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夹套容器设计中的温差应力问题

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夹套容器设计中的温差应力问题 第 46卷第 6期 2009年 l2月 化 工 设 备 与 管 道 PROCESS EQUIPMENT&PIPING Vo1.46 No.6 Dec.2009 夹套容器设计中的温差应力问题 杨四海 (中国石化集团宁波工程有限公司兰州分公司,兰州 730060) 摘 要:应用外压和轴向压缩同时作用下的安全工作条件,对某夹套设备进行设计计算分析,说明了温差应力对外 压容器失稳的影响,并提出在设计中应考虑的问题和解决方案。 关键词:夹套容器; 温差应力; 安全工作条件 中图分类号:...

夹套容器设计中的温差应力问题
第 46卷第 6期 2009年 l2月 化 工 设 备 与 管 道 PROCESS EQUIPMENT&PIPING Vo1.46 No.6 Dec.2009 夹套容器设计中的温差应力问 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 杨四海 (中国石化集团宁波工程有限公司兰州分公司,兰州 730060) 摘 要:应用外压和轴向压缩同时作用下的安全工作条件,对某夹套设备进行设计计算分析,说明了温差应力对外 压容器失稳的影响,并提出在设计中应考虑的问题和解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 关键词:夹套容器; 温差应力; 安全工作条件 中图分类号:TQ 053.2 文献标识码:A 文章编号:1009—3281(2009)06-0010-03 Thermal Stress Considered in Design of Jacketed Vessel YANG si.hai (Lanzhou Branch,SINOPEC Ningbo Engineering Co.,Ltd,Lanzhou 730060,China) Abstract: The working condition that the vessel was subjected to external pressure and axial pressure simultaneously was taken into account,the calculation for this jacketed vessel was carried out.The influence of thermal stress to the instability of the vessel was ana— lyzed.Then,the problems which may appear in the design and the solutions for these problems were presented. Keywords: jaeketed vessel; thermal stress; safe working condition 在化工、石油等行业常遇到同时承受轴向压力 和外压力作用的薄壁圆筒设备,例如某些真空塔、带 夹套的反应器等,这种圆筒失效的主要原因之一是 由于稳定性不够。对于夹套容器的设计,通常按照 单纯承受外压的设备来计算,但当容器长径比较大, 或内筒与夹套 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的线性膨胀系数相差较大时,若 不考虑由于温度差产生的轴向压应力,很容易造成 设备轴向失稳。本文通过一台夹套容器的设计实例 说明温差应力的影响。 某工程一台循环气加热器,设计条件如表 1。 表 1 加热器设计条件 设备结构及尺寸如图 1所示。 1 受力计算 1.1 设备筒体上轴向应力的计算 1.1。1 温度差产生的轴向压应力计算 简体、夹套不受约束时,因温升引起的自由伸长 量分别为: =OtT(tT—To)L (1) 图 1 设备整体结构尺寸 s: s(ts—To)L (2) 式中 ——筒体材料的平均线胀系数,0c =17.1 ×10 mm/(mm·oC); Ot ——夹套材料的平均线胀系数, =12.0 ×10 mm/(mm·℃); — — 简体壁温,tT=159℃; ts——夹套壁温,ts=165 c【=; — — 装配温度,To=20 oC; ,J——夹套长度,L=5 000 inm。 8T=17.1×10一。×(159—20)×5 000=11.9 nil3 8 =12.0×10一 ×(165—20)×5 000=8.7 IlllTt 虽然夹套与简体的连接处采用折边过渡结构会 有一定的变形补偿,但在常规设计条件下,无法准确 定量,为保证设计安全,可认为夹套与设备简体之间 收稿日期:2009-08-24; 修回日期:2009~9.21 作者简介:杨四海(1974一),男,甘肃兰州市人,工程师。目前主要 从事石油化工装置项目中压力容器的设计、校核及设计 项 目管理工作。 2009年 12月 杨四海 .夹套容器设计中的温差应力问题 为刚性 连接 。 内简体外焊接夹套受约束时,两者的最终伸长 量均等于 而不等于自由伸长量 6 、6 。根据虎克 定律,简体、夹套变形量与温差力 尸的关系分别为: 6 一6= PL (3) 6—6s= PL (4) 式中 E ——简体材料的弹性模量,E =186.5× 10。MPa; E ——夹套材料的弹性模量,E =188.1× 10 MPa; T— — 简体截面积,AT=26 214 mm。; A。——夹套截面积,A =17 794 mm 。 将(3)和(4)合并后,可得 一 PL :6s+ PL (5) 将(1)和(2)代人(5)后,经整理后可得 P= 1/杀E A 1/E A 27 N㈩ ‘ (T T)+ (s s) ’一 ⋯ ’ 因此,在内筒体上由于温差产生的轴向压应力 为: P ETEsAs[O/T(tT一 )一 s(ts—To)] 一 == ~ AT ETAT-I-EsAs (7) 经计算 Tt=48.3 MPa 1.1.2 内压引起的轴向拉应力计算 ] P (Di+6 ) — Pc——计算压力,Pc=0.1 MPa; — — 有效厚度,6 :13.2 mm。 