5、储存设备.ppt

1、1,过程设备设计,第 五 章,2,5、储存设备, 工艺条件介质名称及性质、容量、安装位置、钢材耗量、施工条件等； 环境条件温度、风载荷、地震载荷、雪载荷、地基情况等。,设计条件,储存设备简称储罐，用于储存气体、液体或液化气体等介质。储罐的结构形式有卧式、立式和球形，卧式和立式为圆筒形。本章重点介绍卧式储罐，简要介绍球形储罐。,5.1概述,3,可燃性、毒性、腐蚀性、密度、冰点、饱和蒸气压等。 可燃性和毒性决定设备制造与管理的等级和安全附件的配置； 腐蚀性决定设备材料； 密度决定液体静压力即设备工作应力； 冰点决定是否需要对设备加热或保温； 饱和蒸气压在一定温度下，储存气、液混合物的密闭容器中，达

2、到气、液两相衡时，气、液分界面上的蒸气压。它决定设备的工作应力。,4,气体介质热胀冷缩非常显著，使储罐压力有较大变化。如装满液化石油气的储罐，温度每升高1，压力就升高13MPa。为此限制介质装量小于储罐容积的95%。如北方的冬季，储罐内的压力可能低于大气压，有失稳的危险。储罐最低设计温度取当地10年逐月平均最低气温的最小值。,5,地面卧式储罐 主要由圆角、标准椭圆形封头和鞍座（或圈座）三部分组成,5.2.1基本结构,5.2卧式储罐,6,7,普遍取为2。若多于2，因基础不平、地基沉降不均和制造误差，会使储罐在各支点处产生随机不同的支反力，使储罐应力计算无法精确。,a. 鞍式支座 执行标准：JB/

3、T4712鞍式支座,8,根据材料力学，图51所示的储罐属于双侧外伸简支梁，L为外伸梁长度，A为伸出长度，（L2A）为支承跨距。图中切线是封头直边与曲边的界线。 当A=0.207L时，圆筒的跨距中间截面的弯矩等于支座处的弯矩，即等强度。 为此JB4731钢制卧式容器规定：A0.2L。 由于封头能加强圆筒端头的抗弯刚度，故支座靠近封头时可利用这一加强作用。 为此JB4731还规定：当满足A0.2L时，最好使A0.5Rm， Rm圆筒平均半径（中面半径）。,9,考虑圆角热胀冷缩和弯曲变形，只允许将一个支座固定在基础上，另一个支座必须能沿圆筒轴向相对基础移动将移动支座的地脚螺栓孔作成圆筒轴向的长孔。固定

4、支座应尽量设置在储罐配管较多的一侧。,包角见图51，其大小影响圆筒在支座截面的应力、外压稳定性和支承系统的稳定性。 JB/T4712规定：包角有120和150两种。,b. 圈座,1、因自身重量可能发生严重挠曲的薄壁容器。 2、多于两个支座的长容器,适用场合：,10, 安装在地下室内 安装在地下的基础、支座上，然后用土埯埋。为防腐需在储罐外表涂沥青层，必要时设牺牲阳极保护。为便于操作、检修和维护，需将工艺接口、仪表和安全泄放装置接口等集中引出地面，通常设置在一个或几个人孔盖板上，并用护罩保护。,地下安装的方式,节约占地面积；减小安全防火距离；减少环境温度影响。,地下卧式储罐,11,12,5.2.

