壓力容器耳式支座的設(shè)計計算①

夏同偉 蘇 毅 張金亮 沈克宇 李志強(qiáng) 沙永濤

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所)

壓力容器耳式支座的設(shè)計計算①

夏同偉 蘇 毅 張金亮 沈克宇 李志強(qiáng) 沙永濤

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所)

對相關(guān)文獻(xiàn)中耳式支座的計算方法進(jìn)行了總結(jié)，分析耳式支座結(jié)構(gòu)計算的處理方法，并對工程實(shí)例的計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，提出在耳座設(shè)計計算時應(yīng)選擇更為合適的方法，同時應(yīng)綜合幾種不同方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計計算。

壓力容器 耳式支座 設(shè)計計算

在框架式化工設(shè)備區(qū)，耳式支座作為一種支撐結(jié)構(gòu)，在立式容器(尤其是小型容器)中被廣泛應(yīng)用。目前，關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)耳式支座的計算和選用，我國已具備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]，然而很多設(shè)備上采用的耳座并不標(biāo)準(zhǔn)，因此無法完全按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選用或計算。為此，筆者對相關(guān)文獻(xiàn)中耳式支座的計算方法進(jìn)行總結(jié)，希望對耳式支座(特別是非標(biāo)耳式支座)的設(shè)計計算起到一定的參考作用。

1 標(biāo)準(zhǔn)耳座及其計算方法

標(biāo)準(zhǔn)耳座的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。耳座由底板和肋板組成，底板的作用是與支撐件接觸并連接，肋板的作用是增加支座的剛性，將作用在容器上的外力通過底板傳遞到支撐件上。標(biāo)準(zhǔn)耳座的肋板與容器殼體連續(xù)處、底板與肋板之間均采用的是角焊縫焊接。標(biāo)準(zhǔn)耳座的結(jié)構(gòu)計算具體可參見文獻(xiàn)[1，2]，這里不再贅述。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)耳座的典型結(jié)構(gòu)

2 非標(biāo)耳座的設(shè)計計算

標(biāo)準(zhǔn)耳座雖然結(jié)構(gòu)簡單輕便，但會給殼體造成較大的局部應(yīng)力，局部應(yīng)力過大時甚至?xí)?dǎo)致殼體凹陷。因此在設(shè)備較大或壁厚較薄時，需在耳座與殼體之間加上墊板。國外壓力容器常采用一種帶有頂板的耳式支座，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 非標(biāo)耳座結(jié)構(gòu)示意圖

該耳座的頂板、肋板、底板均與殼體焊接在一起。這種非標(biāo)耳式支座結(jié)構(gòu)更具整體性，有利于增強(qiáng)軸向剛性，對改善由于附件在殼體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力有很好的效果。非標(biāo)耳座的本體強(qiáng)度計算包括底板強(qiáng)度計算、肋板強(qiáng)度計算和頂板強(qiáng)度計算[2～4]。

2.1底板計算

文獻(xiàn)[2]將底板視為兩個對邊簡支、第3邊固定、第4邊自由的受均布載荷的矩形平板，其計算示意圖如圖3所示，其中Q為耳座載荷。

簡化后的模型，其彎矩最大點(diǎn)在A、B兩點(diǎn)之處[2,5]，根據(jù)GB/L的不同，文獻(xiàn)[2]給出了相應(yīng)的彎矩值，具體見表1。

圖3 文獻(xiàn)[2]中的底板計算示意圖

表1 不同GB/L下的A、B兩點(diǎn)彎矩值 Nm

注：均布載荷q=Q/(LGB)。

在求得彎矩值之后，即可得到底板厚度Tb：

式中M——MA和MB兩者中絕對值較大者，N·m；

[σ]——底板材料的許用應(yīng)力，Pa。

文獻(xiàn)[3]中，耳座載荷通過底板傳遞到支撐件，底板受力部分長度為支撐件寬度bw，因此底板強(qiáng)度計算時長度取為bw。將底板簡化為兩端簡支的矩形板受力，其計算示意圖如圖4所示。

