5、儲存設(shè)備.ppt

1、1,過程設(shè)備設(shè)計,第 五 章,2,5、儲存設(shè)備, 工藝條件介質(zhì)名稱及性質(zhì)、容量、安裝位置、鋼材耗量、施工條件等； 環(huán)境條件溫度、風(fēng)載荷、地震載荷、雪載荷、地基情況等。,設(shè)計條件,儲存設(shè)備簡稱儲罐，用于儲存氣體、液體或液化氣體等介質(zhì)。儲罐的結(jié)構(gòu)形式有臥式、立式和球形，臥式和立式為圓筒形。本章重點介紹臥式儲罐，簡要介紹球形儲罐。,5.1概述,3,可燃性、毒性、腐蝕性、密度、冰點、飽和蒸氣壓等。 可燃性和毒性決定設(shè)備制造與管理的等級和安全附件的配置； 腐蝕性決定設(shè)備材料； 密度決定液體靜壓力即設(shè)備工作應(yīng)力； 冰點決定是否需要對設(shè)備加熱或保溫； 飽和蒸氣壓在一定溫度下，儲存氣、液混合物的密閉容器中，達

2、到氣、液兩相衡時，氣、液分界面上的蒸氣壓。它決定設(shè)備的工作應(yīng)力。,4,氣體介質(zhì)熱脹冷縮非常顯著，使儲罐壓力有較大變化。如裝滿液化石油氣的儲罐，溫度每升高1，壓力就升高13MPa。為此限制介質(zhì)裝量小于儲罐容積的95%。如北方的冬季，儲罐內(nèi)的壓力可能低于大氣壓，有失穩(wěn)的危險。儲罐最低設(shè)計溫度取當(dāng)?shù)?0年逐月平均最低氣溫的最小值。,5,地面臥式儲罐 主要由圓角、標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭和鞍座（或圈座）三部分組成,5.2.1基本結(jié)構(gòu),5.2臥式儲罐,6,7,普遍取為2。若多于2，因基礎(chǔ)不平、地基沉降不均和制造誤差，會使儲罐在各支點處產(chǎn)生隨機不同的支反力，使儲罐應(yīng)力計算無法精確。,a. 鞍式支座 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：JB/

3、T4712鞍式支座,8,根據(jù)材料力學(xué)，圖51所示的儲罐屬于雙側(cè)外伸簡支梁，L為外伸梁長度，A為伸出長度，（L2A）為支承跨距。圖中切線是封頭直邊與曲邊的界線。 當(dāng)A=0.207L時，圓筒的跨距中間截面的彎矩等于支座處的彎矩，即等強度。 為此JB4731鋼制臥式容器規(guī)定：A0.2L。 由于封頭能加強圓筒端頭的抗彎剛度，故支座靠近封頭時可利用這一加強作用。 為此JB4731還規(guī)定：當(dāng)滿足A0.2L時，最好使A0.5Rm， Rm圓筒平均半徑（中面半徑）。,9,考慮圓角熱脹冷縮和彎曲變形，只允許將一個支座固定在基礎(chǔ)上，另一個支座必須能沿圓筒軸向相對基礎(chǔ)移動將移動支座的地腳螺栓孔作成圓筒軸向的長孔。固定

4、支座應(yīng)盡量設(shè)置在儲罐配管較多的一側(cè)。,包角見圖51，其大小影響圓筒在支座截面的應(yīng)力、外壓穩(wěn)定性和支承系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 JB/T4712規(guī)定：包角有120和150兩種。,b. 圈座,1、因自身重量可能發(fā)生嚴(yán)重?fù)锨谋”谌萜鳌?2、多于兩個支座的長容器,適用場合：,10, 安裝在地下室內(nèi) 安裝在地下的基礎(chǔ)、支座上，然后用土埯埋。為防腐需在儲罐外表涂瀝青層，必要時設(shè)犧牲陽極保護。為便于操作、檢修和維護，需將工藝接口、儀表和安全泄放裝置接口等集中引出地面，通常設(shè)置在一個或幾個人孔蓋板上，并用護罩保護。,地下安裝的方式,節(jié)約占地面積；減小安全防火距離；減少環(huán)境溫度影響。,地下臥式儲罐,11,12,5.2.