5、2设计计算,一般先根据内压或外压容器设计方法初算圆筒壁厚，再考虑支座反力和支座包角的影响，计及各种附加载荷，校核圆筒在附加载荷作用下的环向、轴向强度和稳定性，以确定最终的圆筒壁厚。, 压力p，内压或外压（真空）； 储罐重量w1，包括圆筒、封头及附件等重量； 物料重量w2，若物料密度大于水，按物料密度计算；若小于水，按水的密度计算因为水压试验时物料重量最大； 其它载荷w3，包括风载、雪载、地震载荷、保温层重量等； 对于视为双侧外伸简支梁的卧式储罐，上述压力p是关于圆筒环向对称的，不构成轴向弯矩，只有w1、w2、w3对卧式储罐构成轴向弯矩。,载荷分析,13,14,单个支座反力F： 单位长度筒体的均

6、布载荷q： 式中Hd将封头折合成圆筒的当量长度， ，H为封头曲面深度（不含直边段） 将F式和Hd式代入q式得：,15,封头曲面段重力Fq：,集中力Fq作用在封头曲面段重心上，重心到封头切线的距离e：e=3H/8半球形封头 e3H/8其它凸形封头,16,根据力的平移定理，将Fd从重心移至封头切线（外伸梁端头），同时附加一个使外伸梁上凸的力偶m1，,平移Fq并附加力偶m1,若储罐内充满液体介质，其静压力py随液体深度y 线性递增：液体静压力py对封头产生向外的推力S，S是py的合力：SqRi。合力S的作用点以偏心距yc表示：yc=Ri/4。合力S对封头、也是对圆筒的力矩：m2=Syc=qRi2/4

7、，m2的方向是使外伸梁下凹。,17,M=m2m1（下凹变形为正，上凸变形为负）,18,（1）弯矩 a. 圆筒在跨距正中截面处的弯矩,整理得：M1=F(c1LA),M1一般为正，表示圆筒在跨距正中截面的上半部受压、下半部受拉。参见图(d)。,19,b. 圆筒在支座截面处的弯矩,整理得：,M2一般为负，表示圆筒在支座截面的上半部受拉，下半部受压。参见图(d)。,20,（2）剪力 由图（c）知：圆筒的剪力在跨距正中截面处为零，在支座截面处最大。 在支座外侧附近： 书上(5-5b)式有误,在支座内侧附近：,式中正、负号表示剪力的方向，一般力学书上以Q表示剪力。通常v2 v1,将前面F式代入并整理得：,

8、21,a. 跨距中点截面的轴向应力,截面最高点为压应力：,式中：Ri2e为圆筒作为梁的抗弯截面模量w。因有效壁厚eRi，故wRi2e；,轴向应力圆筒作为外伸简支梁的弯曲应力，是正应力,圆筒的轴向应力及轴向强度校核,截面最低点为拉应力：,22,b. 支座截面的轴向应力,圆筒在支座截面处承受较大的支座反力F。由于eRi，因此容易产生扁塌现象。扁塌现象使圆筒的抗弯截面模量降低。齐克（zick）根据实验结果认为：发生扁塌后，承担弯矩的只有截面的下边部分（称为有效截面），其对应圆心角=/2+/6（见图55）其余上边部分（称为无效截面）不能承担弯矩。减小圆筒外伸梁的外伸长度A或在支座截面处设置加强圈，均能

9、减少或消除扁塌现象。,23,鞍座包角 无效截面半圆心角,24,截面最高点为拉应力：,式中：k1、k2由扁塌现象引起的抗弯截面模量减小的系数，见表51,截面最低点为压应力：,25,c. 轴向综合应力与轴向强度校核,以上计算的圆筒轴向应力仅为前面基本载荷中的w1、w2、w3引起的轴向应力，校核时必须将其与介质内压（或外压）引起的拉伸轴向应力+（或压缩轴向应力-）,内压容器：kN=max +1, +2 =+2 外压容器：k=max 1, +2 = 1,跨距中点截面：,因取绝对值,26,内压容器：zN=max +3, +4 =+3 外压容器：z=max +3, 4 = 4,支座截面：,因取绝对值,kN

