摘要：针对卧式容器鞍式支座定位尺寸A进行了研究。采用有限元方法，计算了不同A值下，双鞍座支撑的卧式容器各考察截面的轴向应力、切向剪应力和周向应力；分析了各应力随A值变化趋势，从而得出了如何在指定范围内调整A值以减小应力值的方法，为卧式容器的支座定位提供了参考依据。
关键词：卧式容器；鞍座；有限元分析；定位尺寸；应力
Optimization for Supports Arrangement of Horizontal Vessel based on ANSYS
ZHOU Yongchun
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200120，China）
Abstract：A study on the location dimension A of saddle support of horizontal vessel was carried out in this paper.By using finite element method，the axial stress，tangential shear stress and circumferential stress of specific sections were calculated under different A values.The stress changes with A values were analyzed，so that how to adjust the A value to reduce the stress in the specified range was found，thus provides a reference for supports locating of the horizontal vessel.
Keywords：horizontal vessel；saddle support；finite element analysis；location dimension；stress
在石油化工生产中，大型的卧式储罐是使用较为广泛的一类存储容器。采用双支座的卧式容器也是比较常见的一种形式。NB/T47042-2014《卧式容器》[1]中给出了支座设置的范围以及校核方法，但过于繁琐。
由于有限元方法的适应性较广，能够模拟各种复杂情况，并能得到较为准确的数值解，因而成为最适宜解决此类问题的途径之一。
本文结合卧式容器的特点，采用有限元方法分析了双鞍座支撑的卧式容器鞍座位置变化对于轴向应力、周向应力及切向剪应力的影响，从而为如何优化布置支座提供参考依据。
1．案例分析及模型建立
双鞍座卧式容器设计中鞍座位置A 的通用确定原则如下[1，3]：尽量使A≤0.5 Ra，Ra 为圆筒的平均半径，因为当鞍座位置A≤0.5Ra 时封头对鞍座处圆筒有加强作用。当容器受力不理想需要调整时，可适当改变鞍座位置，调整A 值，但通常A 值不宜大于0.2L。但标准中未给出在范围内如何对支座位置调整的有利方向，未说明如何在有限条件下更好地定位支座位置。
本文通过建立双鞍座卧式容器的有限元模型，模拟鞍座不同位置时的情况，即改变鞍座中心到封头切线的距离A 的大小，计算筒体的轴向应力、切向剪应力以及周向应力，并对计算结果进行比较，分析应力值发生变化的趋势，以此为依据调整支座的位置。
消去接管的容器和支座整体模型见图1，其结构参数见表1所示。
表 1 结构参数
Table 1 Structure parameters
图 1 容器及支座
Figure 1 Vessel and supports
本文建立了按照JB/T4712.1-2007《容器支座》[2]选取的BI3200鞍式支座的完整模型（见图2），以减轻由于简化支座引起的应力偏差。本文以A为参数对称调整两个支座与容器的位置，分别取600、700、800、900、1000（单位mm）五个尺度；另外分别考察中面m、切线面h，支座中面1以及其垫片前后面2、3处的各组应力随A值的变化。
图 2 支座详图
Figure 2 Support detail
鞍座与筒体采用直接焊接的结构，两者之间无相对滑动。由于容器结构的对称性，计算时只取模型的1/2，如图3所示。由于结构奇异性较大，为了满足计算精度要求，对四面体网格进行了无关性分析后，得出了合适的网格数，共有56105个单元，106902个节点。
图 3 1/2模型网格
Figure 3 1/2 model and mesh
