熱應力對立式容器支座設計的影響分析

王莎莎 曹 婷 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

在化工領域，耳座支撐式立式設備因其適應性強、制造相對簡單等特點在工業(yè)生產中被廣泛應用。此類設備通常通過支耳安裝在結構的樓面或框架上，若設備承受的外載荷較大，選用耳式支座時殼體的局部應力就會超過標準給出的許用載荷，從而導致設計不合理或不經(jīng)濟。在考慮上述工況或設備操作承受負壓作用的前提下，一般需選用剛性環(huán)支座。隨著石油化工、煤化工裝置的大型化，剛性環(huán)支座的使用越來越廣泛[1]。但在工程實踐中，高溫載荷作用下的剛性環(huán)支座本體產生裂紋，導致設備失效的事故多次發(fā)生。文獻[2,3]中將剛性環(huán)支座標準的適用范圍限定在-20℃～200℃，并未涉及對設計溫度＞200℃時剛性環(huán)支座的受力情況分析以及支座形式的選擇。因此，在較高溫度載荷的作用下，大型立式容器優(yōu)先選用剛性環(huán)支座還是耳式支座，目前并無定論。

本文根據(jù)實際項目中某臺大型立式容器的設計條件，采用有限元分析方法，對比在不同設計溫度的情況下，設備支撐方式采用剛性環(huán)支座與耳式支座時，考慮溫度載荷引起的溫差應力時的應力強度，并得出相應的結論。

1 剛性環(huán)支座與耳式支座的選用條件

熱應力是指，在溫度改變時，構件內部存在溫度梯度，且物體的熱膨脹受到約束，使其不能完全自由膨脹收縮而產生的應力。在化工生產中，大量設備在高溫高壓工況下運行，若設備中的某一部件沒有保溫而裸露在環(huán)境溫度中時，常常會出現(xiàn)由于內外溫差較大而引起的熱應力過大，從而造成設備損壞或設備使用壽命縮短，形成安全隱患，更甚者釀成不可估量的損失。

在不考慮熱應力的前提下，支耳的主要破壞形式是筒體局部應力過大而造成的局部失穩(wěn)。在設計中，為了達到穩(wěn)定性的要求，通常會采取增加支耳數(shù)量或增大殼體壁厚的方式。但當壁厚增大時，會使設備重量增加，成本增加；當支耳數(shù)量增加時，可能造成殼體周圍空間不足，結構梁支撐較難布置且各個支耳底面水平度難以統(tǒng)一的問題。按照經(jīng)濟合理、結構緊湊的設計原則，此時可選用剛性環(huán)支座代替耳式支座。

剛性環(huán)支座要求的殼體壁厚相對較薄，適用于大中型薄壁容器的安裝。從結構角度上看，剛性環(huán)支座帶有上下兩個剛性環(huán)，增大了抵抗連接處局部應力的能力，對于薄壁容器，其穩(wěn)定性大于耳式支座；從經(jīng)濟角度上看，選用耳式支座所增加的筒體材料費用遠大于剛性環(huán)支座的制造費用；從安裝性能上看，剛性環(huán)支座可以確保底板的平整性，其安裝精度優(yōu)于耳式支座[4-6]。

對于高溫下的大型立式容器，即使設備設有保溫，由于部分結構裸露在環(huán)境中且支座底板與結構基礎相連接，支座內部也存在較大的溫度梯度，此時，將產生較大的熱應力。

下面以某立式設備為例，在分別考慮相同保溫厚度和不同保溫厚度的情況下，對剛性環(huán)支座和耳式支座兩種不同的支撐方式進行分析和比較，從而對兩種支座的優(yōu)缺點和適用情況進行探討。

2 分析計算

2.1 設備介紹

某工程項目的立式設備，直徑為2100mm，高度為23.5m，設備最大質量為210t。設備結構參數(shù)見表1，支座位置和設備結構見圖1 及圖2。該容器采用剛性環(huán)支座，設有8 個支耳懸掛固定在基礎上。

圖1 設備剛性環(huán)支座俯視

圖2 設備外形結構圖

表1 設備結構參數(shù)