5、2設(shè)計計算,一般先根據(jù)內(nèi)壓或外壓容器設(shè)計方法初算圓筒壁厚，再考慮支座反力和支座包角的影響，計及各種附加載荷，校核圓筒在附加載荷作用下的環(huán)向、軸向強度和穩(wěn)定性，以確定最終的圓筒壁厚。, 壓力p，內(nèi)壓或外壓（真空）； 儲罐重量w1，包括圓筒、封頭及附件等重量； 物料重量w2，若物料密度大于水，按物料密度計算；若小于水，按水的密度計算因為水壓試驗時物料重量最大； 其它載荷w3，包括風(fēng)載、雪載、地震載荷、保溫層重量等； 對于視為雙側(cè)外伸簡支梁的臥式儲罐，上述壓力p是關(guān)于圓筒環(huán)向?qū)ΨQ的，不構(gòu)成軸向彎矩，只有w1、w2、w3對臥式儲罐構(gòu)成軸向彎矩。,載荷分析,13,14,單個支座反力F： 單位長度筒體的均

6、布載荷q： 式中Hd將封頭折合成圓筒的當(dāng)量長度， ，H為封頭曲面深度（不含直邊段） 將F式和Hd式代入q式得：,15,封頭曲面段重力Fq：,集中力Fq作用在封頭曲面段重心上，重心到封頭切線的距離e：e=3H/8半球形封頭 e3H/8其它凸形封頭,16,根據(jù)力的平移定理，將Fd從重心移至封頭切線（外伸梁端頭），同時附加一個使外伸梁上凸的力偶m1，,平移Fq并附加力偶m1,若儲罐內(nèi)充滿液體介質(zhì)，其靜壓力py隨液體深度y 線性遞增：液體靜壓力py對封頭產(chǎn)生向外的推力S，S是py的合力：SqRi。合力S的作用點以偏心距yc表示：yc=Ri/4。合力S對封頭、也是對圓筒的力矩：m2=Syc=qRi2/4

7、，m2的方向是使外伸梁下凹。,17,M=m2m1（下凹變形為正，上凸變形為負(fù)）,18,（1）彎矩 a. 圓筒在跨距正中截面處的彎矩,整理得：M1=F(c1LA),M1一般為正，表示圓筒在跨距正中截面的上半部受壓、下半部受拉。參見圖(d)。,19,b. 圓筒在支座截面處的彎矩,整理得：,M2一般為負(fù)，表示圓筒在支座截面的上半部受拉，下半部受壓。參見圖(d)。,20,（2）剪力 由圖（c）知：圓筒的剪力在跨距正中截面處為零，在支座截面處最大。 在支座外側(cè)附近： 書上(5-5b)式有誤,在支座內(nèi)側(cè)附近：,式中正、負(fù)號表示剪力的方向，一般力學(xué)書上以Q表示剪力。通常v2 v1,將前面F式代入并整理得：,

8、21,a. 跨距中點截面的軸向應(yīng)力,截面最高點為壓應(yīng)力：,式中：Ri2e為圓筒作為梁的抗彎截面模量w。因有效壁厚eRi，故wRi2e；,軸向應(yīng)力圓筒作為外伸簡支梁的彎曲應(yīng)力，是正應(yīng)力,圓筒的軸向應(yīng)力及軸向強度校核,截面最低點為拉應(yīng)力：,22,b. 支座截面的軸向應(yīng)力,圓筒在支座截面處承受較大的支座反力F。由于eRi，因此容易產(chǎn)生扁塌現(xiàn)象。扁塌現(xiàn)象使圓筒的抗彎截面模量降低。齊克（zick）根據(jù)實驗結(jié)果認(rèn)為：發(fā)生扁塌后，承擔(dān)彎矩的只有截面的下邊部分（稱為有效截面），其對應(yīng)圓心角=/2+/6（見圖55）其余上邊部分（稱為無效截面）不能承擔(dān)彎矩。減小圓筒外伸梁的外伸長度A或在支座截面處設(shè)置加強圈，均能

