CN109063263B - 一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法 - Google Patents

一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法 Download PDF

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Abstract

一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法，属于石油化工机械技术领域。本发明为了解决现有方法没有一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法，导致塔体裙座与下封头连接处强度设计没有设计标准，并最终导致在役设备存在安全隐患和使用寿命低的问题。本发明包括步骤一：求a‑a截面外界点纵向应力值；步骤二：求a‑a截面环向应力值；步骤三：根据第四强度理论获得裙座与圆形封头连接强度当量应力值，然后按应力强度失效准则进行评定。本发明的一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法解决工程设计人员设计此类零部件的困惑，切实可行的应用到实际的设计活动中。

Description

一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法
技术领域
本发明涉及一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法，属于石油化工机械技术领域。
背景技术
立式压力容器设备或者塔器常用裙座支撑，常用的裙座结构有圆筒形裙座和圆锥形裙座，裙座筒节制作方便，经济合理，应用广泛。在所有设计标准中只给出了裙座与封头连接处焊缝本身的强度校核、焊缝上截面壳体强度的校核，唯独都没有给出焊缝与封头连接的封头下截面的强度校核，而这个截面的强度又是至关重要的，它的安全直接威胁设备的安全运行。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，进而提供一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法。
本发明的技术方案：
已知壳体、封头裙座各件均按相应的强度校核标准进行了强度校核，裙座焊缝也按照相应标准进行了强度校核，结构尺寸是安全的。
一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法，包括塔体壳体和塔体裙座，塔体壳体的下端具有下封头，所述的下封头包括椭圆形下封头和圆形下封头，塔体壳体通过下封头安装在塔体裙座上，下封头与塔体裙座的连接处截面为a-a面，具体方法包括以下步骤：
步骤一：求a-a截面外界点纵向应力值；
步骤二：求a-a截面环向应力值；
步骤三：根据第四强度理论获得裙座与圆形封头连接处当量应力强度值，并按应力强度失效准则进行评定。
进一步地、步骤一中，求a-a截面外界点纵向应力值σaL1的方法是：
根据公式计算a-a截面外界点纵向应力值σaL1：
式中，Ri为封头aa截面处曲率内半径，Ro为封头aa截面处曲率外半径，Pc为壳体下封头计算压力，r为壁厚任意处的曲率半径值
当r＝R0时，为外壁的应力值，
对于椭圆形封头
Ri＝0.17Di
Di为壳体下封头内直径
对于球形封头
Ri＝0.5Di
封头aa截面外表面纵向拉伸当量应力强度σaLO
σaLO＝KaLσaL1
式中KaL为封头外表面纵向拉伸应力集中系数
进一步地、当下封头为椭圆形下封头时，步骤二中，求a-a截面环向应力值的具体方法是：
根据公式求a-a截面环向应力值
Rci–为aa截面内半径，Rco–为aa截面外半径，β-为aa截面外节点与壳体下封头直径位置的连线与水平的夹角。
进一步地、当下封头为球形下封头时，步骤二中，求a-a截面环向应力值的具体方法是：
根据公式求a-a截面环向应力值
式中，Ri为封头aa截面处曲率内半径，Ro为封头aa截面处曲率外半径，Pc为壳体下封头计算压力。
进一步地、步骤三中，根据第四强度理论获得裙座与圆形封头连接处当量应力强度值，按应力强度失效准则进行评定：
采用第四强度理论：
要求
σ≤1.5[σ]t
其中
σ1＝σaLO
σ2＝σaθO
σ3＝0
则
要求
σao≤1.5[σ]t
本发明具有以下有益效果：目前我国的相应此类结构的设计标准中没有给出本案强调的需要校核截面的强度校核方法，由于专业标准没有给出强度校核方法，专业标准也没有强调此处一定要校核，这样造成好多设计输出文件没有给出本案提出的此处截面的强度校核。专业标准没有给出强度校核案例，设计者没有做校核，此类设备在没有做这个截面校核的情况下就这样服役了。存在安全隐患，社会公共安全危害极大。通过按照本案例的方法，可以做此类设备该处的强度校核，消除安全隐患，设计更好的服务于社会，给生产于安全，给社会于平安。
附图说明
图1是裙座与椭圆下封头连接结构示意图；
图1a是塔体与裙座的安装示意图；
图2是裙座与下封头焊接示意图；
图3是裙座与椭圆形封头相连接结构强度核算简图；
图4是裙座与椭圆形封头结构强度核算简图；
图5是裙座与球形封头相连接结构强度核算简图；
图6是裙座与球形封头相连接结构更改设计后结构简图；
图中，1-塔体壳体，2-塔体裙座，3-下封头。
