回转薄壁应力浅谈

初雷

(辽宁大学,辽宁 沈阳 110036)



回转薄壁应力浅谈

初雷

(辽宁大学,辽宁 沈阳 110036)

圆筒的外直径与内直径之比常小于1.1～1.2，属于薄壁圆筒。回转窑是煅烧车间生产针状石油焦的主要装置，煅烧工艺是一种在基本隔绝空气高温的条件下石油焦进行的一系列物理化学复杂的过程，因而在高温下保证回转窑稳定生产显得尤为重要。

薄壁圆筒；煅烧；应力；内力

装置概况：

回转窑煅烧装置由沈阳铝镁设计院设计，设计能力为4.5万吨/年，2002年破土动工，2003年10月开工。

主体设备回转窑是由朝阳北方重型机械厂制造，装置的控制系统采用浙大中控DCS控制系统。煅后冷却设备使用直接喷水和间接水冷却结合的方式冷却。余热回收系统采用的是美国DELTAK公司技术，抚顺化工机械厂制造的余热锅炉。

回转窑煅烧是我公司针状焦生产的配套装置，煅后针状焦将填补了国内碳素原料产品的空白，结束我国不生产煅后石油针状焦的历史。该装置同时还煅烧普通石油焦，煅烧普焦、煅烧针焦是石油加工行业深度加工的产品，是冶金、碳素行业的原料。

容器通常是由板、壳等组合而成的焊接结构。常用的壳体分别是圆柱壳、球壳、椭球壳、锥形壳和由它们构成的组合壳。这些壳体多属于回转薄壳。

在薄壳应力分析中，假设壳体材料连续、均匀、各向同性；受载后的变形是弹性小变形；壳壁各层纤维在变形后互不挤压。

化工、炼油和核电等行业中储存、换热、反应、分离设备以及锅炉汽包均由两端的封头和作为主体的薄壁圆筒组成。根据材料力学的分析方法，薄壁圆筒在均匀内压p的作用下，圆筒壁上任一点B将产生两个方向的应力:一是由于内压作用于封头上而产生的轴向拉应力，称为“经向应力”或“轴向应力”，用σφ表示；二是由于内压作用使圆筒均匀向外膨胀，在圆周的切线方向产生的拉应力，称为“周向应力”或“环向应力”，用σθ表示。除上述两个应力分量外，器壁中沿壁厚方向还存在着径向应力σr，但它相对σθ、σφ要小得多，所以在薄壁圆筒中不予考虑。于是，可以认为圆筒上任意一点处于二向应力状态。

像所有承载额弹性体一样，在承载壳体内部，由于变形，其内部各点均会发生相对位移，因而产生相互作用力，即内力。

壳体中面上存在以下十个内力分量：包括四个薄膜内力和六个弯曲内力。一般情况下，薄壳内薄膜内力和弯曲内力同时存在。在壳体理论中，若同时考虑薄膜内力和弯曲内力，这种理论称为有力矩理论或弯曲理论。当薄膜的抗弯刚度非常小，或者中面的曲率、扭率改变非常小时，弯曲内力很小。这样，在考虑薄膜平衡时，就可省略弯曲内力对平衡的影响，于是得到无矩应力状态。省略弯曲内力的壳体理论，称为无力矩理论或薄膜理论。无力矩理论所讨论的问题都是围绕中面进行的。因壳壁很薄，沿厚度方向的应力与其他应力相比很小，其他应力不随厚度而变，因此中面上的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形。

厚壁圆筒与薄壁圆筒的应力分析方法也不相同。薄壁圆筒中，由于壳壁很薄，应力沿厚度均匀分布，可根据微元平衡方程和区域平衡方程，求得壳体中的应力。厚壁圆筒中的三个应力分量，其中周向应力及径向应力沿厚度非均匀分布，其应力值仅取微元平衡不能求解，必须从平衡、几何、物理等三个方面的分析，才能确定厚壁筒中各点的应力大小。

需要指出的是：热壁设备在开车、停车或变动工况时，温度分布随时间而改变，即处于非稳态温度场，此时的热应力往往要比稳态温度场时大得多，这在温度急剧变化时尤为显著。因此，应严格控制热壁设备的加热、冷却速度。除此之外，为减少热应力，工程上应尽量以下措施：避免外部对热变形的约束、设置膨胀节(或柔性元件)、采用良好的保温层等。

在制造安装、正常操作、开停工和压力试验等过程中，容器处于不同的载荷工况，所承受的载荷也不同，应根据不同的载荷工况分别计算载荷。通常需要考虑的载荷工况有以下几个方面。

(1)正常操作工况。容器正常操作时的载荷包括：设计压力、液体静压力、重力载荷(包括隔热材料、衬里、内件、物料、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量)、风载荷和地震载荷及其他操作时容器所承受的载荷。

(2)特殊载荷工况。包括压力试验、开停工及检修等工况。

(3)意外载荷工况。紧急状态下容器的快速启动或突然停车、容器内发生化学爆炸、容器周围的设备发生燃烧或爆炸等意外情况下，容器会受到爆炸载荷、热冲击等意外载荷的作用。

[1]郑津洋,董其伍编.过程设备设计设计[M].第3 版，北京，化学工业出版社，2010.

[2]李云,姜培正编著.过程流体机械[M].第2 版，北京，化学工业出版社，2008.

[3]邓子龙,葛汉林主编.机械设计基础[M].北京，机械工业出版社，2013.

初雷(1993-)，男，汉族，辽宁锦州人，辽宁大学，在读硕士。

TG501.1

A

1671-1602(2016)18-0001-01