9、減少或消除扁塌現(xiàn)象。,23,鞍座包角 無效截面半圓心角,24,截面最高點為拉應(yīng)力：,式中：k1、k2由扁塌現(xiàn)象引起的抗彎截面模量減小的系數(shù)，見表51,截面最低點為壓應(yīng)力：,25,c. 軸向綜合應(yīng)力與軸向強度校核,以上計算的圓筒軸向應(yīng)力僅為前面基本載荷中的w1、w2、w3引起的軸向應(yīng)力，校核時必須將其與介質(zhì)內(nèi)壓（或外壓）引起的拉伸軸向應(yīng)力+（或壓縮軸向應(yīng)力-）,內(nèi)壓容器：kN=max +1, +2 =+2 外壓容器：k=max 1, +2 = 1,跨距中點截面：,因取絕對值,26,內(nèi)壓容器：zN=max +3, +4 =+3 外壓容器：z=max +3, 4 = 4,支座截面：,因取絕對值,kN

10、、zNt， 材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力,校核式：,kw、zwcr， cr外壓圓筒的軸向許用臨界應(yīng)力,27,切向剪切應(yīng)力,圓筒作為外伸簡支梁受剪力v（豎向）作用。豎向剪力v可看作是圓筒截面上切向（環(huán)向）剪切應(yīng)力的合力。的分布見圖56。,28,a. 在支座截面處設(shè)置加強圈的圓筒,因圓筒在支座截面的剪力最大，故只需討論該截面的切向剪切應(yīng)力。設(shè)與豎向剪v對應(yīng)的豎向剪切應(yīng)力為v，則：,切向剪切應(yīng)力= vsin，代入v式得：, 書上（510）式分母中無2，但剪力v是半值 ,見圖56,該式使用條件是圓筒截面為圓形，如在支座截面處設(shè)置加強圈或減小圓筒外伸梁的外伸長度。,29,b. 在支座截面處無加強圈且外伸長

11、度較大(A0.5Ri)的圓筒,若圓筒在支座截面未設(shè)置加強圈且外伸長度較大而發(fā)生扁塌現(xiàn)象，齊克（zick）認(rèn)為，切向剪切應(yīng)力是不發(fā)生扁塌時的c倍，最大切向剪切應(yīng)力發(fā)生在=處：,式中：,式中：,，見圖57,30,c. 被封頭加強的圓筒（在支座截面無加強圈且外伸長度較?。ˋ0.5Ri）的圓筒）,被封頭加強的圓筒在支座截面的切向剪切應(yīng)力分布,31,圖中的左側(cè)折線代表與封頭連在一起的圓筒在支座處的截面，在該截面的下部，受支座反力（剪力）的作用呈現(xiàn)向上的豎向剪切應(yīng)力v；在該截面的上部，受支座右側(cè)圓筒的壓力作用呈現(xiàn)向下的豎向剪切應(yīng)力v。該v向下的原因主要有二：圓筒的剛度較小，有向下扁塌的趨勢；封頭的剛度較大

12、，它能從支座獲取支承力并對圓筒上部構(gòu)成向上的支承力。 與豎向剪切應(yīng)力v相應(yīng)的切向剪切應(yīng)力的分布見圖（58）。齊克認(rèn)為：在0范圍內(nèi)， 向下；在范圍內(nèi)， 向上。 由于圓筒外伸長度較短，因此在計算圓筒作為外伸簡支梁的剪力時，可將封頭曲面段重力Fq及支座外側(cè)的一段圓筒的重力（）q均略去，這時圓筒在支座外側(cè)的剪力為零，在支座內(nèi)側(cè)的剪力為F，即： V1=0 V2=F,32,由于v1=0，故0內(nèi)向下的與內(nèi)向上的的豎向合力必為零。由于 0 的。齊克認(rèn)為，內(nèi)的切向剪切應(yīng)力是支座截面設(shè)置加強圈的圓筒的c倍：,式中：,意義與表達式同前 F圓筒在支座外側(cè)的剪力。前面曾指出：v1=0，但這只是為了確定C而假定的，實際上

