高溫設(shè)備帶剛性環(huán)支座的一種計(jì)算方法

許艷

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，立式容器的設(shè)計(jì)溫度越來越高，受限于場地條件、設(shè)備質(zhì)量、負(fù)壓操作等原因，有時(shí)需要采用剛性環(huán)支座[1]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47065.5—2018 中編制說明第3.1 b）解釋，推薦使用該標(biāo)準(zhǔn)的剛性環(huán)支座的設(shè)備筒體設(shè)計(jì)溫度不超過200℃，但這在工程實(shí)踐中具有一定的局限性[2]；按照以往帶剛性環(huán)支座設(shè)備的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20582—2020 中第三章節(jié)《帶剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計(jì)和計(jì)算》方法進(jìn)行校核，這種方法沒有考慮壓力、溫差對設(shè)備的影響[3]；當(dāng)采用應(yīng)力分析的方法去校核帶剛性環(huán)支座的高溫設(shè)備，又比較耗費(fèi)人力、時(shí)間。因此，本文介紹將《壓力容器設(shè)計(jì)手冊 第三版》[4]中程序4-3 做為一種計(jì)算方法，該計(jì)算方法考慮到壓力、溫度對剛性環(huán)支座設(shè)備的影響，以某一帶剛性環(huán)支座的高溫設(shè)備為例，通過對比標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20582—2020 《帶剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計(jì)和計(jì)算》[3]和《壓力容器設(shè)計(jì)手冊 第三版》[4]，并采用應(yīng)力分析的方法驗(yàn)證，得到出該計(jì)算方法是有效、可行的，為本行業(yè)設(shè)計(jì)人員提供一種計(jì)算思路和方法。

1 設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

以某一帶剛性環(huán)支座的立式高溫容器為例，如圖1 所示。為了計(jì)算簡便，且不影響計(jì)算結(jié)果，將風(fēng)壓等設(shè)計(jì)參數(shù)折合成單個(gè)耳座處的載荷F，同時(shí)不考慮設(shè)置墊板、不考慮板材的厚度附加量。設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Basic design parameters

圖1 設(shè)備示意圖Fig.1 Diagram of Equipment

2 兩種校核方法的分析及對比

2.1 基于HG/T 20582—2020《帶剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計(jì)和計(jì)算》的校核

耳座承受的載荷包括自身重力、風(fēng)載荷、地震載荷以及外部附加載荷等，這些載荷對殼體與耳座相連處產(chǎn)生很大的應(yīng)力[5]。剛性環(huán)板中心線對稱范圍內(nèi)的應(yīng)力值在距離剛性環(huán)中心距離一定范圍內(nèi)很大，并隨著距離的增大而迅速減少[6]。在有效寬度內(nèi)的剛性環(huán)、墊板、殼體可視為加強(qiáng)件；通過計(jì)算組合截面內(nèi)的慣性矩等數(shù)值，求得支座處組合截面上的應(yīng)力、兩支座中間處剛性環(huán)組合截面上的應(yīng)力，并與一倍的材料許用應(yīng)力進(jìn)行判斷[6]。

本文2.1 節(jié)涉及的計(jì)算公式、符號等內(nèi)容詳見標(biāo)準(zhǔn)所述[2-3]，中間計(jì)算過程不再給出，僅列出計(jì)算結(jié)果，詳見表2[3]。

表2 基于HG/T 20582—2020 的計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation Results Based on HG / T 20582—2020

