載荷是指能夠在壓力容器上產(chǎn)生應力、應變的因素,如介質(zhì)隔熱管托、壓力、風載荷、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測得的壓力。壓力容器機械設計中,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,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、地震、運輸?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備等的重量。
② 風載荷
是根據(jù)作用在容器及其附件迎風面上的有效風壓來計算的載荷。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。
風載荷作用下,除了使隔熱管托、容器產(chǎn)生應力和變形外,還可能使容器產(chǎn)生順風向的振動和垂直于風向的誘導振動。
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。地震時,作用在容器上的力十分復雜。為簡化設計計算,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,具體取值可參閱有關建筑抗震設計規(guī)范。
④ 運輸載荷
是指運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)陸路或海上運送到安裝地點,由于運輸車輛或船舶的運動,容器將承受不同方向上的加速度。
運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準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輸載荷相同。晃動載荷是交變的,應考慮疲勞的要求,有關設計數(shù)據(jù),可參考船舶分類的規(guī)范標準。
⑥ 管系載荷
是指管系作用在容器接管上的載荷。當隔熱管托、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,因此不可能進行管路應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計委托方提供管系載荷。隔熱管托、容器設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)生過大的應力。管線布置最終確定后,管路設計者要確保由接管應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例有:
ⅰ. 間歇生產(chǎn)的壓力容器的重復加壓、卸壓;
ⅱ. 由往復式壓縮機或泵引起的壓力波動;
ⅲ. 生產(chǎn)過程中,因溫度變化導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(例如風誘導振動)引起的載荷變化。
設計者應詳細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行疲勞設計。交變載荷是容器設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),同樣都要認真考慮。
隔熱管托及壓力容器設計時,并不是每臺容器都要考慮以上載荷。設計者應根據(jù)全壽命周期內(nèi)容器所受的載荷,結(jié)合規(guī)范標準的要求,確定設計載荷。
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。設計壓力容器時,應根據(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備重量)、風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,有可能導致原設計壁厚不足,試驗前應對其做強度校核。液壓試驗時還應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)生化學爆炸、容器周圍的設備發(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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