論拉撐平板常規設計的局限

傅健忠

（上海華誼工程有限公司)

論拉撐平板常規設計的局限

傅健忠*

（上海華誼工程有限公司)

內部隔板是壓力容器常用結構，通常作為支撐部件，需要承受較大載荷。隨著化工裝置規模日趨增大，壓力容器也向大型化發展，因而承載能力不強的平板常需要增大厚度。以多孔板設計為例，通過三種計算方法的比較分析，提出了結構合理化設計的相應建議。

多孔板 立式容器 拉撐平板 分析設計 平蓋 強度

0 項目背景

受某水處理藥劑生產廠商的委托，上海華誼工程有限公司承擔了三臺直徑2800 mm，筒體高度4000 mm，裙座支承的立式容器 （見圖1）的設計。該設備的用途是過濾含雜質的鹽水。設計該設備的關鍵點在于多孔板的強度計算，設計條件見表1。由于多孔板上需要安裝過濾水帽，所以無法設置縱向加強筋。同時多孔板上需開許多孔 （開孔直徑為32.5 mm，孔中心距為170 mm），也不便采用復合鋼板。多孔板材質為鈦材 （TA2），價格昂貴。在滿足用戶要求以及確保設備性能可靠的前提下，為更有效地節約用材，本文采用拉撐結構計算法、當量平蓋計算法和分析設計等三種計算方法，分別對多孔板進行強度計算，并對其進行比較分析。

1 設計方案

通過分析多孔板結構形式及受力情況，在常規設計中最貼近的計算方法為GB 150.3—2001《壓力容器—第3部分：設計》標準中第5.12節的拉撐結構設計方法，該方法針對平板設計時簡便、可靠。同樣，也可以通過相鄰支撐點構筑的當量圓進行計算模型當量轉化，然后進行平蓋強度計算。這兩種強度計算均屬于常規設計方法，雖無法考慮開孔對平板的強度削弱，但根據工程經驗在多數情況下可以采用。為了得出準確的應力值和考慮開孔影響，本文又采取有限元分析方法對多孔板及支撐柱建模、加載，得出準確的應力值并進行校核。

1.1 采用拉撐結構計算方法[1]

拉撐結構強度計算適用于以棒材、管材或板材支撐的凸形封頭、平封頭 （平板）及筒體的設計，與本文案例的多孔板及支撐柱結構模型匹配。

圖1 立式容器

表1 多孔板設計條件

1.1.1 拉撐布置的間距L與系數K取值

1.1.2 多孔板厚度計算

多孔板厚度按下式計算：

式中 δp——多孔板計算厚度；

L——拉撐布置間距；

pc——多孔板計算載荷；

K——系數，取值2.0。

圖2 支撐柱布置

1.2 采用當量平蓋計算方法[2]

在化工設備設計中，當無法選擇完全匹配的計算模型時，通常采用當量計算模型。

1.2.1 當量平蓋直徑取值

在NB/T 47003.1—2009《鋼制焊接常壓容器》6.4節中，并沒有該多孔板的計算模型。如果直接將多孔板直徑2800 mm作為當量平蓋計算直徑，顯然是不合理的。參照GB 150.3第 5.12.3.2款，采用通過任意3個相鄰支撐點的最大當量圓方法確定當量平蓋直徑Dc，即取Dc＝1000 mm，見圖2。

1.2.2 多孔板厚度計算

多孔板計算厚度 δp按下式計算：

φ——焊縫系數，取為0.85。

1.3 采用分析設計計算方法[3]

隨著計算機技術的發展、有限元方法的應用和各種軟件的開發，分析設計方法在化工設備設計中得到了廣泛的應用。分析設計方法較常規設計方法更經濟、安全。在本文案例中，采用常規設計無法考慮開孔對平板的削弱，但分析設計的數值模型可以完全匹配多孔板與支撐柱組合結構。

1.3.1 數值模型建立

分別對支撐平板和多孔板結構進行數值建模。采取整體建模，整個模型結構包括筒體、封頭、平

式中 Dc——當量平蓋直徑；

Kp——系數，為殼體計算厚度/有效厚度的0.44倍，且不小于0.2，本文取0.2；

pc——多孔板當量載荷；板（或多孔板）以及支撐柱。筒體和封頭的公稱直徑為2800 mm，平板和多孔板厚度為10 mm（計算厚度9.2 mm），6根支撐柱規格為?80 mm×5.5 mm。材料均為TA2。多孔板結構模型如圖3所示，不開孔平板結構模型與多孔板結構模型相似，此處略。