具体实施方式
已知壳体、封头裙座各件均按相应的强度校核标准进行了强度校核，裙座焊缝也按照相应标准进行了强度校核，结构尺寸是安全的；
塔体封头壳体1和塔体裙座2，塔体壳体1安装在塔体裙座2上，塔体封头壳体1和塔体裙座2的连接处截面为a-a面。
具体实施方式一：本实施方式的一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法，包括塔体壳体1和塔体裙座2，塔体壳体1的下端具有下封头3，所述的下封头3包括椭圆形下封头和球形下封头，塔体壳体1通过下封头3安装在塔体裙座2上，下封头3与塔体裙座2的连接处截面为a-a面，具体方法包括以下步骤：
步骤一：求a-a截面外界点纵向应力值；
步骤二：求a-a截面外界点环向应力值；
步骤三：根据第四强度理论获得裙座与圆形封头连接处当量应力强度值，并按应力强度失效准则进行评定。
进一步地、步骤一中，求a-a截面外界点纵向应力值σaL1的方法是：
根据公式计算a-a截面外界点纵向应力值σaL1：
式中，Ri为封头aa截面处曲率内半径，Ro为封头aa截面处曲率外半径，Pc为壳体下封头计算压力，r为壁厚任意处的曲率半径值
当r＝R0时，为外壁的应力值，
对于椭圆形封头
Ri＝0.17Di
Di为壳体下封头内直径
对于球形封头
Ri＝0.5Di
封头aa截面外表面纵向拉伸当量应力强度σaLO
σaLO＝KaLσaL1
式中KaL为封头外表面纵向拉伸应力集中系数
进一步地、当下封头3为椭圆形下封头时，步骤二中，求a-a截面外界点环向应力值的具体方法是：
根据公式求a-a截面环向应力值
Rci–为aa截面内半径，Rco–为aa截面外半径，β-为aa截面外节点与壳体下封头直径位置的连线与水平的夹角。
进一步地、当下封头3为圆形下封头时，步骤二中，求a-a截面环向应力值的具体方法是：
根据公式求a-a截面环向应力值
式中，Ri为封头aa截面处曲率内半径，Ro为封头aa截面处曲率外半径，Pc为壳体下封头计算压力。
进一步地、步骤三中，根据第四强度理论获得裙座与圆形封头连接处当量应力强度值，按应力强度失效准则进行评定：
采用第四强度理论：
要求
σ≤1.5[σ]t
其中
σ1＝σaLO
σ2＝σaθO
σ3＝0
则
要求
σao≤1.5[σ]t
具体实施方式二：本实施方式的塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法，结合工程实例对塔体裙座与下封头连接处的强度进行校核；
一、裙座与椭圆形封头相接，具体结构见说明书附图3
已知，Pc2.53Mpa，β为11度，设计温度60摄氏度，壳体材料Q345R，设计温度下壳体材料的许用应力185MPa，圆柱壳内径3000mm，封头有效厚度δ＝21.06mm；
步骤一，求出a-a截面纵向应力值σaL1
Ri＝0.17Di＝0.17×3000＝510mm
式中，Di为椭圆形封头内直径等于3000mm；
R0为a-a截面椭圆形封头外半径，
R0＝Ri+δ＝510+21.06＝531.06mm
封头外表面纵向拉伸应力集中系数KaL
KaL＝4
求封头aa截面外表面纵向拉伸当量应力强度σaLO
σaLO＝KaLσaL1＝4×29.4＝117.6MPa
步骤二：求aa截面外界点环向应力值σaθ0
Rco-aa截面外节点半径，1513.6mm
Rci-aa截面外节点内半径，1492.5mm
步骤三：根据第四强度理论获得裙座与椭圆形封头连接处当量应力强度值，按应力强度失效准则进行评定：
aa截面外表面强度评价采用第四强度理论
要求
σ≤1.5[σ]t
其中
σ1＝σaθ0＝184.4MPa
σ2＝σaLO＝117.6MPa
σ3＝0
1.5[σ]t＝1.5×185＝277.5MPa
161.7≤277.5
满足安全要求。
二、裙座与球形封头相接，具体结构见说明书附图5
已知，Pc6.9MPa，设计温度475摄氏度，壳体材料14Cr1MoR，设计温度下壳体材料的许用应力121MPa，球形封头内直径4446mm，封头有效厚度76.2mm。
步骤一：求a-a截面外界点纵向应力值σaL1
封头aa截面外表面纵向拉伸当量应力强度σaLO
σaLO＝KaLσaL1＝4×97.3＝389.2MPa
步骤二：求封头aa截面外表面环向拉伸应力强度σaθO
步骤三：根据第四强度理论获得裙座与球形封头连接处当量应力强度值，按应力强度失效准则进行评定
采用第四强度理论：
其中
σ1＝σaL0＝389.2MPa
σ2＝σaθO＝97.3MPa
σ3＝0
要求：
σaO≤1.5[σ]t
1.5[σ]t＝1.5×121＝181.5MPa
350.8＞181.5
此时不满足安全要求。
此时不满足安全要求时候的解决方案是：
由于不满足安全要求，需要更改结构设计，进行调整裙座与球形封头相连接结构处的结构，增加新的结构件，然后进行校核强度，其更改后的结构如说明书附图6所示；
调整结构后，封头aa截面外表面纵向拉伸应力集中系数KaL2取2
封头aa截面外表面纵向拉伸当量应力强度σaLO2
σaLO2＝KaL2σaL1＝2×97.3＝194.6MPa
采用第四强度理论：
σ1＝σaL02＝194.6MPa
σ2＝σaθO＝97.3MPa
σ3＝0
要求
σaO≤1.5[σ]t
168.5＜181.5
满足安全要求。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (2)

