SW6使用方法-寰球

1 SW6-1998v4.0使用说明 与工程问的讨论 2008. 11 秦叔经 全国化工设备设计技术中心站 上海延安西路376弄22号10楼 Tel：021-32140342-820 Fax：021-62489867 Email：tcedmci@public.sta.net.cn sw6@tced.com Web Site：www.tced.com ‰ SW6v4.0 的升级内容 ‰ SW6 的基本使用方法和技巧 ‰在使用SW6进行承压元件设计时，如何 正确理解和使用中的条款 ‰塔器、换热器、卧式容器、立式容器计算 方法的说明 ‰ 软件使用的一些基本技巧 „ 在WORD中形成计算书时，有时会出现字体很小的情况。应 在“工具-选项”对话框中点击“Web选项”按钮，然后在打开 的对话框中，将“取消下述软件不支持的功能”选择框的钩 去掉。 „ 点击“出计算书”按钮后，如WORD已打开，但提示“ WORD 无法打开文档…DOC1”，这是WORD本身的问题。 解决办法： 删除文件Normal.dot，打开WORD，然后关闭，使生成一 新的Normal.dot 2 ‰ 试验压力的取值 „ 试验压力的下限： 液压试验： 气压试验： 试验压力的上限为满足以下公式： tT P1.25 P ][ ][ σ σ＝ tT P1.15 P ][ ][ σ σ＝ ( ) ( ) ( )⎩⎨ ⎧ Φ Φ≤+= 气压试验 水压试验 s s e eiT T Dp σ σ δ δσ 8.0 9.0 2 „ 在标准GB150－1998中对外压容器的试验压力有如下的 规定： 液压试验： pT = 1.25 p 气压试验： pT = 1.15 p 带夹套的容器，当夹套内压力为正时，其内筒即为外压容器 „ 在GB150的3.5.1节中说明： “由两室或两个以上压力室组成的容器，确定设计压力时， 应考虑各室之间的最大压力差。” „ SW6中对于带夹套容器内筒的最低试验压力按如下确定： 注：现程序中仍按“容器顶部的最高压力”定义设计压力 3 „ 压力试验的目的： 1. 检验受压壳体的宏观强度； 2. 检验接头的可靠性： - 焊接接头的致密性 - 法兰接头的密封性 „ 压力试验是通过实验的方法来验证容器的宏观强度和密封性, 而不是通过计算来校核容器的强度 „ GB151中对封头在压力试验工况下的强度校核是不必要的 ‰ SW6确定试验压力的方法 „ 在筒体单独计算时，程序仅取筒体材料的许用应力比值； 在设备计算时，程序会比较所有需计算零部件的许用应力 比值，选取最小值用来计算试验压力的最低值。 „ 建议用户自行确定后将试验压力值输入 ‰标准的作用和地位 „ 采用标准的目的是使得产品设计既满足安全要求,又具有较 好的经济性。 „ 所有的标准在被法规引用前都不是强制性的，仅当被法规 引用后，才会成为强制性标准。 „ 国家标准(GB)中规定的往往是为保证安全所需要的最低要 求。 4 ‰工程设计方法与结构的安全性 工程中一些计算方法的说明 ‰ 椭圆封头的设计计算公式： [ ] 6.2215.02 ≤≤−= h D p KpD i t i 适用范围φσδ „ 该公式考虑了椭圆封头与筒体连接处产生的边缘应力与压 力产生的薄膜应力叠加后的总应力，最大应力出现在封头与筒 体连接处。但该公式并没有采用应力分类的概念 „ ASME VIII-1采用的是第一强度理论 5 ‰ 关于受外压筒体和变径段的壁厚计算 •锥壳与筒体连接处不作为支撑线时(见图b) ，按 L 和各自的 直径、壁厚进行校核，且锥壳厚度应不小于与之连接的筒体 厚度； (a) (b) •锥壳与筒体连接处作为支撑 线时(见图a) ，按GB150 中 7.2.5.2节计算锥壳厚度，并校 核与大、小端筒体连接处的 刚度是否足够； • 锥壳与筒体连接处是否作为 支撑线由设计人员自行确定。 1. 大、小端连接处都不作为支撑线： 计算长度 L = 900+1000+800 = 2700 mm 分别计算大端筒体、锥壳、小端筒体的厚度。