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                壓力容器

                讀書筆記三部曲:臥式容器、塔、球罐
                發布時間:2022-09-23 09:28:19瀏覽次數:

                序言:本文收錄了《臥式容器圓筒的應力及位置》、《地震和風載荷對塔器計算的影響》、《拉桿的位置對球罐受力的影響》三篇讀書筆記,也是臥式容器、塔、球罐的力學計算的核心問題。



                《臥式容器圓筒的應力及位置》

                圖片


                   俗話說“書讀百遍,其義自見”,NB/T 47042-2014《臥式容器》的計算圓筒的三項應力位置,我前前后后看了不下十遍,一直不得其解。今天靜下心來細細琢磨,終于算是終于有了思緒。
                一、支座


                對稱布置的雙鞍座臥式容器可以近似看成兩鉸支點外伸簡支梁。

                鞍座中心線到封頭切線的距離A盡量小于或等于0.5Ra,且不宜大于0.2L。

                (0.5Ra封頭加強效應;0.2L筒體中間和鞍座平面的彎矩絕對值相等。)

                橫向剪力V=2/3hq

                彎矩 M=q(Ra2-h2)/4

                圓筒大軸向彎矩位于圓筒中間或鞍座平面內,大剪力出現在鞍座平面內。

                支反力F=q(L+4/3h)/2

                圓筒的有效寬度b2=b+1.56Sqrt(Raδn)

                可以結合下圖更好的理解鞍座平面內、靠近鞍座平面這兩個定義。


                圖片

                a.當鞍座離封頭切線距離A>0.5Ra時,鞍座截面上的剪力V=F-q(A+2/3h)=F(L-2A)/(L+4/3h)
                b.當鞍座離封頭切線距離A≤0.5Ra時,在鞍座截面上的剪力  
                V=F

                圖片





                二、圓筒的軸向應力計算
                圓筒的軸向彎矩
                a. 中間截面  M1
                通常為正值,表示圓筒上半部分受壓縮,下半部分受拉伸
                b. 鞍座平面  M2
                通常為負值,表示圓筒上半部分受拉伸,下半部分受壓縮

                圓筒的軸向應力(壓力及軸向彎矩引起的)
                a.中間截面  σ1在高點,σ2在低點
                b.鞍座平面  σ4在低點
                在鞍座平面上或靠近鞍座處上有加強圈或被封頭加強時,σ3在高點
                未被加強時,σ3靠近水平中心線處 σ4在低點


                說明:鞍座包角120°,σ3位于160°;鞍座包角150°,σ3位于185°。


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                當鞍座離封頭切線距離A≤0.5Ra,在鞍座平面內或靠近鞍座平面有加強圈時,加強圈或封頭對圓筒有加強作用,K1=K2=1


                注:K1,K2 鞍座上筒體由于載荷作用變形而承載能力削弱的程度。



                結論: 
                1. A越大,M1越小,對于長徑比較大的容器,0.2L>A>0.5Ra,調整使σ1、σ2合格。
                2. A越大,M2越大,σ3、σ4越大。





                三、鞍座處圓筒的周向應力計算
                靠近鞍座平面有加強圈時,大彎矩點在靠近截面水平中心線處
                無加強圈或加強圈在鞍座平面內時,大彎矩點在鞍座邊角處

                墊板起加強作用,應同時滿足:
                a.墊板厚度≥0.6倍圓筒厚度
                b. 墊板寬度≥圓筒有效寬度
                c. 墊板包角≥鞍座包角+12°

                當容器不焊在鞍座上,k=1; 
                當容器焊在鞍座上,k=0.1
                只與截面低點的周向應力σ5有關

                鞍座截面處圓筒的周向應力
                a.無加強圈
                σ5在低點,σ6在邊角處,σ6’在墊板邊緣處

                b.加強圈位于鞍座平面內
                σ7在邊角處,σ8在邊角處的加強圈邊緣表面

                C.加強圈靠近鞍座平面內
                σ7靠近水平中心線處,σ8在靠近水平中心線處的加強圈邊緣表面
                σ5在低點,σ6在邊角處

