程濤濤 ， 邵繼東

(惠生工程(中國)有限公司 河南化工設(shè)計(jì)院分公司 ， 河南 鄭州 450018)

在石油化工行業(yè)中常見的設(shè)備，一般分為立式和臥式兩種類型。立式設(shè)備一般采用耳式支座、腿式支座、支承式支座或剛性環(huán)支座支承、裙座支承；臥式設(shè)備一般采用鞍式支座支承型式。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合NB/T47065.1—2018《容器支座第1部分：鞍式支座》進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化選型和適當(dāng)核算，無需特殊處理。但對于臥式設(shè)備而言，某些情況下由于設(shè)備結(jié)構(gòu)形式、工藝要求等因素的限制，鞍式支座無法采用，需要結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算，確定合理的支承型式。本文結(jié)合某項(xiàng)目中一臺(tái)熔鹽循環(huán)罐(見圖1)支承設(shè)計(jì)時(shí)遇到的問題及其解決措施，介紹了耳式支座在臥式設(shè)備中的應(yīng)用。

圖1 臥式夾套地下罐示意圖

1 設(shè)備概況

1.1 設(shè)備設(shè)計(jì)條件

工藝條件及設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 工藝條件及設(shè)備主要參數(shù)

1.2 支承問題描述

關(guān)于該設(shè)備支承形式的選擇，通過相應(yīng)參數(shù)及設(shè)備結(jié)構(gòu)形式(圖1)可以得出以下結(jié)論。

①遠(yuǎn)離設(shè)備右側(cè)熔鹽進(jìn)口(N01/N31)的E01/E02泵接口需安裝液下離心泵作為熔鹽出口來滿足工藝要求。為了預(yù)留合適的汲吸液位，設(shè)置液包來實(shí)現(xiàn)泵軸盡可能地下潛，以確保泵進(jìn)口始終位于最低工作液位以下。若按常規(guī)設(shè)計(jì)方案見圖2。選取鞍式支座支承，由材料力學(xué)相關(guān)理論知識(shí)可知，一方面要利用封頭的加強(qiáng)效應(yīng)，即需使支座中心到封頭切線的距離A盡量≤0.25Di。另一方面要考慮不使設(shè)備殼體中因載荷引起較大的彎曲應(yīng)力，需使A不宜大于0.2L[2]。顯然本例中液包的存在限制了鞍式支座的選取。②為了防止內(nèi)部介質(zhì)在溫度較低時(shí)發(fā)生結(jié)晶，進(jìn)而對離心泵吸入口的堵塞，工藝專業(yè)要求在泵軸伸入的液包及設(shè)備底部設(shè)置大面積的伴熱。這一要求也限制了鞍式支座的選取。③該熔鹽循環(huán)罐操作和設(shè)計(jì)溫度均較高、罐體筒節(jié)較長。較高的溫度遠(yuǎn)超出了NB/T47065.1中的鞍式支座設(shè)計(jì)溫度；較長的跨度及正常安裝時(shí)兩端支承點(diǎn)的高度允差也使得在高溫下筒體某些特定位置可能因變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。

圖2

1.3 擬采取方案描述

①在E01/E02泵接口上各有一臺(tái)質(zhì)量約10 t重的液下離心泵，工作時(shí)產(chǎn)生2～3倍泵自重的附加動(dòng)載荷；②設(shè)備右側(cè)的N01/N31均為DN450的熔鹽進(jìn)口，作為應(yīng)力管線，正常操作時(shí)存在較大的管道載荷；③跨度大的長筒體在高溫下工作，如果支承設(shè)置不恰當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。綜上，擬采取在集中載荷和力矩較大處設(shè)置耳式支座的方案。參照多支點(diǎn)梁的材料力學(xué)模型，設(shè)計(jì)盡可能多支點(diǎn)的支承方案，將設(shè)備軸向上的撓度盡可能降到最小，從而減小彎曲應(yīng)力。采用方案見圖3，支承在設(shè)備軸向沿集中載荷近均勻地分布，兩側(cè)對稱設(shè)置的8個(gè)耳式支座的支承方案。

圖3 本案采取的耳式支座支承示意圖

2 耳式支座設(shè)計(jì)思路

耳式支座支承的優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)置靈活，但會(huì)對支承處設(shè)備筒體產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。另外，本例的耳式支座顯然不滿足NB/T47065.3中的適用條件：允許使用溫度-100～300 ℃的立式圓筒形容器，不能直接選型，更不能采用常規(guī)軟件(SW6等)進(jìn)行強(qiáng)度校核，需要進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)。非標(biāo)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有耳式支座的允許載荷、支承處筒體的局部應(yīng)力、高溫滑移等方面。通過非標(biāo)計(jì)算做到支承結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的目的。

