載荷是指能夠在壓力容器上產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變的因素,如介質(zhì)隔熱管托、壓力、風(fēng)載荷、地震載荷等。下面介紹壓力容器全壽命周期內(nèi)可能遇到的主要載荷。
1.載荷
(1)壓力
壓力是壓力容器承受的基本載荷。壓力可用絕對壓力或表壓來表示。絕對壓力是以絕對真空為基準(zhǔn)測得的壓力,隔熱管托通常用于過程工藝計算。表壓是以大氣壓為基準(zhǔn)測得的壓力。壓力容器機(jī)械設(shè)計中,一般采用表壓。
作用在容器上的壓力,可能是內(nèi)壓、外壓或兩者均有。壓力容器中的壓力主要來源于三種情況:一是流體經(jīng)泵或壓縮機(jī),通過與容器相連接的管道,輸入容器內(nèi)而產(chǎn)生壓力,如氨合成塔、尿素合成塔、氫氣儲罐等;二是加熱盛裝液體的密閉容器,液體膨脹或汽化后使容器內(nèi)壓力升高,如人造水晶釜;三是盛裝液化氣體的容器,如隔熱管托、液氨儲罐、液化天然氣儲罐等,其壓力為液體的飽和蒸氣壓。
裝有液體的容器,液體重量將產(chǎn)生壓力,即液體靜壓力。其大小與液柱高度及液體密度成正比。例如,密度為1000kg/m3 的10m 水柱產(chǎn)生的壓力為0.0981MPa (工程上常取為0.1MPa)。
(2)非壓力載荷
非壓力載荷可分為整體載荷和局部載荷。整體載荷是作用于整臺容器上的載荷,如重力、風(fēng)、地震、運(yùn)輸?shù)纫鸬妮d荷。隔熱管托局部載荷是作用于容器局部區(qū)域上的載荷,如管系載荷、支座反力和吊裝力等。
① 重力載荷
是指由容器及其附件、內(nèi)件和物料的重量引起的載荷。計算重力載荷時,除容器自身的重量外,應(yīng)根據(jù)不同的工況考慮隔熱管托、隔熱層、內(nèi)件、物料、平臺、梯子、管系和由容器支承的附屬設(shè)備等的重量。
② 風(fēng)載荷
是根據(jù)作用在容器及其附件迎風(fēng)面上的有效風(fēng)壓來計算的載荷。它是由高度湍流的空氣掃過地表時形成的非穩(wěn)定流動引起的。風(fēng)的流動方向通常為水平的,但它通過障礙物表面時,可能有垂直分量。
風(fēng)載荷作用下,除了使隔熱管托、容器產(chǎn)生應(yīng)力和變形外,還可能使容器產(chǎn)生順風(fēng)向的振動和垂直于風(fēng)向的誘導(dǎo)振動。
③ 地震載荷
是指作用在容器上的地震力,它產(chǎn)生于支承容器的地面的突然振動和容器對振動的反應(yīng)。地震時,作用在容器上的力十分復(fù)雜。為簡化設(shè)計計算,通常采用隔熱管托、地震影響系數(shù),把地震力簡化為當(dāng)量剪力和彎矩。
地震影響系數(shù)與容器所在地的場地土類別、震區(qū)類型和地震烈度等因素有關(guān),具體取值可參閱有關(guān)建筑抗震設(shè)計規(guī)范。
④ 運(yùn)輸載荷
是指運(yùn)輸過程中由不同方向的加速度引起的力。隔熱管托、容器經(jīng)陸路或海上運(yùn)送到安裝地點(diǎn),由于運(yùn)輸車輛或船舶的運(yùn)動,容器將承受不同方向上的加速度。
運(yùn)輸載荷可用水平方向和垂直方向加速度給出,也可用加速度除以標(biāo)準(zhǔn)重力加速度所得到的系數(shù)表示。
⑤ 波浪載荷
是指固置在船上的容器,由于波浪運(yùn)動而產(chǎn)生的加速度引起的載荷。波浪載荷的表示方法與運(yùn)輸載荷相同。晃動載荷是交變的,應(yīng)考慮疲勞的要求,有關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù),可參考船舶分類的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
⑥ 管系載荷
是指管系作用在容器接管上的載荷。當(dāng)隔熱管托、管系與容器接管相連接時,由于管路及管內(nèi)物料重量、管系的熱膨脹和風(fēng)載荷、地震或其他載荷的作用,在接管處產(chǎn)生的載荷就是管系載荷。