10、、zNt， 材料在设计温度下的许用应力,校核式：,kw、zwcr， cr外压圆筒的轴向许用临界应力,27,切向剪切应力,圆筒作为外伸简支梁受剪力v（竖向）作用。竖向剪力v可看作是圆筒截面上切向（环向）剪切应力的合力。的分布见图56。,28,a. 在支座截面处设置加强圈的圆筒,因圆筒在支座截面的剪力最大，故只需讨论该截面的切向剪切应力。设与竖向剪v对应的竖向剪切应力为v，则：,切向剪切应力= vsin，代入v式得：, 书上（510）式分母中无2，但剪力v是半值 ,见图56,该式使用条件是圆筒截面为圆形，如在支座截面处设置加强圈或减小圆筒外伸梁的外伸长度。,29,b. 在支座截面处无加强圈且外伸长

11、度较大(A0.5Ri)的圆筒,若圆筒在支座截面未设置加强圈且外伸长度较大而发生扁塌现象，齐克（zick）认为，切向剪切应力是不发生扁塌时的c倍，最大切向剪切应力发生在=处：,式中：,式中：,，见图57,30,c. 被封头加强的圆筒（在支座截面无加强圈且外伸长度较小（A0.5Ri）的圆筒）,被封头加强的圆筒在支座截面的切向剪切应力分布,31,图中的左侧折线代表与封头连在一起的圆筒在支座处的截面，在该截面的下部，受支座反力（剪力）的作用呈现向上的竖向剪切应力v；在该截面的上部，受支座右侧圆筒的压力作用呈现向下的竖向剪切应力v。该v向下的原因主要有二：圆筒的刚度较小，有向下扁塌的趋势；封头的刚度较大

12、，它能从支座获取支承力并对圆筒上部构成向上的支承力。 与竖向剪切应力v相应的切向剪切应力的分布见图（58）。齐克认为：在0范围内， 向下；在范围内， 向上。 由于圆筒外伸长度较短，因此在计算圆筒作为外伸简支梁的剪力时，可将封头曲面段重力Fq及支座外侧的一段圆筒的重力（）q均略去，这时圆筒在支座外侧的剪力为零，在支座内侧的剪力为F，即： V1=0 V2=F,32,由于v1=0，故0内向下的与内向上的的竖向合力必为零。由于 0 的。齐克认为，内的切向剪切应力是支座截面设置加强圈的圆筒的c倍：,式中：,意义与表达式同前 F圆筒在支座外侧的剪力。前面曾指出：v1=0，但这只是为了确定C而假定的，实际上

13、略去的Fq及（）q对支座外侧的截面是有剪力的，想像薄壁粗圆筒的两相邻截面的剪力不会有很大差别，故取支座内侧的剪力F作为支座外侧的剪力。,书上(512)式分母中无2，但剪力F是半值。,33,圆筒在支座截面无加强圈且外伸长度较小（A0.5Ri）时，封头中会产生附加拉伸应力。 图58是圆筒在支座外侧截面的切向剪切应力分布。然而由于圆筒外伸长度较小，封头与其相连，因此在封头截面的切向剪切应力分布也是如此。 由图58看出，截面上部的向下切向剪切应力和截面下部的向上切向剪切应力在水平方向的分量，是附加在封头上的水平拉伸应力，简称附加拉伸应力。附加拉伸应力主要由封头的轴线截面承担，即为正应力。由于该应力的源

14、头是封头的切向剪切应力，故中国容器标准中称其为封头的（切向）剪切应力，并以h表示。,封头的附加拉伸应力,34,附加拉伸载荷：,s1=1cos1 s2=2cos(1802) = -cos2 d l=Rid dA=edl=eRid dQ=sdA=seRid dQ1=s1eRid1 =1cos1eRid1 dQ2=s2eRid2 = -2cos2eRid2,35,参照有加强圈的圆筒， 参照被封头加强的圆筒，,36,（书P245式（5-13）中分母为2，但剪力F为半值）,37,平板封头（厚度为he）承担附加拉伸载荷的面积：A=2Rihe,平板封头的附加拉伸应力：,凸形封头（厚度为he的附加拉伸应力为按