本設備選用非標準剛性環(huán)支座，上下各設有一塊剛性環(huán)板加強支座的剛度。剛性環(huán)支座結構見圖3，具體參數(shù)見表2。作為對比，該設備使用耳式支座時的支座結構見圖4，具體參數(shù)見表3。

表3 耳式支座結構參數(shù)

圖3 剛性環(huán)支座結構

圖4 耳式支座結構

表2 剛性環(huán)支座結構參數(shù)

2.2 有限元模型

2.2.1 分析方法介紹

本文運用ANSYS 軟件對剛性環(huán)支座進行有限元建模和應力分析，以確定在相應載荷作用下各部件的受力狀況。有限元分析的基本思想是，將復雜的幾何受力模型劃分為形狀簡單的單元，構建單元的結構方程，通過單元與單元之間的節(jié)點連接關系，得到結構整體剛度方程，根據(jù)位移約束和受力狀態(tài)，處理邊界條件，進行求解。

本文采用順序耦合法，即以特定的順序求解單個物理場的模型。在建立模型、劃分網(wǎng)格后，先進行熱分析，隨后轉換單元類型進行結構分析，將熱分析的結果作為溫度載荷施加到結構分析中，完成熱力耦合計算。

2.2.2 模型簡化與網(wǎng)格劃分

為方便計算，對設備結構進行簡化，并根據(jù)設備結構及載荷特性，建立1/8 模型，將立式容器帶剛性環(huán)支座模型簡化見圖5，立式容器帶耳式支座模型簡化見圖7。

圖5 立式容器帶剛性環(huán)支座幾何模型

圖7 立式容器帶耳式支座幾何模型

由于本臺設備涉及傳熱分析，為保證精度，殼體和耳座均以實體單元建模，傳熱分析采用實體熱單元SOLID70 劃分網(wǎng)格，結構分析采用SOLID185單元劃分網(wǎng)格。SOLID70 單元有8 個節(jié)點，且每個節(jié)點上只有一個溫度自由度，具有三個方向的熱傳導能力，可以用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析，從而實現(xiàn)勻速熱流的傳遞。SOLID185 單元有8 個節(jié)點，且每個節(jié)點有三個沿著XYZ 平移的自由度，單元具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變能力[7-10]。立式容器帶剛性環(huán)支座網(wǎng)格模型見圖6，立式容器帶耳式支座網(wǎng)格模型見圖8。由于墊板四周的焊縫非本文重點考慮區(qū)域，忽略墊板與筒體之間的間隙，在模型中，墊板與筒體緊密貼合。

圖6 立式容器帶剛性環(huán)支座網(wǎng)格模型

圖8 立式容器帶耳式支座網(wǎng)格模型

2.2.3 載荷約束

本文主要討論不同設計溫度及結構形式下的設備的熱應力問題，因此，只考慮重力、設備內壓及溫度載荷，而忽略地震載荷、風載荷及偏心載荷的影響。傳熱分析：在殼體內表面施加介質溫度與殼體介質的對流換熱系數(shù)之和，在保溫外表面與結構裸露在環(huán)境中的表面施加環(huán)境溫度與空氣的對流換熱系數(shù)之和，得到溫度分布場；結構分析：在耳座底板下表面受基礎支撐的區(qū)域施加軸向約束，并在對稱面施加對稱約束。

2.3 結果與分析

2.3.1 相同保溫厚度下支座的溫度分布

當環(huán)境溫度為20℃，設計溫度分別為20℃、100℃、200℃、295℃時，在考慮相同保溫厚度100mm 的條件下，剛性環(huán)支座的溫度分布見圖9～12，耳式支座的溫度分布見圖13～16。