锥壳的最终厚度 取三者中大值； 2. 小端连接处作为支撑线： 计算长度 L = 900+1000 = 1900 mm 分别计算大端筒体、锥壳的厚度。锥壳 的最终厚度取两者中大值； 3. 大、小端连接处都作为支撑线 以 1000mm 作为锥壳长度, 对锥壳单独 计算其所需要的厚度 • 同一个结构可用不同的模型进行计算， 从而得到不同的结果 ƒ 标准容器法兰选用举例： 法兰材料：锻件20钢； 设计温度：250 如选用压力等级为 0.25 MPa 的甲型平焊法兰，则该 法兰的最大许用工作压力为 0.17 MPa ƒ 标准容器法兰的公称压力是以板材16MnR在常温下的 强度为依据而制定 ‰ 关于法兰选用和设计计算 „ 标准容器法兰的最大允许工作压力应按 JB/T 4700 的表6和表7确定 6 ‰ 法兰设计的 Waters 法 „ Waters法是一个强度计算方法，而法兰的失效主要是刚度不 够而引起的泄漏。故法兰计算的强度条件为： [ ] [ ]( ) [ ] [ ] [ ] [ ]tfTHtfRH t fT t fR t n t fH or σσσσσσ σσ σσ σσσ ≤+≤+ ≤ ≤ ≤ 2 , 2 5.1 5.25.1 „ 在进行法兰计算时，SW6认为用户输入的尺寸是已扣除了腐 蚀余量后的尺寸 „ 法兰在设计压力下计算通过，并不能保证在压力试验时不发 生泄漏；同样，法兰在设计压力下计算通过，实际上也不能保 证在操作工况下，介质一定不泄漏 „法兰设计时，选用法兰、垫片、螺柱、螺母的材料，需注意 匹配恰当；实际装配时，应注意螺栓的上紧程度 „例: P = 0.8 MPa; t=120℃ ; Di = 1000mm; 选标准乙型法兰；PN=1.0MPa；法兰材料：锻件16Mn 垫片：内有石棉纤维橡胶垫； 螺栓：40Cr； 按GB150第9章计算，该法兰不合格。 原因：预紧力矩过大，使得法兰颈部弯曲应力不合格。 螺栓材料调整为35钢，该法兰校核合格。 7 „ 法兰密封设计的基本步骤 z按介质的性质和压力选择合 适的垫片(材质和形状) z确定合适的螺栓予紧力(螺栓 个数、直径和每个螺栓的予紧 力矩) z法兰的强度和刚度校核 (保 证有一定的密封宽度以及垫片 不至于被压坏) z 达到密封效果所需要的最小垫片 反力F 与压力和介质有关, 应由实验 测得, 按EN13445，取为: R pmbDF IGR ⋅⋅⋅⋅= π z为了保证密封应满足: Rg FF ≥ z已知垫片性能、螺栓材料和总截 面积以及设计压力后, 螺栓的予紧力 应满足: pDF wFFF GP RPb ⋅⋅= −+≥ 2 4 π z为了保证密封应满足: Rg FF ≥ 金属垫片其中: 非金属垫片 pmbDF IGR ⋅⋅⋅⋅= π Rg FF ≥ pDF wFFF GP RPb ⋅⋅= −+≥ 2 4 π其中: bgbg ΔΔΔΔ +=+ ~~ 求得螺栓予紧力Fb 可按方程: 或:( ) ( ) 0~~ =−+− bbgg ΔΔΔΔ 8 ‰ 开孔补强的设计方法 z 开孔补强的目的：减小壳体与接管连接处的应力水平， 避免由于该处的高应力水平而引起的开裂 z 考察设计方法是否合用的准则为，当按该方法设计后，应满 足： 1≈ bv b p p z 对筒体上法向接管的结构，WRC 335公报发表的实验结果 表明，满足等面积法补强要求后， 0.1~88.0≈ bv b p p „ 在假定接管厚度与壳体厚度相等的条件下，要使得压力面积 法的有效补强范围大于等面积法的有效补强范围的条件是： 2 25.01 25.0 ⎟⎟ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + > i i i D d D d D δ = iD d ≥ iD δ 0.0450.0170.0080.002 0.40.30.20.1 „ 