過濾器支座的結構設計與分析

□ 李洪波 □ 王全柱 □ 鄧光平

洛陽船舶材料研究所 河南洛陽 471023

1 研究背景

壓力容器支座失效，往往是由于支座受到較大的壓應力而失去穩定性造成的。支承式支座相對于腿式支座，可承受較大的載荷，制造及結構也相對簡單，在立式容器中已被廣泛應用。機械行業標準JB/T 4712.4—2007《容器支座 第4部分 支承式支座》［1］給出了支承式支座的結構型式、系列參數和允許載荷等內容。這一標準考慮了支承式支座本體的允許載荷，并給出了相關設計參數、校核公式，但是對于封頭的局部應力，僅考慮標準橢圓封頭的情況［2］。在實際設計過程中，往往受工藝及現場條件的限制，并不能直接選用標準中的支座型式，需要修改標準支座的結構和尺寸，以滿足設計要求［3］。

筆者以壓載水過濾器的支座為例，介紹在不符合標準中橢圓封頭的情況下，立式容器支座的設計方法，并對兩種型式的支座結構進行有限元受力分析，為立式容器非標準支座的設計提供參考。

2 支座載荷計算

過濾器所采用的支撐式支座，其載荷計算采用文獻［1］中的相關公式：

式中：Q為支座實際承載，N；q0為基本風壓，Pa；P為水平力，N；k為不均勻因數，安裝3個支座時取k=1，安裝3個以上支座時取k=0.83；m0為設備總質量，kg；n為支座數量；g為重力加速度，m/s2；Ge為偏心載荷，N；H為水平力作用點至底板高度，mm；Se為偏心距，mm；D為支座安裝尺寸，mm；Pe為水平地震力，N；Pw為水平風載荷，N；a為地震影響因數；fi為風壓高度變化因數；H0為容器總高度，mm；D0為容器外徑，mm。

在支座實際承受載荷計算過程中，不考慮水平風載荷、地震載荷及偏心載荷的影響。過濾器空載時設備總質量m0=1 119.9 kg，承載狀態下設備總質量m1=1 919.9 kg，取重力加速度 g=10 m/s2，經計算，空載時單個支座本體實際承受載荷Q=3 733 N，承載時單個支座本體承受載荷Q=6 400 N。

3　支座結構設計

壓載水過濾器主要用于去除海水中的泥沙及海生物等，以確保壓載水處理系統有效運行。因船舶內部管道空間位置的限制，進水管道中心高度一般較低。為確保過濾器進水口管的中心高度與船舶進水管中心高度一致，過濾器進水口采用錐形封頭設計。

錐形封頭與標準中給出的橢圓封頭不同，不能直接選用標準中給出的支座型式。受底板定位中心圓孔直徑的限制，管式支座設計過程中與殼體相接觸的部位采用彎頭進行過渡，并在封頭與彎頭間設置方形墊板。板式支座的設計則基于管式支座的結構，采用結構相似原則，用筋板、加強筋及墊板組焊而成。管式支座結構如圖1所示，板式支座結構如圖2所示。

管式支座結構尺寸的確定，以標準中B型支座本體允許載荷 ［Q］=100 kN時所規定的外徑89 mm、壁厚4 mm 10號鋼管為依據。板式支座結構尺寸的確定，以支座本體在相同允許載荷下，底板、筋板選用16 mm厚Q235B鋼板，墊板選用10 mm厚Q235B鋼板為依據。

該過濾器設置3個支座，Q235B材料許用應力強度為113 MPa，10號鋼管許用應力強度為122 MPa，材料彈性模量為 210 GPa，材料泊松比為 0.3［4］。

▲圖1 管式支座結構

▲圖2 板式支座結構

4　支座結構有限元分析

4.1　三維建模

為分析不同半頂角下兩種型式支座在空載、承載及整體傾斜受力狀態下的應力響應，應用Pro/E軟件建立不同半頂角下的三維模型，如圖3、圖4所示。為簡化計算，建模時將支座墊板與封頭分離。將所建模型保存為.stp格式文件，以便后續導入ANSYS軟件進行網格劃分。

4.2　施加載荷及邊界條件

管式與板式支座在空載、承載條件下受力時，墊板與錐形封頭固定連接，墊板承受容器施加的法向載荷，通過圓管或筋板作用于底板，底板處承受較大的壓應力，因此在底板處施加固定約束限制其自由度。過濾器在吊裝過程中因受力不均極易發生傾斜，在過濾器著地的瞬間易形成單個支座受力的沖擊載荷，該沖擊載荷的大小與過濾器的傾斜程度有關，底板將此沖擊載荷通過圓管或筋板傳遞至墊板與封頭連接處，因此分析時在墊板處施加固定約束。

▲圖3 管式支座三維模型

▲圖4 板式支座三維模型

4.3　結果后處理

在求解分析界面的選項卡中設置所需的等效應力，然后進行求解［5］，可得到過濾器支座在錐形封頭半頂角 α 為 10°、20°、23°、25°、30°及 45°時的應力分布情況。圖5為管式支座在半頂角α=23°、承載狀態下的應力圖，從圖5中可以看出，最大應力出現在圓管與底板的焊縫處，最大應力值為82.547 MPa。圖6為板式支座在半頂角α=23°、承載狀態下的應力圖，從圖6中可以看出，最大應力出現在支座筋板與底板的焊縫處，最大應力值為59.26 MPa。

