周永春

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

在石油化工裝置中，大型的臥式儲罐是使用比較廣泛的一類存儲容器。采用雙支座的臥式容器也是比較常見的一種形式。NB/T 47042—2014《臥式容器》【1】中給出了支座設置的范圍以及校核方法，但過于繁瑣。

由于有限元計算方法的適應性比廣泛，能夠模擬各種復雜工況，并且能夠得到較為準確的數(shù)值解析，所以比較適合用來解決此類問題。

1 案例分析及模型建立

雙支座臥式容器設計中支座中心到切線的距離A的通用確定原則如下【1-2】：盡量使A≤0.5Ra(Ra為圓筒的平均半徑)，因為當支座位置A≤0.5Ra時,封頭對支座處圓筒有加強作用，當容器受力不理想需要調(diào)整時，可適當改變支座位置，調(diào)整A值，但通常A值不宜>0.2L。然而標準中并未給出在該范圍內(nèi)調(diào)整支座位置的有利方向，也未說明如何在有限條件下更好地定位支座位置。

本文通過建立雙支座臥式容器的有限元模型，模擬支座不同位置時的情況，即改變A值的大小，計算筒體的軸向應力、切向剪應力以及周向應力，并對計算結(jié)果進行比較，分析應力值發(fā)生變化的趨勢，以此為依據(jù)調(diào)整支座的位置。

隱去接管的容器和支座結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，整體模型見圖1。

本文建立了按照JB/T 4712.1—2007《容器支座》【3】選取的BI 3200鞍式支座的完整模型(見圖2)，以減輕由于簡化支座引起的應力偏差。以A為參數(shù)對稱調(diào)整2個支座與容器的位置，分別取600、700、800、900和1 000 mm 5個尺度；另外分別考察中面m、切線面h、支座中面1以及其墊板前、后截面(見圖1中的2、3處)的各組應力隨A值的變化情況。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 容器及支座

支座和筒體之間采用直接焊接的連接結(jié)構(gòu)， 二者之間不會產(chǎn)生相對滑動。由于此容器結(jié)構(gòu)具有非常好的對稱性， 因此，計算時只取模型的1/2，如圖3所示。 由于結(jié)構(gòu)奇異性較大，為了滿足計算精度要求，對四面體網(wǎng)格進行了無關(guān)性分析后，得出了合適的網(wǎng)格數(shù)，共有56 105個單元， 106 902個節(jié)點。

圖2 支座

圖3 1/2模型網(wǎng)格

該臥式容器的設計壓力為0.35 MPa(表)，設計溫度為-106/80 ℃，工作壓力為0.25 MPa(表)，工作溫度為-66.8/-9.2 ℃， 由此確定其材料性能參數(shù)如表2 所示。

表2 材料性能

2 A值影響分析

如圖4所示，文獻【4】中給出了當支座設置在不同的位置時，其對容器變形的影響。從圖4中可以看出：隨著A/L值的增大，臥式容器中部向下的彎曲變形程度逐漸變小，這個現(xiàn)象與鋼梁的彎曲情況基本相同;當A/L增大到0.30時，2個支座之間的筒體就會開始向上彎。如設置支座的位置距離封頭比較遠時，則封頭一側(cè)的容器筒體就會出現(xiàn)比較明顯的位移，在此工況下，封頭就會起不到對筒體的支撐作用，筒體僅由支座來支撐。 本文觀察的A/L的范圍為0.05～0.087，在此范圍內(nèi),封頭對于筒體起支撐作用，同時，隨著A的增加，筒體趨平，變形減小。

2.1 軸向應力

圖5(a)為封頭切線處(h)、筒體中面(m)以及支座中心處(1)軸向應力趨勢，圖5(b)為支座中心處(1)與遠離封頭側(cè)墊板側(cè)面(2)及靠近封頭側(cè)墊板側(cè)面(3)處筒體軸向應力趨勢。圖中σah、σam、σa1、σa2、σa3分別表示截面h、m、1、2、3處的軸向應力。

圖5 軸向應力變化趨勢

從圖5中可以看出，在A位于0.5Ra(≈800 mm)處時，封頭處的軸向應力有個拐點，說明支座中心位于0.5Ra時，封頭軸向應力最小；但同時可以看到，隨著A的增加，其他的軸向應力都穩(wěn)步增加，至于截面2處軸向應力的快速減小，可以從圖4中得出結(jié)論，即筒體變形趨緩，使截面2處墊板與筒體貼合面處的應力減小。

鑒于其他軸向應力增加不大，可以認為，將支座設在距封頭切線處0.5Ra的一定范圍內(nèi)，能使各處的軸向應力取得較小值。

2.2 切向剪應力

當支座設置在不同的位置時，容器各截面切向剪應力如圖6所示(圖中τh、τm、τ1、τ2、τ3分別表示截面h、m、1、2、3處的切向剪應力)。由圖6可知：支座位置的變化，對m、h截面處的切向剪應力影響不大，但對于支座中面及前、后截面處的筒體切向剪應力影響明顯，在0.5Ra(≈800 mm)處有較小值;同時，在一定范圍內(nèi)，向封頭側(cè)移動支座造成的切向剪應力的增加要明顯強于遠離封頭側(cè)。

由此可以看到，對于注重于減小切向剪應力影響的情況，在不能將支座定位于0.5Ra處時，可以將支座越過0.5Ra后適當向遠離封頭側(cè)安放。

2.3 周向應力

當端部的支座位置變化時，支座各截面周向應力趨勢如圖7所示(圖中σcm、σc1、σc2、σc3分別表示截面m、1、2、3處的周向應力σch1、σch2分別表示封頭切線處的最大周向拉應力及壓應力)。可見，除截面2外，容器其余各截面處周向應力變化不大。分析截面2周向應力變化較大的原因，亦與軸向應力相同，為筒體變形趨緩使周向應力變小。

圖6 切向剪應力變化趨勢

圖7 周向應力變化趨勢

3 結(jié)語

本文以雙支座臥式容器為例，分析了支座位置對容器各特征截面處的軸向應力、切向剪應力以及周向應力的影響，主要探討了基于有限元方法分析計算的雙支座支撐的臥式容器的強度， 可以得到以下結(jié)論：

1) 雖然靠近封頭能使支座中心處軸向應力減小，但將支座設置在0.5Ra附近，不僅能降低封頭處的軸向應力，也能將筒體與支座接觸處的軸向應力取到較優(yōu)值。

2) 支座位置變化只對支座處的切向剪應力影響比較明顯，在0.5Ra時，容器各截面的切向剪應力都達到最小，此時遠離封頭優(yōu)于靠近封頭。

3) 當A/L<0.1時， 遠離封頭側(cè)的支座墊板與筒體結(jié)合處的軸向應力和周向應力受筒體變形影響明顯， 當支座遠離封頭設置時， 能減小筒體變形，從而明顯降低此處筒體的軸向及周向應力。