旋转薄壁容器

爆炸载荷、 爆炸载荷、 热冲击等意 外载荷
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过 程 设 备 设 计
2.2 回转薄壳应力分析
本章重点
教学重点： 教学重点： （1）回转薄壳的无力矩理论； ）回转薄壳的无力矩理论； （2）微元平衡方程、区域平衡方程； ）微元平衡方程、区域平衡方程； （3）典型回转薄壳的求解。 ）典型回转薄壳的求解。 教学难点： 教学难点： （1）储存液体的圆球壳、圆柱壳求解； ）储存液体的圆球壳、圆柱壳求解； （2）边缘力和边缘力矩的工程问题。 ）边缘力和边缘力矩的工程问题。
通常要 考虑
具体情况 考虑
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2.1 载荷分析
过程设备设计
载荷工况
定义——在工程上，容器受到不同载荷的情况。 在工程上，容器受到不同载荷的情况。 定义 在工程上 制造安装 正常操作 开停工 压力试验 检修 等等 正常操作工况 特殊载荷工况 意外载荷工况
根据不同载荷工况， 根据不同载荷工况，分别计算载荷
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2.1 载荷分析
过程设备设计
一、正常操作工况 设计压力 液体静压力 重力载荷 载荷 风载荷 地震载荷 其他载荷 隔热材料、衬里、内件、物 隔热材料、衬里、内件、 平台、梯子、管系、 料、平台、梯子、管系、支 承在容器上的其他设备重量 等
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2.1 载荷分析
过程设备设计
二、特殊载荷工况
一般不考虑 地震载荷
坐 标 系 的 建 立
过 程 设 备 设 计 二、几何特征 第一曲率半径r1： 第一曲率半径 决定经线亦即决定旋转壳体的几何形状的经线的曲率半 表示，如图中的BK 径，用r1表示，如图中的 1。 而旋转壳体中面上任一点的第一曲率半径的圆心必然在 该点的法线上，其大小可用曲率半径公式求取。 该点的法线上，其大小可用曲率半径公式求取。对 y=f(x)的曲线的 1有如下关系式： 的曲线的r 的曲线的 有如下关系式：
2.1 载荷分析
过程设备设计
二、非压力载荷
整体载荷 作用于整台容器 上的载荷， 上的载荷，如重 力、风、地震、 地震、 运输等引起的载 荷。
局部载荷 作用于容器局部 区域上的载荷， 区域上的载荷， 如管系载荷、 如管系载荷、支 座反力和吊装力 等。
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2.1 载荷分析
过程设备设计
三、交变载荷
载荷
交变载荷
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过 程 设 备 设 计
2.1 载荷分析
载荷——能够在压力容器上产生应力、应变的 载荷 能够在压力容器上产生应力、 能够在压力容器上产生应力 因素，如压力、风载荷、地震载荷等。 因素，如压力、风载荷、地震载荷等。
介绍： 介绍： 压力容器全寿命周期内 可能遇到的主要载荷
压力载荷
非压力载荷
交变载荷
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2.1 载荷分析
静载荷 定义—— 定义 大小和方向基本 上不随时间变化 不随时间变化
定义—— 定义 大小和/ 大小和/或方向 随时间变化
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过 程 设 备 设 计
小结
压力载荷
非压力载荷 重力载荷 风载荷 地震载荷 运输载荷 波动载荷 管系载荷 部分要 考虑
交变载荷 载荷变化 （大小 方向） 方向） 循环次数
内压 外压 内外压
如图： 如图：在B点垂直于壳体中面的直线 ，即法线 ，该法 点垂直于壳体中面的直线 即法线n， 线必于旋转轴相交，其交点为K 交角为φ， 线必于旋转轴相交，其交点为 2，交角为 ，平行圆 的位置由φ确定 确定， 点的位置由 确定， 点的位置由θ确定 的位置由 确定，B点的位置由 确定，即经线的位置 确定。 是从母线量起的角 是从母线量起的角。 由θ确定。 θ是从母线量起的角。 确定
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制造厂做压力试验 的载荷
现场做压力试验 的载荷
2.1 载荷分析
过程设备设计
二、特殊载荷工况（续） 特殊载荷工况（ 2．开停工及检修 ． 地震载荷 风载荷 载荷 容器自身重量 内件、平台、梯子、管系及支承在容器 内件、平台、梯子、 上的其他设备重量 等等
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2.1 载荷分析
过程设备设计
三、意外载荷工况 容器的快速启动或突然停车 紧急状态下 容器内发生化学爆炸 容器周围的设备发生燃烧或爆炸等
δ
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过 程 设 备 设 计
旋转壳体
就是其中面为旋转曲面的壳体。换句话说， 就是其中面为旋转曲面的壳体。换句话说， 如果一个壳体它的中面是旋转曲面， 如果一个壳体它的中面是旋转曲面，那么它 就是旋转壳体。 就是旋转壳体。 同样，从壳体的定义可以看到， 同样，从壳体的定义可以看到，壳体的形状 和大小即壳体的几何特征可以用其中面来表 示。
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过 程 设 备 设 计
θ
θ φ
