力的平移定理在塔設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

＊張合啟

（山東圣奧化學(xué)科技有限公司 山東 274400）

石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)需要多道工序，而不同的工序要求決定了相應(yīng)塔設(shè)備的構(gòu)造。為此，很多塔設(shè)備的本體上通常會(huì)開設(shè)一部分用于外接管道的管口。由于管道自身承受介質(zhì)的壓力，工作環(huán)境的變化，以及管道自身的重量等多種原因，外接管道會(huì)將力和力矩全部傳遞到塔設(shè)備的外接管口上，從而造成管道外載荷過(guò)大，進(jìn)而導(dǎo)致管口連接處的結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。塔設(shè)備工作時(shí)，設(shè)備內(nèi)壓會(huì)與管道外載荷形成聯(lián)合作用，從而容易造成裂紋失效的問(wèn)題。所以，在設(shè)計(jì)塔設(shè)備的外接管口時(shí)，需要校核管道外載荷，并通過(guò)力的平移定理，將外載荷平移到連接管道的根部，以確保塔設(shè)備運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定和安全。

1.力的平移定理

力及其作用現(xiàn)象在我們的日常生活中是極為普遍的，尤其是在工程建設(shè)、機(jī)械設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域中都有著極為重要的應(yīng)用。關(guān)于力的物理現(xiàn)象有很多，力的平移是其中一種較為常見的情況。所謂的力的平移，就是剛體上某個(gè)點(diǎn)的作用力，可以通過(guò)平移的方式轉(zhuǎn)移到剛體上其他的位置，而力的效果不會(huì)發(fā)生改變。此時(shí)這個(gè)點(diǎn)被稱之為平移點(diǎn)。力在發(fā)生平移時(shí)，還需要施加一個(gè)力偶，以確保力的平移過(guò)程不會(huì)造成其他的影響，同時(shí)，這個(gè)外加力偶必須位于規(guī)定的平面內(nèi)。

2.力的平移定理在塔設(shè)備設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

(1)塔設(shè)備管道外載荷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在開展塔設(shè)備的設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要仔細(xì)地核算管道外載荷。如果塔設(shè)備的外接管道因工作需求的影響而受到較大的外載荷時(shí)，還需要對(duì)塔設(shè)備的管口法蘭面上的載荷進(jìn)行嚴(yán)格的核算。在塔設(shè)備的設(shè)計(jì)文件中，通常要對(duì)每個(gè)外接管口所允許的外載荷最大值進(jìn)行明確的標(biāo)注，以防止外載荷過(guò)大對(duì)塔設(shè)備的外接管口造成損害。

塔設(shè)備外接管道所受到的外載荷有著多種作用形式，其作用附件的外形尺寸也各不相同。受此影響，國(guó)內(nèi)外在設(shè)計(jì)塔設(shè)備的壓力容器時(shí)，均未明確包含對(duì)這部分局部應(yīng)力的相關(guān)計(jì)算工作。目前條件下，塔設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中所使用的主流計(jì)算方法都需要充分考慮能夠?qū)?yīng)力傳遞到塔設(shè)備殼體上的幾種外部載荷。需要考慮的外部載荷通常有徑向載荷、周向切向載荷與經(jīng)向切向載荷、周向外力矩與經(jīng)向外力矩，以及扭轉(zhuǎn)力矩。

為了提高塔設(shè)備外接管道根部局部應(yīng)力的核算速度和精度，相關(guān)設(shè)計(jì)人員通常會(huì)利用專業(yè)的軟件進(jìn)行分析核算。目前主流的應(yīng)用軟件有SW6和PVelite等專用模塊。這些應(yīng)用軟件的使用操作較為簡(jiǎn)便，使用時(shí)首先要建立一個(gè)關(guān)于塔設(shè)備的力學(xué)模型，然后將作用點(diǎn)在外接管道開孔處殼體法線方向上的力和力矩準(zhǔn)確地輸入力學(xué)模型中。實(shí)際操作軟件進(jìn)行核算時(shí)，相關(guān)人員必須保證各個(gè)數(shù)據(jù)的輸入準(zhǔn)確性，否則最終的核算結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況出現(xiàn)較大的偏差誤差，從而影響塔設(shè)備的設(shè)計(jì)工作，乃至設(shè)備的生產(chǎn)和使用等等。