2.1 力學(xué)模型簡化

將該臥式設(shè)備的自重、操作重、承受的風(fēng)、地震、動(dòng)載荷和管線傳遞的附加載荷等整體考慮，然后向耳式支座支承點(diǎn)處簡化，轉(zhuǎn)化為支承處的力(Q)和彎矩(M)。從工程簡化計(jì)算和保守方面考慮，支座所承受載荷按照Q、M均為最大的載荷組合，然后選取初始耳式支座結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行核算和不斷改進(jìn)，進(jìn)而得到合理的耳式支座結(jié)構(gòu)。

2.2 耳式支座的允許載荷計(jì)算

耳式支座本體的強(qiáng)度主要體現(xiàn)在筋板和底板兩部件上。

2.2.1筋板的強(qiáng)度計(jì)算

筋板的受力主要為壓力，失效模式大多表現(xiàn)為壓縮失效。參照標(biāo)準(zhǔn)附錄給出的模型，將筋板的受力結(jié)構(gòu)簡化為兩端鉸支的軸向受壓板，見圖4。

圖4 筋板的受力

由筋板強(qiáng)度確定的耳式支座允許載荷可按式(1)計(jì)算：

[Q1]=bδ2n·sinα·k[σ]c

(1)

式中：b，筋板計(jì)算寬度，mm；δ2，筋板厚度，mm；n，筋板數(shù)量；α，計(jì)算傾角角度；k，折減系數(shù)；[σ]c，筋板材料的許用應(yīng)力，MPa。

2.2.2底板的強(qiáng)度計(jì)算

底板受力結(jié)構(gòu)如圖5所示，為二邊自由、二邊簡支的承受均布載荷的矩形板受彎模型。

由底板強(qiáng)度確定的耳式支座允許載荷可按式(2)計(jì)算：

圖5 底板的受力

(2)

式中：δ1，底板厚度，mm；b1，底板寬度，mm；I1，底板長度，mm；b2，筋板間距，mm；[σ]，底板材料許用應(yīng)力，MPa。

由此，耳式支座的允許載荷[Q]取筋板和底板兩者承受的允許載荷的最小值，則耳式支座最終的允許載荷按式(3)確定：

[Q]=min([Q1]，[Q2])

(3)

2.3 耳式支座支承處圓筒局部應(yīng)力的校核

由于是非標(biāo)計(jì)算，不能像標(biāo)準(zhǔn)耳式支座那樣，計(jì)算出支承處的實(shí)際彎矩，而后與標(biāo)準(zhǔn)表格中的許用彎矩[ML]直接對比，即可校核耳式支座處的局部應(yīng)力是否合格。

對于非標(biāo)支承結(jié)構(gòu)，在通過計(jì)算得出耳式支座支承處的力(Q)和彎矩(M)后，利用WRC537中柱殼上矩形附件局部應(yīng)力的力學(xué)模型，可以計(jì)算得出此處最大表面應(yīng)力Smax和最大膜應(yīng)力Sm。然后滿足式(4)中的判據(jù)即為合格：

Smax≤3Sa且Sm≤1.5Sa

(4)

式中：Smax，最大表面應(yīng)力，MPa；Sm，最大膜應(yīng)力，MPa；Sa，材料許用應(yīng)力，MPa。

2.4 本例耳式支座設(shè)計(jì)方案

由于設(shè)備操作和設(shè)計(jì)溫度均較高，在選定耳式支座主體材料為15CrMoR后，按上述思路進(jìn)行核算，設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 本例耳式支座設(shè)計(jì)圖

2.5 高溫工況需考慮措施

在耳式支座主體強(qiáng)度設(shè)計(jì)完成后，結(jié)合本設(shè)備的高溫工況，對耳式支座的細(xì)節(jié)方面進(jìn)行優(yōu)化：①慮到高溫?zé)崤蛎洭F(xiàn)象，相對鞍式支座的固定端和滑動(dòng)端，位于右下角的耳式支座設(shè)置為固定點(diǎn)，其余7個(gè)耳式支座分別設(shè)置不同方向的長(圓)孔，實(shí)現(xiàn)各自軸向和徑向維度的自由膨脹；同時(shí)在每個(gè)耳式支座底板的上/下方分別共設(shè)置4組15CrMoR/PTFE組合的滑動(dòng)板，力求最大限度地減小滑動(dòng)阻力，進(jìn)而消除熱膨脹引起的局部應(yīng)力。②A-A視圖中耳式支座的地腳螺栓處，滑動(dòng)板即可用來減少滑動(dòng)阻力，在安裝時(shí)也可通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，使整臺(tái)設(shè)備保持最大程度的水平度，減小安裝誤差在設(shè)備本體上引起的附加彎曲應(yīng)力。

3 結(jié)論

通過問題分析，設(shè)計(jì)思路分解及高溫工況下細(xì)節(jié)優(yōu)化，結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)例論述了耳式支座在臥式設(shè)備中的工程應(yīng)用。另外，此方案經(jīng)ANSYS模擬分析驗(yàn)證，并先后在兩個(gè)項(xiàng)目的該裝置中成功應(yīng)用，至今運(yùn)行良好。為今后臥式設(shè)備的支承設(shè)計(jì)提供參考。