圖4 文獻(xiàn)[3]中的底板計算示意圖

在計算底板應(yīng)力時，考慮到底板受均布載荷和集中載荷兩種情況，因此分別計算彎矩MB和集中載荷彎矩MT：

底板彎曲應(yīng)力σb為：

式中M′——MT和MB兩者中絕對值較大者，N·m；

σs——底板材料的屈服應(yīng)力，Pa。

文獻(xiàn)[4]中的底板計算方法與文獻(xiàn)[3]基本相同，只是在底板的支撐處理上考慮底板為簡支和固定之間，因此其彎矩值也取為簡支和固定之間。

綜上所述，文獻(xiàn)[2]的計算模型能夠較好地吻合底板與殼體固定在一起時的受力狀況，但實(shí)際上耳座在使用時其底板并不完全與基礎(chǔ)或支撐件結(jié)合。如圖2所示，通常支撐板的寬度bw小于底板長度GB，耳座載荷無法完全均布在底板上。因此，該計算方法與耳座的實(shí)際運(yùn)行狀況有所不同。文獻(xiàn)[3]中的計算方法與文獻(xiàn)[1]中的標(biāo)準(zhǔn)耳座底板計算方法類似，將底板簡化為長度為bw的矩形板兩端簡支，分別計算集中載荷和均布載荷下的底板彎矩。該方法不考慮底板與殼體固定，所以應(yīng)力計算結(jié)果裕量較大。

表2 底板工程實(shí)例計算結(jié)果

從表2可以看出，文獻(xiàn)[3]的計算結(jié)果較為保守，但與文獻(xiàn)[2]的計算結(jié)果相差不大。根據(jù)實(shí)際的簡化模型來看，文獻(xiàn)[3]的計算結(jié)果應(yīng)該與文獻(xiàn)[2]相差較大，但是由于兩種計算方法中材料的許用應(yīng)力值取法不同(文獻(xiàn)[2]選取的是壓力容器設(shè)計中的許用應(yīng)力[σ]，偏向于安全性；文獻(xiàn)[3]許用應(yīng)力取0.9σs，偏向于經(jīng)濟(jì)性)，所以在最終結(jié)果上兩者相差并不大。文獻(xiàn)[3]中的許用應(yīng)力值類似于鋼結(jié)構(gòu)中的抗彎強(qiáng)度，比較貼近鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，且文獻(xiàn)[3]中的計算與處理方法較為簡單，因此筆者推薦采用文獻(xiàn)[3]中的計算方法來計算底板厚度。

另外通過表2還可以看出，文獻(xiàn)[3]中集中載荷和均布載荷下的計算結(jié)果偏差較大?？紤]底板受均布載荷時，底板計算厚度更薄，而實(shí)際耳座運(yùn)行時底板也基本上受均布載荷，根據(jù)實(shí)際取值，底板此時的應(yīng)力裕量較大，底板更為安全。因此，通過一些方法保持底板受均布載荷對耳座正常運(yùn)行較為有利。

2.2肋板計算

文獻(xiàn)[2]將肋板考慮為兩端受壓的豎直板，其計算示意圖如圖5所示。該方法基于底板整個面積受均布載荷，肋板受力為垂直底板的豎直力。在計算時不考慮肋板與殼體焊接的加強(qiáng)作用，壓板的破壞主要是失穩(wěn)。

圖5 文獻(xiàn)[2]中的肋板計算示意圖

則肋板中的壓應(yīng)力σ為：

和上文(1)(2)例不同，例(4)是話劇《北京人》前面的布景交代(話劇每幕前的場景交代，屬于典型的描寫語體)，其交際意圖是描寫場景，話題(出發(fā)點(diǎn))都是處所詞，如“屋內(nèi)”、“屋外”、“這間小花廳”、“門前”等，和敘事語體不同之處是，由于沒有時間連續(xù)性的制約，描寫語體中的前后語序可以調(diào)換，如可以將例(4)轉(zhuǎn)換為：

