林洪亞

（中國天辰工程有限公司）

為了完成一定的工藝性能，化工設備本體上必將開設一定數(shù)量的管口。 對于外接管道的管口，由于管道承受介質壓力、安裝與操作環(huán)境的變化及自身重量等原因，不可避免地將力和力矩傳遞到設備管口上。 過大的外載荷使連接結構處于不安定狀態(tài)，在內壓的聯(lián)合作用下，容易產(chǎn)生裂紋失效［1］。 因此，在壓力容器設計中，應對作用在管口上的外載荷進行校核。 對于作用在塔器底封頭引出管上的管道載荷，經(jīng)常需要面對的問題是如何將這些載荷轉化到接管根部，以符合核算的力學模型或軟件的要求。 另外，工作中也經(jīng)常遇到超標準的情況， 如塔器安裝垂直度剛好超標，又不想重新吊裝調平，如何建立力學模型，以理論計算為基礎判斷該設備在各種工況下能否安全運行。 筆者通過兩個例子，利用力學基本原理探討這兩個問題。

1 應用一

設備詳細設計時， 對于較大的管道外載荷，管道機械專業(yè)會把傳遞到設備管口法蘭面上的管道載荷以條件形式提給設備專業(yè)核算，或者設備專業(yè)在設計文件中限定每個管口許用外載荷大小。 由于外載荷作用形式的復雜性和作用附件幾何形狀與尺寸的多樣性，國內外壓力容器常規(guī)設計規(guī)范正文中， 都未包括這部分局部應力計算。 目前，殼體上開孔的圓形附件，由外載荷產(chǎn)生的局部應力核算，工程上主要應用的計算方法有美國焊接研究協(xié)會WRC第107號公報、第297號公報和英國標準PD 5500附錄G。 這些方法考慮了4種傳遞到殼體上的外部載荷（徑向載荷P、周向切向載荷V1和經(jīng)向切向載荷V2、周向外力矩M1和經(jīng)向外力矩M2、扭轉力矩MT）［2］，具體如圖1所示。

圖1 圓柱殼附件

目前，對接管根部局部應力的核算，常采用軟 件 分 析， 如SW6 的 零 部 件 模 塊、PVelite 的WRC297模塊等。在軟件的力學模型中，要求輸入作用點在接管開孔處殼體法線方向上的力和力矩（圖1）。 大多數(shù)情況下，管道機械專業(yè)所提外載荷條件也與圖1的載荷匹配。 但實際工作中，也存在力的作用點不在殼體法線方向上的情況，如圖2的塔器或立式容器底封頭引出管， 這就需要設計人員將載荷力系平移至接管與殼體連接的位置，即圖2中從作用點A平移至作用點O。

圖2 塔底引出管

筆者工作中遇到部分設計人員在核算這種彎管型式外載荷時，常將作用在法蘭面上的力和力矩直接平移到接管根部作為模型設計輸入，實際上，這種載荷直接平移，未考慮力的平移影響，得到的綜合應力評定結果是不準確的。

根據(jù)力的平移定理： 作用在剛體上的力F， 可以平移到同一個剛體上的任意一點O，但必須附加一個力偶，其力偶矩等于力F對新作用點O之矩［3］。

參照圖2，將作用在法蘭面上的FR由A點平移到O點，得力V2，同時還必須附加一個繞V1軸正方向旋轉的力偶FRH；同理，將FL平移到O點，得徑向力P，同時也附加一個繞V1軸正方向旋轉的力偶FLL；將FC平移到O點，得力V1，同時附加一個繞V2軸負方向旋轉的力偶FCH，另外，對P軸負方向也產(chǎn)生了扭矩FCL。 將力系平移至作用點O后，得到下列轉化后的方程式：

實際應用中， 需根據(jù)力和力矩的作用方向，代入式中符號。 由上述方程不難發(fā)現(xiàn)，力系作用點的移動，不只是兩個作用點間力和力矩簡單的對應關系。 力的平移，對力矩和扭矩的數(shù)值都會有一定的影響。

2 應用二

某臺常壓塔，在制造廠組對完畢，整體運到現(xiàn)場，因運輸路途較遠，塔器剛性又不大，塔殼沿軸線發(fā)生微小變形。 塔器在吊裝安裝就位后，用吊線墜檢測垂直度， 發(fā)現(xiàn)塔體偏向一側。 按GB 50461—2008 《石油化工靜設備安裝工程施工質量驗收規(guī)范》［4］，垂直度允許偏差為33mm，但在塔底實測最大偏差為60mm。 因項目急于開車，若返修再重新吊裝調平將耗費大量時間和費用，業(yè)主委托設計單位進行核算，如果沒有安全方面的風險，業(yè)主可以讓步接收。

