基于ASME規(guī)范的臥式容器鞍座設(shè)計(jì)方法的探討

譚可昕

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司設(shè)備室，廣東 廣州 510655)

化工設(shè)計(jì)

基于ASME規(guī)范的臥式容器鞍座設(shè)計(jì)方法的探討

譚可昕

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司設(shè)備室，廣東 廣州 510655)

以伊朗某項(xiàng)目的硫酸臥罐設(shè)計(jì)為實(shí)例，運(yùn)用PV Elite軟件對(duì)其鞍座進(jìn)行計(jì)算。在分析過(guò)程中，PV Elite校核的鞍座底板厚度一般比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)上參照的數(shù)值要厚。本文就PV Elite軟件對(duì)鞍座底板厚度的校核方法進(jìn)行探討，從而優(yōu)化硫酸罐鞍座的結(jié)構(gòu)。

硫酸罐；鞍座；底板厚度；腹板位置

臥式容器是化工裝置所使用的容器中一種很常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，無(wú)論是在大型壓力容器和復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓力容器的設(shè)計(jì)能力上，還是在壓力容器廠(chǎng)家的建造能力和數(shù)量規(guī)模上，中國(guó)都在世界上占有重要的地位。隨著全球化的發(fā)展，國(guó)際資本進(jìn)入我國(guó)建設(shè)大型工程，國(guó)內(nèi)大型的工程公司越來(lái)越多地承接國(guó)外工程項(xiàng)目，相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)必須采用國(guó)外規(guī)范。對(duì)于鞍座設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外規(guī)范有何不同，本文通過(guò)對(duì)某伊朗除鹽水項(xiàng)目中一臺(tái)臥式硫酸罐的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

設(shè)備主要用于混合離子交換器陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的再生，及調(diào)節(jié)中和水池的pH值，使pH值達(dá)到6～9。硫酸罐主體材質(zhì)為SA-516 Gr.70，直徑3.25 m，兩封頭切線(xiàn)間的距離13 m，全容積117 m3，介質(zhì)是98%濃硫酸，密度1836kg/m3，硫酸罐的操作重量238t，盛水重量147t。由于設(shè)備在國(guó)外使用，應(yīng)業(yè)主要求，按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 1, 2013進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)備的外形結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖1(a)所示。該硫酸罐有直徑較大，操作重量重，地震載荷較大等特點(diǎn)，故選用帶墊板，包角為150度的鞍座，如圖1(b)所示。同時(shí)，在圓筒內(nèi)側(cè)的鞍座平面上設(shè)置加強(qiáng)圈，有效地改善容器在鞍座處的應(yīng)力狀況，能降低該處的軸向應(yīng)力、圓筒切向剪應(yīng)力和周向應(yīng)力。

圖1 硫酸罐簡(jiǎn)圖

Fig.1 Drawing of acid storage tank

2 國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范的差異

對(duì)于臥式容器的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)都是利用Zick分析方法對(duì)鞍座處的應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。把容器看作為兩簡(jiǎn)支支座上的直梁，對(duì)在圓柱殼上總彎矩所引起的軸向應(yīng)力，由支座上載荷傳遞到容器使在圓柱殼中所引起的剪切應(yīng)力和周向應(yīng)力，封頭中的剪切和附加拉伸應(yīng)力，以及由支座上的載荷傳遞到殼體上可能存在的加強(qiáng)圈上的彎曲應(yīng)力等進(jìn)行計(jì)算并校核，同時(shí)校核鞍座的腹板水平拉力及地震引起的地腳螺栓應(yīng)力。

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范NB/T47042-2014《臥式容器》是按上述計(jì)算內(nèi)容進(jìn)行編制的。PV Elite是基于美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)編制的壓力容器設(shè)計(jì)軟件，并被全球廣泛應(yīng)用，它對(duì)臥式容器的鞍座設(shè)計(jì)，除了以上的計(jì)算內(nèi)容，還根據(jù)由MOSS主編的Pressure Vessel Design Manual《壓力容器設(shè)計(jì)手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《手冊(cè)》)提供的方法進(jìn)行鞍座底板厚度的校核計(jì)算，這是國(guó)內(nèi)的規(guī)范里沒(méi)有明確提出的。

如圖1(c)所示，底板結(jié)構(gòu)示意圖是參照J(rèn)B/T4712.1-2007《容器支座：鞍式支座》標(biāo)準(zhǔn)選用的，參照標(biāo)準(zhǔn)底板厚度定為24mm。把圖中各數(shù)據(jù)輸入PV Elite軟件中，輸出結(jié)果鞍座底板厚度至少需要34mm?？梢?jiàn)用PV Elite計(jì)算的鞍座底板厚度與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的取值有不同。

3 鞍座腹板位置對(duì)底板厚度的影響

鞍座腹板的位置可以放在底板的中間或兩邊，當(dāng)鞍座腹板放置在底板的中心時(shí)，《手冊(cè)》假設(shè)鞍座底板所受的均布載荷固定在中心位置，如圖2所示。

