第八章-容器零部件-2

第八章容器零部件教学重点：各零部件标准的选用。教学难点：标准法兰的选用。例题为一台精馏塔配一对连接塔身与封头的法兰。塔的内径为1000mm,操作温度为280º，设计压力为0.2MPa。塔体材质为Q235-B。介质无腐蚀性及其他危害。8.2容器支座容器支座，支承容器重量、固定容器位置并使容器在操作中保持稳定。结构型式由容器自身的型式决定，分

卧式容器支座立式容器支座球形容器支座支座耳式支座支承式支座腿式支座裙式支座立式支座鞍座圈座支腿卧式支座第二节容器支座一、卧式容器支座鞍座、圈座及支腿圈座：用于大直径薄壁容器和真空容器，增加局部刚度。支腿：重量较轻的小型容器。

常见的大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座。是应用最为广泛的一种卧式容器支座。封头筒体支座（鞍座）图8-21鞍式支座鞍式支座由横向筋板、若干轴向筋板和底板焊接而成。在与设备连接处，有带加强垫板和不带加强垫板两种结构。（一）双鞍式支座

最大剪力：鞍座处最大弯矩：筒体中心处危险截面出现在两支座中心处和鞍座处图8-24鞍座受力分析图1.受力剪力弯矩图8-25鞍座剪力和弯矩图

力学模型的简化简化为长度L，受均布载荷q作用的外伸简支梁图8-28双鞍座卧式支座受力分析均布载荷A、跨距中点处a、弯矩b、应力最大合成应力发生在截面最高点或最低点最高点最低点B、支座截面

a、弯矩b、应力

最大合成应力发生在截面最高点或最低点。在截面最高点在截面最低点

筒体有加强圈或由封头加强A≤Rm/2时，轴向应力在横截面的最高点；当筒体不被加强时，鞍座处筒体转移到了靠近水平中心线处。

图8-27承受弯矩的无效和有效截面A≤0.2L且尽可能使A≤0.5Ri

1）为减少支座处筒体最大弯矩，使其应力分布合适，使支座跨距中心与支座最大弯矩相等，推导出A=0.207L2)试验证明，当A≤0.5Ri时，封头对筒体才有加强作用，因此支座的最佳位置应在满足A≤0.2L的条件下，尽量使A≤0.5Ri2.鞍座的最佳位置3）当A＞0.5Ri或筒体无加强措施而刚性不足时，在周向弯矩的作用下，鞍座处筒体上将产生“扁塌”现象：

鞍座上筒体发生变形，犹如“扁塌”。鞍座处筒体不起承载作用，成为无效区（图）。图8-27承受弯矩的无效和有效截面结构3.鞍座的结构与标准图8-28轻型带垫板包角120°C鞍式支座鞍座包角120°或150°，安放稳定。高度200、300、400和500mm。宽度b根据容器公称直径查出。鞍座的种类鞍座分为A型（轻型）和B型（重型），重型又分为BⅠ～BⅤ五种型号。A型和B型的筋板和底板、垫板等尺寸不同或数量不同。每种型式鞍座又分为固定式支座（代号F）：底板上开圆形螺栓孔滑动式支座（代号S）：底座开长圆形螺栓孔材质：垫板—与筒体相同，其它---Q235-A.F。标准A—轻型，都是120°包角，都有垫板B—重型，有120°和150°两种包角，有带垫板的，也有不带垫板的。具体标记方法如下鞍座标准的选用鞍座标准的选用，首先根据鞍座实际承载的大小，确定选用轻型(A型)或重型（BI，BⅡ，BⅢ，BIV，BV型)鞍座（表8－15），找出对应的公称直径，再根据容器圆筒强度确定选用120或150包角的鞍座，标准高度下鞍座的允许载荷和各部分结构尺寸可从附录18和JB／T4712—92中得到。（二）圈式支座

可能造成严重挠曲的薄壁容器；多于两个支承的长容器。圈座采用圈座的情况：对于大直径薄壁容器和真空容器，因其自身重量可能造成严重挠曲；多于两个支承的长容器。除常温常压下操作的容器外，至少应有一个圈座是滑动支承的。（三）支腿

