重力载荷作用下的三鞍座容器鞍座受力分析

2019-09-05方晓峰黄军锋李青麟

石油化工设备技术 2019年5期

方晓峰，黄军锋,李青麟

(中石化宁波工程有限公司，浙江宁波 315103)

在石油化工行业中，大多数卧式容器都采用双鞍座进行支撑，但随着工程项目的集成化、大型化发展，需要较多长径比较大的容器。这时，若仍然采用两个鞍座进行支撑，必将导致鞍座间距增大，从而导致容器筒体中间或鞍座支撑部位产生较大的弯矩和剪力，依据NB/T 47042—2014《卧式容器》的方案进行校核【1】，很难通过。为确保设备安全稳定，在设计过程中一般采用加厚筒体壁厚或是采用多个鞍座进行支撑的方案，而采用加厚筒体壁厚的方法会造成设备投资成本增加，为此通常采用多个鞍座进行支撑，分摊承受的力和弯矩，达到优化容器筒体受力、减小容器壁厚等目的。

本文通过分析三鞍座容器的受力特点，计算三个鞍座处的剪反力和弯矩，并试图优化鞍座布置，得出理想的三鞍座布置方案，使容器受力均匀，同时为工程设计提供理论依据。

1 三鞍座容器

常见三鞍座容器如图1所示。其长径比一般较大，若按NB/T 47042—2014中介绍的ZICK法设计校核时，将导致两鞍座间的间距较大[≈L-2×(0.5R)]，进而导致容器中间位置和鞍座处的剪力和弯矩较大，设计校核不合格。

三鞍座容器的垂直方向载荷主要包括均布载荷和局部集中载荷。其中，均布载荷有均匀布置结构的重力载荷和容器内介质的重力载荷等；局部集中载荷有局部结构重力载荷和管口载荷等。其载荷模型见图2。其中，q为均布载荷，P为局部集中载荷，设备轴向总长为L[L为设备切线长度+封头计算长度(按GB/T 150.3—2011第4.3.1条计算)]【2】，其中1号和3号为滑动鞍座，2号为固定鞍座【3】。

本模型只考虑垂直方向力；且三个鞍座的支撑面处于同一平面，不考虑基础沉降问题。

图1 常见三鞍座容器

图2 常见三鞍座容器载荷

根据力的合成，将三鞍座容器的载荷分为均布载荷和集中载荷，见图3。

因此，在计算三鞍座容器鞍座受力时，可以分解为只有局部集中载荷的三鞍座容器和只有均布载荷的三鞍座容器，最后将两者的计算结果进行叠加【4-6】。

2 模型一

对于只有局部集中载荷的三鞍座容器和只有均布载荷的三鞍座容器，都可以认为是一次超静定问题。可以根据叠加原理和功的互等定理，求解各个鞍座处的剪力和弯矩。

只有局部集中载荷的三鞍座容器的载荷模型如图4所示，其中局部集中载荷位于1号和2号鞍座之间。求解各鞍座处的剪力时，可先通过解除中间2号鞍座、并在2号鞍座处施加力F的方式将一次超静定问题分解为受力P和F作用的两点简支梁模型，如图5所示。

图4 只有局部集中载荷的三鞍座容器载荷

图5 只有局部集中载荷的三鞍座容器载荷分解

求解时，首先分别计算在力P和F作用下，2号支座处的挠度ω1、ω2。可由边界条件ω1+ω2=0计算得到力F。

力P作用下的挠曲线方程为(式中符号解释见文献【6】,下同)：

(1)

力F作用下的挠曲线方程为：

(2)

由边界条件：

ω1+ω2=0

(3)

计算得到2号支座处的剪力F,即：

(2l2ac-la3-3lac2+a3c+ac3)

(4)

若令：

(其中0

得：

(5)

计算得出2号鞍座处的剪力后，即可依次分别计算得出1号、3号鞍座处的剪力和弯矩，其计算结果见表1。

鞍座截面周向压应力和剪应力的校核，可采用NB/T 47042—2014中所给出的公式计算【7】。工程项目中通常将局部集中力设计在1号、2号或是2号、3号鞍座之间(即0≤x≤y≤0.5)。在此条件下，F1、F2为正、受压、值较大，F3为负、受拉、值较小。因此校核计算时，分别校核F=max(F1，F2)和F3。

对F=max(F1，F2)绘制曲面图形，如图6所示。由图6可知，当x=0和x=y时，F值最大，等于P，此种工况为集中载荷直接作用于1号鞍座或是2号鞍座上；另一方面，由图6可以得出，当x≈0.5y时，F值最小(≈0.5P)。

因此当3个鞍座结构相同时，应尽量将集中载荷布置在两鞍座中间，这样可使鞍座剪力最小。而集中载荷布置在鞍座位置处时，容器弯矩为0。