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压力容器中载荷分析与总结

发布时间:2018-10-13

载荷是指能够在压力容器上产生应力、应变的因素,如介质压力、风载荷、地震载荷等。下面介绍压力容器全寿命周期内可能遇到的主要载荷。

1.载荷

(1)压力

压力是压力容器承受的基本载荷。压力可用绝对压力或表压来表示。绝对压力是以绝对真空为基准测得的压力,通常用于过程工艺计算。表压是以大气压为基准测得的压力。压力容器机械设计中,一般采用表压。

作用在容器上的压力,可能是内压、外压或两者均有。

压力容器中的压力主要来源于三种情况:一是流体经泵或压缩机,通过与容器相连接的管道,输入容器内而产生压力,如氨合成塔、尿素合成塔、氢气储罐等;二是加热盛装液体的密闭容器,液体膨胀或汽化后使容器内压力升高,如人造水晶釜;三是盛装液化气体的容器,如液氨储罐、液化天然气储罐等,其压力为液体的饱和蒸气压。

装有液体的容器,液体重量将产生压力,即液体静压力。其大小与液柱高度及液体密度成正比。例如,密度为1000kg/m3 的10m 水柱产生的压力为0.0981MPa (工程上常取为0.1MPa)。

(2)非压力载荷

非压力载荷可分为整体载荷和局部载荷。整体载荷是作用于整台容器上的载荷,如重力、风、地震、运输等引起的载荷。局部载荷是作用于容器局部区域上的载荷,如管系载荷、支座反力和吊装力等。

① 重力载荷 

是指由容器及其附件、内件和物料的重量引起的载荷。计算重力载荷时,除容器自身的重量外,应根据不同的工况考虑隔热层、内件、物料、平台、梯子、管系和由容器支承的附属设备等的重量。

② 风载荷 

是根据作用在容器及其附件迎风面上的有效风压来计算的载荷。它是由高度湍流的空气扫过地表时形成的非稳定流动引起的。风的流动方向通常为水平的,但它通过障碍物表面时,可能有垂直分量。

风载荷作用下,除了使容器产生应力和变形外,还可能使容器产生顺风向的振动和垂直于风向的诱导振动。

③ 地震载荷 

是指作用在容器上的地震力,它产生于支承容器的地面的突然振动和容器对振动的反应。地震时,作用在容器上的力十分复杂。为简化设计计算,通常采用地震影响系数,把地震力简化为当量剪力和弯矩。

地震影响系数与容器所在地的场地土类别、震区类型和地震烈度等因素有关,具体取值可参阅有关建筑抗震设计规范。

④ 运输载荷 

是指运输过程中由不同方向的加速度引起的力。容器经陆路或海上运送到安装地点,由于运输车辆或船舶的运动,容器将承受不同方向上的加速度。

运输载荷可用水平方向和垂直方向加速度给出,也可用加速度除以标准重力加速度所得到的系数表示。

⑤ 波浪载荷 

是指固置在船上的容器,由于波浪运动而产生的加速度引起的载荷。波浪载荷的表示方法与运输载荷相同。晃动载荷是交变的,应考虑疲劳的要求,有关设计数据,可参考船舶分类的规范标准。

⑥ 管系载荷 

是指管系作用在容器接管上的载荷。当管系与容器接管相连接时,由于管路及管内物料重量、管系的热膨胀和风载荷、地震或其他载荷的作用,在接管处产生的载荷就是管系载荷。

在设计容器时,管路的总体布置通常还没有最后确定,因此不可能进行管路应力分

析来确定接管处的载荷。正是由于这个原因,往往要求压力容器设计委托方提供管系载荷。容器设计者必须保证接管能经受住这些载荷,确保不会在容器或接管处产生过大的应力。管线布置最终确定后,管路设计者要确保由接管应力分析得到的载荷不会超出指定的管系载荷。

(3)交变载荷

上述载荷中,有的是大小和/或方向随时间变化的交变载荷,有的是大小和方向基本上不随时间变化的静载荷。压力容器交变载荷的典型实例有:

a. 间歇生产的压力容器的重复加压、卸压;

b. 由往复式压缩机或泵引起的压力波动;

c. 生产过程中,因温度变化导致管系热膨胀或收缩,从而引起接管上的载荷变化;

d. 容器各零部件之间温度差的变化;

e. 装料、卸料引起的容器支座上的载荷变化;

f. 液体波动引起的载荷变化;

g. 振动(例如风诱导振动)引起的载荷变化。

设计者应详细了解容器在全寿命期间内,每个载荷的变化范围(即最大和最小值)和循环次数,以确定容器是否需要进行疲劳设计。交变载荷是容器设计中的一个重要控制因素,小载荷改变量大循环次数与大载荷改变量小循环次数,同样都要认真考虑。

压力容器设计时,并不是每台容器都要考虑以上载荷。设计者应根据全寿命周期内容器所受的载荷,结合规范标准的要求,确定设计载荷。

2. 载荷工况

在制造安装、正常操作、开停工和压力试验等过程中,容器处于不同的载荷工况,所承受的载荷也不相同。设计压力容器时,应根据不同的载荷工况分别计算载荷。通常需要考虑的载荷工况有以下几方面。

① 正常操作工况 容器正常操作时的载荷包括:设计压力、液体静压力、重力载荷

(包括隔热材料、衬里、内件、物料、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量)、风载荷和地震载荷及其他操作时容器所承受的载荷。

② 特殊载荷工况 包括压力试验、开停工及检修等工况。

a. 压力试验。制造完工的容器在制造厂进行压力试验时,载荷一般包括试验压力、容器自身的重量。通常,在制造厂车间内进行压力试验时,容器一般处于水平位置。

对于立式容器,用卧式试验替代立式试验,当考虑液柱静压力时,容器顶部承受的压力大于立式试验时所承受的压力,有可能导致原设计壁厚不足,试验前应对其做强度校核。液压试验时还应考虑试验液体静压力和试验液体的重量。在压力试验工况,一般不考虑地震载荷。

因定期检验或其他原因,容器需在安装处的现场进行压力试验,其载荷主要包括试验压力、试验液体静压力和试验时的重力载荷(一般情况下隔热材料已拆除)。

b. 开停工及检修。开停工及检修时的载荷主要包括风载荷、地震载荷、容器自身重量,以及内件、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量。

③ 意外载荷工况 紧急状态下容器的快速启动或突然停车、容器内发生化学爆炸、容器周围的设备发生燃烧或爆炸等意外情况下,容器会受到爆炸载荷、热冲击等意外载荷的作用。