第５４卷第２期２０１７年４月化工设备与管道ＰＲＯＣＥＳＳＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＰＩＰＩＮＧＶｂｌ．５４ＮＯ．２Ａｐｒ＿２０１７较高温度下大型立式容器支座的选择李霁，陈超（中石化上海工程有限公司，上海２００１２０）摘要：利用有限元软件，对大型立式容器带刚性环耳座与常规耳座在内压工况下的应力强度进行了分析对比，验证了带刚性环耳座能够承载较大载荷的事实，同时对这两种支撑形式在较高工作温度下的温差应力进行了计算，得出带刚性环耳座不适用于较高温度载荷的结论，并对上述现象进行了原因分析。关键词：刚性环；耳座；温差；有限元中图分类号：ＴＱ０５０．３；ＴＨ１２３文献标识码：Ａ文章编号：１００９．３２８１（２０１７）０２—００２６—００３立式容器的支承有支承式支座、腿式支座、裙式支座及耳式支座等。耳式支座是立式容器中较为广泛应用的支座，特别在中小型容器上”］。当容器直径较大，壳体较薄，而外载荷（包括质量、风载、地震载荷等）较大，或者壳体内处于负压操作时，采用常规耳式支座往往使壳体的局部应力较大，变形较大，甚至会引起失稳，但工程上由于场地、安装等客观条件的，又必须采用耳式支座的形式。这种情况下，往往会采用带有刚性环的耳式支座口】。这是标准中给出的立式容器支座选型原则，但无论是ＨＧ／Ｔ２０５８２高时，设备与耳座相接的筒体附近很有可能存在较大的温度梯度，而这温度梯度带来的影响现有标准中没有考虑而且常规办法也无法得到。本文根据实际项目中某台大型立式容器的设计条件，采用有限元方法，计算并对比了其在采用带刚性环耳座与常规耳座支撑时，以及考虑温度载荷引起的温差应力时的应力强度，并得出相应结论。１设计数据及结构设计数据如表１所示，图１～２模型是初始设计中的带刚性环耳式支座还是支座，标准ＪＢ／Ｔ４７１２．３中的常规耳式支座的设计和计算，都没有提及温差应力的计算与控制，因此大型立式容器在较高温度载荷的情况下，优先选择带刚性环耳座还是常规耳座暂无定论。当大型立式容器在较高温度载荷的情况下选用带刚性环耳座或者常规耳座支撑时，即使设备整体保温足够厚，但由于耳座底板与基础相接处的温度难免受到环境温度的影响（除非现场保温尺寸足够大，能够把部分基础或框架一起覆盖，使得温度梯度出现在远离耳座的基础或框架上，而现实中由于尺寸和现场拆装要求的原因难以实现）。同时由于耳座自身的结构特点，耳座底板支撑点与设备简体壁面的距离受到耳座自身强度不能过远，距离越远耳座受到设备重量在该处的力臂越大。也就是说基础保温的和底板与设备壁面距离的，使得设备工作温度较时拟采用的结构（带刚性环耳座），图３￣４是最终设计采用的结构（常规耳座）。表１设计参数Ｔａｂｌｅ１Ｄｅｓｉｇｎｄａｔａ没汁Ｊｆｉ）ｊ／ＭＰａ０３６设汁温度／℃４００ｒ作温度／℃简体，封头，支座材料保温层矿物棉３８５Ｑ３４５Ｒ１．１力边界条件内压工况：容器内壁施加内压０．３６ＭＰａ，相关端面施加等效压力。收稿日期：２０１６．１１．１７作者简介：李霁（１９８３一），男，江西景德镇人，工程师。主要从事设备有限元分析计算工作。２０１７年４月李霁，等较高温度下大型立式容器支座的选择图４常规耳座．不带保温层有限元模型图Ｆｉｇ．４ＳｏｌｉｄＭｏｄｅｌｏｔｎｏｒｍａｌｌｕｇｗｉｔｈｏｕｔｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ１．２温度载荷及分布在热应力工况中，考虑温度载荷对设备支撑的影响。在容器内壁施加工作温度３８５℃，容器保温层外壁面环境温度为一２０℃，外壁面与空气问的对流换热系数１３．９８×１０缶Ｗ／（ｍｍ２・℃）㈤，计算温度分布。１．３位移边界条件设定支座底板螺栓孔处各点的轴向及周向位移为０，径向位移不约束，即在柱坐标系下设定巩＝０，协＝０，阢不约束ＨＪ。２应力分析两种结构内压工况下的应力分析结果如图５－６所示，两种结构温度载荷工况下的应力分析结果如图７～８昕示：图５带刚性环的耳座内压工况应力分布图Ｆｉｇ．５Ｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｌｕｇｗｉｔｈｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇｒｉｎｇｕｎｄｅｒｉｎｔｅｒｎａｌｐｌｅｓｓｕｒｅ图６常规耳座内压工况应力分布图Ｆｉｇ６ＳｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｎｏｒｍａｌｌｕｇＬｌｎｄｅｌ’ｉｎｔｅｌ’ｎａｌｐＩ．ｅｓｓｕｒｅ戮～一～嚣产Ｉ巍：“■＝■，。Ｌ图７带刚性环的耳座温度载荷工况应力分布图Ｆｉｇ．７ＳｌｘｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｌｕｇｗｉｔｈｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇｒｉｎｇｕｎｄｅｒｔｈｅｒｍａｌｌｏａｄＩ置与管道第５４卷第２期图６中带刚性环耳座模型在内压工况下的应力峰值１２２．５９ＭＰａ，小于图５所示常规耳座模型在内压工况下的应力峰值１３８．５６ＭＰａ；而图７中带刚性环耳座模型在温度载荷工况下的应力峰值１１０１．５ＭＰａ，远大于图８所示常规耳座模型在温度载荷工况下的应力峰值４７３．３６ＭＰａ。根据以上计算内容，按ＪＢ４７３２－－１９９５（２００５年图８常规耳座温度载荷工况应力分布图Ｆｉｇ．８Ｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｎｏｒｍａｌｌｕｇｕｎｄｅｒｔｈｅｒｍａｌｌｏａｄ确认）应力强度评定准则进行应力强度评定。评定结果见表２【５】。表２评定结果Ｔａｂｌｅ２ＥｖａｌｕａｔｉｏｎＲｅｓｕｌｔｓ砖乏受载＾ｉｉ芰庸内压工况（不弩感温度载茼）与支座底板连接处简俸的应力强度Ｓ１Ｉ＝１４．９１７温度载荷（／『ｉ弩虑内ｆＫＴ－况）亏支座底板连接处简体的直力强度Ｓ１ｖ＝１０７８．３ＭＰａ＜１５ＫＳ。＝１８７．５ＭＰａ矾＝９２．７９５ＭＰａ＜３０Ｓ。＝３７５ＭＰａＭＰａ＜１．５ＫＳ。，＝１８７．５ＭＰａＳｉ、＝１３７４１ＭＰａ＜３０Ｓ。＝３７５ＭＰａＭＰａ＞３０Ｓ。。＝３７５ＭＰａ常规１４：式Ｓｆｌ＝３ｌ７７Ｓｎ＝２５９．３４ＭＰａ＜３．０Ｓ。＝３７５ＭＰａ由以上应力石图及评定结果ｕ』知，大型容器在承受内压等非温度载荷时，带刚性环耳座的筒体应力值要低于常规耳座的筒体应力值；特别需要指出的是，在上述温度载荷下，在简体与支座连接处，带刚性环耳座模型由热膨胀差引起的二次应力（ＳⅣ＝１０７８．３３结束语综上所述，大型立式容器正常情况下可优先选择带刚性环的耳式支座，但在有较高工作（设计）温度的情况下，尽量选择不带刚性环的常规耳式支座，如条件，必须采用时，要特别注意支座与筒体连接处可能出现的温差应力。ＭＰａ）是常规耳座模型（ＳⅣ＝２５９．３４０７８．３ＭＰａ）的４倍，且其应力值（ＳⅣ＝１ＭＰａ）远高于材料的许用应力（３７５ＭＰａ）。也就是说带刚性环耳座的大型容器在较高温度载荷下，其支座与简体连接处的热应力很容易超出材料许用范围，造成设备失效。究其原因，是因为带刚性环耳座的上下环板的径向刚度太大，强烈束缚容器筒体的径向膨胀，导致产生很大的热应力，而常规耳座设备在简体径向上膨胀是较自由的，温度变形得到释放使得热应力下降。［４］［５】参考文献叶文邦，张建荣，曹文辉．压力容器设计指导手册【Ｍ］．昆明云南科技出版社，２００６．３２１．ＨＧ／Ｔ２０５８２－－２０１ｌ，钢制化工容器强度计算规定［ｓ］．中石化上海工程有限公司编．化工工艺设计手册（下册）第四版．北京：化学工业出版社．２００９．８２．Ｒｅｌｅａｓｅ１７．０ＤｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｆｏｒＡＮＳＹＳ［Ｚ］．旧４７３２—９５，钢制压力容器一分析设计标准（２００５年确认）［Ｓ］ＳｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆＳｕｐｐｏｒｔｉｎＬａｒｇｅＶｅｒｔｉｃａｌＶｅｓｓｅｌＷｏｒｋｉｎｇｕｎｄｅｒＨｉｇｈ２００１２０，Ｃｈｉｎａ）ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＬＩＪｉ，ＣＨＥＮＣｈａｏ（ＳＩＮＯＰＥＣＳｈａｎｇｈａｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ，ＳｈａｎｇｈａｉＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎｔｈｅｖｅｓｓｅｌｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｗｉｔｈｎｏｒｍａｌｌｕｇｓａｎｄｗｉｔｈｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇｒｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｌｕｇｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇｒｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｌｕｇｈａｓｌａｒｇｅｒｌｏａｄｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｗａｓｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎｔｈｅｖｅｓｓｅｌｓｗｉｔｈｔｈｅｓｅｔｗｏｓｕｐｐｏｒｔｓｕｎｄｅｒｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｉｔｗａｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｆｒｏｍｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｔｈａｔｔｈｅｌｕｇｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｗｉｔｈｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇｒｉｎｇｉｓｕｎｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｂｅｕｓｅｄｕｎｄｅｒｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃａｕｓｅｗａｓｔｈｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇｒｉｎｇ；ｌｕｇ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ
