材料力学梁受弯曲分析相似，上述外伸简支梁在重量载荷作用下，梁截面上有弯矩和剪力存在，其弯矩图和剪力图如图所示。由图 51 可知，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处，它们可按下述方法计算。1.弯矩筒体在支座跨中截面的弯距，按图所示梁的平衡条件得到。M 1q ( Ra2hi2 )2 hi q LF LA q L L432224以 q1L 2F4 hi 代入则得：32 ( Ra2hi2 )FL124 ALM

15、14hiL41L3（7）（8）M1 通常为正值，表示上半部筒体受压缩，下半部筒体受拉伸 。筒体在支座截面处弯矩为M 2q ( Ra2hi2 )2 hi qA qAA4321ARa2hi2（9）L2 ALFA 11 4 hi3 LM2 一般为负值，表示筒体上半部受拉伸，下半部受压缩 。表 5-1 不同封头的端部 V、M和弯矩 M2 的方向容器封头平封头标准椭圆封头半球形封头2.剪力封头深度 hi0Ra2Ra端部横剪力 V01Ra q32Ra q3端部力 支座截面处偶M弯矩M2120(A4Ra qRa0.707)3 Ra2q0( A0.364)16Ra0 V2。6卧式容器壳体应力计算6.1 计算步

16、骤(1)先按 GB150 设计压力 (内压、外压、常压 )或最小壁厚选取原则，求出圆筒体、封头等壁厚。(2)按 JB/T 4731 计算 1 9， ， h， sa 各项应力并进行校核。由前面分靳可知，对于卧式容器除了考虑由操作匡力引起的薄膜应力外，还要考虑容器总重导致筒体横截面上的纵向弯矩和剪力，而且跨中截面和支座截面是容器可能发生失效的危险截面，因此，为了进行强度或稳定性校核，需要确定危险截面上的最大应力的位置与大小。(3)对卧式容器筒体上有附属设备时，需按 JB/T 4731 的附录 A 将附加载荷作为集中载荷与卧式容器原有的均布载荷等一并考虑，求出组合条件下的支座反力和弯矩进行强度校核。

17、(4)水压试验时应力校核。6.2 圆筒体的轴向应力及其位置圆筒体的轴向应力及其位置见图 61。1.两支座跨中截面处圆筒体的轴向弯曲应力截面最高点压应力 )：pcRaM 1e（12)2eRa21截面最低点 (拉应力 )：2pc RaM 1（13）2 eRa2e图 61 筒体的轴向应力2.支座截面处圆筒体的轴向弯曲应力截面最高点 (拉应力 )：3pcRaM 2(14)2 eRa2e K1截面最低点 (压应力 )：4pc RaM 2(15)2 eRa2e K 2式中：cp 计算压力；Ra圆筒平均半径；e圆筒有效壁厚；K1，K2系数，根据圆筒是否被加强和支座包角查表，见JB/T 4731。3.筒体轴向

18、应力的校核计算得到的卧式容器筒体上最大轴向应力14。计算14 时，应根据操作和非操作时 (指无操作压力装满物料或无试验压力装满水的情况 )等不同工况，找出危险工况下可能产生的最大应力。在操作工况条件下，轴向拉应力不得超过材料在设计温度下的许用应力 t ，压应力不应超过轴向许用临界应力 cr 和材料的 t 。在水压试验条件下，轴向拉应力不得超过 0.9 ReL ；压应力不应超过 MIN 0.8ReL , B, ReL 为材料常温屈服强度， B 为轴向许用压缩应力。应该注意到：对于正压操作的容器，在盛满物料而未升压时，其压应力最大值，故取这种工况对稳定性应进行校核。又如对有加强的筒体 (图 61

19、中左侧 M-M 截面 )，当 M 1 M 2 时只需校核跨中截面的应力，反之两个截面都要校核。6.3 筒体切向剪应力剪力在支座截面处为最大，该剪力在筒体中壁引起切向剪应力，计算鞍座截面切向剪应力与该截面是否得到加强有关，所以分为以下三种情况。（1）筒体有加强圈， 但未被封头加强 （ A 12 Ra ），由于筒体在鞍座处有加强圈加强，筒体的整个横截面都能有效地承相剪力的作用，此时截面上的切向剪应力分布呈正弦函数形式，如图 62（a）所示，在水平中心线处有最大值。K3F（ L2A ）（16）Ra e L4 hi3式中系数 K3，根据圆筒被加强情况和支座包角查表，见 JB/T 4731。（2）筒体未