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过 程 设 备 设 计 周向坐标（ ） 经线平面和母线平面的夹角θ， 周向坐标（θ）：经线平面和母线平面的夹角 ，称 为周向坐标，它唯一确立了经线的位置。 为周向坐标，它唯一确立了经线的位置。 经向坐标（ ）：过壳体中面上任一点B的法线与旋 ）：过壳体中面上任一点 经向坐标（φ）：过壳体中面上任一点 的法线与旋 转轴相交于K 交角为φ， 转轴相交于 2，交角为 ，这个角便唯一确立了 过该点的纬线的位置，这个角φ就是经向坐标 就是经向坐标。 过该点的纬线的位置，这个角 就是经向坐标。 法向坐标（ ）：由于壳体具有一定的厚度 由于壳体具有一定的厚度， 法向坐标（z）：由于壳体具有一定的厚度，我们 引入一个法向坐标z，为过任意点B的法线 的法线。 引入一个法向坐标 ，为过任意点 的法线。 符号规定：φ，θ逆时针旋转为正，反之为负；Z的 符号规定： ， 逆时针旋转为正，反之为负； 的 逆时针旋转为正 方向以指向壳体的曲率中心为正。这样， 方向以指向壳体的曲率中心为正。这样，任何一 个旋转壳体都可以在由经向坐标φ，周向坐标θ 个旋转壳体都可以在由经向坐标 ，周向坐标 和法线坐标Z组成的坐标系中进行研究 组成的坐标系中进行研究。 和法线坐标 组成的坐标系中进行研究。 24
dy 2 [1 + ( ) ] dx r1 = d2y dx 2
3 2
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过 程 设 备 设 计
θ 周向坐标
θ φ 径向坐标
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过 程 设 备 设 计 经线的形状决定了旋转壳体的形状，而经线的形状由经 经线的形状决定了旋转壳体的形状， 线的曲率半径决定。 线的曲率半径决定。 第二曲率半径r2： 第二曲率半径 经线上任意一点B，其法线与对称轴之交点为 经线上任意一点 ，其法线与对称轴之交点为K2，则K2 距离BK 即为r 到B距离 2即为 2，其值为 ： 距离
r r2 = sin φ
式中： 平行圆半径。 式中：r —— 平行圆半径。 由此可见：有了r 由此可见：有了r1，r2就表明了旋转壳体的形状和大小 的几何学特征了 。
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过 程 设 备 设 计 几种常见（典型）的旋转壳体的r1 和r2 的求法 几种常见（典型）的旋转壳体的r 圆柱壳
过 程 设 备 设 计
θ 纬线（平 行圆）
θ φ φ
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过 程 设 备 设 计 母线平面： 母线平面：母线和对称轴所构成的平面 经线平面： 经线平面：经线和对称轴所构成的平面
纬线
经线上任意一点绕旋转轴旋转一周所形成的轨 迹称为纬线。 迹称为纬线。 亦即： 亦即：以法线作母线绕回转轴回转一周所形成 的圆锥法截面与中间面的交线称为纬线， 的圆锥法截面与中间面的交线称为纬线，或平 行圆。 行圆。
过 程 设 备 设 计
第二章
压力容器应力分析
CHAPTER Ⅱ
STRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELS
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过 程 设 备 设 计 本 章 主 要 内 容
●讲解回转薄壳应力分析，掌握压力容器单元体受力分析 讲解回转薄壳应力分析，
方法，能够运用薄壳理论解决工程实际问题， 方法，能够运用薄壳理论解决工程实际问题，并着重掌握 无力矩理论的求解。 无力矩理论的求解。
经线
通过旋转轴OO1作一个纵向平面，它与壳体的交 作一个纵向平面， 通过旋转轴 称为经线。 线OBB1称为经线。 即任意位置的母线经线与母线是一致的， 即任意位置的母线经线与母线是一致的，经线与 回转轴OO1所构成的平面称为经线截面。 所构成的平面称为经线截面。 回转轴 例如： 例如：OBBO1
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过 程 设 备 设 计
2.2.1 旋转薄壳的几何特征 2.2.2 回转薄壳的平衡方程 2.2.3旋转薄壳的无力矩理论 2.2.3旋转薄壳的无力矩理论 2.2.4 回转薄壳的不连续分析
本 节 重 点
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过 程 设 备 设 计
2.2 回转薄壳应力分析
在石油化学工业中，钢制压力容器（如通常所见的塔、 在石油化学工业中，钢制压力容器（如通常所见的塔、 换热器、贮罐等）均为薄壁容器（ 换热器、贮罐等）均为薄壁容器（ D0 / Di ）他们 ≤1.2 所具有的特点如下： 所具有的特点如下： 1、是旋转壳体，都有一条对称轴，由旋转曲面组成， 、是旋转壳体，都有一条对称轴，由旋转曲面组成， 在垂直对称轴的截面上投影圆形； 在垂直对称轴的截面上投影圆形； 2、是轴对称问题，即几何形状，约束和所受的外力均 、是轴对称问题，即几何形状， 对称于旋转轴； 对称于旋转轴； 3、直径比较小； 、直径比较小； 4、承受压力为中低压； 、承受压力为中低压； 以上所述就是本节要解决的主要问题。 以上所述就是本节要解决的主要问题。
1．压力试验 ． 制造完工的容器在制造厂进行压力试验时的载荷。 制造完工的容器在制造厂进行压力试验时的载荷。 立式容器卧置做水 试验压力 压试验—— 压试验 试验液体静压力和 考虑 容器顶部的 压力校核 实验液体的重量 液柱静压力 容器自身的重量 液体重量 试验压力 试验液体静压力 试验时的重力载荷
●讲解壳体的稳定性分析，掌握外压容器失稳特点及理论 讲解壳体的稳定性分析，
分析，受均布周向外压的长、短圆筒的临界压力，临界长 分析，受均布周向外压的长、短圆筒的临界压力， 2 度的计算。 度的计算。