傅健忠

（上海華誼工程有限公司)

論拉撐平板常規(guī)設(shè)計(jì)的局限

傅健忠*

（上海華誼工程有限公司)

內(nèi)部隔板是壓力容器常用結(jié)構(gòu)，通常作為支撐部件，需要承受較大載荷。隨著化工裝置規(guī)模日趨增大，壓力容器也向大型化發(fā)展，因而承載能力不強(qiáng)的平板常需要增大厚度。以多孔板設(shè)計(jì)為例，通過三種計(jì)算方法的比較分析，提出了結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計(jì)的相應(yīng)建議。

多孔板 立式容器 拉撐平板 分析設(shè)計(jì) 平蓋 強(qiáng)度

0 項(xiàng)目背景

受某水處理藥劑生產(chǎn)廠商的委托，上海華誼工程有限公司承擔(dān)了三臺(tái)直徑2800 mm，筒體高度4000 mm，裙座支承的立式容器 （見圖1）的設(shè)計(jì)。該設(shè)備的用途是過濾含雜質(zhì)的鹽水。設(shè)計(jì)該設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)在于多孔板的強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)條件見表1。由于多孔板上需要安裝過濾水帽，所以無法設(shè)置縱向加強(qiáng)筋。同時(shí)多孔板上需開許多孔 （開孔直徑為32.5 mm，孔中心距為170 mm），也不便采用復(fù)合鋼板。多孔板材質(zhì)為鈦材 （TA2），價(jià)格昂貴。在滿足用戶要求以及確保設(shè)備性能可靠的前提下，為更有效地節(jié)約用材，本文采用拉撐結(jié)構(gòu)計(jì)算法、當(dāng)量平蓋計(jì)算法和分析設(shè)計(jì)等三種計(jì)算方法，分別對多孔板進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并對其進(jìn)行比較分析。

1 設(shè)計(jì)方案

通過分析多孔板結(jié)構(gòu)形式及受力情況，在常規(guī)設(shè)計(jì)中最貼近的計(jì)算方法為GB 150.3—2001《壓力容器—第3部分：設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)中第5.12節(jié)的拉撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法針對平板設(shè)計(jì)時(shí)簡便、可靠。同樣，也可以通過相鄰支撐點(diǎn)構(gòu)筑的當(dāng)量圓進(jìn)行計(jì)算模型當(dāng)量轉(zhuǎn)化，然后進(jìn)行平蓋強(qiáng)度計(jì)算。這兩種強(qiáng)度計(jì)算均屬于常規(guī)設(shè)計(jì)方法，雖無法考慮開孔對平板的強(qiáng)度削弱，但根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)在多數(shù)情況下可以采用。為了得出準(zhǔn)確的應(yīng)力值和考慮開孔影響，本文又采取有限元分析方法對多孔板及支撐柱建模、加載，得出準(zhǔn)確的應(yīng)力值并進(jìn)行校核。

1.1 采用拉撐結(jié)構(gòu)計(jì)算方法[1]

拉撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算適用于以棒材、管材或板材支撐的凸形封頭、平封頭 （平板）及筒體的設(shè)計(jì)，與本文案例的多孔板及支撐柱結(jié)構(gòu)模型匹配。

圖1 立式容器

表1 多孔板設(shè)計(jì)條件

1.1.1 拉撐布置的間距L與系數(shù)K取值

1.1.2 多孔板厚度計(jì)算

多孔板厚度按下式計(jì)算：

式中 δp——多孔板計(jì)算厚度；

L——拉撐布置間距；

pc——多孔板計(jì)算載荷；

K——系數(shù)，取值2.0。

圖2 支撐柱布置

1.2 采用當(dāng)量平蓋計(jì)算方法[2]

在化工設(shè)備設(shè)計(jì)中，當(dāng)無法選擇完全匹配的計(jì)算模型時(shí)，通常采用當(dāng)量計(jì)算模型。

1.2.1 當(dāng)量平蓋直徑取值

在NB/T 47003.1—2009《鋼制焊接常壓容器》6.4節(jié)中，并沒有該多孔板的計(jì)算模型。如果直接將多孔板直徑2800 mm作為當(dāng)量平蓋計(jì)算直徑，顯然是不合理的。參照GB 150.3第 5.12.3.2款，采用通過任意3個(gè)相鄰支撐點(diǎn)的最大當(dāng)量圓方法確定當(dāng)量平蓋直徑Dc，即取Dc＝1000 mm，見圖2。

1.2.2 多孔板厚度計(jì)算

多孔板計(jì)算厚度 δp按下式計(jì)算：

φ——焊縫系數(shù)，取為0.85。

1.3 采用分析設(shè)計(jì)計(jì)算方法[3]

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、有限元方法的應(yīng)用和各種軟件的開發(fā)，分析設(shè)計(jì)方法在化工設(shè)備設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。分析設(shè)計(jì)方法較常規(guī)設(shè)計(jì)方法更經(jīng)濟(jì)、安全。在本文案例中，采用常規(guī)設(shè)計(jì)無法考慮開孔對平板的削弱，但分析設(shè)計(jì)的數(shù)值模型可以完全匹配多孔板與支撐柱組合結(jié)構(gòu)。

1.3.1 數(shù)值模型建立

分別對支撐平板和多孔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值建模。采取整體建模，整個(gè)模型結(jié)構(gòu)包括筒體、封頭、平