只适用于小型容器。

连接处造成严重的局部应力，只适用于小型设备（DN≤1800、L≤5m）。腿式支座的结构型式、系列参数等参见标准JB/T4714-92《腿式支座》。二、立式容器支座优点：简单轻便；缺点：对器壁产生较大局部应力。结构：由筋板和支脚板组成，广泛用于中、小型立式设备(高径比不大于5，总高度不大于10m)（一）耳式支座（悬挂式支座）标准：JB/T4725《耳式支座》，它将耳式支座分为A型（短臂）和B型（长臂）两类，每类又有带垫板和不带垫板两种。B型耳式支座有较大的安装尺寸，当容器外面包有保温层，或者将容器直接放置在楼板上时，宜选用B型。带垫板的耳式支座已标准化JB/T4725-92《耳式支座》。该标准分A型（短臂）和B型（长臂）（有保温层或直接放在楼板上）每类又分带垫板与不带垫板两种结构A型、AN型耳式支座耳式支座的结构型式表8－17耳式支座结构型式特征型式支座号适用公称直径/mm结构特征A1~8DN300~400短臂、带垫板AN1~3短臂、不带垫板B1~8长臂、带垫板BN1~3长臂、不带垫板耳式支座选用的方法：（1）估算设备总重，算每个支座的负荷Q值；（2）确定支座型式，从表8－18按允许负荷Q允大于实际负荷Q，选支座。小型设备耳式支座，可支承在管子或型钢制的立柱上。大型设备的支座往往搁在钢梁或混凝土制的基础上。

标记方法（二）支承式支座图8-30支承式支座结构：在容器封头底部焊上数根支柱，直接支承在基础地面上。特点：简单方便，但它对容器封头会产生较大的局部应力，因此当容器较大或壳体较薄时，必须在支座和封头间加垫板，以改善壳体局部受力情况。支承式支座用钢管、角钢、槽钢制作，或用数块钢板焊成，型式、结构、尺寸及材料JB/T4724-92《支承式支座》。

用于高度不大、安装位置距基础面较近且具有凸形封头的立式容器。标准：JB/T4724《支承式支座》分为A型和B型，A型支座由钢板焊制而成；B型支座采用钢管作支柱。带垫板的支承式支座（三）腿式支座（支腿）特点：结构简单、轻巧、安装方便，在容器下面有较大的操作维修空间。图8-31腿式支座标准：JB/T4713《腿式支座》A型：角钢支柱B型：钢管支柱问题：腿式支座与支承式支座的区别？腿式支座是支承在容器的圆柱体部分支承式支座是支承在容器的底封头上（四）裙式支座应用：高大的立式容器，特别是塔器。形式：圆筒形裙座和圆锥形裙座。1—塔体;2—保温支承圈;3—无保温时排气孔;4—裙座筒体;5—人孔;8—螺栓座;7—基础环;8—有保温时排气孔;9—引出管通道;10—排液孔图8-32裙式支座裙座结构裙座结构(1)座体它的上端与塔体底封头焊接在一起，下端焊在基础环上。座体承受塔体的全部载荷，并把载荷传到基础环上去。裙座结构(2)基础环基础环是块环形垫板，它把由座体传下来的载荷，再均匀地传到基础上去。裙座结构(3)螺拴座由座板和筋板组成，供安装地脚螺栓用，以便地脚螺栓把塔设备固定在基础上裙座结构(4)管孔在裙座上有检修用的人孔、引出管孔,排气管孔等8.3容器的开孔补强容器为什么要开孔？工艺、安装、检修的要求。开孔后，为什么要补强？削弱器壁的强度，出现不连续，形成高应力集中区。设备与管道的联接，设备上测量、控制仪表的安装，都需要开孔，也是接管的接口。在设备上焊好接管后，需要考虑它的长度（150~200mm），便于安装、拆卸等。属于一个部件，由公称压力、公称直径确定形状。有椭圆形、长圆形、圆形（常用）一、设备开孔的装置1.设备的管口2.人孔、手孔8.3容器的开孔补强8.3.1.容器开孔应力集中现象开孔处出现应力集中，应力集中系数为：

K=σ实际/σ膜其大小为多少？见平板开孔试验测试：实测结果：K≈3即应力集中点的实际应力大约为膜应力的3倍。容器开孔后在孔边附件的局部地区，应力会达到很大的数值，这种局部的应力增长现象，叫做应力集中。在应力集中区域的最大应力值，称为应力峰值。

①开孔削弱了器壁材料，破坏了原有应力分布并引起应力集中；

②壳体与接管连接处形成结构不连续应力；③壳体与接管的拐角处因不等截面过渡引起应力集中。二、开孔应力集中现象及原因1、开孔应力集中现象

2、产生原因

定义：局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔所减去的壳体截面积，其含义在于补足壳壁的平均强度，即用与开孔等截面的外加金属来补偿被削弱的壳壁强度。优点：长期实践经验，简单易行，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如ASMEⅧ-1和GB150等。（一）补强设计原则三、开孔补强设计原则、形式与结构1、等面积补强问题：没有考虑开孔处应力集中的影响，没有计入容器直径变化的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量不同，因此有时显得富裕，有时显得不足。指开孔容器在接管处达到全域塑性时的极限压力应等于无孔壳体的屈服压力；同时，按弹性计算的最大应力应不超过2σs定义2、塑性失效补强原则（二）补强形式1、内加强平齐接管

