两种计算耳式支座处壳体应力方法的分析与比较

秦小燕*

（中石化南京工程有限公司）

耳式支座是立式容器中常用的一种支撑结构形式，广泛用于石油、化工及制药等行业。NB/T 47065.3—2018《容器支座 第3 部分：耳式支座》标准中给出了耳式支座的结构形式、系列参数尺寸、允许载荷、材料和制造、检验要求以及选用方法。通常，设计人员按照标准选择耳式支座的型号后，一方面需校核支座本体实际承受的载荷Q，确保其小于支座允许载荷[Q]，另一方面还应校核支座处壳体所受的支座弯矩ML，使ML小于壳体处允许弯矩[ML]。在实际工程中，耳式支座本体的校核往往都能满足要求，但支座处壳体允许弯矩经常超出标准NB/T 47065.3—2018 附录B 中规定的 [ML]范围，所以无法判断ML是否符合要求。此时，常规校核计算方法已不能满足要求，设计人员需要通过其他方法来校核。

对支座处壳体许用弯矩的限定主要是为了避免壳体由于局部应力过大而引起失效，提出了分别用有限元分析方法和德国压力容器标准 AD 2000-Merkblatt S 3/4 中的方法来校核支座处壳体的应力，并对这两种方法进行分析和比较。

1 标准耳式支座的选取

1.1 初步选取耳座型号

某装置中一台气体反应器的基本参数如下：设计压力pc=1.5 MPa，设计温度T=150 ℃，容器内径Di=2 000 mm，筒体长度L=4 000 mm，设备总高度H0=6 650 mm，保温厚度为80 mm，筒体的名义厚度δn=16 mm，容器外径Do=2 192 mm，腐蚀裕量C2=2 mm，筒体的有效厚度δe=16-2-0.3=13.7 mm，筒体材料为Q345R，设计温度下筒体材料的许用应力[σ]t=189 MPa。

该设备的设计参数如下：基本风压q0=400 N/m2，地震设防烈度为7 度（取α=0.08），设备总质量m0=2.3617×104kg，无偏心载荷Ge=0，支座底板距离地面高度为8 000 mm，水平力作用点至底板的高度h=500 mm，风压高度变化系数fi=1，重力加速度g选取9.8 m/s2。

选取NB/T 47065.3—2018 表3 中的B7 型支座，支座个数n=4，不均匀系数k=0.83，支座材料为Q235B，支座垫板宽度b3=480 mm，垫板长度l3=600 mm，垫板厚度δ3=14 mm，筋板长度l2=430 mm，两筋板间的距离b2=270 mm，螺孔中心至底板外缘距离s1=130 mm。

1.2 根据NB/T 47065.3—2018附录A计算Q和ML

因筒体材料在设计温度下的许用应力已超出标准NB/T 47065.3—2018 附录B 的规定范围，无法查找到壳体允许弯矩[ML]，因此该设备不能用ML≤[ML]进行校核，现分别采用两种方法来计算支座处壳体的应力。

2 采用有限元方法分析

2.1 模型选取

为了在耳式支座的底板上施加支反力，往往需要建立耳座的三维模型，但在实际分析中，耳座本体的强度（即Q值的校核）由耳式支座标准来校核，耳座处壳体受力的情况才是关注的重点。模型中省去了耳式支座本体的建模，而是通过ANSYS Workbench软件中远程力（Remote Force）功能来模拟耳式支座底板处所受的支反力。根据筒体及耳式支座的结构特点和载荷特性，在周向上取1/4 结构建立有限元模型。

2.2 单元选择

采用ANSYS 有限元分析软件提供的20 节点实体单元SOLID186 进行网格划分，其中单元数为55 489，节点数为209 755，模型网格划分情况可见图1。

图1 模型网格划分

2.3 边界条件

约束筒体一端的轴向位移，并在模型对称面施加对称约束。 在筒体内表面施加内压pc；在耳式支座底板螺栓孔位置处施加单个耳式支座实际承受的支反力Q（即远程力），支反力的作用面为耳式支座垫板和筒体的贴合面，其大小为71.63 kN；在筒体另一端面施加由内压产生的等效轴向拉应力（54.5 MPa）。模型的载荷及约束条件具体如图2 所示。

图2 模型载荷及约束条件

2.4 应力强度分布

利用有限元法计算得到的该模型的应力强度分布情况如图3 所示。从图3 可以看出，结构中的应力最大值出现在筒体与耳式支座垫板接触面下端部，其大小为177.31 MPa。

图3 模型应力强度分布云图

2.5 应力强度评定

根据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》（2005 年确认）对该模型进行应力强度评定。应力线性化路径的选取原则是：通过分析构件应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短方向进行设定。图4 给出了该模型应力强度线性化路径示意图。

图4 应力线性化路径示意

路径1-1 的评定结果如下：一次局部薄膜应力强度SⅡ=140.8 MPa ＜1.5 [σ]t= 283.5 MPa，强度符合设计规范要求，评定通过；一次薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ=177.5 MPa ＜1.5 [σ]t= 283.5 MPa，强度符合设计规范要求，评定通过。

3 采用德国压力容器标准 AD 2000-Merkblatt S 3/4方法分析

3.1 受力分析

图5 为带耳式支座的圆筒形容器示意图。圆筒主要承受内压pc和Q引起的弯矩ML的作用，内压引起的应力为一次总体薄膜应力（pm），而弯矩ML在B 点引起双向（周向和轴向）拉伸薄膜应力，且在A点引起双向压缩薄膜应力，然后在B，A 点产生双向弯曲应力，在B 点的外壁表面为拉伸而内壁表面为压缩，在A 点的外壁表面为压缩而内壁表面为拉伸。现按德国压力容器标准 AD 2000-Merkblatt S 3/4 中的方法，分别计算内压和弯矩引起的应力，并按JB 4732—1995（2005 年确认）标准要求对危险点处（A、B 两点）的应力状况进行校核。

图5 带耳式支座的圆筒形容器

3.2 支座处壳体内应力的计算

3.3 应力校核

4 结论

综上，支座处筒体上B 点的应力值比A 点大，B点的一次局部薄膜应力强度SⅡ（由pl算得）=132.2 MPa ＜1.5 [σ]t=283.5 MPa，一次薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ（由pL+pb算得）=181.4 MPa ＜1.5 [σ]t=283.5 MPa，均符合设计规范JB 4732—1995（2005年确认）的限制要求，评定通过。

（1） 两种方法计算得到的结果一致，应力最大值均出现在筒体与耳式支座垫板接触面下端部，应力值的大小也非常接近，两种方法计算的结果偏差约为6%。可见，利用有限元法计算时将耳式支座简化的方法是可靠、合理的。

（2） 笔者提出的两种方法为超出耳座标准范围或非标耳式支座处筒体局部应力校核提供了思路，为设备能安全使用提供了有力的技术支持。