压力容器耳式支座的设计计算①

夏同伟 苏 毅 张金亮 沈克宇 李志强 沙永涛

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所)

压力容器耳式支座的设计计算①

夏同伟 苏 毅 张金亮 沈克宇 李志强 沙永涛

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所)

对相关文献中耳式支座的计算方法进行了总结，分析耳式支座结构计算的处理方法，并对工程实例的计算结果进行了对比分析，提出在耳座设计计算时应选择更为合适的方法，同时应综合几种不同方法的优点进行设计计算。

压力容器 耳式支座 设计计算

在框架式化工设备区，耳式支座作为一种支撑结构，在立式容器(尤其是小型容器)中被广泛应用。目前，关于标准耳式支座的计算和选用，我国已具备相关标准[1]，然而很多设备上采用的耳座并不标准，因此无法完全按照标准进行选用或计算。为此，笔者对相关文献中耳式支座的计算方法进行总结，希望对耳式支座(特别是非标耳式支座)的设计计算起到一定的参考作用。

1 标准耳座及其计算方法

标准耳座的典型结构如图1所示。耳座由底板和肋板组成，底板的作用是与支撑件接触并连接，肋板的作用是增加支座的刚性，将作用在容器上的外力通过底板传递到支撑件上。标准耳座的肋板与容器壳体连续处、底板与肋板之间均采用的是角焊缝焊接。标准耳座的结构计算具体可参见文献[1，2]，这里不再赘述。

图1 标准耳座的典型结构

2 非标耳座的设计计算

标准耳座虽然结构简单轻便，但会给壳体造成较大的局部应力，局部应力过大时甚至会导致壳体凹陷。因此在设备较大或壁厚较薄时，需在耳座与壳体之间加上垫板。国外压力容器常采用一种带有顶板的耳式支座，其结构示意图如图2所示。

图2 非标耳座结构示意图

该耳座的顶板、肋板、底板均与壳体焊接在一起。这种非标耳式支座结构更具整体性，有利于增强轴向刚性，对改善由于附件在壳体上产生的局部应力有很好的效果。非标耳座的本体强度计算包括底板强度计算、肋板强度计算和顶板强度计算[2～4]。

2.1底板计算

文献[2]将底板视为两个对边简支、第3边固定、第4边自由的受均布载荷的矩形平板，其计算示意图如图3所示，其中Q为耳座载荷。

简化后的模型，其弯矩最大点在A、B两点之处[2,5]，根据GB/L的不同，文献[2]给出了相应的弯矩值，具体见表1。

图3 文献[2]中的底板计算示意图

表1 不同GB/L下的A、B两点弯矩值 Nm

注：均布载荷q=Q/(LGB)。

在求得弯矩值之后，即可得到底板厚度Tb：

式中M——MA和MB两者中绝对值较大者，N·m；

[σ]——底板材料的许用应力，Pa。

文献[3]中，耳座载荷通过底板传递到支撑件，底板受力部分长度为支撑件宽度bw，因此底板强度计算时长度取为bw。将底板简化为两端简支的矩形板受力，其计算示意图如图4所示。

图4 文献[3]中的底板计算示意图

在计算底板应力时，考虑到底板受均布载荷和集中载荷两种情况，因此分别计算弯矩MB和集中载荷弯矩MT：

底板弯曲应力σb为：

式中M′——MT和MB两者中绝对值较大者，N·m；

σs——底板材料的屈服应力，Pa。

文献[4]中的底板计算方法与文献[3]基本相同，只是在底板的支撑处理上考虑底板为简支和固定之间，因此其弯矩值也取为简支和固定之间。

综上所述，文献[2]的计算模型能够较好地吻合底板与壳体固定在一起时的受力状况，但实际上耳座在使用时其底板并不完全与基础或支撑件结合。如图2所示，通常支撑板的宽度bw小于底板长度GB，耳座载荷无法完全均布在底板上。因此，该计算方法与耳座的实际运行状况有所不同。文献[3]中的计算方法与文献[1]中的标准耳座底板计算方法类似，将底板简化为长度为bw的矩形板两端简支，分别计算集中载荷和均布载荷下的底板弯矩。该方法不考虑底板与壳体固定，所以应力计算结果裕量较大。