20、被加强，当支座截面上筒体既无加强圈，又未被封头加强时，则由于存在无效区，筒体抗剪的有效截面减少。应力分布情况见图62(b)，最大切向剪应力在 22处。剪应力的计算式与式(16)相同，但 K3 数值不相同。220(3)筒体被封头加强 (即 A 1 Ra )，筒体无加强圈，但鞍座靠近封头封头对筒体支座截2面起加强作用，此时，大部分剪力先由支座 (此处指左支座 )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测筒体，此时筒体中切向剪应力的分布呈图 62（c）所示的状态，最大剪应力位于 2 2 的支座角点处。2 20最大剪应力可按下式计算：K 3 FR a e（17）式中系数 K3 数值与前

21、不同，根据标准 JB/T 4731 查取。（4）切向剪应力的校核求寻的剪应力值不得超过材料在设计温度下许用应力的 0.8 倍，即 0.8 t 。6.4 封头应力校核圆筒体被封头加强时，封头内的附加拉应力 (封头上剪应力的水平分量 )为：K 4 Fh（18）Ra he式中 :he 凸形封头的有效厚度；K4 系数，根据支座包角查表，见 JB/T 4731。强度校核 h 1.25h 。t注： h 为内压引起封头拉应力，计算公式见 JB/T 4731。外压封头可不计 h 。6.5 支座处圆筒体的周向应力1.支座处圆筒的周向压缩力和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 P，当筒体未被加强

22、圈或封头加强时，在鞍座边角处的周向压缩力假设为 P F4 ，在支座截面筒体最低处，周向压缩力达到最大， Pmax K5 F ，这些周向压缩力均由壳体有效宽度 b2 b 1.56 Ra n 来承受。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 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：M tmax M K 6FRa （19）且作用在一有效计算宽度为 l 的筒体抗弯截面上， l 的取值与不同的筒体长径比有关，当 L / Ra8 时， l=4Ri； L / Ra8 时， l1 L。2上面系数 K5、K6 根据鞍座包角按标准查取， 其中 K6 值还

23、和鞍座与封头切线的相对距离 A/Ra 有关，见 JB/T 4731。2.圆筒截面最低点处的周向压应力 5K 5 Fk(20)5b2 e式中：k系数； k=1，支座与圆筒体不相焊； k=0.1，支座与圆筒体相焊；厚度；当无垫板或垫板不起加强作用， 则e ，当垫板起加强作用时， 则ere ；e 圆筒有效厚度；re 鞍度垫板有效厚度。注：垫板起加强作用的条件是： 要求垫板厚度不小于 0.6 倍圆筒厚度； 垫板宽大于或等于 b2，垫板包角不小于 ( 12 ) 。一般情况下， 加强板 (垫板 )宜取等于壳体圆筒厚度。3.无加强圈圆筒体鞍座处最大周向应力(1)鞍座边角处的最大周向应力 6 ：当 L / R

24、a 8 时：F3K 6F62 e24 eb2当 L / Ra8 ：F12K6 FRa6Le24 e b2式中：厚度，当无垫板或垫板不起加强作用时， 则e re 代替， 2 以 2 2 re 代替。(2)鞍座垫板边缘处圆筒体中的周向应力 6 ：当 L / Ra 8 时：F3K 6F62 e24 e b2当 L / Ra8 ：F12K6 FRa6Le24 e b2(21)(22)e ；当垫板起加强作用时， 则 以(23)(24)注： 6 、 6 公式中第二项为周向弯矩引起的壁厚上的弯曲应力。式 (23)和式 (24)中K6 值为鞍座板包角 ( 12 ) 的相应值。5， 6， 6位置见图 63。4.

25、有加强圈的圆筒体(1)加强圈位于鞍座平面上。最大弯矩发生在鞍座边角处。加强圈位于鞍座平面上，是指加强圈中心平面与鞍座中心平面之间在容器轴线方向的距离 X 0.5b 0.78 Ra n 。在鞍座边角处圆筒体的内外表面处最大弯曲应力 7 ：K8 FC 4 K 7 FRa e(25)7I oAo式中 e，对内加强圈为加强圈与圆筒体组合截面形心线距圆筒体外表面的距离；对外加强圈为加强圈与圈筒体组合截面形心线距圆简体内表面的距离。鞍座边角处加强圈内、外缘处的周向应力 8 ：K 8FC5 K 7 FRad(26)8I oAo(2)加强圈靠近鞍座平面。加强圈靠近鞍座平面是指加强圈中心平面与鞍座中心平面之间在容器轴线方向的距离 X 0.5b 0.78 Ra e 且 X 0.5Ra 。周向压应力 5 的计算按式 (20)。鞍座边角处周向应力 6 的计算按式 (21)和式 (22)。 K6 按 A 0.5Ra 选取。最大周向应力 7 、 8 发生在靠近水平中心线处 ( 在 90左右 )的圆筒体内外表面