□ 李洪波 □ 王全柱 □ 鄧光平

洛陽船舶材料研究所 河南洛陽 471023

1 研究背景

壓力容器支座失效，往往是由于支座受到較大的壓應(yīng)力而失去穩(wěn)定性造成的。支承式支座相對(duì)于腿式支座，可承受較大的載荷，制造及結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，在立式容器中已被廣泛應(yīng)用。機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4712.4—2007《容器支座 第4部分 支承式支座》［1］給出了支承式支座的結(jié)構(gòu)型式、系列參數(shù)和允許載荷等內(nèi)容。這一標(biāo)準(zhǔn)考慮了支承式支座本體的允許載荷，并給出了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)、校核公式，但是對(duì)于封頭的局部應(yīng)力，僅考慮標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的情況［2］。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，往往受工藝及現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，并不能直接選用標(biāo)準(zhǔn)中的支座型式，需要修改標(biāo)準(zhǔn)支座的結(jié)構(gòu)和尺寸，以滿足設(shè)計(jì)要求［3］。

筆者以壓載水過濾器的支座為例，介紹在不符合標(biāo)準(zhǔn)中橢圓封頭的情況下，立式容器支座的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)兩種型式的支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元受力分析，為立式容器非標(biāo)準(zhǔn)支座的設(shè)計(jì)提供參考。

2 支座載荷計(jì)算

過濾器所采用的支撐式支座，其載荷計(jì)算采用文獻(xiàn)［1］中的相關(guān)公式：

式中：Q為支座實(shí)際承載，N；q0為基本風(fēng)壓，Pa；P為水平力，N；k為不均勻因數(shù)，安裝3個(gè)支座時(shí)取k=1，安裝3個(gè)以上支座時(shí)取k=0.83；m0為設(shè)備總質(zhì)量，kg；n為支座數(shù)量；g為重力加速度，m/s2；Ge為偏心載荷，N；H為水平力作用點(diǎn)至底板高度，mm；Se為偏心距，mm；D為支座安裝尺寸，mm；Pe為水平地震力，N；Pw為水平風(fēng)載荷，N；a為地震影響因數(shù)；fi為風(fēng)壓高度變化因數(shù)；H0為容器總高度，mm；D0為容器外徑，mm。

在支座實(shí)際承受載荷計(jì)算過程中，不考慮水平風(fēng)載荷、地震載荷及偏心載荷的影響。過濾器空載時(shí)設(shè)備總質(zhì)量m0=1 119.9 kg，承載狀態(tài)下設(shè)備總質(zhì)量m1=1 919.9 kg，取重力加速度 g=10 m/s2，經(jīng)計(jì)算，空載時(shí)單個(gè)支座本體實(shí)際承受載荷Q=3 733 N，承載時(shí)單個(gè)支座本體承受載荷Q=6 400 N。

3　支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓載水過濾器主要用于去除海水中的泥沙及海生物等，以確保壓載水處理系統(tǒng)有效運(yùn)行。因船舶內(nèi)部管道空間位置的限制，進(jìn)水管道中心高度一般較低。為確保過濾器進(jìn)水口管的中心高度與船舶進(jìn)水管中心高度一致，過濾器進(jìn)水口采用錐形封頭設(shè)計(jì)。

錐形封頭與標(biāo)準(zhǔn)中給出的橢圓封頭不同，不能直接選用標(biāo)準(zhǔn)中給出的支座型式。受底板定位中心圓孔直徑的限制，管式支座設(shè)計(jì)過程中與殼體相接觸的部位采用彎頭進(jìn)行過渡，并在封頭與彎頭間設(shè)置方形墊板。板式支座的設(shè)計(jì)則基于管式支座的結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)相似原則，用筋板、加強(qiáng)筋及墊板組焊而成。管式支座結(jié)構(gòu)如圖1所示，板式支座結(jié)構(gòu)如圖2所示。

