耳式支座處筒體局部應(yīng)力的校核方法

金剛，金東杰，張焱

（1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心， 北京 102445）

（2.中核能源科技有限公司， 北京 100193）

為控制壓力容器耳式支座處的筒體局部應(yīng)力，NB/T 47065.3-2018《容器支座 第3部分：耳式支座》標(biāo)準(zhǔn)給出了耳式支座對(duì)筒體的彎矩計(jì)算公式[1]，并要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)校核耳式支座處圓筒所受支座彎矩不超過許用彎矩，并在附錄B中給出了部分耳式支座處筒體的允許彎矩值。但附錄B只給出了壓力小于1.6MPa的容器筒體的允許彎矩值，并不能完全滿足設(shè)計(jì)要求，這就需要設(shè)計(jì)人員對(duì)耳式支座處的筒體局部應(yīng)力進(jìn)行校核，保證筒體局部應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

1 NB/T 47065.3的筒體局部應(yīng)力計(jì)算方法

NB/T 47065.3在耳式支座處筒體應(yīng)力的校核采用如下公式進(jìn)行：

式中：ML—耳式支座處筒體所受的支座彎矩，kN·m；

[ML] —耳式支座處筒體的許用彎矩，kN·m。

ML可根據(jù)支座的實(shí)際載荷和對(duì)筒體的作用力臂乘積求出，計(jì)算比較方便。但對(duì)于[ML]，當(dāng)超出附錄B的范圍時(shí)，計(jì)算方法比較復(fù)雜。標(biāo)準(zhǔn)的編制說明中給出了容器筒體限定的支座許用外彎矩的計(jì)算方法，該方法參照了AD規(guī)范S3/4中的方法進(jìn)行計(jì)算，但計(jì)算過程需要通過多次迭代才能求出耳式支座許用外彎矩，沒有一定計(jì)算機(jī)編程能力的人員很難實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)際中耳式支座一般采用校核方法，驗(yàn)證其是否滿足局部應(yīng)力要求，即通過耳座對(duì)筒體的外載荷計(jì)算筒體的局部應(yīng)力強(qiáng)度，再根據(jù)ASME Ⅷ-2或JB4732《鋼制壓力容器 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分類和評(píng)定。

2 HG/T 20582中筒體局部應(yīng)力校核方法

HG/T 20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》[2]第26章參考WRC第107號(hào)公報(bào)，提出了未開孔的圓筒上承受局部外載荷模型求取圓筒上的局部應(yīng)力方法，該方法可以用于類似耳式支座等外載荷的校核。該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算中不僅考慮了支座彎矩對(duì)筒體的作用，還考慮了支座反力對(duì)筒體的剪切應(yīng)力，如圖1所示。在模型的簡(jiǎn)化過程中，將支座視為矩形實(shí)心附件，當(dāng)無(wú)墊板或墊板寬度小于局部應(yīng)力的衰減范圍時(shí)，矩形附件的尺寸為2C1×2C2（如圖1）。當(dāng)墊板寬度超過局部應(yīng)力的衰減范圍時(shí)，此時(shí)在計(jì)算筒體的局部應(yīng)力時(shí)除筒體厚度以外可計(jì)入墊板厚度，進(jìn)行筒體的局部應(yīng)力校核，同進(jìn)應(yīng)采用2C1R×2C2R矩形附件對(duì)墊板邊緣處的筒體局部應(yīng)力進(jìn)行校核。

圖1 帶有耳式支座的筒體

3 AD標(biāo)準(zhǔn)中筒體局部應(yīng)力的校核方法

AD 2000[3]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范S3/4中支座彎矩引起的局部應(yīng)力計(jì)算中，認(rèn)為最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座墊板上、下兩點(diǎn)的筒體內(nèi)外表面處，如圖2所示的A、B處。

圖2 筒體最大局部應(yīng)力處

AD2000標(biāo)準(zhǔn)將支座墊板視為實(shí)心矩形附件，無(wú)墊板時(shí)也可將支座最大外形尺寸視為實(shí)心矩形附件，之后也參考了WRC第107號(hào)公報(bào)對(duì)筒體的局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。但AD標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為剪切應(yīng)力對(duì)筒體的局部應(yīng)力影響很小，忽略了支座反力對(duì)筒體的軸向剪切應(yīng)力影響。

4 實(shí)例

某壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力P=2MPa，筒體內(nèi)徑Di=1400mm，壁厚T=12mm，耳式支座選用NB/T 47065.3中的C3型式，支座實(shí)際承受載荷Q=70kN。

根據(jù)以上三種方法分別對(duì)耳式支座處筒體的局部應(yīng)力進(jìn)行校核，結(jié)果如表1所示。

表1 耳式支座處筒體局部應(yīng)力計(jì)算表

根據(jù)JB 4732筒體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

筒體材料許用應(yīng)力為137MPa，三種方法評(píng)定的耳式支座處筒體的局部應(yīng)力均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 幾種方法的比較

由以上計(jì)算可知，HG/T 20582計(jì)算方法考慮比較全面，計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守。AD規(guī)范和NB/T 47065標(biāo)準(zhǔn)忽略了筒體軸向剪切應(yīng)力和墊板的加強(qiáng)作用，所得筒體的局部應(yīng)力較小。對(duì)以上三種耳式支座處筒體的許用應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 耳式支座處筒體局部應(yīng)力計(jì)算方法比較

6 結(jié)論

常用的幾種規(guī)范對(duì)耳式支座局部應(yīng)力均給出了計(jì)算方法，這些計(jì)算方法都參照WRC第107號(hào)公報(bào)，采用實(shí)心矩形附件模型進(jìn)行筒體局部應(yīng)力的計(jì)算，并都考慮了內(nèi)壓對(duì)筒體的整體薄膜應(yīng)力。從表1可見NB/T 47065.3的計(jì)算方法相對(duì)復(fù)雜，HG/T 20582方法考慮了墊板對(duì)筒體的加強(qiáng)作用和筒體的軸向剪切應(yīng)力，其得到的結(jié)果比AD2000更接近實(shí)際情況，但幾種方法的計(jì)算結(jié)果誤差不超過5%，均滿足工程計(jì)算精度要求。

◆參考文獻(xiàn)

[1] NB/T 47065.3-2018，容器支座 第3部分：耳式支座[S].

[2] HG/T 20582-2011，鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定[S].

[3] AD2000，Technical Rules for Pressure Vessels[S].