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                結論:
                1.鞍座包角越大,鞍座截面低點處、邊角處、墊板邊緣處周向應力越小。
                2.A≤0.5Ra時,K6=K7/4;A>0.5Ra時,K6=K7,應盡量控制A≤0.5Ra,對σ6,σ6’影響很大。
                3.在鞍座平面內設置加強圈應是有效且省材料方案,如果鞍座平面內的加強圈要求的慣性矩過大,可以在靠近鞍座平面范圍內設置加強圈。





                四、鞍座處圓筒的切向剪應力計算
                鞍座截面處圓筒處的切向剪應力τ
                a.A>0.5Ra,鞍座平面有加強圈
                大剪應力位于水平中心線處(正弦函數)

                b.A>0.5Ra,鞍座處無加強圈或加強圈靠近鞍座截面
                大剪應力靠近邊角處

                c.A≤0.5Ra
                大剪應力靠近邊角處

                封頭的切向剪應力τh
                圓筒只被封頭加強時,才計算封頭的大剪應力

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                結論:
                1. 當封頭對筒體不起加強作用時,A越大,τ越小。
                2. 當封頭對筒體起加強作用時,切向剪力τ與A無關。





                地震和風載荷對塔器計算的影響
                   很多設計人員說塔器的設計理論基礎很難,其實只要掌握了風壓和地震載荷計算的理論基礎,剩下的就和容器什么區別了。個人反而感覺塔器的計算是幾大容器里面簡單的。


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                A.在大彎矩為地震彎矩參與組合時,考慮垂直地震力

                1.重力及垂直地震力引起的塔殼軸向應力

                當校核截面的軸向拉應力時,垂直力方向向上;校核截面的軸向壓應力時,垂直力方向向下

                2.裙座殼底截面和檢查孔(或較大管線出孔截面)的軸向壓應力

                3.混凝土上大壓應力

                4.地腳螺栓承受的大拉應力

                5.裙座與塔殼對接焊縫的拉應力

                6.法蘭當量設計壓力


                B.在大彎矩為地震彎矩參與組合時,考慮水平地震彎矩

                1.彎矩引起的塔殼軸向應力

                2.裙座殼底截面和檢查孔(或較大管線出孔截面)的軸向壓應力

                3.混凝土上大壓應力

                4.地腳螺栓承受的大拉應力

                5.裙座與塔殼對接焊縫的拉應力

                6.法蘭當量設計壓力


                C.考慮風彎矩

                1.彎矩引起的塔殼軸向應力

                2.耐壓試驗時彎矩引起的塔殼軸向應力

                3.裙座殼底截面和檢查孔(或較大管線出孔截面)及耐壓試驗時的軸向壓應力

                3.混凝土上大壓應力

                4.地腳螺栓承受的大拉應力

                5.裙座與塔殼對接焊縫的拉應力

                6.法蘭當量設計壓力





                拉桿的位置對球罐受力的影響
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                   球罐支柱在水平風力和地震力等合力的作用下通過球心發生位移時,拉桿將被拉長或壓短,從而限制了支柱的位移。支柱的地腳螺栓使其底部不產生水平位移或轉角,即相當于固定支撐;支柱便相當于懸臂梁。

                拉桿高度增高,拉桿影響系數變小,球罐的自振周期變小 

                自振周期變小,地震影響系數變化,水平地震力變化。

                自振周期變小,風振系數越小,水平風力減小。

                對比:塔器自振周期變小,脈動增大系數減小,風振系數減小,順風向風力減小。

                拉桿高度增高,力臂L減小,水平地震力和水平風力引起的大彎矩減??;大彎矩對支柱產生的垂直載荷減??;a點的剪切應力減小。

                拉桿高度增高,拉桿作用在支柱上的垂直載荷越大;拉桿作用在支柱上的水平力越大,螺栓越大;銷子直徑、耳板、翼板厚度增大。

                綜合上述原因,工程經驗取拉桿位置取2/3的支柱高度。

                閱讀建議:對比閱讀球罐和塔的風壓和地震的計算,區分兩者公式中的差異,便于對風和地震的計算理解更加透徹。

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