圖3 多孔板結構模型 （反置）

在ANSYS中，筒體、封頭、平板和多孔板以及支撐柱網格采用Soild186單元，共劃分366 059個節點，159 752個單元。

1.3.2 參數設置

1.3.2.1 材料性能參數設置

TA2在設計溫度下的許用應力Sm=121 MPa，彈性模量107 000 MPa，泊松比0.3。

1.3.2.2 載荷及約束設置

填料總質量10 000 kg，均勻施加在直徑為2800 mm的平板或多孔板上，不均勻載荷系數取0.83，可得當量壓力約為0.02 MPa。在筒體、封頭內表面施加設計壓力0.6 MPa，在平板或多孔板上面施加當量壓力0.02 MPa，在筒體端面施加全約束。

1.3.3 模擬分析計算結果

經計算，平板和多孔板的應力分布如圖4（a）和 （b）所示。平板和多孔板與支撐柱組合件的應力分布如圖5（a）和 （b）所示。

通過應力云圖可知，最大應力點位于支撐柱與多孔板的連接部位，所以在該處以及多孔板中心設置線性路徑。依據JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》，通過線性化應力對多孔板強度進行評定，評定結果如圖6所示。按平板和多孔板結構的具體評定結果分別如表2和表3所示。

2 分析比較

圖4 平板和多孔板應力云圖

圖5 平板和多孔板與支撐柱組合件應力云圖

圖6 多孔板與支撐柱組合件應力線性化路徑圖

表2 平板應力強度評定表

拉撐結構計算方法和當量平蓋計算方法屬于常規設計計算方法，算法簡單，但只對平板本身進行分析，支撐柱需另作壓桿穩定計算。此外，當量平蓋計算方法假設當量圓四周是可靠連接的。這兩種方法得出的厚度值約為6.5 mm。分析設計方法計算繁瑣，但可以整體建模、約束及加載，可對各個部位分別進行應力分析，計算結果精確。從計算結果可知，最大應力發生在多孔板與支撐柱連接部位，并非在當量圓中心部位。三種計算結果雖然都表明結構可靠，但計算過程并不相同，且對危險點的判別相去甚遠。

再者，常規方法無法量化開孔對平板的削弱。在對平板及多孔板的分析設計中可以看出，在路徑1-1處一次＋二次應力強度計算值增大了17.9%。雖然該設計實例中三種計算方法均合格，但偏差甚大，需要設計人員根據實際情況進行判斷。

3 結語

在直徑較小、載荷不大的情況下，可以運用簡便的計算方法進行常規設計，得到相對可靠的計算結果。然而當直徑、載荷均較大時，常規設計存在一定的缺陷和風險，這時強度計算雖然通過了，但可能在多孔板與支撐柱連接處產生大的應力，并有可能破壞焊縫。此外，常規設計無法量化開孔削弱，也是不足之處。有了分析設計結果，就可采取針對性改進措施，從而使整個結構更為合理可靠。

表3 多孔板應力強度評定表

[1]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.壓力容器：GB 150—2011[S].北京：中國質檢出版社，中國標準出版社，2012.

[2]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.鋼制焊接常壓容器：NB/T 47003.1—2009[S].北京：新華出版社，2010.

[3]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.鋼制壓力容器——分析設計標準：JB 4732—1995（2005年確認）[S].北京：中國標準出版社，1995.

Limitation of Conventional Design of Braced Flat Plate

Fu Jianzhong

The internal diaphragm is a common structure of a pressure vessel,and it is usually used as a supporting part to bear a large load.With the increasing scale of chemical equipment,pressure vessels are also developing towards large scale.Therefore,the flat plate with low bearing capacity needs to be thickened.Taking the design of a perforated plate as an example,some suggestions for the rational design of the structure are put forward based on the comparison and analysis of three calculation methods.

Perforated plate;Vertical vessel;Braced flat plate;Analysis and design;Flat cover;Strength

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.005

2016-08-23）

*傅健忠，男，1984年生，工程師。上海市，200241。