式中 Dc——當(dāng)量平蓋直徑；

Kp——系數(shù)，為殼體計(jì)算厚度/有效厚度的0.44倍，且不小于0.2，本文取0.2；

pc——多孔板當(dāng)量載荷；板（或多孔板）以及支撐柱。筒體和封頭的公稱直徑為2800 mm，平板和多孔板厚度為10 mm（計(jì)算厚度9.2 mm），6根支撐柱規(guī)格為?80 mm×5.5 mm。材料均為TA2。多孔板結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，不開孔平板結(jié)構(gòu)模型與多孔板結(jié)構(gòu)模型相似，此處略。

圖3 多孔板結(jié)構(gòu)模型 （反置）

在ANSYS中，筒體、封頭、平板和多孔板以及支撐柱網(wǎng)格采用Soild186單元，共劃分366 059個(gè)節(jié)點(diǎn)，159 752個(gè)單元。

1.3.2 參數(shù)設(shè)置

1.3.2.1 材料性能參數(shù)設(shè)置

TA2在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力Sm=121 MPa，彈性模量107 000 MPa，泊松比0.3。

1.3.2.2 載荷及約束設(shè)置

填料總質(zhì)量10 000 kg，均勻施加在直徑為2800 mm的平板或多孔板上，不均勻載荷系數(shù)取0.83，可得當(dāng)量壓力約為0.02 MPa。在筒體、封頭內(nèi)表面施加設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa，在平板或多孔板上面施加當(dāng)量壓力0.02 MPa，在筒體端面施加全約束。

1.3.3 模擬分析計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，平板和多孔板的應(yīng)力分布如圖4（a）和 （b）所示。平板和多孔板與支撐柱組合件的應(yīng)力分布如圖5（a）和 （b）所示。

通過應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力點(diǎn)位于支撐柱與多孔板的連接部位，所以在該處以及多孔板中心設(shè)置線性路徑。依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，通過線性化應(yīng)力對多孔板強(qiáng)度進(jìn)行評定，評定結(jié)果如圖6所示。按平板和多孔板結(jié)構(gòu)的具體評定結(jié)果分別如表2和表3所示。

2 分析比較

圖4 平板和多孔板應(yīng)力云圖

圖5 平板和多孔板與支撐柱組合件應(yīng)力云圖

圖6 多孔板與支撐柱組合件應(yīng)力線性化路徑圖

表2 平板應(yīng)力強(qiáng)度評定表

拉撐結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和當(dāng)量平蓋計(jì)算方法屬于常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，算法簡單，但只對平板本身進(jìn)行分析，支撐柱需另作壓桿穩(wěn)定計(jì)算。此外，當(dāng)量平蓋計(jì)算方法假設(shè)當(dāng)量圓四周是可靠連接的。這兩種方法得出的厚度值約為6.5 mm。分析設(shè)計(jì)方法計(jì)算繁瑣，但可以整體建模、約束及加載，可對各個(gè)部位分別進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果精確。從計(jì)算結(jié)果可知，最大應(yīng)力發(fā)生在多孔板與支撐柱連接部位，并非在當(dāng)量圓中心部位。三種計(jì)算結(jié)果雖然都表明結(jié)構(gòu)可靠，但計(jì)算過程并不相同，且對危險(xiǎn)點(diǎn)的判別相去甚遠(yuǎn)。

再者，常規(guī)方法無法量化開孔對平板的削弱。在對平板及多孔板的分析設(shè)計(jì)中可以看出，在路徑1-1處一次＋二次應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值增大了17.9%。雖然該設(shè)計(jì)實(shí)例中三種計(jì)算方法均合格，但偏差甚大，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷。

3 結(jié)語

在直徑較小、載荷不大的情況下，可以運(yùn)用簡便的計(jì)算方法進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)，得到相對可靠的計(jì)算結(jié)果。然而當(dāng)直徑、載荷均較大時(shí)，常規(guī)設(shè)計(jì)存在一定的缺陷和風(fēng)險(xiǎn)，這時(shí)強(qiáng)度計(jì)算雖然通過了，但可能在多孔板與支撐柱連接處產(chǎn)生大的應(yīng)力，并有可能破壞焊縫。此外，常規(guī)設(shè)計(jì)無法量化開孔削弱，也是不足之處。有了分析設(shè)計(jì)結(jié)果，就可采取針對性改進(jìn)措施，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)更為合理可靠。

表3 多孔板應(yīng)力強(qiáng)度評定表

[1]全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器：GB 150—2011[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2]全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).鋼制焊接常壓容器：NB/T 47003.1—2009[S].北京：新華出版社，2010.

[3]全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

Limitation of Conventional Design of Braced Flat Plate

Fu Jianzhong

The internal diaphragm is a common structure of a pressure vessel,and it is usually used as a supporting part to bear a large load.With the increasing scale of chemical equipment,pressure vessels are also developing towards large scale.Therefore,the flat plate with low bearing capacity needs to be thickened.Taking the design of a perforated plate as an example,some suggestions for the rational design of the structure are put forward based on the comparison and analysis of three calculation methods.

Perforated plate;Vertical vessel;Braced flat plate;Analysis and design;Flat cover;Strength

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.005

2016-08-23）

*傅健忠，男，1984年生，工程師。上海市，200241。