压力面积法与等面积法都是基于局部区域的内、外力平衡， 区别仅为补强有效范围的大小 „ 一般性结论： 1）在小直径接管的情况下（ ），等面积法的有效 补强范围小于压力面积法的有效补强范围，使得补强 计算结果较为保守； 2）在接管直径较大时，一般总是压力面积法的结果更为保 守，除非压力很高的情况 （当 时，压力 p 需大于0.09[σ]t 才会使等面积法 的结果更安全） 25.0≤ iD d 5.0= iD d 9 „ 开孔补强计算时所用的有效厚度没有考虑制造减薄量 „ 切向接管补强计算的限制 对于长圆形开孔，GB150 规定长、短轴之比不得大于2.0。 在HG20582 中有同样的规定 „ 平盖的补强计算 1）平盖上开孔可用两种方法进行计算：整体补强法和等 面积法； 2）标准法兰盖上开孔后，需进行法兰盖厚度校核和开孔 补强计算 „ 关于不需另行补强的开孔 凡不符合GB150-1998 中8.3节条件的都需考虑补强及进 行补强计算(特别需注意表8-1的条件) „ 外压壳体上的大开孔补强尚没有标准所提供的常规计算 方法 ‰关于壳体上安放的接管上受到机械外载时的 局部应力计算 • 对于筒体上接管受到机械外载时，如按HG20582 (即WRC107) 计算，将只计算筒体的强度；如按WRC297 计算，则还计算和校 核接管根部的强度。理论上要求按HG20582 计算时，接管应具有 足够的强度和较大的刚度 • 外力作用点的说明如下： ƒ 凡需输入接管伸出长度时，力和力矩的作用点均为接管法兰 密封面 ƒ 不需输入接管伸出长度时，力和力矩的作用点为附件与壳体 的连接处，即壳体的外表面 10 • 球壳上安放接管或实心附件的局部应力计算时，由于图表的 关系，结构参数会受到限制，见HG20582 的图27-3 到图27-22。 如计算径向载荷P通过接管对球壳引起的应力时，当 时， ；而当 时，4~25.0=t T 15= t rm 10~1= t T 例： ， ，无法进行插值10=t rm 5= t T 5= t rm z 局部应力计算时，当外载荷大小和方向不变的条件下， 管子外径不变：管子厚度↑ ：管子上的应力↓，壳体上的应力↑ 管子厚度不变：管子外径↑ ：管子上的应力↓，壳体上的应力↓ z 对于椭圆封头和碟形封头上的接管上作用外加机械载荷，程 序在计算壳体上的局部应力时，是以椭圆封头的当量半径和碟 形封头球冠部分的半径按球壳进行计算。在使用其他软件计算 时，要注意，对于椭圆封头和碟形封头，输入的局部应力计算 处的壳体半径并不是筒体半径 • 限制局部应力的强度条件可为 局部薄膜应力 ≤ 1.5[σ]t (1) 局部薄膜应力 + 弯曲应力 ≤ 3.0[σ]t (2) 在机械外载作用下，壳体上的局部应力将主要由局部薄膜应力 + 弯曲应力 控制 11 ‰ 浮头法兰厚度计算 或 (1) 取上两式中之大值。 操作工况下： af J=δ 2LJL pf ++=δ ⎩⎨ ⎧ ⋅−−⋅+−⋅ ⋅−⋅+⋅+⋅= rrGTTGDD rrTTGGDD o LFLLFLLF LFLFLFLF M )()( 结论： 式(1)得到的厚度不 是计算厚度，只能用于检 验假定厚度δf’是否合格。 lL hfr −−= β δδ cos22 ' „ 当操作工况起主要作用时： 1. 浮头法兰受内压作用时，封头薄膜力的水平分力对法兰环作 用的扭矩一般不可能大于其它几个力对法兰环所作用的扭矩之 和。因此，封头焊入深度应尽可能取较小的值，以使封头薄膜 力的水平分力对法兰截面形心作用的力臂有较大值； 2. 浮头法兰受外压作用时，一般来说，封头薄膜力的水平分力 对法兰环将起主要作用，封头焊入深度的值不宜取得太小 „ 当预紧工况起主要作用时，封头焊入深度对法兰厚度没有影响； • SW6 中关于浮头法兰的设计计算方法 ƒ 输入封头焊入深度 l和浮头法兰厚度，程序进行强度校核 ƒ 由程序用优化计算的方法设计封头焊入深度l 和浮头法兰 厚度δf 。