论拉撑平板常规设计的局限

傅健忠

（上海华谊工程有限公司)

论拉撑平板常规设计的局限

傅健忠*

（上海华谊工程有限公司)

内部隔板是压力容器常用结构，通常作为支撑部件，需要承受较大载荷。随着化工装置规模日趋增大，压力容器也向大型化发展，因而承载能力不强的平板常需要增大厚度。以多孔板设计为例，通过三种计算方法的比较分析，提出了结构合理化设计的相应建议。

多孔板 立式容器 拉撑平板 分析设计 平盖 强度

0 项目背景

受某水处理药剂生产厂商的委托，上海华谊工程有限公司承担了三台直径2800 mm，筒体高度4000 mm，裙座支承的立式容器 （见图1）的设计。该设备的用途是过滤含杂质的盐水。设计该设备的关键点在于多孔板的强度计算，设计条件见表1。由于多孔板上需要安装过滤水帽，所以无法设置纵向加强筋。同时多孔板上需开许多孔 （开孔直径为32.5 mm，孔中心距为170 mm），也不便采用复合钢板。多孔板材质为钛材 （TA2），价格昂贵。在满足用户要求以及确保设备性能可靠的前提下，为更有效地节约用材，本文采用拉撑结构计算法、当量平盖计算法和分析设计等三种计算方法，分别对多孔板进行强度计算，并对其进行比较分析。

1 设计方案

通过分析多孔板结构形式及受力情况，在常规设计中最贴近的计算方法为GB 150.3—2001《压力容器—第3部分：设计》标准中第5.12节的拉撑结构设计方法，该方法针对平板设计时简便、可靠。同样，也可以通过相邻支撑点构筑的当量圆进行计算模型当量转化，然后进行平盖强度计算。这两种强度计算均属于常规设计方法，虽无法考虑开孔对平板的强度削弱，但根据工程经验在多数情况下可以采用。为了得出准确的应力值和考虑开孔影响，本文又采取有限元分析方法对多孔板及支撑柱建模、加载，得出准确的应力值并进行校核。

1.1 采用拉撑结构计算方法[1]

拉撑结构强度计算适用于以棒材、管材或板材支撑的凸形封头、平封头 （平板）及筒体的设计，与本文案例的多孔板及支撑柱结构模型匹配。

图1 立式容器

表1 多孔板设计条件

1.1.1 拉撑布置的间距L与系数K取值

1.1.2 多孔板厚度计算

多孔板厚度按下式计算：

式中 δp——多孔板计算厚度；

L——拉撑布置间距；

pc——多孔板计算载荷；

K——系数，取值2.0。

图2 支撑柱布置

1.2 采用当量平盖计算方法[2]

在化工设备设计中，当无法选择完全匹配的计算模型时，通常采用当量计算模型。

1.2.1 当量平盖直径取值

在NB/T 47003.1—2009《钢制焊接常压容器》6.4节中，并没有该多孔板的计算模型。如果直接将多孔板直径2800 mm作为当量平盖计算直径，显然是不合理的。参照GB 150.3第 5.12.3.2款，采用通过任意3个相邻支撑点的最大当量圆方法确定当量平盖直径Dc，即取Dc＝1000 mm，见图2。

1.2.2 多孔板厚度计算

多孔板计算厚度 δp按下式计算：

φ——焊缝系数，取为0.85。

1.3 采用分析设计计算方法[3]

随着计算机技术的发展、有限元方法的应用和各种软件的开发，分析设计方法在化工设备设计中得到了广泛的应用。分析设计方法较常规设计方法更经济、安全。在本文案例中，采用常规设计无法考虑开孔对平板的削弱，但分析设计的数值模型可以完全匹配多孔板与支撑柱组合结构。

1.3.1 数值模型建立

分别对支撑平板和多孔板结构进行数值建模。采取整体建模，整个模型结构包括筒体、封头、平

式中 Dc——当量平盖直径；

Kp——系数，为壳体计算厚度/有效厚度的0.44倍，且不小于0.2，本文取0.2；

pc——多孔板当量载荷；板（或多孔板）以及支撑柱。筒体和封头的公称直径为2800 mm，平板和多孔板厚度为10 mm（计算厚度9.2 mm），6根支撑柱规格为Ø80 mm×5.5 mm。材料均为TA2。多孔板结构模型如图3所示，不开孔平板结构模型与多孔板结构模型相似，此处略。

图3 多孔板结构模型 （反置）

在ANSYS中，筒体、封头、平板和多孔板以及支撑柱网格采用Soild186单元，共划分366 059个节点，159 752个单元。

1.3.2 参数设置

1.3.2.1 材料性能参数设置

TA2在设计温度下的许用应力Sm=121 MPa，弹性模量107 000 MPa，泊松比0.3。

1.3.2.2 载荷及约束设置

填料总质量10 000 kg，均匀施加在直径为2800 mm的平板或多孔板上，不均匀载荷系数取0.83，可得当量压力约为0.02 MPa。在筒体、封头内表面施加设计压力0.6 MPa，在平板或多孔板上面施加当量压力0.02 MPa，在筒体端面施加全约束。

1.3.3 模拟分析计算结果

经计算，平板和多孔板的应力分布如图4（a）和 （b）所示。平板和多孔板与支撑柱组合件的应力分布如图5（a）和 （b）所示。

通过应力云图可知，最大应力点位于支撑柱与多孔板的连接部位，所以在该处以及多孔板中心设置线性路径。依据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》，通过线性化应力对多孔板强度进行评定，评定结果如图6所示。按平板和多孔板结构的具体评定结果分别如表2和表3所示。

2 分析比较

图4 平板和多孔板应力云图

图5 平板和多孔板与支撑柱组合件应力云图

图6 多孔板与支撑柱组合件应力线性化路径图

表2 平板应力强度评定表

拉撑结构计算方法和当量平盖计算方法属于常规设计计算方法，算法简单，但只对平板本身进行分析，支撑柱需另作压杆稳定计算。此外，当量平盖计算方法假设当量圆四周是可靠连接的。这两种方法得出的厚度值约为6.5 mm。分析设计方法计算繁琐，但可以整体建模、约束及加载，可对各个部位分别进行应力分析，计算结果精确。从计算结果可知，最大应力发生在多孔板与支撑柱连接部位，并非在当量圆中心部位。三种计算结果虽然都表明结构可靠，但计算过程并不相同，且对危险点的判别相去甚远。

再者，常规方法无法量化开孔对平板的削弱。在对平板及多孔板的分析设计中可以看出，在路径1-1处一次＋二次应力强度计算值增大了17.9%。虽然该设计实例中三种计算方法均合格，但偏差甚大，需要设计人员根据实际情况进行判断。

3 结语

在直径较小、载荷不大的情况下，可以运用简便的计算方法进行常规设计，得到相对可靠的计算结果。然而当直径、载荷均较大时，常规设计存在一定的缺陷和风险，这时强度计算虽然通过了，但可能在多孔板与支撑柱连接处产生大的应力，并有可能破坏焊缝。此外，常规设计无法量化开孔削弱，也是不足之处。有了分析设计结果，就可采取针对性改进措施，从而使整个结构更为合理可靠。

表3 多孔板应力强度评定表

[1]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.压力容器：GB 150—2011[S].北京：中国质检出版社，中国标准出版社，2012.

[2]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.钢制焊接常压容器：NB/T 47003.1—2009[S].北京：新华出版社，2010.

[3]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.钢制压力容器——分析设计标准：JB 4732—1995（2005年确认）[S].北京：中国标准出版社，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，工程师。上海市，200241。