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旋膜式除氧器四鞍座的简化计算

旋膜式除氧器四鞍座的简化计算  

介绍了超出JB/T 4731-2OO5«钢制卧式容器》计算范围、受均布载荷的四鞍座卧式容器的计算方法。采用 一般静力学方法,应用连续梁及三弯矩方程,推导出了各支座处筒体所受的力和力矩,给出了受均布载荷的旋膜式除氧器 四裴座应力计算时应考虑的因素和计算方法,结合卧式容器的特点,给出了各应力的计算公式和校核条件。对类 似问题,如非对称布置的两支座、多支座等情况,也可按此方法进行计算。

1概述

随着火力发电厂机组容量的不断增加,机组所旋膜式除氧器水箱的容积也越来越来大,由于运输条件 的限制,水箱的直径一般取0 = 4000mm以下,这 样水箱长度会较长,采用双鞍座支承,容易引起弯曲 和变形。上安电厂600 MW机组的无头式旋膜式除氧器 设计压力为1. 39MPa,设计温度375C ,水箱容积为 344 n?,电厂要求水箱内径0 = 3800 mm,水箱长度 31048 mm,由于厂房布置的限制,设计院要求采 用四鞍座,且各鞍座之间的间距不相等。这种布置 已不能直接釆用JB/T 4731 —2005《钢制卧式容器》 的方法进行强度计算。

四鞍座卧式容器的计算相对于双鞍座来说,中 间增加了 2个多余约束,静不定的次数就变成二。 假想在每个鞍座的上方,将容器切开并装上皎链,这 就相当把这些截面上的弯矩作为多余约束力,它满 足三弯矩方程,这样较长容器的多鞍座问题就可化 解为多个我们熟悉的双鞍座卧式容器的计算。计算 的步骤如下:

通过连续梁及三弯矩方程计算各鞍座处的弯矩。

结合各鞍座处的弯矩,计算各鞍座处支承力。

根据剪力图与弯矩图的性质,计算极值弯矩。

通过上述计算找出最大弯矩和鞍座反力, 并按JB/T 4731 —2005《钢制卧式容器》的公式及方 法进行应力计算和校核。

2容器上极值力及极值力矩的计算

2. 1符号说明

具体符号标识鞍座位置及受力分析图、剪力图、 弯距图见图1〜图4。

Ai——A鞍座底板中心线至左封头切线的距 mm;

A2——D鞍座底板中心线至右封头切线的距 mm;

封头的深度,mm;

J”L3——分别为AB鞍座之间、BC鞍座 之间、CD鞍座之间的距离mm;

L“、L2,、L*——分别为AB鞍座之间、BC鞍座 之间、CD鞍座之间极值弯矩位置,mm;

——分别为A、B、C、D鞍座处 的弯矩

Mz,、M3,——分别为AB鞍座之间、BC 座之间、CD鞍座之间极值弯矩,N-mm;

Ra、Rb、Rc、Rd——分别为鞍座A、B、C、D处的 支承力,N;

Ri 圆筒内半径,mm;

q——单位长度的载荷,N;

&—关—耳— D

Aj JL4 1._— L, 1__L j !

1鞍座位置

"卩4 尸",Kq 11 |' ix 缩呻」E "&席域

2受力情况图

3剪力图

2.2鞍座处弯矩的计算

当容器充满介质时,支座a、c、d的受力见 5〜图7施加于封头上液体静压力产生的水平弯

(1)

M4-M0+2/3X/i,X<yX(A1+3/8XA,)+A12

Xg/2 = 0

(1),(2)式推导出:

=—q/2(GV +4/3 h, XA-(R2 —注)/2)⑶

(3)同理鞍座D处的弯矩为:H=-q/2((A2+4/3 ht XA-(R2-)/2)

(4)根据三弯矩方程推出Mc、Mp值: 

7鞍座C、D处受力图

MAXL1+2MB(L1+Z.2)+McXL2 = -6(qX

L!724+gXL23/24) (5)

MbXL2 + 2Mc(L2+L3)+MdXL3 = -6(<7X

L23/24+9XL33/24) (6)

(5)、(6)式解出Me"

2.3鞍座反力的计算

(DA鞍座对其左边载荷的反作用力: G°=2/3X Xg

I q

HD

3/8Hi _ ,

-- «

i?A,==2/3X/i, Xq+Ai Xq

L)段,分别以鞍座A和鞍座B为支点列出 力矩公式,求出反力R/R/:"

M,+L|2Xq/2—Mb—R/XLi=0 (7)

Rb' = (MA—MB+L「Xg/2)/Lj (8)

同理,Ra"=( Mb— MA+L」Xq/2)/Li (9)

L2段,分别以鞍座B和鞍座C为支点列出 力矩公式,求出反力Rb”Rc'; 

R;' Rc'

(a)确定最大弯矩位置,根据剪力图与弯矩图性 质,截面剪力为0的截面弯矩为极值。

ER;'= l—(Rb'+ Ra"),由此推出: 

(b)最大弯矩

M”= Li,XRa"+Ml Lh2Xq/2 (17)

