總結(jié)丨鞍座處圓筒及其加強圈上的周向壓縮總應(yīng)力
臥式容器筒體及鞍座的強度校核主要包括軸向應(yīng)力、切向剪應(yīng)力和周向壓縮總應(yīng)力等的校核。相對于前兩者，周向壓縮總應(yīng)力不是那么直觀，抽空梳理一下，我們最終的目的是搞清楚重疊式換熱器的圓筒和鞍座要不要校核，哪些需要而哪些又不需要校核，為什么，怎么校核？
首先，介紹幾篇文獻。
[1] Zick L.P.Stress in Large Horizontal Cylindrical Pressures Vessels on two SaddleSupports. Welding Journal Res Suppl. 1971
[2] 丁伯民. 臥式容器設(shè)計系數(shù)K8的推導. 化工設(shè)備設(shè)計. 1984, (4)
[3] 高偉成. 對于“臥式容器設(shè)計系數(shù)K8的推導”的看法. 化工設(shè)備設(shè)計. 1984, (6)
[4] 劉建成. 也談臥式容器設(shè)計系數(shù)K8的推導. 石油化工設(shè)備技術(shù). 1985, (5)
[5] 丁柏民. ASME VIII壓力容器規(guī)范分析. 北京: 化學工業(yè)出版社. 2014
周向壓縮總應(yīng)力，包括周向彎曲應(yīng)力和周向壓縮薄膜應(yīng)力兩部分。周向彎曲應(yīng)力（沿厚度線性分布），由圓筒上的切向剪切應(yīng)力所導致的周向彎矩Mβ引起。周向壓縮薄膜應(yīng)力（沿厚度均勻分布），由切向剪切應(yīng)力所導致的周向壓縮力Pβ或鞍座對圓筒的局部壓縮引起，即周向壓縮總應(yīng)力和是否設(shè)置加強圈，及加強圈的位置有關(guān)。各作用力可按以下幾種情況分別計算。
圖1 鞍座中心處有加強圈圓筒上的作用力
一、圓筒在鞍座中心截面上設(shè)有加強圈
1.1 周向彎矩即圖3中的Mφ，在φ=β處取得最大值。由此產(chǎn)生的周向彎曲應(yīng)力由加強圖和一定寬度（b1）的筒體承受，其中b1=min(b+1.56sqrt(Rm*t),2a)。
1.2 周向壓縮力即圖1中的Pβ，可由圖1或圖3中各內(nèi)力對圓筒中心取矩而導得。由此產(chǎn)生的周向壓縮薄膜應(yīng)力由加強圈截面積和有效承載寬度內(nèi)的圓筒承受，該寬度為b+1.56sqrt(Rm*t)。
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圖2 切向剪切應(yīng)力分布 |
圖3 作用力 |
二、圓筒在鞍座中心截面上無加強圈，且不受封頭加強
2.1 此種情形下的周向彎矩無法理論推導，通常仍按1.1計算，但偏安全。
2.2 周向壓縮力按圖4的切向剪切應(yīng)力的分布，在α~φ范圍內(nèi)積分求得。圖中僅有2α’范圍為有效承載區(qū)。并認為鞍座和筒體接觸面上無摩擦，圖5中鞍座作用于筒體的反力q’指向圓心，即q‘不產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。
如果加設(shè)墊板，周向壓縮總應(yīng)力可以有效承載范圍內(nèi)的墊板和筒體一起承受。
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圖4 切向剪切應(yīng)力布 |
圖5 作用力 |
三、圓筒在鞍座中心截面上無加強圈，但受封頭加強
3.1 此種情形下的周向彎矩也無法理論推導，也通常按1.1計算。
3.2 周向壓縮力一般按圖6中0~α和α~π范圍內(nèi)的積分之差求得，此種算法雖然沒有充分的理論依據(jù)，但被廣泛采用，并行之有效。
圖6切向剪切應(yīng)力分布
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