式中k——失穩(wěn)系數(shù)；

m——肋板個數(shù)；

[σ]c——肋板材料的許用壓應(yīng)力，Pa。

其中，失穩(wěn)系數(shù)k與肋板柔度λ有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，k=f(λ)，λ的計算式為：

由文獻(xiàn)[2]可知，當(dāng)λ=20時，k=0.95，此時失穩(wěn)破壞與受壓破壞的計算結(jié)果偏差只有5%，因此兩種破壞形式的計算結(jié)果可視為相同，Tg=0.173L。當(dāng)λgt;20時，失穩(wěn)破壞的傾向增加，此時Tglt;0.173L，應(yīng)考慮為失穩(wěn)破壞。

文獻(xiàn)[3]將肋板考慮為偏心受壓的斜板，其計算示意圖如圖6所示，其中Lg為肋板傾斜長度。

圖6 文獻(xiàn)[3]中的肋板計算示意圖

則肋板中的壓應(yīng)力σ為：

式中e——偏心距，e=Ec-GB/2，m；

α——肋板斜角，α=arctan[(GB-Tp)/Ht]，(°)。

文獻(xiàn)[4]中的計算方法與文獻(xiàn)[3]類似，同樣將肋板的破壞形式視為受壓破壞，只是在受壓板的寬度選擇上有所不同。

綜上所述，文獻(xiàn)[2]對于肋板受壓主要是失穩(wěn)的處理比較貼近實(shí)際情況，但是耳座實(shí)際運(yùn)行中底板并不是全部面積都受力，肋板的受壓并不是嚴(yán)格的豎直方向，因此計算時要根據(jù)耳座的實(shí)際情況來判斷是否選用該方法。文獻(xiàn)[3]考慮了肋板受力中心偏離肋板底邊中心，這與實(shí)際狀況較為吻合，同時考慮到肋板上下邊不同，將它視為斜板受壓。

分別采用文獻(xiàn)[2，3]中的計算方法對工程實(shí)例進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。

表3 肋板工程實(shí)例計算結(jié)果

可以看出，文獻(xiàn)[2，3]的計算結(jié)果偏差較大。這是因?yàn)?，文獻(xiàn)[2]中的豎直壓板假設(shè)存在一定偏差，實(shí)際應(yīng)為斜壓板，因此其計算結(jié)果是偏小的。當(dāng)假設(shè)肋板的破壞形式為受壓破壞時，文獻(xiàn)[3]的計算結(jié)果與實(shí)際取值偏差較大。實(shí)際上由于耳座要考慮在殼體上引起的局部應(yīng)力，肋板的計算長度值相對厚度值較大，其柔度常大于20，因此肋板的破壞形式應(yīng)更接近失穩(wěn)破壞。則由計算結(jié)果可知，此時文獻(xiàn)[3]的計算結(jié)果與實(shí)際取值較為接近。因此，筆者推薦按照文獻(xiàn)[3]中的計算方法進(jìn)行肋板計算，肋板的破壞形式為失穩(wěn)破壞，在許用應(yīng)力上參照文獻(xiàn)[2]的處理方法，即引入失穩(wěn)系數(shù)k。

2.3頂板計算

對于頂板計算，文獻(xiàn)[2]中并沒有給出具體的計算方法。文獻(xiàn)[3，4]方法一致，均將頂板視為受均布載荷彎曲的矩形板，其計算示意圖如圖7所示。

圖7 頂板計算示意圖

頂板在均布載荷q的作用下產(chǎn)生的彎矩M為：

頂板的強(qiáng)度計算方法簡單，具體可參照文獻(xiàn)[3]進(jìn)行計算。通常頂板的計算厚度較小，且頂板厚度隨著頂板長度Tp的增大而減小，因此Tp的大小會影響肋板的計算結(jié)果，且受限于耳座的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。工程上常取頂板與底板等厚度，此時頂板裕量較大。