设计人员还应进行圆整后再次校核 ƒ 当仅输入封头焊入深度l ，则程序所算出的浮头法兰厚度 δf 并不能保证满足强度要求。建议封头焊入深度l 和浮 头法兰厚度 δf 都不输入，而由程序给出优化计算结果后， 再进行调整 12 „ 当程序设计管板厚度时，如出现管子或壳体轴向力不合格， 程序会自动选用合适的标准膨胀节；不锈钢膨胀节的材料按 GB16749 为0Cr19Ni9 ，需用户在计算膨胀节前自行修改 ‰ 固定管板换热器的计算 „ 用SW6－98计算时，建议先计算管板，再计算膨胀节，以 利用程序所算出的膨胀节所受的轴向力 ( 膨胀节校核计算时需要输入轴向力和轴向位移, 这两个值 必须通过管板计算才能得到) „ 程序允许用户直接输入膨胀节的刚度以进行管板计算 „ 在计算膨胀节的许用平面失稳压力时，要用到的是膨胀节材 料加工成形后的实际屈服点，该值与许用平面失稳压力成正 比。 „ 对于管板兼作法兰的结构，当配对的管箱法兰的法兰连接螺 栓强度校核不合格时，将无法进行管板的应力计算，程序在管 板应力计算时将提示“法兰力矩系数为0” „ 在换热器上安装标准膨胀节时，该标准膨胀节也需校核， 除非能确保该膨胀节的实际膨胀量小于标准中所规定的 允许最大膨胀量 „ 固定管板换热器设计中，影响管板、管子和壳体应力的因素 1. 管、壳程温差大于50℃需考虑安装膨胀节”的原则不一定正 确，应通过计算确定。在设置膨胀节以后，有可能使得管板 应力或管板法兰部分的应力反而增大(特别在管程压力单独 作用的情况下)。 2. 在可能的条件下，应尽量 通过计算或实测获得壳体 和换热管的金属温度，这 两个温度值对换热管应力 校核有很大影响。 „ 换热器管板计算中，所提及的管板与管子的连接方式都是以 强度为准（故强度焊加贴胀等同于焊接） 13 „ 对于k > 1的情况，SW6中有按JB4732的解析法进行计算的模块; 该计算模块还可按解析方法对以下结构进行计算： 1) GB151中给出的b、e型结构管板； 2) 贴面焊薄管板； 3) 平齐焊薄管板 „ 说明： 1) 对于k ≤ 1的情况，该模块也可按JB4732的解析法对b、e型结 构管板进行计算，但在屏幕结果显示中将提示用户选GB151的方法 进行计算； 2 ) 薄管板结构不能设置膨胀节 ‰ 换热器设计标准没有提及的一些问题 „ 标准与规范并不保证解决设计中的所有问题 „ 对于带膨胀节的固定管板换热 器，在壳程压力较高时（如ps > 5MPa左右），压力对膨胀节的 推力可能使得壳体的轴向应力为 负，为平衡这个推力，管子的应 力将进一步增大。由于GB151没 有计及膨胀节的这个推力，使得 计算结果偏不安全。 „ 固定管板换热器，在壳程压力较高或温差较大时，管板与壳 体连接处的薄膜应力加边缘弯曲应力的值有可能过大而导致在 该处开裂，特别在水压试验工况，但在现行规范中均没有给出 该处应力的计算式和强度条件。 „ 在k > 1的计算模块中给出了管板与壳体连接处的薄膜应力加 边缘弯曲应力计算值，并进行了校核。如校核不通过时，应根 据应力不合格的工况而采取不同的结构尺寸修正： 有温差工况：减小筒体厚度或增加管板厚度； 无温差工况：增加筒体厚度或减小管板厚度 14 „ GB151对管板作了满布管的假定，但实际上周边不布管区 的存在将有助于降低换热管中的最大应力。 GB151简化算法 的后果是对换热管应力校核的结果在某些情况下会过于保 守，特别是对浮头式换热器，有可能使保守程度大于100%以 上。 „ GB151 的简化方法只计算布管区最外圈的管子应力，将有 可能忽略掉管子应力的最大值。另外，该简化方法肯定忽略掉 了正、负两个不同符号最大值中的一个。 „ 标准没有要求对膨胀节在压力试验工况下进行应力校核， 当介质存在腐蚀的条件下，设计人员需考虑在正常大修以后 在膨胀节被腐蚀条件下进行压力试验的工况。 