由此，可知支座處的應(yīng)力≤[Sa]，兩支座處的應(yīng)力≤[Sr]，校核合格。

2.2 基于《壓力容器設(shè)計(jì)手冊 第三版》程序4-3的校核

《壓力容器設(shè)計(jì)手冊 第三版》程序4-3 中介紹了環(huán)形加強(qiáng)圈的應(yīng)力計(jì)算方法，這個(gè)方法考慮到壓力以及溫度的影響，殼體受不連續(xù)力F、熱膨脹、壓力P、徑向載荷N 而產(chǎn)生徑向偏移，這個(gè)數(shù)值等于加強(qiáng)環(huán)因不連續(xù)力F、壓力P以及熱膨脹產(chǎn)生的徑向偏移[4]。取泊松比vs= 0.3，殼體最高操作溫度Ts= 300 ℃，運(yùn)用ANSYS 軟件，通過應(yīng)力模擬分析得到剛性環(huán)操作溫度TR= 80 ℃，本節(jié)未說明符號見標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47065.5—2018[2]，殼體/剛性環(huán)的應(yīng)力計(jì)算過程見表3[4]。

表3 殼體/剛性環(huán)的應(yīng)力計(jì)算過程Table 3 Stress Calculation Process of Shell / Ring

（續(xù)表）

其中，F(xiàn)top'、Fbottom'為筆者自行推導(dǎo)得出，根據(jù)《壓力容器設(shè)計(jì)手冊 第三版》程序4-3，所求出的F為線局部載荷，方向?yàn)橹芟蚍较?，在?jì)算殼體在環(huán)板周向應(yīng)力時(shí)需要轉(zhuǎn)化成單位載荷[4]。

由此，可以判斷：

（1）|σχtop|、|σχbottom| ＞3[Sa]；

（2）|σΦtop|、|σΦbottom|≤3[Sa]；

（3）|σrΦtop|、|σrΦbottom|≤3[Sr]，校核不合格。

2.3 應(yīng)力分析校核

采用有限元分析軟件ANSYS19.0，對該設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力分析校核。模型的建立采用1/2 模型，在內(nèi)壁處施加0.6 MPa，內(nèi)壁溫度300 ℃，設(shè)定外壁面與空氣間的對流換熱系數(shù)為49.5 W/ （mm2· ℃）；設(shè)定耳座底板底面（除螺栓孔處）上各點(diǎn)的軸向位移為0，徑向及周向位移不約束；設(shè)定耳座底板螺栓孔處底面上各點(diǎn)的軸向、周向?yàn)?。該設(shè)備應(yīng)力分析結(jié)果如圖2 ～ 5[7]。

圖2 設(shè)備應(yīng)力分布圖Fig.2 Diagram of Equipment Stress Distribution

根據(jù)分析可知， 該設(shè)備的應(yīng)力峰值為1 257.3 MPa，選取線性化路徑，通過計(jì)算得到SⅣ＝1 090.8 MPa ＞3[Sa]，應(yīng)力校核不合格[7]。

第2.2 節(jié)與3.3 節(jié)結(jié)果計(jì)算誤差值為7.5%，在工程運(yùn)用中可以接受。

3 結(jié)論

由此，可以得到以下結(jié)論：

（1）HG/T 20582—2020《帶剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計(jì)和計(jì)算》的剛性環(huán)支座并不適用于帶有一定壓力、一定溫度的設(shè)備，尤其是高溫設(shè)備。

（2）如果采用剛性環(huán)支座的設(shè)備溫度較高時(shí)，可以采用《壓力容器設(shè)計(jì)手冊 第三版》程序4-3 或者應(yīng)力分析去校核。

圖3 頂環(huán)應(yīng)力分布圖Fig.3 Diagram of Top Ring Stress Distribution

圖4 底環(huán)應(yīng)力分布圖Fig.4 Diagram of Bottom Ring Stress Distribution

圖5 頂環(huán)處殼體應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress Distribution of Shell at Top Ring

圖6 底環(huán)處殼體應(yīng)力分布圖Fig.6 Stress Distribution of Shell at Bottom Ring

（3）高溫立式設(shè)備不建議采用剛性環(huán)耳座，如果必須采用該種形式的支撐方式，建議做好保溫措施，減少溫差應(yīng)力對設(shè)備造成的影響。

（4）對NB/T 47065.5—2018.容器支座 第5 部分：《剛性環(huán)支座》，對其適用范圍的b） 條款的含義要充分理解和切實(shí)執(zhí)行。