不同鞍式支座包角和宽度下卧式容器筒体应力分布
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摘要：我国近年来的飞速发展使卧式压力容器得到了更多更广泛地应用。而鞍座作为卧式压力容器的一种支撑形式有其独特的优点。在鞍座附近，存在一定的局部应力集中。而鞍座的宽度和包角对鞍座附近的峰值应力有着重要的影响。对于鞍座附近的峰值应力如果做精确的理论计算过程非常繁复，本文通过有限元的方法对鞍座包角和宽度对鞍座附近筒体峰值应力的影响做一个详细的分析。
关键字：卧式；容器；筒体应力分布
中图分类号：TH49文献标识码： A
引言
卧式容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等6大部分构成容器本体。鞍式支座作为卧式容器的一种支撑形式，其安全性和承载力极其重要。为此，笔者基于有限元软件AN－SYS建立双鞍式支座卧式容器的有限元模型，通过改变鞍式支座包角和宽度，考察其对双鞍式支座卧式容器筒体应力分布的影响。
1卧式容器和鞍式支座的三维有限元模型
1．1模型
卧式容器的最大应力一般位于鞍式支座处及其附近，鞍式支座的刚度将对此处局部应力产生极大的影响，故为了对卧式容器的受力情况做一个接近真实的分析，几何模型采用实际的鞍式支座结构。容器的结构简图见图1，鞍式支座与筒体采用直接焊接结构，两者之间无相对滑动。
图
1双鞍式支座卧式容器结构简图
双鞍式支座卧式容器结构参数：筒体内径Di＝3200mm、公称厚度δ＝12mm、长度L＝8920mm，左端鞍式支座中心处距左封头切线处的距离A＝760mm，封头深度H＝840mm、封头壁厚δh＝10mm。材料弹性模量2．1×105MPa，泊松比0．3，钢材密度7850kg／m3。
文中基于有限元软件ANSYS11．0经典界面进行建模。筒体使用壳单元，鞍式支座使用实体单元，取鞍式支座包角θ＝150°、宽度b＝700mm为例，整合以上数据，建立双鞍式支座卧式容器有限元模型（图2）。网格划分时，对筒体和封头采用映射划分网格，设定单元格的大小为100；鞍式支座部分采用自由划分网格。划分网格后的双鞍式支座卧式容器有限元模型见图3
图2双鞍式支座卧式容器有限元模型
图3双鞍式支座卧式容器有限元模型网格划分
1．2边界条件和载荷
计算条件：考虑到容器在充满液体状态、无内压条件下最危险，故以此工况为计算条件。边界条件：与鞍式支座接触的筒体部分外壁面无位移、无转角。载荷：筒体自身以及内部工质的质量。
1．3结果分析
设定重力加速度g＝9．8m／s2，将鞍式支座底部2个面全方位约束。对筒体施加载荷：
施加载荷后得到双鞍式支座卧式容器筒体和鞍式支座处的应力分布见图4、图5。从图4和图5中可以看出，筒体的最大应力主要集中在鞍式支座边角处。
图4双鞍式支座卧式容器筒体的应力分布
图5双鞍式支座边角处产生的应力
2．1设定参数
将鞍式支座的包角和宽度设置为可以变化的量，以考察鞍式支座包角与宽度对双鞍式支座卧式容器筒体应力分布的影响。模型参数见表1
表1鞍式支座的包角和宽度
2．2计算结果及分析
将表1的参数输入ANSYS中计算，得到不同鞍式支座包角和宽度下筒体的最大应力，见表2。
表2不同鞍式支座包角和宽度下筒体最大应力
将表2的数据绘制成曲线，得到不同鞍式支座宽度下（鞍式支座包角一定）筒体的最大应力变化曲线（图6）和不同鞍式支座包角下（鞍式支座宽度一定）筒体的最大应力变化曲线（图7）。
图
6不同鞍式支座宽度下（鞍式支座包角一定）筒体最大应力变化曲线
图7不同鞍式支座包角下（鞍式支座宽度一定）筒体最大应力变化曲线
从表2可以看出，在鞍式支座包角一定的情况下，筒体的应力随着鞍式支座宽度的增加而减小；在鞍式支座宽度一定的条件下，随着鞍式支座包角的增大，筒体的应力逐渐减小。而根据图6和图7的曲线分布，筒体的最大应力变化在鞍式支座宽度一定的情况下随着鞍式支座包角的变化更显著，说明相对鞍式支座宽度，鞍式支座包角对筒体应力分布的影响更大。
3鞍式支座包角的优化选型
根据NB/T47042-2014《卧式容器》中关于容器支座的规定，鞍式支座包角一般选择120°～150°。钢制鞍式支座的宽度一般为b≥8Ra，其中Ra＝Ri＋δn／2mm，Ri为圆筒内半径（mm），δn为圆筒名义厚度（mm）。从工程实际考虑，探讨相同的鞍式支座宽度下选择哪种鞍式支座包角更为经济合理有现实意义。取鞍式支座宽度b1＝b2＝700mm，包角分别为θ1＝120°、θ2＝150°，基于ANSYS有限元分析，2种工况下筒体的应力分布分别见图8和图9。
图8θ1＝120°、b＝700mm时筒体的最大应力分布
图9θ2＝150°、b＝700mm时筒体的最大应力分布
根据图8、图9，同一筒体在鞍座宽度为700mm、包角分别为120°、150°时的筒体最大应力见表3
表3相同鞍座宽度、不同鞍式支座包角下的筒体最大应力
根据表3，在相同鞍式支座宽度下，鞍式支座包角为120°时，筒体在鞍式支座处会产生较大周向压应力，不满足校核条件。若要使用120°的包角，则需要增加筒体的壁厚导致设备设计不经济。而在鞍式支座包角为150°时，筒体的最大周向压应力要小于包角等于120°时的应力，且只需增大鞍式支座包角，不必增加筒体的壁厚，既能满足较核条件，更加经济合理。由上述实例可知，对DN1500mm～4000mm直径范围的大直径薄壁卧式容器，在其载荷相对较大而壁厚相对较薄的情况下，使用120°包角的鞍式支座，会在鞍式支座边角处产生较高的应力。如增加容器壁厚将会导致设备的成本增加。但增加包角可以降低该处应力而不增加筒体壁厚，使得设备造价相对经济合理。在工程实际应用中，对于DN＜1500mm的卧式容器仍然存在上述问题。特别是对于L／D较大而且介质密度也比较大的薄壁容器以及由于特殊结构而造成鞍式支座的支撑反力特别大的薄壁容器，也需要采用增大鞍式支座包角的方法来降低鞍式支座处的应力。
结束语
（1）在鞍式支座包角和鞍式支座宽度分别发生变化时，鞍式支座包角的变化对筒体最大应力的影响更为明显，鞍式支座包角是影响筒体应力分布的主要因素。（2）对于筒体壁厚一定的钢制卧式容器而言，鞍式支座处筒体的周向压应力随鞍式支座包角和鞍式支座宽度的增加而减小。（3）对采用鞍式支座的钢制卧式容器，当周向压应力不满足校核条件时，一般不考虑增加筒体壁厚，而首先考虑在鞍式支座及筒体之间增设垫板以对筒体进行局部加强。若加垫板不能满足要求，可适当增加鞍式支座包角和鞍式支座宽度，或二者同时增加，可有效地降低筒体周向压应力。
参考文献
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