但是，塔設(shè)備的實(shí)際工作情況有時(shí)與設(shè)計(jì)并不完全相符，偶爾也會(huì)出現(xiàn)力的作用點(diǎn)與殼體法線方向并重合的情況，例如塔底導(dǎo)出管或者立式容器底封頭引出管。如果遇到這種情況，管道外載荷的核算工作難以按傳統(tǒng)的方法進(jìn)行。為了確保塔設(shè)備外接管道的設(shè)計(jì)精度，需要使用力的平移定理。此時(shí)，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員需要將導(dǎo)出管出口的管道外載荷的力系，平移至外接管道與塔設(shè)備殼體的連接位置。

在實(shí)際的核算工作中，有些負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的工作人員在對(duì)彎管式外接管道上施加的外載荷進(jìn)行核算時(shí)，并未對(duì)核算工作中出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行全面的考慮。尤其是在對(duì)力和力矩進(jìn)行平移的過(guò)程中，只是將法蘭面上力和力矩的平移簡(jiǎn)單地看作是移動(dòng)到了外接管道的根部位置。但是，這種簡(jiǎn)單的考慮方式卻忽略了力的平移所帶來(lái)的各種影響，從而導(dǎo)致綜合應(yīng)力的評(píng)定過(guò)程出現(xiàn)了誤差，最終的評(píng)定結(jié)果必然是不準(zhǔn)確的。

以塔設(shè)備上常見的塔底導(dǎo)出管為例，作用在導(dǎo)出管出口位置法蘭面上的力，可以平移到與塔設(shè)備連接處位置的法蘭面上，在平移過(guò)程中，必須額外附加一個(gè)繞指定方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的力偶，才能保證力的平移過(guò)程的正確性。

在塔設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用力的平移定理，必須準(zhǔn)確的獲悉各種力和力矩的作用方向。需要注意的是，對(duì)于移動(dòng)力系中的作用點(diǎn)，不能只是簡(jiǎn)單地考慮兩個(gè)作用點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)發(fā)生力的平移時(shí)，這兩個(gè)作用點(diǎn)上力和力矩存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系通常是較為復(fù)雜的，此時(shí)力矩和扭矩的值都會(huì)因?yàn)榱Φ钠揭贫艿讲煌挠绊憽?/p>

(2)在核算塔設(shè)備垂直度方面的應(yīng)用

為了滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求，塔設(shè)備的整體體積通常較大，因此在安裝塔設(shè)備時(shí)常常會(huì)使用吊裝的方式。由于塔設(shè)備自身的剛性較低，一旦發(fā)生碰撞難免會(huì)導(dǎo)致塔設(shè)備出現(xiàn)不同程度的形變變形，從而影響塔設(shè)備的后續(xù)使用。在實(shí)際的安裝過(guò)程中，塔設(shè)備出廠后會(huì)直接運(yùn)抵安裝現(xiàn)場(chǎng)，但是在運(yùn)輸過(guò)程中，極易造成塔設(shè)備殼體沿中軸線發(fā)生一些細(xì)小的形變。因此，在塔設(shè)備吊裝安裝完成后，必須嚴(yán)格遵照相關(guān)的設(shè)備質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，使用吊線墜對(duì)塔設(shè)備的垂直度進(jìn)行仔細(xì)的檢測(cè)，以確保塔設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的使用安全。

①建立力學(xué)模型。針對(duì)塔設(shè)備發(fā)生偏離的這種情況，為了便于分析和核算，需要根據(jù)塔設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)建立一個(gè)相關(guān)的力學(xué)模型。我們可以將塔設(shè)備看作是一個(gè)擁有重心的直桿，并在模型中標(biāo)注出重心的高度、垂直度偏差的角度，直桿重心偏離距離等。此時(shí)我們可以將在偏心作用下所產(chǎn)生的重力載荷，看作是塔設(shè)備在處于垂直狀態(tài)下所產(chǎn)生的重力載荷，以及一個(gè)附加的力偶。在現(xiàn)實(shí)情況中，由于塔設(shè)備操作工況的不同，以及水壓試驗(yàn)工況的差別，塔設(shè)備的偏心載荷也會(huì)存在不同的數(shù)值。