15、平板封头计算的附加拉伸应力的1.5倍：,式中：,38,表中：b支座宽度，参见P235，F5-1（a）图,39,圆筒切向剪切强度与封头附加拉伸强度的校核 圆筒切向剪切强度校核式：maxt=0.8t 封头切向剪切强度校核式：h+h1.25t 式中：t材料在设计温度下的许用剪切应力； t材料在设计温度下的许用拉伸应力； h由介质内压引起的封头在轴线截面上的拉伸应力，外压时h不计入。 椭圆形封头， 碟形封头， 半球形封头， 式中：k椭圆形封头的形状系数； M、Ri碟形封头的形状系数和球面内半径,40,思考题,圆筒切向剪切强度校核式中未把由介质压力引起的环向薄膜应力叠加进去，为什么？,41,因圆筒在支座

16、截面处剪力最大，故该截面处的切剪切应力、周向弯矩和周向弯曲应力也相应最大。故只讲座该截面的周向弯矩和周向弯曲应力。,MA截面顶点的周向弯矩 Pt截面顶点的周向力,圆筒在支座截面处的周向弯曲应力,周向弯曲应力由周向弯矩引起的弯曲应力,周向弯矩由圆筒截面上的切向剪切应力引起的弯矩,42,a. 在支座截面设置加强圈的圆筒 设支座截面处的剪力为F，经推导得截面在任意圆心角处的周向弯矩为：,式中：f(，)是鞍座包角与截面圆心角的函数 Mmax=M|=M=k6FRi,式中： 从圆筒顶点到支座边缘处的圆心角，=-/2,43,b. 在支座截面无加强圈且外伸长度较大(A0.5Ri)的圆筒 由于切向剪切应力的分布

17、和圆筒上设置加强圈时不同，相应的周向弯矩也不同，但是此时难以进行理论推导。奇克认为，此时周向弯矩按设置加强圈的圆筒计算，总是偏于安全的。但是系数k6则应根据此值A/Ri而异，见图511。,44,奇克指出，圆筒在支座截面处承受弯矩的有效宽度，可取4Ri或L/2中的较小值，故圆筒的抗弯截面模量为：,45,c. 被封头加强的圆筒（在支座截面无加强圈且外伸长度较小(A0.5Ri)的圆筒） 齐克指出，此时的周向弯矩为： Mmax=M=k6FRi,式中：,以上三种情形的最大周向弯曲应力均发生在=处，即支座边缘处。,46,圆筒在支座截面处的周向压缩应力 周向压缩应力由鞍座弧形垫板的径向反力产生的在圆筒周向的

18、局部压应力，见图512。,q弧形垫板的径向反力 Tmax圆筒的最大周向压缩应力，发生在圆筒最低处。,47,a. 在支座截面设置加强圈的圆筒在后面专门讨论 b. 在支座截面无加强圈且外伸长度较大(A0.5Ri)的圆筒和被封头加强的圆筒,鞍座边缘处的周向压缩力（是周向分布力）：,T=F/4（设支座反力为F）,最大周向压缩力：Tmax=k5F,48,圆筒在鞍座边缘处和最低处，承受周向压缩力的有效长度（圆筒轴向的尺寸）均为b2，b2是鞍座垫板的宽度，b是鞍座宽度：,则圆筒的周向压缩应力为： 在最低处：,在支座边缘处：,49,在圆筒最低处：,在支座边缘处的圆筒外表面：,50,加强圈设计与应力、强度较核（

19、承接前边“用加强圈加强的圆筒”） a. 加强圈的结构设置与焊接位置 材料：钢板或工字钢；结构：环形；位置：鞍座处或鞍座近旁，圆筒内或圆筒外，鞍座处只能设置内加强圈。,注：图a、b中圆筒剖面线应与加强圈剖面线方向相反，即有效长度圆筒不属于加强圈,51,b. 加强圈处圆筒的应力与加强圈的应力以及强度校核 (a) 圆筒在鞍座截面设置加强圈时（图513a）,加强圈与鞍座位于同一截面，由于加强圈对圆筒构成很好的加强作用，故在圆筒最低点产生的来自支座垫板的径向压缩力不会使圆筒破坏，故圆筒的危险点位于鞍座边缘处（=）。该处的应力T由周向弯曲应力Tw和周向压缩应力TT组成：,52,第一个“”号表示圆筒在支座边