13、略去的Fq及（）q對支座外側(cè)的截面是有剪力的，想像薄壁粗圓筒的兩相鄰截面的剪力不會有很大差別，故取支座內(nèi)側(cè)的剪力F作為支座外側(cè)的剪力。,書上(512)式分母中無2，但剪力F是半值。,33,圓筒在支座截面無加強圈且外伸長度較?。ˋ0.5Ri）時，封頭中會產(chǎn)生附加拉伸應(yīng)力。 圖58是圓筒在支座外側(cè)截面的切向剪切應(yīng)力分布。然而由于圓筒外伸長度較小，封頭與其相連，因此在封頭截面的切向剪切應(yīng)力分布也是如此。 由圖58看出，截面上部的向下切向剪切應(yīng)力和截面下部的向上切向剪切應(yīng)力在水平方向的分量，是附加在封頭上的水平拉伸應(yīng)力，簡稱附加拉伸應(yīng)力。附加拉伸應(yīng)力主要由封頭的軸線截面承擔(dān)，即為正應(yīng)力。由于該應(yīng)力的源

14、頭是封頭的切向剪切應(yīng)力，故中國容器標(biāo)準(zhǔn)中稱其為封頭的（切向）剪切應(yīng)力，并以h表示。,封頭的附加拉伸應(yīng)力,34,附加拉伸載荷：,s1=1cos1 s2=2cos(1802) = -cos2 d l=Rid dA=edl=eRid dQ=sdA=seRid dQ1=s1eRid1 =1cos1eRid1 dQ2=s2eRid2 = -2cos2eRid2,35,參照有加強圈的圓筒， 參照被封頭加強的圓筒，,36,（書P245式（5-13）中分母為2，但剪力F為半值）,37,平板封頭（厚度為he）承擔(dān)附加拉伸載荷的面積：A=2Rihe,平板封頭的附加拉伸應(yīng)力：,凸形封頭（厚度為he的附加拉伸應(yīng)力為按

15、平板封頭計算的附加拉伸應(yīng)力的1.5倍：,式中：,38,表中：b支座寬度，參見P235，F(xiàn)5-1（a）圖,39,圓筒切向剪切強度與封頭附加拉伸強度的校核 圓筒切向剪切強度校核式：maxt=0.8t 封頭切向剪切強度校核式：h+h1.25t 式中：t材料在設(shè)計溫度下的許用剪切應(yīng)力； t材料在設(shè)計溫度下的許用拉伸應(yīng)力； h由介質(zhì)內(nèi)壓引起的封頭在軸線截面上的拉伸應(yīng)力，外壓時h不計入。 橢圓形封頭， 碟形封頭， 半球形封頭， 式中：k橢圓形封頭的形狀系數(shù)； M、Ri碟形封頭的形狀系數(shù)和球面內(nèi)半徑,40,思考題,圓筒切向剪切強度校核式中未把由介質(zhì)壓力引起的環(huán)向薄膜應(yīng)力疊加進去，為什么？,41,因圓筒在支座

16、截面處剪力最大，故該截面處的切剪切應(yīng)力、周向彎矩和周向彎曲應(yīng)力也相應(yīng)最大。故只講座該截面的周向彎矩和周向彎曲應(yīng)力。,MA截面頂點的周向彎矩 Pt截面頂點的周向力,圓筒在支座截面處的周向彎曲應(yīng)力,周向彎曲應(yīng)力由周向彎矩引起的彎曲應(yīng)力,周向彎矩由圓筒截面上的切向剪切應(yīng)力引起的彎矩,42,a. 在支座截面設(shè)置加強圈的圓筒 設(shè)支座截面處的剪力為F，經(jīng)推導(dǎo)得截面在任意圓心角處的周向彎矩為：,式中：f(，)是鞍座包角與截面圓心角的函數(shù) Mmax=M|=M=k6FRi,式中： 從圓筒頂點到支座邊緣處的圓心角，=-/2,43,b. 在支座截面無加強圈且外伸長度較大(A0.5Ri)的圓筒 由于切向剪切應(yīng)力的分布