管式支座結(jié)構(gòu)尺寸的確定，以標(biāo)準(zhǔn)中B型支座本體允許載荷 ［Q］=100 kN時(shí)所規(guī)定的外徑89 mm、壁厚4 mm 10號(hào)鋼管為依據(jù)。板式支座結(jié)構(gòu)尺寸的確定，以支座本體在相同允許載荷下，底板、筋板選用16 mm厚Q235B鋼板，墊板選用10 mm厚Q235B鋼板為依據(jù)。

該過濾器設(shè)置3個(gè)支座，Q235B材料許用應(yīng)力強(qiáng)度為113 MPa，10號(hào)鋼管許用應(yīng)力強(qiáng)度為122 MPa，材料彈性模量為 210 GPa，材料泊松比為 0.3［4］。

▲圖1 管式支座結(jié)構(gòu)

▲圖2 板式支座結(jié)構(gòu)

4　支座結(jié)構(gòu)有限元分析

4.1　三維建模

為分析不同半頂角下兩種型式支座在空載、承載及整體傾斜受力狀態(tài)下的應(yīng)力響應(yīng)，應(yīng)用Pro/E軟件建立不同半頂角下的三維模型，如圖3、圖4所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算，建模時(shí)將支座墊板與封頭分離。將所建模型保存為.stp格式文件，以便后續(xù)導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

4.2　施加載荷及邊界條件

管式與板式支座在空載、承載條件下受力時(shí)，墊板與錐形封頭固定連接，墊板承受容器施加的法向載荷，通過圓管或筋板作用于底板，底板處承受較大的壓應(yīng)力，因此在底板處施加固定約束限制其自由度。過濾器在吊裝過程中因受力不均極易發(fā)生傾斜，在過濾器著地的瞬間易形成單個(gè)支座受力的沖擊載荷，該沖擊載荷的大小與過濾器的傾斜程度有關(guān)，底板將此沖擊載荷通過圓管或筋板傳遞至墊板與封頭連接處，因此分析時(shí)在墊板處施加固定約束。

▲圖3 管式支座三維模型

▲圖4 板式支座三維模型

4.3　結(jié)果后處理

在求解分析界面的選項(xiàng)卡中設(shè)置所需的等效應(yīng)力，然后進(jìn)行求解［5］，可得到過濾器支座在錐形封頭半頂角 α 為 10°、20°、23°、25°、30°及 45°時(shí)的應(yīng)力分布情況。圖5為管式支座在半頂角α=23°、承載狀態(tài)下的應(yīng)力圖，從圖5中可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在圓管與底板的焊縫處，最大應(yīng)力值為82.547 MPa。圖6為板式支座在半頂角α=23°、承載狀態(tài)下的應(yīng)力圖，從圖6中可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座筋板與底板的焊縫處，最大應(yīng)力值為59.26 MPa。

支座傾斜受力時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，按整體傾斜5°、10°進(jìn)行設(shè)置求解。圖7為過濾器殼體吊裝過程中，半頂角α=23°、整體傾斜10°時(shí)管式支座的應(yīng)力圖，此時(shí)最大應(yīng)力值為96.232 MPa。圖8為過濾器殼體吊裝過程中，半頂角α=23°、整體傾斜10°時(shí)板式支座的應(yīng)力圖，此時(shí)最大應(yīng)力值為29.725 MPa。

4.4　強(qiáng)度校核

機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［6］對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度的控制值進(jìn)行了規(guī)定。

一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI的許用極限規(guī)定為KSm，即：

一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SII的許用極限規(guī)定為1.5KSm，即：

式中：K為載荷組合因數(shù)，取K=1；Sm為容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，板式支座材料Sm=113 MPa，管式支座材料Sm=122 MPa。

由于支座墊板為矩形，目前尚無合理的局部應(yīng)力計(jì)算方法，因此暫不考慮支座對(duì)封頭的局部應(yīng)力［7-8］。對(duì)于板式支座，其本體允許載荷是由筋板和底板所決定的，取筋板和底板兩者承受的允許載荷的較小值。對(duì)于管式支座，支座中的鋼管和底板是主要承載部件，支座本體允許載荷由鋼管、底板限制的許用載荷中的較小值所確定［9-10］。

