力的平移定理在塔設備設計中的應用

＊張合啟

（山東圣奧化學科技有限公司 山東 274400）

石油、化工等工業生產需要多道工序，而不同的工序要求決定了相應塔設備的構造。為此，很多塔設備的本體上通常會開設一部分用于外接管道的管口。由于管道自身承受介質的壓力，工作環境的變化，以及管道自身的重量等多種原因，外接管道會將力和力矩全部傳遞到塔設備的外接管口上，從而造成管道外載荷過大，進而導致管口連接處的結構處于不穩定的狀態。塔設備工作時，設備內壓會與管道外載荷形成聯合作用，從而容易造成裂紋失效的問題。所以，在設計塔設備的外接管口時，需要校核管道外載荷，并通過力的平移定理，將外載荷平移到連接管道的根部，以確保塔設備運行時的穩定和安全。

1.力的平移定理

力及其作用現象在我們的日常生活中是極為普遍的，尤其是在工程建設、機械設計等多個領域中都有著極為重要的應用。關于力的物理現象有很多，力的平移是其中一種較為常見的情況。所謂的力的平移，就是剛體上某個點的作用力，可以通過平移的方式轉移到剛體上其他的位置，而力的效果不會發生改變。此時這個點被稱之為平移點。力在發生平移時，還需要施加一個力偶，以確保力的平移過程不會造成其他的影響，同時，這個外加力偶必須位于規定的平面內。

2.力的平移定理在塔設備設計中的具體應用

(1)塔設備管道外載荷設計中的應用

在開展塔設備的設計工作時，需要仔細地核算管道外載荷。如果塔設備的外接管道因工作需求的影響而受到較大的外載荷時，還需要對塔設備的管口法蘭面上的載荷進行嚴格的核算。在塔設備的設計文件中，通常要對每個外接管口所允許的外載荷最大值進行明確的標注，以防止外載荷過大對塔設備的外接管口造成損害。

塔設備外接管道所受到的外載荷有著多種作用形式，其作用附件的外形尺寸也各不相同。受此影響，國內外在設計塔設備的壓力容器時，均未明確包含對這部分局部應力的相關計算工作。目前條件下，塔設備設計過程中所使用的主流計算方法都需要充分考慮能夠將應力傳遞到塔設備殼體上的幾種外部載荷。需要考慮的外部載荷通常有徑向載荷、周向切向載荷與經向切向載荷、周向外力矩與經向外力矩，以及扭轉力矩。

為了提高塔設備外接管道根部局部應力的核算速度和精度，相關設計人員通常會利用專業的軟件進行分析核算。目前主流的應用軟件有SW6和PVelite等專用模塊。這些應用軟件的使用操作較為簡便，使用時首先要建立一個關于塔設備的力學模型，然后將作用點在外接管道開孔處殼體法線方向上的力和力矩準確地輸入力學模型中。實際操作軟件進行核算時，相關人員必須保證各個數據的輸入準確性，否則最終的核算結果會與實際情況出現較大的偏差誤差，從而影響塔設備的設計工作，乃至設備的生產和使用等等。

但是，塔設備的實際工作情況有時與設計并不完全相符，偶爾也會出現力的作用點與殼體法線方向并重合的情況，例如塔底導出管或者立式容器底封頭引出管。如果遇到這種情況，管道外載荷的核算工作難以按傳統的方法進行。為了確保塔設備外接管道的設計精度，需要使用力的平移定理。此時，相關的設計人員需要將導出管出口的管道外載荷的力系，平移至外接管道與塔設備殼體的連接位置。

在實際的核算工作中，有些負責設計的工作人員在對彎管式外接管道上施加的外載荷進行核算時，并未對核算工作中出現的各種情況進行全面的考慮。尤其是在對力和力矩進行平移的過程中，只是將法蘭面上力和力矩的平移簡單地看作是移動到了外接管道的根部位置。但是，這種簡單的考慮方式卻忽略了力的平移所帶來的各種影響，從而導致綜合應力的評定過程出現了誤差，最終的評定結果必然是不準確的。

以塔設備上常見的塔底導出管為例，作用在導出管出口位置法蘭面上的力，可以平移到與塔設備連接處位置的法蘭面上，在平移過程中，必須額外附加一個繞指定方向進行旋轉的力偶，才能保證力的平移過程的正確性。

在塔設備設計過程中應用力的平移定理，必須準確的獲悉各種力和力矩的作用方向。需要注意的是，對于移動力系中的作用點，不能只是簡單地考慮兩個作用點之間的對應關系。當發生力的平移時，這兩個作用點上力和力矩存在的對應關系通常是較為復雜的，此時力矩和扭矩的值都會因為力的平移而受到不同的影響。