圖9 設計溫度20℃剛性環(huán)支座溫度分布

圖10 設計溫度100℃剛性環(huán)支座溫度分布

圖11 設計溫度200℃剛性環(huán)支座溫度分布

圖13 設計溫度20℃耳式支座溫度分布

圖14 設計溫度100℃耳式支座溫度分布

圖15 設計溫度200℃耳式支座溫度分布

總體而言，熱量沿徑向向外擴散。在該方向上，由于鋼材的導熱系數(shù)遠高于保溫層，因此筒體和墊板上的溫度梯度很??；在保溫層區(qū)域上下環(huán)板（蓋板和底板）的溫度也與墊板接近，溫度梯度較??；保溫層外部，耳座溫度迅速降低，溫度梯度明顯。隨著設計溫度的升高，各區(qū)域的溫度梯度也等比例提高。

2.3.2 相同保溫厚度下溫度對剛性環(huán)支座的應力分布影響

當環(huán)境溫度為20℃，設計溫度分別為20℃、100℃、200℃、295℃時，在考慮相同保溫厚度100mm 的條件下，剛性環(huán)支座的應力分布云圖見圖17～20，通過定義路徑的方式讀取應力值，剛性環(huán)支座的下環(huán)板與支座底板連接處夾角附近的應力值見表4。

圖17 設計溫度20℃剛性環(huán)支座應力分布

圖18 設計溫度100℃剛性環(huán)支座應力分布

圖19 設計溫度200℃剛性環(huán)支座應力分布

圖20 設計溫度295℃剛性環(huán)支座應力分布

表4 剛性環(huán)支座的下環(huán)板與支座底板連接處夾角附近的應力值

由圖可知，當設計溫度為20℃時，無熱應力產生，剛性環(huán)支座整體應力值較低，小于筒體處應力值。

隨著設計溫度的升高，耳座內部出現(xiàn)溫差，從而產生熱應力。最大應力出現(xiàn)在筋板外側的下環(huán)板外沿。隨著設計溫度的不斷升高，該處應力逐漸增大，直至發(fā)生開裂。

2.3.3 相同保溫厚度下溫度對耳式支座的應力分布影響

當環(huán)境溫度為20℃，設計溫度分別為20℃、100℃、200℃、295℃時，在考慮相同保溫厚度100mm 的條件下，耳式支座的應力分布云圖見圖21～24，通過定義路徑的方式讀取應力值，耳式支座底板、筋板與筒體連接處附近的應力值見表5。

表5 耳式支座的應力最大值

圖21 設計溫度20℃耳式支座應力分布

圖22 設計溫度100℃耳式支座應力分布

圖23 設計溫度200℃耳式支座應力分布

圖24 設計溫度295℃耳式支座應力分布

由圖可知，當設計溫度為20℃時，無熱應力產生，最大應力出現(xiàn)在耳座底板、筋板與墊板連接處附近。

隨著設計溫度的升高，耳座內部出現(xiàn)溫差，從而產生熱應力。最大應力位置未發(fā)生變化。

2.3.4 不同保溫厚度下溫度對支座的應力分布影響

當環(huán)境溫度為20℃，設計溫度為295℃，保溫厚度分別為50mm、200mm 時，耳式支座的溫度分布云圖見圖25～26 所示，剛性環(huán)支座的溫度分布云圖見圖27～28 所示；保溫厚度為100mm 時，剛性環(huán)支座的溫度分布云圖見圖12，耳式支座的溫度分布云圖見圖16。

圖12 設計溫度295℃剛性環(huán)支座溫度分布

圖16 設計溫度295℃耳式支座溫度分布

圖25 保溫厚度50mm 耳式支座溫度分布

圖26 保溫厚度200mm 耳式支座溫度分布

圖27 保溫厚度50mm 剛性環(huán)支座溫度分布

圖28 保溫厚度200mm 剛性環(huán)支座溫度分布

在溫度分布的基礎上，分別完成耳式支座的應力分布計算和剛性環(huán)支座的應力分布計算，通過定義路徑的方式讀取應力值，剛性環(huán)支座的下環(huán)板與支座底板連接處夾角附近的應力值見表6，耳式支座底板、筋板與筒體連接處附近的應力值見表7。