將兩種支座空載、承載和整體傾斜時(shí)的應(yīng)力對(duì)比列于表1和表2。

▲圖5 管式支座承載應(yīng)力圖

▲圖6 板式支座承載應(yīng)力圖

▲圖7管式支座傾斜受力應(yīng)力圖

▲圖8 板式支座傾斜受力應(yīng)力圖

從表1中可以看出，管式支座在空載與承載時(shí)，支座一次總體薄膜應(yīng)力值范圍為42.465～88.746 MPa；相同條件下，板式支座一次總體薄膜應(yīng)力值范圍為28.175～86.546 MPa。從表2中可以看出，支座傾斜受力時(shí)，管式支座的一次總體薄膜應(yīng)力值范圍為56.898～109.390 MPa，板式支座的一次總體薄膜應(yīng)力值范圍為11.935～35.658 MPa。分別取兩種支座所承受的最大應(yīng)力，即管式支座取109.390 MPa，板式支座取86.546 MPa，根據(jù)式（6）進(jìn)行局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度校核。

表1　空載與承載時(shí)應(yīng)力對(duì)比

表2　整體傾斜時(shí)應(yīng)力對(duì)比

管式支座為：

SⅡ=109.39 MPa≤1.5KSm=183 MPa

板式支座為：

SⅡ=86.546 MPa≤1.5KSm=169.5 MPa

兩種型式支座一次局部薄膜應(yīng)力均合格。

5　對(duì)比分析

由上述分析、校核可知，兩種型式支座均滿足強(qiáng)度要求。對(duì)比兩種支座在空載與承載時(shí)支座本體所承受的最大應(yīng)力值，如圖9所示。

錐形封頭半頂角α≤10°時(shí)，兩種型式支座所承受的最大應(yīng)力非常接近，此時(shí)支座本體所受的最大應(yīng)力與支座結(jié)構(gòu)形式無關(guān)。

錐形封頭半頂角α≥20°時(shí)，板式支座本體所承受的最大應(yīng)力明顯小于管式支座，板式支座的承載性能要優(yōu)于管式支座。

整體傾斜時(shí)，兩種型式支座本體所受到的最大應(yīng)力如圖10所示。通過對(duì)比可知，管式支座承受傾斜載荷的能力遠(yuǎn)不如板式支座。

▲圖9 空載與承載時(shí)應(yīng)力對(duì)比

▲圖10 整體傾斜時(shí)應(yīng)力對(duì)比

6　結(jié)論

依據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用三維建模軟件Pro/E設(shè)計(jì)出兩種適用于非標(biāo)錐形封頭的支座，為非標(biāo)容器支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。

錐形封頭半頂角≤10°時(shí)，支座本體所受的最大應(yīng)力與支座結(jié)構(gòu)型式無關(guān)。兩種型式支座所受的最大應(yīng)力隨半頂角的增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，其中板式支座應(yīng)力下降趨勢(shì)較管式支座明顯，板式支座的承載性能要優(yōu)于管式支座。

對(duì)于殼體較大的過濾器，為確保支座結(jié)構(gòu)承載的穩(wěn)定性，可優(yōu)先選用板式支座結(jié)構(gòu)。

［1］ 容器支座 第4部分 支承式支座：JB/T 4712.4—2007［S］.

［2］ 楊良瑾，段瑞，馮清曉.非裙座支承立式容器設(shè)計(jì)問題探討［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2013，34（3）：1-6.

［3］ 汪洪杰，吳蘇.立式容器標(biāo)準(zhǔn)支座改型設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算［J］.石油化工設(shè)備，2001，30（1）：26-28.

［4］ 壓力容器：GB 150—2011［S］.

［5］ 余偉煒，高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用［M］.2版.北京：中國水利水電出版社，2007.

［6］鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：JB 4732—1995［S］.

［7］ 韓偉，馬洪明.大直徑立式容器非標(biāo)準(zhǔn)支承式支座校核 ［J］.石油化工設(shè)備，2015，44（2）：49-52.

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