在設(shè)計容器時,管路的總體布置通常還沒有最后確定,因此不可能進(jìn)行管路應(yīng)力分析來確定接管處的載荷。正是由于這個原因,往往要求壓力容器設(shè)計委托方提供管系載荷。隔熱管托、容器設(shè)計者必須保證接管能經(jīng)受住這些載荷,確保不會在容器或接管處產(chǎn)生過大的應(yīng)力。管線布置最終確定后,管路設(shè)計者要確保由接管應(yīng)力分析得到的載荷不會超出指定的管系載荷。
(3)交變載荷
上述載荷中,有的是大小和/或方向隨時間變化的交變載荷,有的是大小和方向基本上不隨時間變化的靜載荷。壓力容器交變載荷的典型實(shí)例有:
ⅰ. 間歇生產(chǎn)的壓力容器的重復(fù)加壓、卸壓;
ⅱ. 由往復(fù)式壓縮機(jī)或泵引起的壓力波動;
ⅲ. 生產(chǎn)過程中,因溫度變化導(dǎo)致管系熱膨脹或收縮,從而引起接管上的載荷變化;
ⅳ. 隔熱管托、容器各零部件之間溫度差的變化;
ⅴ. 裝料、卸料引起的容器支座上的載荷變化;
ⅵ. 液體波動引起的載荷變化;
ⅶ. 振動(例如風(fēng)誘導(dǎo)振動)引起的載荷變化。
設(shè)計者應(yīng)詳細(xì)了解容器在全壽命期間內(nèi),每個載荷的變化范圍(即最大和最小值)和循環(huán)次數(shù),以確定容器是否需要進(jìn)行疲勞設(shè)計。交變載荷是容器設(shè)計中的一個重要控制因素,小載荷改變量大循環(huán)次數(shù)與大載荷改變量小循環(huán)次數(shù),同樣都要認(rèn)真考慮。
隔熱管托及壓力容器設(shè)計時,并不是每臺容器都要考慮以上載荷。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)全壽命周期內(nèi)容器所受的載荷,結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求,確定設(shè)計載荷。
2. 載荷工況
在制造安裝、正常操作、開停工和壓力試驗等過程中,容器處于不同的載荷工況,所承受的載荷也不相同。設(shè)計壓力容器時,應(yīng)根據(jù)不同的載荷工況分別計算載荷。通常需要考慮的載荷工況有以下幾方面。
① 正常操作工況 容器正常操作時的載荷包括:設(shè)計壓力、液體靜壓力、重力載荷(包括隔熱管托、隔熱材料、襯里、內(nèi)件、物料、平臺、梯子、管系及支承在容器上的其他設(shè)備重量)、風(fēng)載荷和地震載荷及其他操作時容器所承受的載荷。
② 特殊載荷工況 包括壓力試驗、開停工及檢修等工況。
ⅰ. 壓力試驗。制造完工的容器在制造廠進(jìn)行壓力試驗時,載荷一般包括試驗壓力、容器自身的重量。通常,在制造廠車間內(nèi)進(jìn)行壓力試驗時,容器一般處于水平位置。
對于立式容器,用臥式試驗替代立式試驗,當(dāng)考慮液柱靜壓力時,隔熱管托、容器頂部承受的壓力大于立式試驗時所承受的壓力,有可能導(dǎo)致原設(shè)計壁厚不足,試驗前應(yīng)對其做強(qiáng)度校核。液壓試驗時還應(yīng)考慮試驗液體靜壓力和試驗液體的重量。在壓力試驗工況,一般不考慮地震載荷。
因定期檢驗或其他原因,容器需在安裝處的現(xiàn)場進(jìn)行壓力試驗,其載荷主要包括試驗壓力、試驗液體靜壓力和試驗時的重力載荷(一般情況下隔熱材料已拆除)。
ⅱ. 開停工及檢修。開停工及檢修時的載荷主要包括隔熱管托、風(fēng)載荷、地震載荷、容器自身重量,以及內(nèi)件、平臺、梯子、管系及支承在容器上的其他設(shè)備重量。
③ 意外載荷工況 緊急狀態(tài)下容器的快速啟動或突然停車、容器內(nèi)發(fā)生化學(xué)爆炸、容器周圍的設(shè)備發(fā)生燃燒或爆炸等意外情況下,隔熱管托、容器會受到爆炸載荷、熱沖擊等意外載荷的作用。
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