2.1 塔器設計參數(shù)

常壓塔設計參數(shù)如下：

規(guī)格尺寸 DN2000mm×H32600mm

殼體厚度t 10mm

裙座高度 5 000mm

操作重m157 000kg

試驗重m2121 000kg

地震烈度 7度（0.1g）

基本風壓 350Pa

地腳螺栓 16-M56×5.5

2.2 模型建立

建立如圖3所示的力學模型，為簡便分析，將塔器簡化成一個質量集中于塔殼重心處的直桿，重心高度為Z，如圖3a所示。 因為垂直度偏差，重心偏離了鉛垂線距離e。 根據(jù)力的平移定理，偏心作用的重力載荷等效于垂直安裝狀態(tài)下塔的重力載荷mg和一個附加在塔上的力偶Me，如圖3b所示，只不過是塔器在操作工況和水壓試驗工況的重量不同，偏心載荷Me的大小不同而已。

圖3 建立力學模型

2.3 不同工況外載荷組合

塔器屬于自立高聳設備，除了自身內壓和重量載荷外，還承受風載荷MW和地震載荷ME。 本臺設備，塔器自身形體和質量未發(fā)生變化，因此對風載荷和地震載荷沒有影響。 但對偏心載荷Me，由于操作工況和試驗工況設備質量不同，因此需要分別組合，核算不同工況下危險截面的組合軸向應力［5］。

在操作工況下，考慮到地震載荷和風載荷不能同時發(fā)生，因此作用在各危險截面的最大彎矩Mmax為：

在試驗條件下，由于試驗時間短，遭遇到設防烈度的地震和基本風壓的可能性微乎其微，所以不計地震載荷，風彎矩取正常值的30%，因此作用在各危險截面的最大彎矩Mmax為：

2.4 塔器校核

因地震載荷、 重量載荷與塔器重量有關，故在不改變塔器總重量的前提下， 為方便軟件計算， 通過調整軟件中塔器附加質量或填料密度，將塔器總重中分出一部分重量mB，作為產(chǎn)生偏心載荷的重量，并加以力臂，用以產(chǎn)生等量的偏心載荷（圖3c）。

2.4.1 操作工況

塔器重心高度約在塔殼幾何中心處，Z=18800mm。 根據(jù)三角形相似原理，求出重心偏離鉛垂線線距離e1=35mm，操作重m1=57000kg，由此計算出偏心載荷Me1：

將塔器質量分出7 840kg作為產(chǎn)生偏心載荷質量，作用力臂為2 500mm，在SW6中輸入的偏心質量數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 操作工況的偏心載荷

根據(jù)公式計算各危險截面最大彎矩Mmax，結果列于表1。

表1 操作工況載荷組合 N·mm

2.4.2 試驗工況

塔器重心高度也在塔殼幾何中心處，重心偏離鉛垂線線距離e2與e1相同，由此計算出偏心載荷Me2：

將塔器質量分出16 600kg作為偏心載荷質量，作用力臂為2 500mm，在SW6中輸入的偏心質量數(shù)據(jù)如圖5所示。

根據(jù)公式計算各危險截面最大彎矩Mmax，結果列于表2。

由表1、2來看， 最大彎矩Mmax由風載荷MW控制，在操作工況，偏心質量引起的彎矩占比較小，在試驗工況，占比相對較大。 分別評定操作工況和試驗工況下，由介質壓力、最大彎矩、自重引起的軸向應力在各危險截面的組合應力，并核算基礎環(huán)和地腳螺栓。由于篇幅所限，省略計算過程。因原設計存在設計余量，評定結果都可通過。

圖5 試驗工況的偏心載荷

表2 試驗工況載荷組合 N·mm

故此垂直度偏差不會對塔器安全運行產(chǎn)生影響。 但從工藝使用角度考慮，仍要求安裝單位將塔盤和液體分布器調平。 截止目前，此設備至今已安全運行6年，垂直度也未進一步擴大。

3 結束語

作用在同一剛體上不同作用點的力，即使大小和方向都相同，產(chǎn)生的效果也是不同的。 因此不能簡單地將力從一點移至另外一點，而忽略了產(chǎn)生的附加力矩的影響。 根據(jù)力的平移定理，可以將塔底引出管法蘭面上的載荷正向移至接管根部，以符合計算模型的輸入條件；同樣，也可以將重心偏離鉛垂線的塔器重量載荷，反向移回到鉛垂位置，附加以偏心彎矩，去評估垂直度超標對最大彎矩的影響。 總之，工程設計中遇到的實際問題多種多樣，要求設計人員靈活運用標準和教材中的原理和方法，去解決各種實際問題。