支座傾斜受力時的應力狀態，按整體傾斜5°、10°進行設置求解。圖7為過濾器殼體吊裝過程中，半頂角α=23°、整體傾斜10°時管式支座的應力圖，此時最大應力值為96.232 MPa。圖8為過濾器殼體吊裝過程中，半頂角α=23°、整體傾斜10°時板式支座的應力圖，此時最大應力值為29.725 MPa。

4.4　強度校核

機械行業標準JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》［6］對應力強度的控制值進行了規定。

一次總體薄膜應力強度SI的許用極限規定為KSm，即：

一次局部薄膜應力強度SII的許用極限規定為1.5KSm，即：

式中：K為載荷組合因數，取K=1；Sm為容器元件材料在設計溫度下的設計應力強度，板式支座材料Sm=113 MPa，管式支座材料Sm=122 MPa。

由于支座墊板為矩形，目前尚無合理的局部應力計算方法，因此暫不考慮支座對封頭的局部應力［7-8］。對于板式支座，其本體允許載荷是由筋板和底板所決定的，取筋板和底板兩者承受的允許載荷的較小值。對于管式支座，支座中的鋼管和底板是主要承載部件，支座本體允許載荷由鋼管、底板限制的許用載荷中的較小值所確定［9-10］。

將兩種支座空載、承載和整體傾斜時的應力對比列于表1和表2。

▲圖5 管式支座承載應力圖

▲圖6 板式支座承載應力圖

▲圖7管式支座傾斜受力應力圖

▲圖8 板式支座傾斜受力應力圖

從表1中可以看出，管式支座在空載與承載時，支座一次總體薄膜應力值范圍為42.465～88.746 MPa；相同條件下，板式支座一次總體薄膜應力值范圍為28.175～86.546 MPa。從表2中可以看出，支座傾斜受力時，管式支座的一次總體薄膜應力值范圍為56.898～109.390 MPa，板式支座的一次總體薄膜應力值范圍為11.935～35.658 MPa。分別取兩種支座所承受的最大應力，即管式支座取109.390 MPa，板式支座取86.546 MPa，根據式（6）進行局部薄膜應力強度校核。

表1　空載與承載時應力對比

表2　整體傾斜時應力對比

管式支座為：

SⅡ=109.39 MPa≤1.5KSm=183 MPa

板式支座為：

SⅡ=86.546 MPa≤1.5KSm=169.5 MPa

兩種型式支座一次局部薄膜應力均合格。

5　對比分析

由上述分析、校核可知，兩種型式支座均滿足強度要求。對比兩種支座在空載與承載時支座本體所承受的最大應力值，如圖9所示。

錐形封頭半頂角α≤10°時，兩種型式支座所承受的最大應力非常接近，此時支座本體所受的最大應力與支座結構形式無關。

錐形封頭半頂角α≥20°時，板式支座本體所承受的最大應力明顯小于管式支座，板式支座的承載性能要優于管式支座。

整體傾斜時，兩種型式支座本體所受到的最大應力如圖10所示。通過對比可知，管式支座承受傾斜載荷的能力遠不如板式支座。

▲圖9 空載與承載時應力對比

▲圖10 整體傾斜時應力對比

6　結論

依據機械行業標準，應用三維建模軟件Pro/E設計出兩種適用于非標錐形封頭的支座，為非標容器支撐結構的設計提供了參考。

錐形封頭半頂角≤10°時，支座本體所受的最大應力與支座結構型式無關。兩種型式支座所受的最大應力隨半頂角的增大而呈現減小趨勢，其中板式支座應力下降趨勢較管式支座明顯，板式支座的承載性能要優于管式支座。

對于殼體較大的過濾器，為確保支座結構承載的穩定性，可優先選用板式支座結構。

［1］ 容器支座 第4部分 支承式支座：JB/T 4712.4—2007［S］.

［2］ 楊良瑾，段瑞，馮清曉.非裙座支承立式容器設計問題探討［J］.石油化工設備技術，2013，34（3）：1-6.

［3］ 汪洪杰，吳蘇.立式容器標準支座改型設計及強度計算［J］.石油化工設備，2001，30（1）：26-28.

［4］ 壓力容器：GB 150—2011［S］.

［5］ 余偉煒，高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用［M］.2版.北京：中國水利水電出版社，2007.

［6］鋼制壓力容器——分析設計標準：JB 4732—1995［S］.

［7］ 韓偉，馬洪明.大直徑立式容器非標準支承式支座校核 ［J］.石油化工設備，2015，44（2）：49-52.

［8］ 張杰，周凱崧，毛雪東.基于ANSYS的立式容器用支承式支座設計［J］.化工設備與管道，2010，47（2）：1-4.

［9］ 劉湘秋.常用壓力容器手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［10］劉力歌，馮文卓，高歡，等.一種新型網殼儲罐的支座結構及其優化［J］.壓力容器，2016（2）：30-34.