17、和圓筒上設(shè)置加強圈時不同，相應(yīng)的周向彎矩也不同，但是此時難以進行理論推導(dǎo)。奇克認(rèn)為，此時周向彎矩按設(shè)置加強圈的圓筒計算，總是偏于安全的。但是系數(shù)k6則應(yīng)根據(jù)此值A(chǔ)/Ri而異，見圖511。,44,奇克指出，圓筒在支座截面處承受彎矩的有效寬度，可取4Ri或L/2中的較小值，故圓筒的抗彎截面模量為：,45,c. 被封頭加強的圓筒（在支座截面無加強圈且外伸長度較小(A0.5Ri)的圓筒） 齊克指出，此時的周向彎矩為： Mmax=M=k6FRi,式中：,以上三種情形的最大周向彎曲應(yīng)力均發(fā)生在=處，即支座邊緣處。,46,圓筒在支座截面處的周向壓縮應(yīng)力 周向壓縮應(yīng)力由鞍座弧形墊板的徑向反力產(chǎn)生的在圓筒周向的

18、局部壓應(yīng)力，見圖512。,q弧形墊板的徑向反力 Tmax圓筒的最大周向壓縮應(yīng)力，發(fā)生在圓筒最低處。,47,a. 在支座截面設(shè)置加強圈的圓筒在后面專門討論 b. 在支座截面無加強圈且外伸長度較大(A0.5Ri)的圓筒和被封頭加強的圓筒,鞍座邊緣處的周向壓縮力（是周向分布力）：,T=F/4（設(shè)支座反力為F）,最大周向壓縮力：Tmax=k5F,48,圓筒在鞍座邊緣處和最低處，承受周向壓縮力的有效長度（圓筒軸向的尺寸）均為b2，b2是鞍座墊板的寬度，b是鞍座寬度：,則圓筒的周向壓縮應(yīng)力為： 在最低處：,在支座邊緣處：,49,在圓筒最低處：,在支座邊緣處的圓筒外表面：,50,加強圈設(shè)計與應(yīng)力、強度較核（

19、承接前邊“用加強圈加強的圓筒”） a. 加強圈的結(jié)構(gòu)設(shè)置與焊接位置 材料：鋼板或工字鋼；結(jié)構(gòu)：環(huán)形；位置：鞍座處或鞍座近旁，圓筒內(nèi)或圓筒外，鞍座處只能設(shè)置內(nèi)加強圈。,注：圖a、b中圓筒剖面線應(yīng)與加強圈剖面線方向相反，即有效長度圓筒不屬于加強圈,51,b. 加強圈處圓筒的應(yīng)力與加強圈的應(yīng)力以及強度校核 (a) 圓筒在鞍座截面設(shè)置加強圈時（圖513a）,加強圈與鞍座位于同一截面，由于加強圈對圓筒構(gòu)成很好的加強作用，故在圓筒最低點產(chǎn)生的來自支座墊板的徑向壓縮力不會使圓筒破壞，故圓筒的危險點位于鞍座邊緣處（=）。該處的應(yīng)力T由周向彎曲應(yīng)力Tw和周向壓縮應(yīng)力TT組成：,52,第一個“”號表示圓筒在支座邊