H=1.13 MPa 1.1.3 设备上轴向应力的计算 经过分析内筒上产生的轴向应力为压应力,计 算后为 = 一 H=47.2 MPa (8) 1.2 设备简体轴向压缩时的许用压应力的计算 根据选取的 和圆筒外半径 R。,按式(9)计算 A值[ : : 0 — . 0 946~ A :0.004 (9) =— - = . (9) 查 GB 150图 6-10,B=88 MPa [ =min{[dr] ,B} [or] =88 MPa 1.3 设备简体许用外压力的计算 根据 GB 150的外压计算, L = 一s.2 = .2 查 GB 150图 6.10,A=0.000 55,B=48.24 许用外压力[P] 1·04 2 计算分析 外压和轴向压缩同时作用下设备筒体的受力结 果为: or + P = 88 + 1 04_0_54+0.82-1.36 [ ] [ ]一 。 . 一 u 。 J ’ 。 u ‘ u 一 。 J u 从受力结果可见,轴向压应力超过了许用压应 力的一半,同时外压基本上达到了满应力状态,在外 压和轴向压缩同时作用时,工作情况是相当危险的, 这时设备简体出现失稳现象将难以避免。 在以上计算中采用了一些近似假设,但是整个 计算结果说明由于温度差产生的轴向压应力不可忽 略,设计中若不考虑它的影响,只是按照单纯承受外 压的设备来计算是不够的。 考虑到实际工作条件中的这些问题,对于类似 的夹套设备在设计中应根据具体的结构情况计算其 由温度差引起的应力。特别是承受外压的同时作用 有轴向压应力的筒体,必须以两者联合作用来考虑, 即用 __+. ≤1.0 L or J cr LPj 作为一个安全工作判定条件。 3 解决方案和设计中应考虑的问题 若设计过程中不能满足安全工作判定条件,则 应考虑在符合 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 要求的前提下改用其他结构型 式。若必须采用夹套型式,则有以下几种解决方案: (1)设备内简体与夹套采用线性膨胀系数相同 或相近的材料,使内筒与夹套在操作温度下变形基 本一致; 本文中的设备若将夹套的材料改为与简体同材 质即同为00Crl7Nil4Mo2,则由式(7)可得, 。 P ETEsAs[ T(tT—To)一Ots(ts一 )] 听 ———— 啊 ——一 =7.74 MPa 由式(8)可得 = Tt一 H=6.61MPa + = + _0.80P 88 1 04 9≤1 [ ] 。[]一 。 . 一 ~ ~ 由计算结果可以看出,由于设备简体与夹套材 质相同,由温度差产生的轴向压应力显著减少,满足 了安全工作条件。 (2)装设弹性元件 J。 在设备内简体与夹套材质不同,热膨胀量相差 较大的情况下,.装设弹性元件可以有效降低筒体的 · 12· 化 工 设 备 与 管 道 第 46卷第 6期 轴向压应力,如图2所示。 61,=2Sj,b=SJ,bl=1.25S 0=2S 2,6=S。2,bl=1.25S b. 图2 弹性元件与夹套及外压圆筒的焊接结构 弹性元件的厚度5 按下式计算确定: 当夹套与挠性封闭件连接焊缝外侧,在挠性封 闭件上无直边(图2a)时: S : +C (mm) c2 = + ‘一 当夹套与挠性封闭件连接焊缝外侧,在挠性封 闭件上有直边(图b)时: : ! +C mmS c2 、 —E o-]t,/,—-o . 5p+C 同时在2007版 ASME第Ⅷ卷——第二册的第 4篇中也有相关夹套加弹性元件的设计计算方法。 (3)装设相应的热补偿装置 ,如膨胀节 。 另外,在设备夹套上增加 U型膨胀节来吸收设 备简体、夹套变形量也可以有效降低简体的轴向压 应力,来满足安全工作条件。 加设 u型膨胀节的设计计算:选择 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 膨胀节 GB 16749--1997,膨胀节 ZDL 700-1.0—1X7X1(T), 材料0Crl8Ni9,安装于夹套简体中段,如图3所示。 图3 U型膨胀节结构尺寸 对于膨胀节来说,它的应力一部分是由内压引 起的,另一部分是由热膨胀差变形引起的。经过计 算,各项应力均能满足应力计算中的评定条件。 根据膨胀节标准,计算出膨胀节在温差力 P作 用下的轴向位移e =尸/ _4 P——温差力,P=1.27×10。N; 单波轴向刚度,N/ram。 . 7警 ( ) =26 222 计算后el=48.4 mm, 因温升引起的自由伸长量之差为 一6。=11.9 — 8.7=3.2 mm。 由于e。> 一6 ,可见增设膨胀节能完全有效 补偿由温差带来的变形差,减小内筒轴向压缩应力。 设计方案的选用必须结合实际情况做出判断。 本文实际设计中综合考虑后采用了增加膨胀节的方 案。必须强调的是本文的设计计算中仅考虑了设备 的正常工作情况,如果要考虑事故工况或开、停车工 况,可能会需要结合不同情况进一步深入进行设计、 分析、计算。 4 结束语 通过上述分析计算与实际应用,可以得出以下 结论: (1)承受外压同时作用有轴向压缩应力的简 体,应联合考虑两者对简体的作用。 (2)通过改变简体材质、装设弹性元件、采用膨 胀节等变形补偿结构可有效降低轴向压应力,使同 时承受外压与轴向应力的筒体更加安全可靠。 参 考 文 献 [1] GB l5O—l998,钢制压力容器[s]. [2] 李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京:新华出版 社 . [3] 王凯,虞军.搅拌设备[M].北京:化学工业出版社. [4] GB 16749--1997,压力容器波形膨胀节[S].
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分类:生产制造
上传时间:2013-06-25
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