基于ASME规范的卧式容器鞍座设计方法的探讨

谭可昕

(广东寰球广业工程有限公司设备室，广东 广州 510655)

化工设计

基于ASME规范的卧式容器鞍座设计方法的探讨

谭可昕

(广东寰球广业工程有限公司设备室，广东 广州 510655)

以伊朗某项目的硫酸卧罐设计为实例，运用PV Elite软件对其鞍座进行计算。在分析过程中，PV Elite校核的鞍座底板厚度一般比国内标准上参照的数值要厚。本文就PV Elite软件对鞍座底板厚度的校核方法进行探讨，从而优化硫酸罐鞍座的结构。

硫酸罐；鞍座；底板厚度；腹板位置

卧式容器是化工装置所使用的容器中一种很常见的结构形式，改革开放以来，中国经济迅猛发展，无论是在大型压力容器和复杂结构压力容器的设计能力上，还是在压力容器厂家的建造能力和数量规模上，中国都在世界上占有重要的地位。随着全球化的发展，国际资本进入我国建设大型工程，国内大型的工程公司越来越多地承接国外工程项目，相关设备的设计必须采用国外规范。对于鞍座设计，国内外规范有何不同，本文通过对某伊朗除盐水项目中一台卧式硫酸罐的设计进行探讨。

1 设备简介

设备主要用于混合离子交换器阳离子交换树脂的再生，及调节中和水池的pH值，使pH值达到6～9。硫酸罐主体材质为SA-516 Gr.70，直径3.25 m，两封头切线间的距离13 m，全容积117 m3，介质是98%浓硫酸，密度1836kg/m3，硫酸罐的操作重量238t，盛水重量147t。由于设备在国外使用，应业主要求，按美国标准ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 1, 2013进行设计。设备的外形结构及主要尺寸如图1(a)所示。该硫酸罐有直径较大，操作重量重，地震载荷较大等特点，故选用带垫板，包角为150度的鞍座，如图1(b)所示。同时，在圆筒内侧的鞍座平面上设置加强圈，有效地改善容器在鞍座处的应力状况，能降低该处的轴向应力、圆筒切向剪应力和周向应力。

图1 硫酸罐简图

Fig.1 Drawing of acid storage tank

2 国内外设计规范的差异

对于卧式容器的设计，国内外标准都是利用Zick分析方法对鞍座处的应力进行分析计算。把容器看作为两简支支座上的直梁，对在圆柱壳上总弯矩所引起的轴向应力，由支座上载荷传递到容器使在圆柱壳中所引起的剪切应力和周向应力，封头中的剪切和附加拉伸应力，以及由支座上的载荷传递到壳体上可能存在的加强圈上的弯曲应力等进行计算并校核，同时校核鞍座的腹板水平拉力及地震引起的地脚螺栓应力。

国内设计规范NB/T47042-2014《卧式容器》是按上述计算内容进行编制的。PV Elite是基于美国ASME标准编制的压力容器设计软件，并被全球广泛应用，它对卧式容器的鞍座设计，除了以上的计算内容，还根据由MOSS主编的Pressure Vessel Design Manual《压力容器设计手册》(以下简称《手册》)提供的方法进行鞍座底板厚度的校核计算，这是国内的规范里没有明确提出的。

如图1(c)所示，底板结构示意图是参照JB/T4712.1-2007《容器支座：鞍式支座》标准选用的，参照标准底板厚度定为24mm。把图中各数据输入PV Elite软件中，输出结果鞍座底板厚度至少需要34mm。可见用PV Elite计算的鞍座底板厚度与国内标准的取值有不同。

3 鞍座腹板位置对底板厚度的影响

鞍座腹板的位置可以放在底板的中间或两边，当鞍座腹板放置在底板的中心时，《手册》假设鞍座底板所受的均布载荷固定在中心位置，如图2所示。

当鞍座腹板放置底板两边时，底板所受的载荷是递减的，而不是均布的，如图3所示。

图3 腹板放置底板两边的荷载和尺寸图

但为了简化工程计算，PV Elite计算时把底板所受的弯矩规定为腹板放置在底板中心时的两倍，从而令计算结果偏向保守。这也是产生运用PV Elite计算底板厚度的结果比国内鞍座标准的底板厚度要大的主要原因。PV Elite校核底板厚度计算过程如下：