表2 底板工程实例计算结果

从表2可以看出，文献[3]的计算结果较为保守，但与文献[2]的计算结果相差不大。根据实际的简化模型来看，文献[3]的计算结果应该与文献[2]相差较大，但是由于两种计算方法中材料的许用应力值取法不同(文献[2]选取的是压力容器设计中的许用应力[σ]，偏向于安全性；文献[3]许用应力取0.9σs，偏向于经济性)，所以在最终结果上两者相差并不大。文献[3]中的许用应力值类似于钢结构中的抗弯强度，比较贴近钢结构设计，且文献[3]中的计算与处理方法较为简单，因此笔者推荐采用文献[3]中的计算方法来计算底板厚度。

另外通过表2还可以看出，文献[3]中集中载荷和均布载荷下的计算结果偏差较大。考虑底板受均布载荷时，底板计算厚度更薄，而实际耳座运行时底板也基本上受均布载荷，根据实际取值，底板此时的应力裕量较大，底板更为安全。因此，通过一些方法保持底板受均布载荷对耳座正常运行较为有利。

2.2肋板计算

文献[2]将肋板考虑为两端受压的竖直板，其计算示意图如图5所示。该方法基于底板整个面积受均布载荷，肋板受力为垂直底板的竖直力。在计算时不考虑肋板与壳体焊接的加强作用，压板的破坏主要是失稳。

图5 文献[2]中的肋板计算示意图

则肋板中的压应力σ为：

和上文(1)(2)例不同，例(4)是话剧《北京人》前面的布景交代(话剧每幕前的场景交代，属于典型的描写语体)，其交际意图是描写场景，话题(出发点)都是处所词，如“屋内”、“屋外”、“这间小花厅”、“门前”等，和叙事语体不同之处是，由于没有时间连续性的制约，描写语体中的前后语序可以调换，如可以将例(4)转换为：

式中k——失稳系数；

m——肋板个数；

[σ]c——肋板材料的许用压应力，Pa。

其中，失稳系数k与肋板柔度λ有关。根据文献[2]，k=f(λ)，λ的计算式为：

由文献[2]可知，当λ=20时，k=0.95，此时失稳破坏与受压破坏的计算结果偏差只有5%，因此两种破坏形式的计算结果可视为相同，Tg=0.173L。当λgt;20时，失稳破坏的倾向增加，此时Tglt;0.173L，应考虑为失稳破坏。

文献[3]将肋板考虑为偏心受压的斜板，其计算示意图如图6所示，其中Lg为肋板倾斜长度。

图6 文献[3]中的肋板计算示意图

则肋板中的压应力σ为：

式中e——偏心距，e=Ec-GB/2，m；

α——肋板斜角，α=arctan[(GB-Tp)/Ht]，(°)。

文献[4]中的计算方法与文献[3]类似，同样将肋板的破坏形式视为受压破坏，只是在受压板的宽度选择上有所不同。

综上所述，文献[2]对于肋板受压主要是失稳的处理比较贴近实际情况，但是耳座实际运行中底板并不是全部面积都受力，肋板的受压并不是严格的竖直方向，因此计算时要根据耳座的实际情况来判断是否选用该方法。文献[3]考虑了肋板受力中心偏离肋板底边中心，这与实际状况较为吻合，同时考虑到肋板上下边不同，将它视为斜板受压。

分别采用文献[2，3]中的计算方法对工程实例进行计算，结果见表3。

表3 肋板工程实例计算结果

可以看出，文献[2，3]的计算结果偏差较大。这是因为，文献[2]中的竖直压板假设存在一定偏差，实际应为斜压板，因此其计算结果是偏小的。当假设肋板的破坏形式为受压破坏时，文献[3]的计算结果与实际取值偏差较大。实际上由于耳座要考虑在壳体上引起的局部应力，肋板的计算长度值相对厚度值较大，其柔度常大于20，因此肋板的破坏形式应更接近失稳破坏。则由计算结果可知，此时文献[3]的计算结果与实际取值较为接近。因此，笔者推荐按照文献[3]中的计算方法进行肋板计算，肋板的破坏形式为失稳破坏，在许用应力上参照文献[2]的处理方法，即引入失稳系数k。

