南　卓

中石化南京工程有限公司　南京　211100

關(guān)于非標(biāo)鞍座包角的探討

南卓*

中石化南京工程有限公司南京211100

摘要通過(guò)對(duì)臥式容器的非標(biāo)鞍座進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，分析相關(guān)應(yīng)力隨鞍座包角的變化趨勢(shì)，得出包角小于120°的鞍座也可以使用的結(jié)論。自編計(jì)算程序，可對(duì)任意包角的鞍座進(jìn)行強(qiáng)度校核。

關(guān)鍵詞非標(biāo)鞍座包角應(yīng)力計(jì)算

臥式容器用支座通常依照《鞍式支座》JB/T4712.1-2007。在此標(biāo)準(zhǔn)中，鞍座包角只有120°和150°兩個(gè)規(guī)格。不僅如此，《臥式容器》NB/T47042-2014、ASMEⅧ-Ⅰ、PD5500等國(guó)內(nèi)外諸多標(biāo)準(zhǔn)也都建議鞍座的包角不宜小于120°且沒(méi)有相應(yīng)鞍座的強(qiáng)度計(jì)算方法。

然而，由于工藝和現(xiàn)場(chǎng)條件等特殊原因，有時(shí)鞍座不得不縮小墊板長(zhǎng)度，改變外側(cè)筋板角度，導(dǎo)致鞍座的包角小于120°。以某臥式容器為例，探討非標(biāo)鞍座的包角設(shè)計(jì)。

1設(shè)計(jì)條件

2非標(biāo)鞍座參數(shù)

鞍座的基本參數(shù)與《鞍式支座》JB/T4712.1-2007中的BI型120°包角鞍座的參數(shù)相同，只是將最外側(cè)的兩塊筋板改成垂直于底板，腹板和墊板的形狀也隨之相應(yīng)改變，構(gòu)成θ=86°的小包角鞍座，見圖1。

3結(jié)構(gòu)參數(shù)

容器的筒體厚度δn：8mm，兩端為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，厚度δtn：8mm。

筒體支座處截面不設(shè)置加強(qiáng)圈,且因鞍座墊板受位置限制,墊板包角小于(θ+12)°，即墊板不起加強(qiáng)作用。

圖1　小包角鞍座

4非標(biāo)鞍座容器強(qiáng)度計(jì)算

4.1系數(shù)K1～K9的確定

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)鞍座，《臥式容器》NB/T47042-2014第7章對(duì)鞍座的強(qiáng)度計(jì)算有詳細(xì)規(guī)定；而對(duì)于非標(biāo)鞍座，強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵就在于系數(shù)K1～K9的確定。

本例中，A/Rm≤0.5，封頭對(duì)圓筒起加強(qiáng)作用，鞍座平面上的圓筒整個(gè)截面起抵抗軸向彎矩的作用，此時(shí)，該截面上的軸向應(yīng)力與鞍座包角大小無(wú)關(guān),即K1=K2=1。

鞍座處圓筒截面上的切向剪應(yīng)力系數(shù)K3和封頭切向剪應(yīng)力系數(shù)K4，分別由公式(1)、(2)確定：

本文研究將采用Z-score方法對(duì)街區(qū)單元類別密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。Z-score是基于原始數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化方法。經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，即均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1，轉(zhuǎn)化函數(shù)為：

(1)

(2)

鞍座處圓筒截面上的周向應(yīng)力由周向壓縮和周向彎曲引起，對(duì)本例的無(wú)加強(qiáng)圈圓筒，在截面最低點(diǎn)的周向壓縮應(yīng)力系數(shù)K5，由公式(3)確定：

(3)

對(duì)于在鞍座邊角處由周向彎曲引起的壓縮應(yīng)力，在確定其周向彎矩時(shí)Zick是按照?qǐng)A筒有足夠剛性的假設(shè)條件推導(dǎo)的。也就是說(shuō)，由該截面上切向剪應(yīng)力引起的周向彎矩，只有鞍座截面處圓筒被加強(qiáng)圈加強(qiáng)時(shí)才能得出周向彎矩的解析解。而當(dāng)鞍座截面處的圓筒無(wú)加強(qiáng)圈，無(wú)法導(dǎo)出切向剪應(yīng)力產(chǎn)生的周向彎矩的解析解，只能通過(guò)有加強(qiáng)圈所加強(qiáng)的圓筒的結(jié)果予以經(jīng)驗(yàn)修正來(lái)處理。

(1)鞍座截面上有加強(qiáng)圈，鞍座邊角處的周向彎矩系數(shù)K6’見公式(4)。

βsincosβ(2β+sin2β)-sinβ·

(4)

式中，

K=sin2β

(5)