表6 剛性環(huán)支座的下環(huán)板與支座底板連接處夾角附近的應力值

表7 耳式支座的應力最大值

2.3.5 熱應力對不同結構支座的影響

將設計溫度分別為20 ℃、100 ℃、200 ℃、295℃時，在考慮相同保溫厚度100mm 的條件下，剛性環(huán)支座與耳式支座的最大應力值見圖29。

圖29 剛性環(huán)支座與非剛性環(huán)支座的的最大應力值

當設計溫度為295℃時，剛性環(huán)支座的徑向位移見圖30，耳式支座的徑向位移見圖31。

圖30 設計溫度295℃剛性環(huán)支座徑向位移

圖31 設計溫度295℃耳式支座徑向位移

當設計溫度為20℃時，即無熱應力時，剛性環(huán)支座的應力整體小于耳式支座。因此，在設計溫度與環(huán)境溫度相近時，大型立式薄壁容器可使用剛性環(huán)支座代替耳式支座，以達到節(jié)約材料、節(jié)省成本的目的。

隨著設計溫度的升高，支座溫差逐漸增大，剛性環(huán)支座與耳式支座的應力均隨之提升，且剛性環(huán)支座應力提升速度遠高于耳式支座。即熱應力對剛性環(huán)支座影響更大。

在高溫工況下，剛性環(huán)支座的熱應力主要表現(xiàn)為下環(huán)板外沿的環(huán)向拉應力。這是由于在重力作用下，剛性環(huán)支座的下環(huán)板受環(huán)向拉應力作用，上環(huán)板受環(huán)向壓應力作用。設備內部溫度高于環(huán)境溫度時，耳座上下環(huán)板將沿徑向產生溫度梯度。環(huán)板內側溫度高于外側，內側的膨脹受到外側限制，因此，上下環(huán)板將產生內側受壓、外側受拉的環(huán)向熱應力。對于上環(huán)板的外沿，重力和溫度載荷產生的應力能相互抵消；而對于下環(huán)板的外沿，重力和溫度載荷產生的應力相互疊加。

對于耳式支座，在重力和溫度載荷單獨作用下，底板與蓋板的受力與剛性環(huán)支座相同。但耳式支座的底板和蓋板是斷開的，環(huán)向膨脹受到的限制小，因此，底板環(huán)向應力增加并不明顯。耳式支座的底板、筋板與墊板連接處同時存在結構不連續(xù)和較大溫度梯度而產生最大應力。

耳式支座的熱應力受保溫厚度影響較大，在不同保溫厚度下，隨著保溫厚度的增加，熱應力逐漸減小；剛性環(huán)支座的熱應力受保溫厚度影響不大。

設備的徑向膨脹量由設備尺寸、設計溫度和材料線膨脹系數(shù)決定，與支座形式無關。對于該設備，設計溫度為295℃時，最大徑向位移為4.5mm。建議設備地腳螺栓孔采用長圓孔，防止設備的徑向膨脹受到地腳螺栓的限制從而導致設備熱應力的升高。

3 結語

本文通對某一典型立式設備的剛性環(huán)支座和耳式支座的結構進行有限元分析，得到不同設計溫度下的溫度分布、應力分布以及徑向位移，比較了不同工況下兩種支座的應力變化趨勢。通過計算和分析，得出以下結論：

（1）對于耳式支座，應力最大值位置出現(xiàn)在筋板、下底板與墊板相連接位置附近；對于剛性環(huán)支座，應力最大值位置出現(xiàn)在底板、筋板與墊板的連接處。在設備運行過程中，這些位置易產生裂紋，影響設備的使用壽命。

（2）對于承受內壓的大型立式薄壁容器，當環(huán)境溫度與設計溫度相差不大時，可優(yōu)先選擇剛性環(huán)支座進行支撐。

（3）當立式設備設計溫度較高時，選取支撐方式時應充分考慮溫差引起的熱應力，設計中應盡量避免使用剛性環(huán)支座。

（4）當考慮經(jīng)濟成本及場地限制等條件后，仍需選用剛性環(huán)支座，應對連接處的熱應力進行計算分析，確保設計的準確合理。

（5）耳式支座的熱應力受保溫厚度影響較大，剛性環(huán)支座的熱應力受保溫厚度影響不大。

（6）當立式設備設計溫度較高時，支座螺栓孔建議選取徑向長圓孔。