高溫設備帶剛性環支座的一種計算方法

許艷

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

隨著工業技術的發展，立式容器的設計溫度越來越高，受限于場地條件、設備質量、負壓操作等原因，有時需要采用剛性環支座[1]。根據標準NB/T 47065.5—2018 中編制說明第3.1 b）解釋，推薦使用該標準的剛性環支座的設備筒體設計溫度不超過200℃，但這在工程實踐中具有一定的局限性[2]；按照以往帶剛性環支座設備的設計經驗，通常采用標準HG/T 20582—2020 中第三章節《帶剛性環耳式支座的設計和計算》方法進行校核，這種方法沒有考慮壓力、溫差對設備的影響[3]；當采用應力分析的方法去校核帶剛性環支座的高溫設備，又比較耗費人力、時間。因此，本文介紹將《壓力容器設計手冊 第三版》[4]中程序4-3 做為一種計算方法，該計算方法考慮到壓力、溫度對剛性環支座設備的影響，以某一帶剛性環支座的高溫設備為例，通過對比標準HG/T 20582—2020 《帶剛性環耳式支座的設計和計算》[3]和《壓力容器設計手冊 第三版》[4]，并采用應力分析的方法驗證，得到出該計算方法是有效、可行的，為本行業設計人員提供一種計算思路和方法。

1 設備設計參數

以某一帶剛性環支座的立式高溫容器為例，如圖1 所示。為了計算簡便，且不影響計算結果，將風壓等設計參數折合成單個耳座處的載荷F，同時不考慮設置墊板、不考慮板材的厚度附加量。設計參數見表1。

表1 基本設計參數Table 1 Basic design parameters

圖1 設備示意圖Fig.1 Diagram of Equipment

2 兩種校核方法的分析及對比

2.1 基于HG/T 20582—2020《帶剛性環耳式支座的設計和計算》的校核

耳座承受的載荷包括自身重力、風載荷、地震載荷以及外部附加載荷等，這些載荷對殼體與耳座相連處產生很大的應力[5]。剛性環板中心線對稱范圍內的應力值在距離剛性環中心距離一定范圍內很大，并隨著距離的增大而迅速減少[6]。在有效寬度內的剛性環、墊板、殼體可視為加強件；通過計算組合截面內的慣性矩等數值，求得支座處組合截面上的應力、兩支座中間處剛性環組合截面上的應力，并與一倍的材料許用應力進行判斷[6]。

本文2.1 節涉及的計算公式、符號等內容詳見標準所述[2-3]，中間計算過程不再給出，僅列出計算結果，詳見表2[3]。

表2 基于HG/T 20582—2020 的計算結果Table 2 Calculation Results Based on HG / T 20582—2020

由此，可知支座處的應力≤[Sa]，兩支座處的應力≤[Sr]，校核合格。

2.2 基于《壓力容器設計手冊 第三版》程序4-3的校核

《壓力容器設計手冊 第三版》程序4-3 中介紹了環形加強圈的應力計算方法，這個方法考慮到壓力以及溫度的影響，殼體受不連續力F、熱膨脹、壓力P、徑向載荷N 而產生徑向偏移，這個數值等于加強環因不連續力F、壓力P以及熱膨脹產生的徑向偏移[4]。取泊松比vs= 0.3，殼體最高操作溫度Ts= 300 ℃，運用ANSYS 軟件，通過應力模擬分析得到剛性環操作溫度TR= 80 ℃，本節未說明符號見標準NB/T 47065.5—2018[2]，殼體/剛性環的應力計算過程見表3[4]。

表3 殼體/剛性環的應力計算過程Table 3 Stress Calculation Process of Shell / Ring

（續表）

其中，Ftop'、Fbottom'為筆者自行推導得出，根據《壓力容器設計手冊 第三版》程序4-3，所求出的F為線局部載荷，方向為周向方向，在計算殼體在環板周向應力時需要轉化成單位載荷[4]。

由此，可以判斷：

（1）|σχtop|、|σχbottom| ＞3[Sa]；

（2）|σΦtop|、|σΦbottom|≤3[Sa]；

（3）|σrΦtop|、|σrΦbottom|≤3[Sr]，校核不合格。

2.3 應力分析校核

采用有限元分析軟件ANSYS19.0，對該設備進行應力分析校核。模型的建立采用1/2 模型，在內壁處施加0.6 MPa，內壁溫度300 ℃，設定外壁面與空氣間的對流換熱系數為49.5 W/ （mm2· ℃）；設定耳座底板底面（除螺栓孔處）上各點的軸向位移為0，徑向及周向位移不約束；設定耳座底板螺栓孔處底面上各點的軸向、周向為0。該設備應力分析結果如圖2 ～ 5[7]。

圖2 設備應力分布圖Fig.2 Diagram of Equipment Stress Distribution

根據分析可知， 該設備的應力峰值為1 257.3 MPa，選取線性化路徑，通過計算得到SⅣ＝1 090.8 MPa ＞3[Sa]，應力校核不合格[7]。

第2.2 節與3.3 節結果計算誤差值為7.5%，在工程運用中可以接受。

3 結論

由此，可以得到以下結論：

（1）HG/T 20582—2020《帶剛性環耳式支座的設計和計算》的剛性環支座并不適用于帶有一定壓力、一定溫度的設備，尤其是高溫設備。

（2）如果采用剛性環支座的設備溫度較高時，可以采用《壓力容器設計手冊 第三版》程序4-3 或者應力分析去校核。

圖3 頂環應力分布圖Fig.3 Diagram of Top Ring Stress Distribution

圖4 底環應力分布圖Fig.4 Diagram of Bottom Ring Stress Distribution

圖5 頂環處殼體應力分布圖Fig.5 Stress Distribution of Shell at Top Ring

圖6 底環處殼體應力分布圖Fig.6 Stress Distribution of Shell at Bottom Ring

（3）高溫立式設備不建議采用剛性環耳座，如果必須采用該種形式的支撐方式，建議做好保溫措施，減少溫差應力對設備造成的影響。

（4）對NB/T 47065.5—2018.容器支座 第5 部分：《剛性環支座》，對其適用范圍的b） 條款的含義要充分理解和切實執行。