(2)切段的最大弯矩及位置

L2,= L2XRb,,/(Rc,+ Rbv) (18)

M2j= L2?XV+Mb- L2i2Xq/2 (19)

Rc' = (MB-Mc+L22Xq/2)/L2 (10)

Rb'^( Mc~ MB+L2zXq/2)/L2 (11)

L3段,分别以鞍座C和鞍座D为支点列出 力矩公式,求岀反力Rc”Rj:

Mc ( —_ — ) Ma

L, |〃

R; R;

Rd'= (Mc-MD+L32Xq/2)/L3 (12)

Md~ Mc + L32Xq/2)/L3 (13)

D鞍座对其右边载荷的反作用力

Go=2/3XhiXq

Q丄丨I丨丁q

3/8Hi

R;'

RD,,=2/3Xh,Xq + A2Xq (14)

鞍座的反力

R,= Ra+ Ra"; Rb= Rb'+ Rb〃; Rc =

Rc'+ Rc"; Rd= Rd'+ Rd”。

考虑到支座不平,地基沉陷等因素,取1.2倍力 做为鞍座设计力(参照HG20582 —1998《钢制化工 容器强度计算规定》),即;

R,= 1.2(R/+ Ra");Rb= 1.2(Rb'+ Rb"); Rc= 1.2(R/+ R/);Rd=1.2( Rd'+ RJ')。

2.4各简支梁中间最大弯矩计算(见剪力图及弯矩图)

M段最大弯矩计算

(3)L3段的最大弯矩及位置

L3>= L3XR(v/(Ru'+ Rch) (20)

M3>= L3> XRc"+Mc- L/ Xq/2 (21)

3计算旋膜式除氧器四鞍座应力时的附加考虑

根据GB150-89«钢压力容器》第8章卧式容器 分析方法和计算的理论依据,是以Zick的近似分析 和对大直径薄壁容器的实际经验为基础的,所给出 支座反力、轴向弯矩及剪力计算公式,是按仅承受均 布的外伸梁.且两鞍座的布置是以容器的纵向中心 对称而推导的,这对于大多数的卧式容器均可适用; 对于非对称布置的两支座、多支座,或外加集中载荷 等情况,则应按一般静力学方法,并考虑卧式容器的 特点,推导出支座反力、轴向弯距及剪力,再按上述 公式进行计算;

由于旋膜式除氧器压力较低、容积较大,介质主要为 ,一般结构设计时均在鞍座上设有加强圈;

各主要受压元件的强度计算按GB150-1998 《钢制压力容器》等相关标准进行;

由于鞍座较多,考虑到基础不平、沉降、安装等 因素,鞍座反力为计算值的1.2倍;

轴向应力计算时应考虑水压试验时充满水、加 压、实际运行及停役工况;

切向剪应力及周向应力计算参照JB/T4731- 2005进行处理,剪力和鞍座反力按水压试验和运行 工况的较大值代入,许用应力按运行工况选取。

4应力计算和校核

4.1圆筒轴向应力计算

(以下公式和符号均引用JB/T4731-2005)

4. 1. 1鞍座之间极值弯矩处圆筒截面由压力及轴 向弯矩引起的应力:

根据 JB/T4731-2005 13 页公式(7 —4、7 — 5)计算:

最高点6 = RXR,/(2&)—M>(3. 14 K2X ) (7-4)

最低点 Q = P『XR./(2&)+M〃(3. 14 Ra2X (7-5) 其中:

Mi——鞍座之间极值弯矩 其它符合代表意义见JB/T4731 —2005。

AB鞍座、BC鞍座、CD鞍座间极值弯矩处圆筒 截面由压力及轴向弯矩引起的应力可以按上式计 算。

4. 1.2 鞍座平面上,由压力及轴向弯矩引起的成: 根据 JB/T4731-2005 13 页公式(7 — 4、7 —

计算:

最高点:XR/(2b — 也/(3. 14 R;X a.)/K\ (7-6)

最低点^ = PcXRa/(2Sr)+M2/(.3. 14 RJX

/K (7-7)

其中:

M2——鞍座平面上的弯矩

Ki——根据JB/T4731-2OO57 — 1知,在鞍 坐平面上有加强圈时,取1

即上式变为:

最高点■= XR丿(2粉)M/(3. 14 RJX ) (7-5)

最低点:如= RXR<,/(2&)+M2/(3. 14 Ra2X (7-6)

各鞍座平面上由压力及轴向弯矩引起的应力可 以根据上式算出。

4. 1.3筒轴向应力按下列情况进行校核

对于操作状态应满足下列条件:

(1)计算得到各鞍座处及各相邻鞍座极值弯矩 处的应力,取出最大拉应力(最大正值):计算值W0 28

[汀。

计算得到各鞍座处及各相邻鞍座极值弯矩 处的应力,取出最大压应力(最大负值);1计算值IV OWae'o

对于水压试验状态应满足下列条件:

