回轉薄壁應力淺談

初雷

(遼寧大學,遼寧 沈陽 110036)

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回轉薄壁應力淺談

初雷

(遼寧大學,遼寧 沈陽 110036)

圓筒的外直徑與內直徑之比常小于1.1～1.2，屬于薄壁圓筒。回轉窯是煅燒車間生產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行的一系列物理化學復雜的過程，因而在高溫下保證回轉窯穩定生產顯得尤為重要。

薄壁圓筒；煅燒；應力；內力

裝置概況：

回轉窯煅燒裝置由沈陽鋁鎂設計院設計，設計能力為4.5萬噸/年，2002年破土動工，2003年10月開工。

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

回轉窯煅燒是我公司針狀焦生產的配套裝置，煅后針狀焦將填補了國內碳素原料產品的空白，結束我國不生產煅后石油針狀焦的歷史。該裝置同時還煅燒普通石油焦，煅燒普焦、煅燒針焦是石油加工行業深度加工的產品，是冶金、碳素行業的原料。

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

在薄殼應力分析中，假設殼體材料連續、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、煉油和核電等行業中儲存、換熱、反應、分離設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。根據材料力學的分析方法，薄壁圓筒在均勻內壓p的作用下，圓筒壁上任一點B將產生兩個方向的應力:一是由于內壓作用于封頭上而產生的軸向拉應力，稱為“經向應力”或“軸向應力”，用σφ表示；二是由于內壓作用使圓筒均勻向外膨脹，在圓周的切線方向產生的拉應力，稱為“周向應力”或“環向應力”，用σθ表示。除上述兩個應力分量外，器壁中沿壁厚方向還存在著徑向應力σr，但它相對σθ、σφ要小得多，所以在薄壁圓筒中不予考慮。于是，可以認為圓筒上任意一點處于二向應力狀態。

像所有承載額彈性體一樣，在承載殼體內部，由于變形，其內部各點均會發生相對位移，因而產生相互作用力，即內力。

殼體中面上存在以下十個內力分量：包括四個薄膜內力和六個彎曲內力。一般情況下，薄殼內薄膜內力和彎曲內力同時存在。在殼體理論中，若同時考慮薄膜內力和彎曲內力，這種理論稱為有力矩理論或彎曲理論。當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，彎曲內力很小。這樣，在考慮薄膜平衡時，就可省略彎曲內力對平衡的影響，于是得到無矩應力狀態。省略彎曲內力的殼體理論，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行的。因殼壁很薄，沿厚度方向的應力與其他應力相比很小，其他應力不隨厚度而變，因此中面上的應力和變形可以代表薄殼的應力和變形。

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

需要指出的是：熱壁設備在開車、停車或變動工況時，溫度分布隨時間而改變，即處于非穩態溫度場，此時的熱應力往往要比穩態溫度場時大得多，這在溫度急劇變化時尤為顯著。因此，應嚴格控制熱壁設備的加熱、冷卻速度。除此之外，為減少熱應力，工程上應盡量以下措施：避免外部對熱變形的約束、設置膨脹節(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，應根據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個方面。

(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(包括隔熱材料、襯里、內件、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。

(3)意外載荷工況。緊急狀態下容器的快速啟動或突然停車、容器內發生化學爆炸、容器周圍的設備發生燃燒或爆炸等意外情況下，容器會受到爆炸載荷、熱沖擊等意外載荷的作用。

[1]鄭津洋,董其伍編.過程設備設計設計[M].第3 版，北京，化學工業出版社，2010.

[2]李云,姜培正編著.過程流體機械[M].第2 版，北京，化學工業出版社，2008.

[3]鄧子龍,葛漢林主編.機械設計基礎[M].北京，機械工業出版社，2013.

初雷(1993-)，男，漢族，遼寧錦州人，遼寧大學，在讀碩士。

TG501.1

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1671-1602(2016)18-0001-01