卧罐的设计压力为0.35MPa（G），设计温度为-106/80℃，工作压力0.25MPa（G），工作温度为-66.8/-9.2℃，由此将其材料性能定为表2所示：
表 2 材料性能
Table 2 Properties of the materials
2.A值影响分析
如图4所示，文献[4]中给出了鞍座处于不同位置时对容器变形的影响。从图中可以看出：随着 A /L 值的增大，容器跨中处向下的弯曲变形就会逐渐减少，与梁的弯曲情况基本相同。当 A /L 增大到0.3时，鞍座之间的筒体开始向上弯。当鞍座距离封头较远时，封头一侧的筒体就会出现明显的位移，这时候封头起不到对筒体的支撑作用，筒体由鞍座来支撑。本文观察的A/L的范围为0.05-0.087，封头对于筒体起支撑作用，同时，随着A的增加，筒体趋平，变形减小。
图 4 容器的变形示意图
Figure 4 Schematic of vessel deformation
2.1 轴向应力
图5a为封头切线处（h）、筒体中面（m）以及鞍座中心处（1）处轴向应力趋势，图5b为鞍座中心处（1）与远离封头侧垫板侧面（2）及靠近封头侧垫板侧面（3）处筒体轴向应力。
由图中可以看出，在A位于0.5Ra（≈800mm）处时，封头处的轴向应力有个拐点，说明支座中心位于0.5Ra时，封头轴向应力最小，但同时可以看到，随着A的增加，其它的轴向应力都稳步增加，至于截面2处轴向应力的快速减小，可以从图4中得出结论：筒体变形取缓，使2处垫片与筒体贴合面处的应力减小。
有鉴于其它轴向应力增加不大，可以认为，将支座设在距封头切线处0.5Ra的一定范围内，能使各处的轴向应力取得较小值。
A
b
图 5 轴向应力趋势
Figure 5 trend of axial stresses
2.2 切向剪应力
当鞍座位置变化时，各截面切向剪应力如图6 所示。由图中可知，鞍座位置的变化，对m、h面处的切向剪应力影响不大，但对于支座中面及前后面处的筒体切向剪应力影响明显，在0.5Ra处有较小值，同时，在一定范围内，向封头侧移动支座造成的应力增加要明显强于远离封头侧。
由此，可以看到，对于注重于减小切向剪应力影响的情况，在不能将鞍座定位于0.5Ra处时，可以适当将鞍座越过0.5Ra后远离封头侧安放。
A b
图 6 切向剪应力趋势
Figure 6 trend of tangential shear stresses
2.3 周向应力
当端部鞍座位置变化时，鞍座各截面周向应力趋势如图7所示，其中σch1，σch2分别为封头切线处最大周向拉应力及压应力。可见，各截面处周向应力变化不大，唯一变化较大的是2面，分析其原因，亦与轴向应力相同，为筒体变形趋缓使周向应力变小。
A
b
图 7 周向应力趋势
Figure 7 trend of circumferential stresses
3．结论
本文以双鞍座卧式容器为例，分析了鞍座位置对容器各特征截面处的轴向应力、切向剪应力以及周向应力的影响，可以得到以下结论：
（1）虽然靠近封头能使鞍座中心处轴向应力减小，但将鞍座设置在0.5Ra附近，不仅能降低封头处的轴向应力，也能将筒体与鞍座接触处的轴向应力取到较优值。
（2）鞍座处位置变化只对鞍座处的切向剪应力影响比较明显，在0.5Ra时各截面都达到最小，此时远离封头优于靠近封头。
（3）当A/L<0.1时，远离封头的鞍座垫板侧与筒体结合处的轴向应力和周向应力受筒体变形影响明显，当鞍座远离封头设置时，能减小筒体变形，从而明显降低此处筒体的轴向及周向应力。
对于双鞍座支撑的卧式容器，无论是标准规范还是应用的案例都给出了较为详细的设计与强度计算，但仍有一些问题在设计和计算中值得思考，本文只是就其中一点进行了进一步探索。
参考文献：
[1]NB/T47042-2014卧式容器[S].
[2]JB/T4712.1-2007容器支座 [S]．
[3]GB150.1～150.4—2011压力容器[S].
[4]谭蔚.鞍座参数对双鞍座卧式容器承载能力的影响［J］.化工设备与管道，2008，45（4）：16-19.
作者简介：
周永春：高级工程师。2005年毕业于华东理工大学化学工艺专业。从事化工装置的配管工程设计、项目管理等工作。联系电话：（021）58366600-2063，E-mail：zhouyongchun.ssec@sinopec.com
论文作者:周永春
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/13
标签：应力论文; 支座论文; 容器论文; 鞍座论文; 卧式论文; 轴向论文; 封头论文; 《电力设备》2018年第3期论文;