(2)在核算塔設備垂直度方面的應用

為了滿足工業化生產的要求，塔設備的整體體積通常較大，因此在安裝塔設備時常常會使用吊裝的方式。由于塔設備自身的剛性較低，一旦發生碰撞難免會導致塔設備出現不同程度的形變變形，從而影響塔設備的后續使用。在實際的安裝過程中，塔設備出廠后會直接運抵安裝現場，但是在運輸過程中，極易造成塔設備殼體沿中軸線發生一些細小的形變。因此，在塔設備吊裝安裝完成后，必須嚴格遵照相關的設備質量驗收標準，使用吊線墜對塔設備的垂直度進行仔細的檢測，以確保塔設備在工業生產過程中的使用安全。

①建立力學模型。針對塔設備發生偏離的這種情況，為了便于分析和核算，需要根據塔設備的設計參數建立一個相關的力學模型。我們可以將塔設備看作是一個擁有重心的直桿，并在模型中標注出重心的高度、垂直度偏差的角度，直桿重心偏離距離等。此時我們可以將在偏心作用下所產生的重力載荷，看作是塔設備在處于垂直狀態下所產生的重力載荷，以及一個附加的力偶。在現實情況中，由于塔設備操作工況的不同，以及水壓試驗工況的差別，塔設備的偏心載荷也會存在不同的數值。

②不同工況時的外載荷。塔設備在使用時，需要保持高聳直立的狀態，工作時塔設備受到的外載荷除了自身重力載荷與內部壓力載荷外，還會受到外界環境中的風力載荷，甚至地震載荷。如果塔設備的整體外形和自身質量沒有發生較大的變化時，可以在力學模型中忽略風力載荷和地震載荷帶來的影響。對偏心載荷進行核算時，必須充分考慮不同工況下，設備自身質量的影響。所以，不同的工作狀況下，危險截面組合軸向應力的核算工作需要對外載荷進行分別組合。當塔設備處于操作工況時，為了求出作用在各危險截面上的最大彎矩，需要對風力載荷和地震載荷進行分開考慮。這是由于塔設備無法同時受到的風力載荷和地質載荷的影響。當塔設備處于試驗條件時，由于塔設備的試驗時間較短，短期內不會遭遇到較強地震和基本風壓的影響。所以，此時核算最大彎矩時不需要考慮地震載荷，而風彎矩通常會取其正常值的30%。

③校核塔設備。塔設備自身所擁有的重量，會影響到設備所受到的地震載荷和重量載荷均。因此，在不對塔設備的自身總重量進行調整改變的大前提下，為了使相關核算軟件的計算更為方便，我們可以對附加質量與填料密度進行適當的調整，然后對總重量進行拆分，并由分離出的部分重量產生偏心載荷，同時附加一個力臂，從而形成一個等量偏心載荷。在校核塔設備時，我們同樣要考慮不同工況因素的影響。在處于操作工況時，此時我們需要掌握塔設備的重心高度、重心與鉛垂線之間的偏離距離，操作工況下的設備總質量，并計算出偏心載荷，然后根據軟件中的計算公式求出各個危險截面的最大彎矩。當設備處于試驗工況時，根據相同的計算方法計算出偏心載荷和最大彎矩。根據相關計算結果表明，各個危險截面的最大彎矩主要由風力載荷負責控制。經過對比我們發現，不同工況下由于偏心質量造成的彎矩所占比例也各不相同，簡單來說，操作工況下由偏心質量造成的彎矩通常較少，而實驗工況下則相對較多。

為了確定塔設備在發生細微形變后是否仍然具有使用的價值和安全性，我們必須根據不同的工況對核算結果進行評定，評定內容為處于操作工況和實驗工況時，因介質壓力、最大彎矩、設備質量而造成的軸向應力在各個危險截面上所形成的組合應力，同時還要對塔設備的基礎環和地腳螺栓進行核算。如果塔設備的垂直度處于在設計余量內，則可以證明塔設備不會因細微形變導致的垂直度變化而降低其使用效果和使用安全性。正因如此，塔設備在設計之初，應當利用力的平移定理，充分考慮實際應用中垂直度的變化問題，從而留有一定的設計余量，以提高塔設備的使用可靠性和安全性，從而提升設備的綜合應用效率，保證業主的經濟效益。

3.結束語

力的平移定理告訴我們，即使是在同一個剛體上，不同作用點上的力是不能簡單的進行平移。即便平移后這個力的大小和方向依然保持相同的狀態，但其所產生的效果是截然不同的。在平移力的時候，我們必須重視起附加力矩所帶來的效果影響。塔設備的使用關系到工業生產的安全性，相關設計單位必須在設計過程中充分考慮實際應用時可能會遇到的各種問題因素，并將這些考量反應在設計方案上，從而實現在設計上確保塔設備的制造質量。為此，相關設計人員在設計塔設備的結構部件時，應當學會如何靈活地運用各種設計標準和相關的力學原理。