首先计算容器操作工况下的支座反力Q，根据风和地震载荷对容器的反作用力，计算出Fwt、Fwl、Fsl、Fst(公式中的符号说明详见规范)。

Q=Saddle Load + Max(Fwl，Fwt，Fsl，Fst)

单个鞍座的重量为 Saddle_Wt

底板的面积 Ab=AF

按图1(c)输入数据，计算得出：

Q=152792 kgf=336850 lb

Saddle_Wt=1209 kgf=2665 lb

Fb=174.673 N/mm2

=(3×(152792+1209)×9.8×260/(2×3280×174.673))^(0.5)

=32.052 mm

计算结果明显比24mm大，但如果按照图3的受力进行计算，底板所受弯曲应力的校核方法如下：

腹板LW=A-2d1-2J=3280-2×25-2×16=3198mm

筋板Lr=n(G-tw)=6×(240-20)=1320mm

故∑L=Lw+Lr=3198+1320=4518mm=177.87in

由于图3中，l1=d2+tw+Ww+tb=10+20+20+24=74mm=2.91in

l2=F-l1=260-74=186mm=7.32in

根据以上的验证方法，底板厚度为24mm时，所受的弯曲应力小于允许弯曲应力Fb=174.673 N/mm2，故底板厚度取24mm是合格的。可见，按PV Elite设计的鞍座，底板厚度是偏向保守的。

为了减少底板的厚度和降低地脚螺栓的应力，对鞍座进行优化设计，把鞍座腹板放在中间，同时增加地脚螺栓数量，修改后的底板结构俯视图如图4所示，底板厚度取28mm。

图4 底板结构俯视图

输入数据，PV Elite软件计算得出：

支座反力Q=153870 kgf

单个鞍座的重量 Saddle_Wt = 1387 kgf

允许弯曲应力 Fb=174.673 N/mm2

=(3×(153870+1387)×9.8×350/(4×3180×174.673 ) ) ^ ( 0.5 )

= 26.815 mm

结果显示，优化后硫酸罐鞍座底板厚度取28mm是合格的，且相较于图1(c)的结构，PV Elite计算得出的底板厚度得以减少，且螺栓大小可由原来的M42改为M36，螺栓材料也可由A193 Gr.B7改为SA-36，鞍座设计更为合理。

4 结论

(1)对于用国外规范设计的卧式容器，必须对鞍座底板厚度进行校核；

(2)鞍座设计时，腹板放置在底板中心，能减少底板的厚度和地脚螺栓受的力。

[1] ASME Boiler and Pressure Vessel Committee. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 2[S]. 2013.

[2] Dennis R. Moss. Pressure Vessel Design Manual[M].Butterworth-Heinemann. 2013,1.

[3] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会. NB/T47042-2014, 卧式容器[S].北京: 新华出版社, 2014.

[4] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会. JB/T4712.1～4712.4-2007,容器支座[S]. 北京: 新华出版社, 2007.

(本文文献格式：谭可昕.基于ASME规范的卧式容器鞍座设计方法的探讨[J].山东化工，2017，46(04)：113-115.)

The Discussion on Saddles Design of Horizontal Vessel per ASME Standard

TanKexin

(HQC(GD)Co., Ltd., Guangzhou 510655, China)

By taking acid storage tank in an Iran project as an example, the saddles of the tank are calculated by the PV Elite software. In the analysis, PV Elite will check the thickness of saddle base plate and the result is generally thicker than the reference value in the domestic standard. This paper discusses the checking method for the thickness of saddle base plate by using PV Elite, in order to optimize the structure of the acid tank saddles.

acid storage tank; saddle; thickness of base plate; web's position

2017-01-16

谭可昕(1985—)，女，广东广州人，工程师，主要从事化工设备设计工作。

TQ05

A

1008-021X(2017)04-0113-03