计算加压状态,各鞍座处及各相邻鞍座极 值弯矩处的应力,取出最大拉应力(最大正值):计算 值 W0.9g(R P0. 2)O

计算充满水未加压状态各鞍座处及各相邻 鞍座极值弯矩处的应力,取出最大压应力(最大负 值)」计算值K0[aL«

4.2在圆筒鞍座处横截面上有加强圈时筒体切向 剪应力计算

4.2. 1边支座处横截面上

(1)当圆筒未被封头加强时(A|>R“/2A,> Ra/2)时;

f=0.319XF/(R“X&)

其中对于支座A,F取水压试验时R/、RL 运行时R/、RJ'中最大值的1. 2倍;对于支座B,F 取水压试验时Rd. Rd和运行时Rd. Rd"中的最 大值的1.2倍。

圆筒被封头加强(即AiWR/2AVRJ2) 时,其最大剪应力:

r=0.319XF7( RaX8f) (7-9)

其中F'——取水压试验时Ra、Rd和运行时 的最大值。

圆筒被封头加强(即AWR/2)时,封头的最大 剪应力:

t=K4XFV( RaXSk) (7-10)

K4 —鞍座包角为 120° 时一一0. 401, 135° 时——0. 344;150°时——0. 295

其中F-——取水压试验时Ra、Rd和运行时 Ra、Rd的最大值。

4.2.2中间支座处横截面上

r= 0. 319 XF/(RaXSt)

其中F——取水压试验时R/、R/、Rc'、Rc”、 和运行时Rb'、Rb"、Rc'、Rc"、中8值中最大值的1. 2倍。

4. 2. 3切向剪应力校核

圆筒的切向剪应力《0.8言丁,封头的切向剪应 力W1. 25[招'一①

Ch 由内压在封头上引起的应力。


4.3圆筒周向应力

1)做为旋膜式除氧器,加强圈位于鞍座平面上,此时 在鞍座边角处的圆筒周向应力按下式计算:

= — Ks XF/Ao+C, X K] XFXR“ Xe/I(>

7—23) e 对内加强圈,为加强圈与圆筒组合截面形

心距圆筒外表面之距离(见图8),mm;

对外加强圈,为加强圈与圆筒组合截面开 心距圆筒内表面之距离(见图8),mm。

在鞍座边角处,加强圈内缘或外缘表面的周向 应力按式7-24)计算:

% = — Kg X F/A。+C5 X % X F X R. X e/1。

7-24) 式中:

d——对内加强圈,为加强圈与圆筒组合截面 形心距加强圈内缘表面之距离(见图8),

对外加强圈,为加强圈与圆筒组合 截面形心距加强圈内缘表面之距离(见 8) ,mm;

系数GG'KM值由表1查取.

2)周向应力校核:0 IML 25品了;

0|<1.25[招,'

4.4鞍座设计(见JB/T4731)

1)鞍座包角一般为120〜150°。钢制鞍座宽 度万一般大于或等于8 原。当釆用JB/T4712 鞍座时,6值应取筋大端宽度与腹板厚度之和(见图 7 — 6)。

腹板水平分力及强度校核又座腹板的水平分力F,按式(7 — 25)计算:F, =KgF(7-25)式中K,系数值按表2査取。
F 各鞍座的反力

2 系数Kg

鞍座包角9.(°)

120

135

150

 

0. 204

0.231

0. 259

鞍座腹板有效截面内的水平方向平均拉应力何,按 9-26)或式7-27)计算。

当无垫板或垫板不起加强作用时:

十烏 7~26)

当垫板起加强作用时:

十狀云 7_27)

式中:

H,计算髙度,取鞍座垫板底面至底板底面 距离和R./3两者中的较小值,e

 鞍座腹板厚宽,如;

b,——鞍座垫板有效宽度,取b, = bz,mm。

应力应按式7-28)进行校核:

(7-28)

许用应力[。丄按5. 4选取。 鞍座材料的选用见表3。

3鞍座材料的选用

使用温度,8

选用材料

许用应力[招心MP,

0 〜250

Q235-B

147

-20 — 250

Q345

170

< 20

16M&R

2)鞍座压缩应力与强度校核,按其它方法进

3)地震引起的地脚螺栓应力

具有四鞍座的旋膜式除氧器水箱长度较长,容积较大, 一般设置一个固定支座,三个滚动支座,若在固定支 座上设置地脚螺栓,其应力往往超岀许用值。因此 可采用固定支座和基础焊接方法来达到要求。

8结束语

四鞍座的设计应用连续梁与三弯矩方程进行了 力和弯矩的计算,应力计算时参照了 GB150 —1998 《钢制压力容器》、GB150-89《钢制压力容器释义》、 JB/T4731-2OO5《钢制卧式容器》、《电站压力式除 氧器安全技术规定》及HG20582 —1998《钢制化工 容器强度计算规定》。

各主要受压元件的计算应按照GB150- 1998 《钢制压力容器》等标准的相关要求进行。

这种计算方法适用于:非对称布置的两支座、多 支座,或外加集中载荷等情况,要求先按一般静力学 方法,并考虑卧式容器的特点,推导出支座反力、轴 向弯距及剪力,再按上述计算方法进行计算。

若能进行分析设计时,建议釆用分析设计方法 进行计算。