初雷

(遼寧大學(xué),遼寧 沈陽 110036)

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回轉(zhuǎn)薄壁應(yīng)力淺談

初雷

(遼寧大學(xué),遼寧 沈陽 110036)

圓筒的外直徑與內(nèi)直徑之比常小于1.1～1.2，屬于薄壁圓筒?；剞D(zhuǎn)窯是煅燒車間生產(chǎn)針狀石油焦的主要裝置，煅燒工藝是一種在基本隔絕空氣高溫的條件下石油焦進(jìn)行的一系列物理化學(xué)復(fù)雜的過程，因而在高溫下保證回轉(zhuǎn)窯穩(wěn)定生產(chǎn)顯得尤為重要。

薄壁圓筒；煅燒；應(yīng)力；內(nèi)力

裝置概況：

回轉(zhuǎn)窯煅燒裝置由沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)能力為4.5萬噸/年，2002年破土動(dòng)工，2003年10月開工。

主體設(shè)備回轉(zhuǎn)窯是由朝陽北方重型機(jī)械廠制造，裝置的控制系統(tǒng)采用浙大中控DCS控制系統(tǒng)。煅后冷卻設(shè)備使用直接噴水和間接水冷卻結(jié)合的方式冷卻。余熱回收系統(tǒng)采用的是美國DELTAK公司技術(shù)，撫順化工機(jī)械廠制造的余熱鍋爐。

回轉(zhuǎn)窯煅燒是我公司針狀焦生產(chǎn)的配套裝置，煅后針狀焦將填補(bǔ)了國內(nèi)碳素原料產(chǎn)品的空白，結(jié)束我國不生產(chǎn)煅后石油針狀焦的歷史。該裝置同時(shí)還煅燒普通石油焦，煅燒普焦、煅燒針焦是石油加工行業(yè)深度加工的產(chǎn)品，是冶金、碳素行業(yè)的原料。

容器通常是由板、殼等組合而成的焊接結(jié)構(gòu)。常用的殼體分別是圓柱殼、球殼、橢球殼、錐形殼和由它們構(gòu)成的組合殼。這些殼體多屬于回轉(zhuǎn)薄殼。

在薄殼應(yīng)力分析中，假設(shè)殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；受載后的變形是彈性小變形；殼壁各層纖維在變形后互不擠壓。

化工、煉油和核電等行業(yè)中儲(chǔ)存、換熱、反應(yīng)、分離設(shè)備以及鍋爐汽包均由兩端的封頭和作為主體的薄壁圓筒組成。根據(jù)材料力學(xué)的分析方法，薄壁圓筒在均勻內(nèi)壓p的作用下，圓筒壁上任一點(diǎn)B將產(chǎn)生兩個(gè)方向的應(yīng)力:一是由于內(nèi)壓作用于封頭上而產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力，稱為“經(jīng)向應(yīng)力”或“軸向應(yīng)力”，用σφ表示；二是由于內(nèi)壓作用使圓筒均勻向外膨脹，在圓周的切線方向產(chǎn)生的拉應(yīng)力，稱為“周向應(yīng)力”或“環(huán)向應(yīng)力”，用σθ表示。除上述兩個(gè)應(yīng)力分量外，器壁中沿壁厚方向還存在著徑向應(yīng)力σr，但它相對(duì)σθ、σφ要小得多，所以在薄壁圓筒中不予考慮。于是，可以認(rèn)為圓筒上任意一點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)。

像所有承載額彈性體一樣，在承載殼體內(nèi)部，由于變形，其內(nèi)部各點(diǎn)均會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，因而產(chǎn)生相互作用力，即內(nèi)力。

殼體中面上存在以下十個(gè)內(nèi)力分量：包括四個(gè)薄膜內(nèi)力和六個(gè)彎曲內(nèi)力。一般情況下，薄殼內(nèi)薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力同時(shí)存在。在殼體理論中，若同時(shí)考慮薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力，這種理論稱為有力矩理論或彎曲理論。當(dāng)薄膜的抗彎剛度非常小，或者中面的曲率、扭率改變非常小時(shí)，彎曲內(nèi)力很小。這樣，在考慮薄膜平衡時(shí)，就可省略彎曲內(nèi)力對(duì)平衡的影響，于是得到無矩應(yīng)力狀態(tài)。省略彎曲內(nèi)力的殼體理論，稱為無力矩理論或薄膜理論。無力矩理論所討論的問題都是圍繞中面進(jìn)行的。因殼壁很薄，沿厚度方向的應(yīng)力與其他應(yīng)力相比很小，其他應(yīng)力不隨厚度而變，因此中面上的應(yīng)力和變形可以代表薄殼的應(yīng)力和變形。

厚壁圓筒與薄壁圓筒的應(yīng)力分析方法也不相同。薄壁圓筒中，由于殼壁很薄，應(yīng)力沿厚度均勻分布，可根據(jù)微元平衡方程和區(qū)域平衡方程，求得殼體中的應(yīng)力。厚壁圓筒中的三個(gè)應(yīng)力分量，其中周向應(yīng)力及徑向應(yīng)力沿厚度非均勻分布，其應(yīng)力值僅取微元平衡不能求解，必須從平衡、幾何、物理等三個(gè)方面的分析，才能確定厚壁筒中各點(diǎn)的應(yīng)力大小。

需要指出的是：熱壁設(shè)備在開車、停車或變動(dòng)工況時(shí)，溫度分布隨時(shí)間而改變，即處于非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，此時(shí)的熱應(yīng)力往往要比穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)時(shí)大得多，這在溫度急劇變化時(shí)尤為顯著。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制熱壁設(shè)備的加熱、冷卻速度。除此之外，為減少熱應(yīng)力，工程上應(yīng)盡量以下措施：避免外部對(duì)熱變形的約束、設(shè)置膨脹節(jié)(或柔性元件)、采用良好的保溫層等。

在制造安裝、正常操作、開停工和壓力試驗(yàn)等過程中，容器處于不同的載荷工況，所承受的載荷也不同，應(yīng)根據(jù)不同的載荷工況分別計(jì)算載荷。通常需要考慮的載荷工況有以下幾個(gè)方面。

(1)正常操作工況。容器正常操作時(shí)的載荷包括：設(shè)計(jì)壓力、液體靜壓力、重力載荷(包括隔熱材料、襯里、內(nèi)件、物料、平臺(tái)、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(shí)容器所承受的載荷。

(2)特殊載荷工況。包括壓力試驗(yàn)、開停工及檢修等工況。

(3)意外載荷工況。緊急狀態(tài)下容器的快速啟動(dòng)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，容器會(huì)受到爆炸載荷、熱沖擊等意外載荷的作用。

[1]鄭津洋,董其伍編.過程設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)[M].第3 版，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2]李云,姜培正編著.過程流體機(jī)械[M].第2 版，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]鄧子龍,葛漢林主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

初雷(1993-)，男，漢族，遼寧錦州人，遼寧大學(xué)，在讀碩士。

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1671-1602(2016)18-0001-01