當(dāng)鞍座腹板放置底板兩邊時(shí)，底板所受的載荷是遞減的，而不是均布的，如圖3所示。

圖3 腹板放置底板兩邊的荷載和尺寸圖

但為了簡(jiǎn)化工程計(jì)算，PV Elite計(jì)算時(shí)把底板所受的彎矩規(guī)定為腹板放置在底板中心時(shí)的兩倍，從而令計(jì)算結(jié)果偏向保守。這也是產(chǎn)生運(yùn)用PV Elite計(jì)算底板厚度的結(jié)果比國(guó)內(nèi)鞍座標(biāo)準(zhǔn)的底板厚度要大的主要原因。PV Elite校核底板厚度計(jì)算過(guò)程如下：

首先計(jì)算容器操作工況下的支座反力Q，根據(jù)風(fēng)和地震載荷對(duì)容器的反作用力，計(jì)算出Fwt、Fwl、Fsl、Fst(公式中的符號(hào)說(shuō)明詳見(jiàn)規(guī)范)。

Q=Saddle Load + Max(Fwl，F(xiàn)wt，F(xiàn)sl，F(xiàn)st)

單個(gè)鞍座的重量為 Saddle_Wt

底板的面積 Ab=AF

按圖1(c)輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算得出：

Q=152792 kgf=336850 lb

Saddle_Wt=1209 kgf=2665 lb

Fb=174.673 N/mm2

=(3×(152792+1209)×9.8×260/(2×3280×174.673))^(0.5)

=32.052 mm

計(jì)算結(jié)果明顯比24mm大，但如果按照?qǐng)D3的受力進(jìn)行計(jì)算，底板所受彎曲應(yīng)力的校核方法如下：

腹板LW=A-2d1-2J=3280-2×25-2×16=3198mm

筋板Lr=n(G-tw)=6×(240-20)=1320mm

故∑L=Lw+Lr=3198+1320=4518mm=177.87in

由于圖3中，l1=d2+tw+Ww+tb=10+20+20+24=74mm=2.91in

l2=F-l1=260-74=186mm=7.32in

根據(jù)以上的驗(yàn)證方法，底板厚度為24mm時(shí)，所受的彎曲應(yīng)力小于允許彎曲應(yīng)力Fb=174.673 N/mm2，故底板厚度取24mm是合格的?？梢?jiàn)，按PV Elite設(shè)計(jì)的鞍座，底板厚度是偏向保守的。

為了減少底板的厚度和降低地腳螺栓的應(yīng)力，對(duì)鞍座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，把鞍座腹板放在中間，同時(shí)增加地腳螺栓數(shù)量，修改后的底板結(jié)構(gòu)俯視圖如圖4所示，底板厚度取28mm。

圖4 底板結(jié)構(gòu)俯視圖

輸入數(shù)據(jù)，PV Elite軟件計(jì)算得出：

支座反力Q=153870 kgf

單個(gè)鞍座的重量 Saddle_Wt = 1387 kgf

允許彎曲應(yīng)力 Fb=174.673 N/mm2

=(3×(153870+1387)×9.8×350/(4×3180×174.673 ) ) ^ ( 0.5 )

= 26.815 mm

結(jié)果顯示，優(yōu)化后硫酸罐鞍座底板厚度取28mm是合格的，且相較于圖1(c)的結(jié)構(gòu)，PV Elite計(jì)算得出的底板厚度得以減少，且螺栓大小可由原來(lái)的M42改為M36，螺栓材料也可由A193 Gr.B7改為SA-36，鞍座設(shè)計(jì)更為合理。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于用國(guó)外規(guī)范設(shè)計(jì)的臥式容器，必須對(duì)鞍座底板厚度進(jìn)行校核；

(2)鞍座設(shè)計(jì)時(shí)，腹板放置在底板中心，能減少底板的厚度和地腳螺栓受的力。

[1] ASME Boiler and Pressure Vessel Committee. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 2[S]. 2013.

[2] Dennis R. Moss. Pressure Vessel Design Manual[M].Butterworth-Heinemann. 2013,1.

[3] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). NB/T47042-2014, 臥式容器[S].北京: 新華出版社, 2014.

[4] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). JB/T4712.1～4712.4-2007,容器支座[S]. 北京: 新華出版社, 2007.

(本文文獻(xiàn)格式：譚可昕.基于ASME規(guī)范的臥式容器鞍座設(shè)計(jì)方法的探討[J].山東化工，2017，46(04)：113-115.)

The Discussion on Saddles Design of Horizontal Vessel per ASME Standard

TanKexin

(HQC(GD)Co., Ltd., Guangzhou 510655, China)

By taking acid storage tank in an Iran project as an example, the saddles of the tank are calculated by the PV Elite software. In the analysis, PV Elite will check the thickness of saddle base plate and the result is generally thicker than the reference value in the domestic standard. This paper discusses the checking method for the thickness of saddle base plate by using PV Elite, in order to optimize the structure of the acid tank saddles.

acid storage tank; saddle; thickness of base plate; web's position

2017-01-16

譚可昕(1985—)，女，廣東廣州人，工程師，主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

TQ05

A

1008-021X(2017)04-0113-03