1.一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法，包括塔体壳体(1)和塔体裙座(2)，塔体壳体(1)的下端具有下封头(3)，所述的下封头(3)包括椭圆形下封头和球形下封头，塔体壳体(1)通过下封头(3)安装在塔体裙座(2)上，下封头(3)与塔体裙座(2)的连接处截面为a-a面，其特征在于，具体方法包括以下步骤：
步骤一：求a-a截面外界点纵向应力值；
步骤一中，求a-a截面外界点纵向应力值σaL1的方法是：
根据公式计算a-a截面外界点纵向应力值σaL1：
式中，Ri为封头aa截面处曲率内半径，Ro为封头aa截面处曲率外半径，Pc为壳体下封头计算压力，r为壁厚任意处的曲率半径值
当r＝R0时，为外壁的应力值，
对于椭圆形封头
Ri＝0.17Di
Di为壳体下封头内直径
对于球形封头
封头aa截面外表面纵向拉伸当量应力强度σaLO
σaLO＝KaLσaL1
式中KaL为封头外表面纵向拉伸应力集中系数
步骤二：求a-a截面外界点环向应力值；
当下封头(3)为椭圆形下封头时，步骤二中，求a-a截面环向应力值的具体方法是：
根据公式求a-a截面环向应力值
Rci–为aa截面内半径，Rco–为aa截面外半径，β-为aa截面外节点与壳体下封头直径位置封头曲率半径中心的连线的夹角；
当下封头(3)为球形下封头时，步骤二中，求a-a截面环向应力值的具体方法是：
根据公式求a-a截面环向应力值
式中，Ri为封头aa截面处曲率内半径，Ro为封头aa截面处曲率外半径，Pc为壳体下封头计算压力；
步骤三：根据第四强度理论获得裙座与圆形封头连接处当量应力强度值，并按应力强度失效准则进行评定。
2.根据权利要求1所述的一种塔体裙座与下封头连接处下封头强度校核方法，其特征在于：步骤三中根据第四强度理论获得裙座与圆形封头连接处当量应力强度值，按应力强度失效准则进行评定：
采用第四强度理论：
要求
σ≤1.5[σ]t
其中
σ1＝σaLO
σ2＝σaθO
σ3＝0
则
要求
σa0≤1.5[σ]t。
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