卧式容器设计

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卧式容器设计
二、筒体的应力计算与校核
(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。 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：
卧式容器设计
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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…
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卧式容器设计
前言
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；
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卧式容器设计
二、筒体的应力计算与校核
（二）筒体的切向剪应力 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。
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卧式容器设计
二、筒体的应力计算与校核
(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。
当P为正压或外压时，分别为拉应力或压应力
跨中截面
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卧式容器设计
二、筒体的应力计算与校核
(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A>0.5Ri)，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“有效截面”，这种情况称为“扁 塌效应”。 支座截面
(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 封头中的切应力，其最大值不应超过下列限制：
1 Di K 2 6 2hi
的左支座为例，在支座左侧的筒体截面 上剪力为： 2 VL qH qA 3
N
而支座右侧筒体截面上剪力为：
通常
VR VL
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卧式容器设计
二、筒体的应力计算与校核
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。
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卧式容器设计
二、筒体的应力计算与校核
(二)筒体的切向剪应力
3.筒体未被加强。 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。
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二、筒体的应力计算与校核
(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：
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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。

对于平封头的V与m1皆为零。
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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：
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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A ＝0.207L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A≤0.2L，其中L取圆筒体 长度(两封头切线间距离)，A为鞍座中心线至封头切 线的距离。如A>0.2L，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。
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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 L 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： /
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二、筒体的应力计算与校核
(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 M 1 pRi M1
1 W1 2te Ri2te
3 27
MPa
轴向最低点
2 M 1 pRi M1 MPa W1 2te Ri2te
3 28
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：
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卧式容器设计
一、鞍座结构及载荷分析
(三) 内力分析

(1)弯矩
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一、鞍座结构及载荷分析
(三) 内力分析

(1)弯矩
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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

当筒体截面无加强圈，封头对支座处筒体也无加强作用，即A>0.5Ri。 若封头有加强作用，A≤0.5Ri。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。
2

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二、筒体的应力计算与校核
(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：
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。
支座截面
鞍座截面上未设置加强圈又(A＞ 0.5Ri)，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， 2D 2
2 6
w21 K1 Ri2te w22
2
K R t
2 i e
最高点抗弯断面系数 最低点抗弯断面系数
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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）
二、筒体的应力计算与校核
(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； M 2 pRi M2
3 W2 2te K1R t
2 i e
MPa
3 29
在截面最低点：
4
M 2 pRi M2 MPa W2 2te K 2 Ri2te
3 30
式中K为考虑扁塌效应使断面模数减少的系数。 式中M2为负值。对于筒体有加强的情况，K1=K2=1.0
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二、筒体的应力计算与校核
(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 1 ~ 4 ， 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 t ，压应力不得超过轴 向许用临界应力 cr 和材料的 t 。 计算 1 ~ 4 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 M1 M 2 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。
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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(3—20)的m1与式(3—21)的m2 两个力偶合成一个力偶M：

显而易见，对于半球形封头，Ri＝H， M＝0； 而平封头，H＝0，M＝q/4×R2。

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二、筒体的应力计算与校核