2.3顶板计算

对于顶板计算，文献[2]中并没有给出具体的计算方法。文献[3，4]方法一致，均将顶板视为受均布载荷弯曲的矩形板，其计算示意图如图7所示。

图7 顶板计算示意图

顶板在均布载荷q的作用下产生的弯矩M为：

顶板的强度计算方法简单，具体可参照文献[3]进行计算。通常顶板的计算厚度较小，且顶板厚度随着顶板长度Tp的增大而减小，因此Tp的大小会影响肋板的计算结果，且受限于耳座的实际应用环境。工程上常取顶板与底板等厚度，此时顶板裕量较大。

3 耳座与壳体焊接处的计算

3.1焊缝强度计算

耳座与壳体焊接处的焊缝一般受切应力和弯曲应力，切应力均布于整个焊接截面处，而弯曲应力则在耳座与壳体焊接的最底(顶)部焊缝处。对于标准耳座，文献[1]采用双面填角焊，假设焊缝焊脚尺寸为h，采用45°角焊缝，则焊缝切应力τ和弯曲应力σ分别为：

式中C——耳座受力点距壳体壁面的距离，m；

M″——弯矩，N·m。

非标耳座通常采用全焊透结构，在计算切应力时焊缝截面积可取为耳座底板、顶板、肋板截面与各自长度的乘积，弯曲应力与标准耳座弯曲应力的计算方法相同。

焊缝同时受切应力和弯曲应力的作用，两者需合成并取相应的应力校核方法，即：

式中 [τ]L——焊缝金属的许用剪切应力，Pa。

文献[6]在对切应力与弯曲应力进行合成时采用了第三强度理论，即：

需要注意的是，由于焊缝与压力容器相连，应力结果评定时许用应力值要采用压力容器中的许用应力值，相关参数的取值也要参照压力容器相关标准。

3.2耳座在壳体上引起的局部应力计算

耳座作为矩形附件对壳体产生的局部应力一般按照WRC107公报进行计算，具体各计算参数的选择可参考文献[7]。当耳座带垫板时，只有当垫板边缘距附件边缘的距离达到一定要求时，才考虑垫板的加强作用[7]。

4 结论

4.1耳座底板的强度计算笔者推荐采用文献[3]中的方法，同时可考虑采取一定措施保持底板受均布载荷。

4.2对于肋板的计算，笔者认为应力计算时可采用文献[3]中的方法，但破坏形式应参考文献[2]中的处理方法，假定为失稳破坏。

4.3顶板的强度计算可参考文献[3]中的方法，工程实例中常取顶板与底板厚度一致，以留有较大裕量。

4.4耳座与压力容器相连时，应同时考虑连接处的强度计算以及耳座作为附件时对压力容器产生的影响。

[1] JB/T 4712.3-2007,容器支座第3部分:耳式支座[S].北京:中国标准出版社,2007.

[2] 丁伯民,黄正林.化工容器[M].北京:化学工业出版社,2003.

[3] 秦叔经,叶文邦.换热器[M].北京:化学工业出版社,2003.

[4] 陈允中.压力容器设计手册[M].北京:中国石化出版社,2006.

[5] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2016.

[6] HG/T 21574-2008,化工设备吊耳及工程技术要求[S].北京:中国计划出版社,2008.

[7] HG/T 20582-2011,钢制化工容器强度计算规定[S].北京:中国计划出版社,2011.

DesignofHangingSupportforPressureVessels

XIA Tong-wei, SU Yi, ZHANG Jin-liang, SHEN Ke-yu, LI Zhi-qiang, SHA Yong-tao

(ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute)

Reviewing and analyzing the calculation methods of the hanging support in historical researches were implemented, including comparative analysis of different methods given in the references and adopted in a project example. The results show that, an appropriate method combining with advantages of the different methods should be used in design calculation of the hanging support.

pressure vessel, hanging support, design calculation

上海市启明星人才基金项目(16QB1404800)。

夏同伟(1984-)，工程师，从事煤气化技术的研究，27143917@qq.com。

TQ052.4

A

0254-6094(2017)05-0528-05

2017-03-09，

2017-03-31)