2、外加强平齐接管

3、对称加强凸出接管4、密集补强四种补强形式的比较从强度角度看密集补强最好，对称凸出接管次之，内加强平齐接管第三，外加强平齐接管效果最差从制造角度看（三）补强结构补强结构补强圈补强结构补强元件补强结构整体补强结构指补强金属采用什么结构方式与被补强的壳体或接管连成一体结构补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见图8-33.优点结构简单，制造方便，使用经验丰富图8-33补强圈补强缺点1）与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力；2）难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。1、补强圈补强结构补强圈补强补强圈补强补强圈中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在静载、常温、中低压容器中a.材料的标准抗拉强度低于540MPab.补强圈厚度小于或等于1.5δnc.壳体名义厚度δn不大于38mm适用范围HG21508-92《补强圈》，JB/T4738-95《补强圈》标准注意为了检验焊缝的紧密性，补强板上开有一个M10的小螺纹孔，从这里通入压缩空气，并在补强圈与器壁的连接焊缝外涂抹肥皂水，如果焊缝有缺陷．就会在该处吹起肥皂泡.结构在开孔处焊上一段厚壁接管，见图8-34。特点结构简单，焊缝少，补强效果好，高强度低合金钢制压力容器一般都采用该结构图8-34厚壁接管补强2、加强元件补强（又称接管补强或厚壁管补强）厚壁接管补强图8-35整锻件补强

整体锻件3、整体补强结构将接管与部分壳体边同加强部分作为整体锻件，然后与壳体焊接在一起。

整锻件补强补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低10～15%。优点缺点锻件供应困难，制造成本较高。重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。应用焊接接头系数小于1，但开孔位置不在焊缝上等等强度裕量接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管根部有填角焊缝上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。3、允许不另行补强的最大开孔直径（四）允许不另行补强的条件GB150规定：在设计压力≤2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的2倍，且接管公称外径≤89mm时，只要接管最小厚度满足表8-19要求，就可不另行补强。表8-1不另行补强的接管最小厚度mm8.05.04.03.5897885574845383225接管公称外径最小厚度GB150对开孔最大直径的限制基本原则使有效补强的金属面积，等于或大于开孔所削弱的金属面积。（一）允许开孔的范围a.圆筒上开孔的限制：内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤，且d≤520mm；内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤，且d≤1000mm。四、等面积补强的设计方法

b.凸形封头或球壳上开孔最大直径d≤。c.锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d≤，Di为开孔中心处的锥壳内直径。d.在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。承受内压（8-14）式中A—开孔削弱所需要的补强面积，mm2；

d—开孔直径

●圆形孔：d=di+2Cdi—接管内直径（二）所需最小补强面积A(即开孔削弱的截面积A)

δ—壳体开孔处的计算厚度，mm；

δet—接管有效厚度，δet=δnt-C，mm；

fr—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当该值大于1.0时，取fr=1.0。（8-17）b、外压圆筒或球壳：图8-38有效补强范围示意图（a）在一定范围内能起补强作用，除了此范围，则起不到补强作用。有效补强区：矩形WXYZ，见图8-38。（三）开孔有效补强范围及补强面积的计算有效宽度B：取二者中较大值B=2dB=d+2δn+2δnt式中B—补强有效宽度，mm；

δn—壳体开孔处的名义厚度，mm；

δnt—接管名义厚度，mm。内外侧有效高度：取式中较小值外侧高度h1=接管实际外伸高度h2=接管实际内伸高度内侧高度（8-22）（8-23）

在有效补强区的矩形WXYZ范围内,可作为有效补强的金属截面积Ae＝A1＋A2＋A3(四)补强范围内补强金属面积Ae①A1—壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。

②A2—接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。③A3—有效补强区内焊缝金属的截面积。若Ae=A1+A2+A3≥A则开孔后不需要另行补强。

若Ae=A1+A2+A3＜A则开孔需要另外补强，所增加的补强金属截面积A4应满足

A4=A-Ae

(8-24)开孔补强设计步骤P185用于装置测量、控制仪表，或连接其他设备和介质的输送管道。㈠接口管焊接设备的接口管长度8.4容器附件铸造设备接管可与筒体一并铸出。螺纹管主要用来接温度计、压力表或液面计等，阴螺纹或阳螺纹。

㈡凸缘接管长度必须很短时可用凸缘代替(又叫突出接口)。凸缘本身有加强作用，不需另外补强。当螺柱折断在螺栓孔中，取出较困难。凸缘与管道法兰配用