20、缘处且外表面点的周向弯曲应力为负。参见弯矩M的方向； 第二个“”号表示圆筒在该点的周向压缩应力为负（同前） Ao有效长度圆筒与加强圈组合的截面积； Io组合惯性矩； e 组合截面中性轴xx至圆筒外壁的距离,式中：,加强圈在支座边缘处且内表面（内缘）点上承受的周向弯曲应力为最大压应力，承受的周向压缩应力与外缘点相同，因而是危险点：,（书上527式k7写为k8有误）,式中：d 组合截面中性轴xx至加强圈内缘的距离,53,加强圈对圆筒鞍座截面的加强作用较小，故圆筒在支座截面最低处承受最大周向压缩应力，周向弯曲应力为零是危险点之一。在支座边缘处的外表面上承受最大周向弯曲应力（正值）和少量周向压缩应力，

21、也是危险点之一。内加强圈的内缘在支座边缘处承受最大周向弯曲应力（负值）和少量周向压缩应力，也是危险点之一。外加强圈的外缘在支座边缘处承受最大周向应力（正值）和少量周向压缩应力，也是危险点之一。各危险点的位置见下图：,（b）圆筒在靠边鞍座截面设置加强圈时（图1513b、c）,54,55,圆筒在支座截面最低点：,有内加强圈的圆筒在支座截面的边缘处的外表面(图513b)：,(n为单个支座的加强圈数量),内加强圈在支座截面处的内缘(图513b)：,有外加强圈的圆筒在支座截面的边缘处的内表面(图513c)：,外加强圈在支座截面处的外缘(图513c)：,56,57,鞍座强度校核,q圆筒对支座的径向压缩载荷

22、，是反作用力； T由q产生的支座弧形垫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的方向是水平且与圆筒铅垂轴面垂直，试图将支座从中间拉断推开。 以上用图512比较理解,58,式中：Hs支座腹板的有效高度，Hs=min1/3Ri，支座凹点高度 bo支座腹板的厚度 腹板位于垫板与座板之间垂直于圆筒轴线的凹形钢板,鞍座的水平推力 F=k9F（F为支座反力，系数k9见表55） 鞍座的有效面积 A=Hsbo,鞍座腹板的平均应力：,式中： 是由于腹板受力未计入圆筒周向弯矩的影响，因此降低许用应力 卧式储罐的设计计算程序见图515。,59,5.3球形储罐,罐体形状：圆球形与椭球形 罐壳结构：

23、单层与多层；桔瓣式、足球瓣式或混合式 支座结构：支柱式、圆筒式或锥筒式 罐壳区域：参照地球仪分为上、下极带、上、下温带和赤道带,60,桔瓣式罐体（赤道正切指支柱中心线与赤道线正好相切） 主要特点：壳体元件为桔瓣形，拼装焊缝较规则，施焊容易，可自动焊接；壳体元件关于铅垂轴线对称，便于布置支柱，焊缝受力对称，质量易保证；各地带壳体元件的形状和尺寸均不同，使下料及成型复杂，材料利用率较低；极带的壳体元件尺寸较小，人孔和接管较多时不易错开焊缝，使附件拥挤；适于各种容量的球罐，世界各国普遍采用。,5.3.1罐体,61,62,壳体元件为足球瓣形，各地带壳体元件的形状及尺寸均相同，使下料及成形容易，互换性好，材料利用率较高；拼装焊缝较短，焊接及检验工作量小； 焊缝布置复杂，施工组装困难，对壳体元件的制造精度较高；可能有部分支柱会搭在球壳的横焊缝上，使该处焊缝应力复杂化；适于容积120m3的球罐，中国目前少用。,主要特点：,主要特