(2)鞍座截面無(wú)加強(qiáng)圈，且A/Rm≤0.5時(shí)，封頭對(duì)圓筒起加強(qiáng)作用，系數(shù)K6的近似計(jì)算公式修正為：

K6=K6’/4

(6)

(3)鞍座截面無(wú)加強(qiáng)圈，且0.5

(7)

(4)鞍座截面無(wú)加強(qiáng)圈，且A/Rm>1時(shí)，封頭對(duì)圓筒不起加強(qiáng)作用，則：

K6=K6’

(8)

鑒于本例中圓筒鞍座截面不設(shè)加強(qiáng)圈，該處圓筒和加強(qiáng)圈表面的周向應(yīng)力系數(shù)K7和K8就不存在了。

鞍座腹板有效截面內(nèi)的水平向平均拉應(yīng)力系數(shù)K9由公式(9)確定。

(9)

式中，

α=19(360°-θ)÷40

β=π-θ/2

經(jīng)上述計(jì)算，本例中，當(dāng)鞍座包角θ=86°時(shí)，系數(shù)K1～K9的值便可得到，見表1。

表1　系數(shù)K1～K9

公式(1)～(3)和公式(9)見《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》5.2節(jié)；公式(4)～(8)見鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)釋義GB150-89第八章。

4.2殼體和鞍座的強(qiáng)度校核

本例中，Rm=Ri+δn/2=804mm，A/Rm≤0.5，即封頭對(duì)筒體起加強(qiáng)作用。墊板包角為(θ+2)°，即墊板不起加強(qiáng)作用。為了便于對(duì)比，將120°包角的鞍座分為墊板起加強(qiáng)作用和墊板不起加強(qiáng)作用兩種情況，連同本例中86°包角的鞍座進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果見表2，其中圓筒軸向應(yīng)力計(jì)算時(shí)應(yīng)力結(jié)果取操作工況和壓力試驗(yàn)工況的最大值。

5不同包角鞍座的系數(shù)K6值和應(yīng)力σ6變化

在本例相同設(shè)計(jì)條件下，系數(shù)K6和應(yīng)力σ6隨包角θ的變化見圖2和圖3。

曲線表明，系數(shù)K6和周向應(yīng)力σ6都隨著包角θ的增大而減小，而且隨著包角θ的增大曲線趨于平緩，即系數(shù)K6和周向應(yīng)力σ6變化的幅度越來(lái)越小。

6結(jié)語(yǔ)

(1)由表2可見，鞍座邊角處的最大周向應(yīng)力σ6(或墊板邊緣處的σ’6)與許用值1.25[σ]t較為接近，而其它各項(xiàng)應(yīng)力與許用值之間仍有一定的富裕，這也說(shuō)明了鞍座邊角處的最大周向應(yīng)力σ6在應(yīng)力校核中的重要性。

(2)系數(shù)K6和周向應(yīng)力σ6的變化曲線都是相對(duì)光滑連續(xù)的，中間沒(méi)有顯著的突變，即120°包角并不是不可逾越的。

圖2　K6隨包角θ的變化

名稱計(jì)算公式/判據(jù)(MPa)鞍座包角θ=120°墊板起加強(qiáng)作用墊板不起加強(qiáng)作用鞍座包角θ=86°圓筒軸向應(yīng)力計(jì)算(各工況最大值)圓筒中間處橫截面上最高點(diǎn)軸向應(yīng)力σ1-8.24-8.24-8.24圓筒中間處橫截面上最低點(diǎn)軸向應(yīng)力σ262.3262.3262.32圓筒鞍座處橫截面上最高點(diǎn)軸向應(yīng)力σ353.9253.9253.92圓筒鞍座處橫截面上最低點(diǎn)軸向應(yīng)力σ4-0.16-0.16-0.16切向剪應(yīng)力計(jì)算切向剪應(yīng)力(A

(3)一方面，從表2計(jì)算結(jié)果可見，各標(biāo)準(zhǔn)指出鞍座包角在120°～150°范圍是合理的；另一方面，這并不意味著不能采用小于120°包角的鞍座。在不得已的情況下，如果能夠通過(guò)應(yīng)力校核，這種適度減小包角的設(shè)計(jì)也是可行的。

參考文獻(xiàn)

1鄭津洋，董其伍，桑芝富。過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001。

2GB150-89，鋼制壓力容器(三)標(biāo)準(zhǔn)釋義[S].

3NB/T47042-2014,臥式容器[S].

4PD5500:2009，Specificationforunfiredfusionweldedpressurevessels。

(修改回稿2016-03-24)

*南卓：工程師。2008年7月畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)。從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)。聯(lián)系電話：15952092596，

E-mail：nanzhuo.snei@sinopec.com。