ˆ 塔式容器的设计计算 „地震影响系数曲线中的指数与阻尼比有关(原标准中该指数 取0.9,相当于阻尼比取0.05) ，阻尼比可取0.01~0.03，SW6 默 认取0.01(参照JB4710-2005 的编制说明) „多腔塔两腔之间的分隔封头在塔器程序中不能计算，可利 用零部件程序进行计算 15 „ 塔设备各段筒体用法兰连接时，该连接法兰的计算压力将 由程序自动计算得到，该计算压力可能远高于塔设备的设计压 力，在选用标准法兰时必须注意这一点 „ 考虑水压试验工况下，塔设备筒体应力校核时的试验压力 取值： 周向应力校核：计算压力值 = 立试时表压+液柱压力 轴向应力校核：计算压力值 = 立试时表压 „ 液柱压力的计算： 单腔塔：液柱压力 = (筒体总高+上封头高度)(m)×9.81/1000 多腔塔：液柱压力 = 每腔筒体高度(m) ×9.81/1000 „ 各危险截面最大组合应力的计算 ˆ 卧式容器的设计计算 „ 计算中考虑了地震载荷对容器的作用。但将卧式容器简化为 质点考虑，即有： 且取阻尼比为0.05，得到η2 =1，因此 设备所受的地震力为 mgFh ⋅= α gTT = maxαα = 16 „ JB4731-2005中，比原GB150-89增加的计算内容： z 无集中载荷作用的情况： 1）校核鞍座在温差载荷作用下的强度 [ ]satsa rsa t sa Z FfH A F σσ σ ≤ −−= z无集中载荷作用的情况（续）： 2）校核鞍座在地震载荷作用下的强度 ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ >−− −−− ≤−−−−= mgfF ALA HF Z HFfF A F mgfF ALA HF Z HF A F Ev sa vEv r sEv sa Ev sa vEv r Ev sa sa )2( )( )2(2σ )( AL HFF vEv 2−+ [ ]sasa K σσ 0≤ z无集中载荷作用的情况（续）： 3）校核地脚螺栓在地震载荷作用下的强度 l HF vEv l HF vEv2 EvF 2 EvF [ ] [ ]btbt bt sEv bt btbt bt vEv bt An FfF K nlA HF στ τ σσ σ 8.0 ' 0 ≤ −= ≤ = 17 z有集中载荷作用的情况： 1）筒体上需进行轴向应力校核的危险截面： a）鞍座截面； b）集中载荷作用的截面； c）轴向弯矩导数为0的截面 ( ) ( ) ( ) 11 2 1 1 2 1 1 1 23 2 4 3 20 xFxAxAhhRqM axAh q Fx dx dM i ii i ⋅+⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ +−+−−= ≤−−=⇒= max 需满足 ( ) iio oo hehqG xFxAqxAeGMM 8 3 3 2 2 1 2 =⋅= ⋅++−++−= ; )( z有集中载荷作用的情况（续）： 2）校核鞍座在温差载荷作用下的强度： 同无集中载荷作用工况，但鞍座反力取两个反力中的大值 3）校核地震载荷作用下的各个应力： a）鞍座截面上筒体的压应力σ5 ~σ8； b）鞍座腹板压应力σ9； c）鞍座筋板和腹板组合截面的弯曲应力σsa； d）地脚螺栓的拉应力和剪应力 注：1）鞍座反力取两个反力中的大值; 2）要计及附加设备在地震作用下产生的弯矩; 3）考虑地震载荷作用，只计算操作工况下的应力; 4）许用应力乘以系数 Ko = 1.2 z腹板长边中心线与筋板短边距离 结构1: 结构2: 2 t− 2 l 18 • 一般卧式容器鞍座和筒体应力计算方法 „ Zick法的主要贡献是在已知轴向弯矩和支座反力的条件下， 给出了计算轴向弯曲应力和鞍座处压缩应力的公式 „ 对具有以下特点的卧式容器使用Zick法的要点是计算出最 大轴向弯矩和支座反力： 1. 载荷非均匀分布 2. 鞍座或其他结构相对于跨中截面非对称布置 3. 采用了两个以上的鞍座 感谢您的支持！ 谢谢！