②不同工況時(shí)的外載荷。塔設(shè)備在使用時(shí)，需要保持高聳直立的狀態(tài)，工作時(shí)塔設(shè)備受到的外載荷除了自身重力載荷與內(nèi)部壓力載荷外，還會(huì)受到外界環(huán)境中的風(fēng)力載荷，甚至地震載荷。如果塔設(shè)備的整體外形和自身質(zhì)量沒有發(fā)生較大的變化時(shí)，可以在力學(xué)模型中忽略風(fēng)力載荷和地震載荷帶來(lái)的影響。對(duì)偏心載荷進(jìn)行核算時(shí)，必須充分考慮不同工況下，設(shè)備自身質(zhì)量的影響。所以，不同的工作狀況下，危險(xiǎn)截面組合軸向應(yīng)力的核算工作需要對(duì)外載荷進(jìn)行分別組合。當(dāng)塔設(shè)備處于操作工況時(shí)，為了求出作用在各危險(xiǎn)截面上的最大彎矩，需要對(duì)風(fēng)力載荷和地震載荷進(jìn)行分開考慮。這是由于塔設(shè)備無(wú)法同時(shí)受到的風(fēng)力載荷和地質(zhì)載荷的影響。當(dāng)塔設(shè)備處于試驗(yàn)條件時(shí)，由于塔設(shè)備的試驗(yàn)時(shí)間較短，短期內(nèi)不會(huì)遭遇到較強(qiáng)地震和基本風(fēng)壓的影響。所以，此時(shí)核算最大彎矩時(shí)不需要考慮地震載荷，而風(fēng)彎矩通常會(huì)取其正常值的30%。

③校核塔設(shè)備。塔設(shè)備自身所擁有的重量，會(huì)影響到設(shè)備所受到的地震載荷和重量載荷均。因此，在不對(duì)塔設(shè)備的自身總重量進(jìn)行調(diào)整改變的大前提下，為了使相關(guān)核算軟件的計(jì)算更為方便，我們可以對(duì)附加質(zhì)量與填料密度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，然后對(duì)總重量進(jìn)行拆分，并由分離出的部分重量產(chǎn)生偏心載荷，同時(shí)附加一個(gè)力臂，從而形成一個(gè)等量偏心載荷。在校核塔設(shè)備時(shí)，我們同樣要考慮不同工況因素的影響。在處于操作工況時(shí)，此時(shí)我們需要掌握塔設(shè)備的重心高度、重心與鉛垂線之間的偏離距離，操作工況下的設(shè)備總質(zhì)量，并計(jì)算出偏心載荷，然后根據(jù)軟件中的計(jì)算公式求出各個(gè)危險(xiǎn)截面的最大彎矩。當(dāng)設(shè)備處于試驗(yàn)工況時(shí)，根據(jù)相同的計(jì)算方法計(jì)算出偏心載荷和最大彎矩。根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明，各個(gè)危險(xiǎn)截面的最大彎矩主要由風(fēng)力載荷負(fù)責(zé)控制。經(jīng)過(guò)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，不同工況下由于偏心質(zhì)量造成的彎矩所占比例也各不相同，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，操作工況下由偏心質(zhì)量造成的彎矩通常較少，而實(shí)驗(yàn)工況下則相對(duì)較多。

為了確定塔設(shè)備在發(fā)生細(xì)微形變后是否仍然具有使用的價(jià)值和安全性，我們必須根據(jù)不同的工況對(duì)核算結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定內(nèi)容為處于操作工況和實(shí)驗(yàn)工況時(shí)，因介質(zhì)壓力、最大彎矩、設(shè)備質(zhì)量而造成的軸向應(yīng)力在各個(gè)危險(xiǎn)截面上所形成的組合應(yīng)力，同時(shí)還要對(duì)塔設(shè)備的基礎(chǔ)環(huán)和地腳螺栓進(jìn)行核算。如果塔設(shè)備的垂直度處于在設(shè)計(jì)余量?jī)?nèi)，則可以證明塔設(shè)備不會(huì)因細(xì)微形變導(dǎo)致的垂直度變化而降低其使用效果和使用安全性。正因如此，塔設(shè)備在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)當(dāng)利用力的平移定理，充分考慮實(shí)際應(yīng)用中垂直度的變化問(wèn)題，從而留有一定的設(shè)計(jì)余量，以提高塔設(shè)備的使用可靠性和安全性，從而提升設(shè)備的綜合應(yīng)用效率，保證業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益。

3.結(jié)束語(yǔ)

力的平移定理告訴我們，即使是在同一個(gè)剛體上，不同作用點(diǎn)上的力是不能簡(jiǎn)單的進(jìn)行平移。即便平移后這個(gè)力的大小和方向依然保持相同的狀態(tài)，但其所產(chǎn)生的效果是截然不同的。在平移力的時(shí)候，我們必須重視起附加力矩所帶來(lái)的效果影響。塔設(shè)備的使用關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)的安全性，相關(guān)設(shè)計(jì)單位必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能會(huì)遇到的各種問(wèn)題因素，并將這些考量反應(yīng)在設(shè)計(jì)方案上，從而實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)上確保塔設(shè)備的制造質(zhì)量。為此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)部件時(shí)，應(yīng)當(dāng)學(xué)會(huì)如何靈活地運(yùn)用各種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的力學(xué)原理。