喷雾干燥计算 ?1 ~ ? 4 时
卧式容器设计 1 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… 2 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； 3 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。 ? ? ? 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。 4 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： 5 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，跨度的弯矩与支座截面处的弯矩值相等，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L，则由于外伸作用而使支座截面 处壳体的弯矩太大，A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A≤0.2L下应尽 量使A≤0.5Ri(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。 ? ? ? 6 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 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。 7 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） 8 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 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： / L ? 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 假如容器总重量为2F，则作用在外伸梁 上(梁全长仍为L)单位长度的均布载荷为： ? 对于平封头，H＝0，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： ? 10 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。 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 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： 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 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。 ? 13 卧式容器设计 一、鞍座结构及载荷分析 ? ? ? (三) 内力分析 (1)弯矩 弯矩发生在梁跨度的截面和支座 截面上，而剪力在支座截面附近。 支座跨中截面的弯矩： 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 15 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： 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 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。 17 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： 2 VL ? qH ? qA 3 N 而支座右侧筒体截面上剪力为： 通常 VR ? VL 18 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。 19 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 1.鞍座跨中截面上筒体上的轴向应力 轴向点 M 1 pRi M1 ?1 ? ? ? W1 ? 2te ? ?Ri2te 3 ? 27 MPa 轴向点 ?2 ? ? ? M 1 pRi M1 MPa ? ? W1 2te ?Ri2te 3 ? 28 当P为正压或外压时，?分别为拉应力或压应力 跨中截面 20 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“有效截面”，这种情况称为“扁 塌效应”。 支座截面 21 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 ?Ri2te 。 ? 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 点抗弯断面系数 点抗弯断面系数 22 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.支座截面上筒体的轴向应力 在截面点； M 2 pRi M2 ?3 ? ? ? W2 ? 2te ? K1?R t 2 i e MPa 3 ? 29 在截面点： ?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 23 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 3.筒体轴向应力的校核 筒体上轴向应力为 ?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，其压应力有值， 故对稳定应取这种工况进行校核。 [?]t 24 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，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 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。 26 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，切应力位于 的支 座角点处。 切应力： 封头的切应力： 27 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。 切向剪应力在 数值也为： 但K3数值不相同。 28 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 4.切向切应力的校核： 鞍座处筒体的切向切应力 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，其值不应超过下列限制： 1 ? ? Di ? ? K ? ?2 ? ? 6? ? 2hi ? ? ? ? 2 ? ? ? ? 29 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 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值。理论上周向弯矩 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。 30 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A0.5Ri。 若封头有加强作用，A≤0.5Ri。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，这两种情况中的周向弯矩仍按上式计 算，但其中系数K按表3-3选取。 31 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 32 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 33 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 ? 周向压缩应力 t 即； ? 5 ? [? ] 的计算值，不得大于筒体材料设计温度下的许用应力 ， ? ? 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 ? 6 ? 1.25[? ]t 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。 34 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 ? 7 及鞍座边角处加强圈内缘或外缘表面周向应力 ? 8 （计算 公式略） 周向应力 ? 7 ，? 8 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： ? 5 ? [? ]t ? 7 ? 1.25[? ]t ? 6 ? 1.25[? ]t ? 8 ? 1.25[? ]t 35 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?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/T4731－7.4进行强度校核。 如下列情况： 重新设计鞍座时，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。 ? ? 36 卧式容器设计 三、鞍座设计 (一)概述 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。 37 卧式容器设计 三、鞍座设计 (二)鞍座设计 半个鞍座的水平分力的总和可以用下式表 示： 38 卧式容器设计 三、鞍座设计 (二)鞍座设计 承受此水平分力的有效截面的高度为H，为筒 体点以下 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： K/F 2 t ?9 ? ? [? ] sa H s b0 3 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 。 39 以上信息由常州市亿宝干燥科技有限公司整理编辑，了解更多喷雾干燥,闪蒸干燥机,流化床干燥机,混合机信息请访问http://www.czyibao.com
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