20、緣處且外表面點的周向彎曲應(yīng)力為負(fù)。參見彎矩M的方向； 第二個“”號表示圓筒在該點的周向壓縮應(yīng)力為負(fù)（同前） Ao有效長度圓筒與加強圈組合的截面積； Io組合慣性矩； e 組合截面中性軸xx至圓筒外壁的距離,式中：,加強圈在支座邊緣處且內(nèi)表面（內(nèi)緣）點上承受的周向彎曲應(yīng)力為最大壓應(yīng)力，承受的周向壓縮應(yīng)力與外緣點相同，因而是危險點：,（書上527式k7寫為k8有誤）,式中：d 組合截面中性軸xx至加強圈內(nèi)緣的距離,53,加強圈對圓筒鞍座截面的加強作用較小，故圓筒在支座截面最低處承受最大周向壓縮應(yīng)力，周向彎曲應(yīng)力為零是危險點之一。在支座邊緣處的外表面上承受最大周向彎曲應(yīng)力（正值）和少量周向壓縮應(yīng)力，

21、也是危險點之一。內(nèi)加強圈的內(nèi)緣在支座邊緣處承受最大周向彎曲應(yīng)力（負(fù)值）和少量周向壓縮應(yīng)力，也是危險點之一。外加強圈的外緣在支座邊緣處承受最大周向應(yīng)力（正值）和少量周向壓縮應(yīng)力，也是危險點之一。各危險點的位置見下圖：,（b）圓筒在靠邊鞍座截面設(shè)置加強圈時（圖1513b、c）,54,55,圓筒在支座截面最低點：,有內(nèi)加強圈的圓筒在支座截面的邊緣處的外表面(圖513b)：,(n為單個支座的加強圈數(shù)量),內(nèi)加強圈在支座截面處的內(nèi)緣(圖513b)：,有外加強圈的圓筒在支座截面的邊緣處的內(nèi)表面(圖513c)：,外加強圈在支座截面處的外緣(圖513c)：,56,57,鞍座強度校核,q圓筒對支座的徑向壓縮載荷

22、，是反作用力； T由q產(chǎn)生的支座弧形墊板中的周向分布拉伸力； FT的水平分量的合力，即水平推力，F(xiàn)的方向是水平且與圓筒鉛垂軸面垂直，試圖將支座從中間拉斷推開。 以上用圖512比較理解,58,式中：Hs支座腹板的有效高度，Hs=min1/3Ri，支座凹點高度 bo支座腹板的厚度 腹板位于墊板與座板之間垂直于圓筒軸線的凹形鋼板,鞍座的水平推力 F=k9F（F為支座反力，系數(shù)k9見表55） 鞍座的有效面積 A=Hsbo,鞍座腹板的平均應(yīng)力：,式中： 是由于腹板受力未計入圓筒周向彎矩的影響，因此降低許用應(yīng)力 臥式儲罐的設(shè)計計算程序見圖515。,59,5.3球形儲罐,罐體形狀：圓球形與橢球形 罐殼結(jié)構(gòu)：

23、單層與多層；桔瓣式、足球瓣式或混合式 支座結(jié)構(gòu)：支柱式、圓筒式或錐筒式 罐殼區(qū)域：參照地球儀分為上、下極帶、上、下溫帶和赤道帶,60,桔瓣式罐體（赤道正切指支柱中心線與赤道線正好相切） 主要特點：殼體元件為桔瓣形，拼裝焊縫較規(guī)則，施焊容易，可自動焊接；殼體元件關(guān)于鉛垂軸線對稱，便于布置支柱，焊縫受力對稱，質(zhì)量易保證；各地帶殼體元件的形狀和尺寸均不同，使下料及成型復(fù)雜，材料利用率較低；極帶的殼體元件尺寸較小，人孔和接管較多時不易錯開焊縫，使附件擁擠；適于各種容量的球罐，世界各國普遍采用。,5.3.1罐體,61,62,殼體元件為足球瓣形，各地帶殼體元件的形狀及尺寸均相同，使下料及成形容易，互換性好，材料利用率較高；拼裝焊縫較短，焊接及檢驗工作量??； 焊縫布置復(fù)雜，施工組裝困難，對殼體元件的制造精度較高；可能有部分支柱會搭在球殼的橫焊縫上，使該處焊縫應(yīng)力復(fù)雜化；適于容積120m3的球罐，中國目前少用。,主要特點：,主要特