3 耳座與殼體焊接處的計算

3.1焊縫強(qiáng)度計算

耳座與殼體焊接處的焊縫一般受切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，切應(yīng)力均布于整個焊接截面處，而彎曲應(yīng)力則在耳座與殼體焊接的最底(頂)部焊縫處。對于標(biāo)準(zhǔn)耳座，文獻(xiàn)[1]采用雙面填角焊，假設(shè)焊縫焊腳尺寸為h，采用45°角焊縫，則焊縫切應(yīng)力τ和彎曲應(yīng)力σ分別為：

式中C——耳座受力點(diǎn)距殼體壁面的距離，m；

M″——彎矩，N·m。

非標(biāo)耳座通常采用全焊透結(jié)構(gòu)，在計算切應(yīng)力時焊縫截面積可取為耳座底板、頂板、肋板截面與各自長度的乘積，彎曲應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)耳座彎曲應(yīng)力的計算方法相同。

焊縫同時受切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用，兩者需合成并取相應(yīng)的應(yīng)力校核方法，即：

式中 [τ]L——焊縫金屬的許用剪切應(yīng)力，Pa。

文獻(xiàn)[6]在對切應(yīng)力與彎曲應(yīng)力進(jìn)行合成時采用了第三強(qiáng)度理論，即：

需要注意的是，由于焊縫與壓力容器相連，應(yīng)力結(jié)果評定時許用應(yīng)力值要采用壓力容器中的許用應(yīng)力值，相關(guān)參數(shù)的取值也要參照壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2耳座在殼體上引起的局部應(yīng)力計算

耳座作為矩形附件對殼體產(chǎn)生的局部應(yīng)力一般按照WRC107公報進(jìn)行計算，具體各計算參數(shù)的選擇可參考文獻(xiàn)[7]。當(dāng)耳座帶墊板時，只有當(dāng)墊板邊緣距附件邊緣的距離達(dá)到一定要求時，才考慮墊板的加強(qiáng)作用[7]。

4 結(jié)論

4.1耳座底板的強(qiáng)度計算筆者推薦采用文獻(xiàn)[3]中的方法，同時可考慮采取一定措施保持底板受均布載荷。

4.2對于肋板的計算，筆者認(rèn)為應(yīng)力計算時可采用文獻(xiàn)[3]中的方法，但破壞形式應(yīng)參考文獻(xiàn)[2]中的處理方法，假定為失穩(wěn)破壞。

4.3頂板的強(qiáng)度計算可參考文獻(xiàn)[3]中的方法，工程實(shí)例中常取頂板與底板厚度一致，以留有較大裕量。

4.4耳座與壓力容器相連時，應(yīng)同時考慮連接處的強(qiáng)度計算以及耳座作為附件時對壓力容器產(chǎn)生的影響。

[1] JB/T 4712.3-2007,容器支座第3部分:耳式支座[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[2] 丁伯民,黃正林.化工容器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[3] 秦叔經(jīng),葉文邦.換熱器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[4] 陳允中.壓力容器設(shè)計手冊[M].北京:中國石化出版社,2006.

[5] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016.

[6] HG/T 21574-2008,化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[7] HG/T 20582-2011,鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定[S].北京:中國計劃出版社,2011.

DesignofHangingSupportforPressureVessels

XIA Tong-wei, SU Yi, ZHANG Jin-liang, SHEN Ke-yu, LI Zhi-qiang, SHA Yong-tao

(ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute)

Reviewing and analyzing the calculation methods of the hanging support in historical researches were implemented, including comparative analysis of different methods given in the references and adopted in a project example. The results show that, an appropriate method combining with advantages of the different methods should be used in design calculation of the hanging support.

pressure vessel, hanging support, design calculation

上海市啟明星人才基金項目(16QB1404800)。

夏同偉(1984-)，工程師，從事煤氣化技術(shù)的研究，27143917@qq.com。

TQ052.4

A

0254-6094(2017)05-0528-05

2017-03-09，

2017-03-31)