卧式容器多鞍座的设计方法探讨

卧式容器多鞍座的设计方法探讨
王永青1，冉谦1
（1.扬州惠通化工技术有限公司，江苏.扬州225000）
摘要：为降低弯矩和鞍座反力，长径比大的卧式容器以及一些塔器在水压试验、热处理及运输过程中，常常采用三鞍座或多鞍座支撑。

本文列举了几种常用的多鞍座计算方法，并就其实际工程应用进行了比较。

关键词：卧式容器；多鞍座；设计
Discussion of Design Method of Horizontal V essels
Supported on Multi-saddles
Wang Yongqing1,Ran Qian1,
Abstract:The horizontal pressure vessels which have large slenderness ratio or some tower vessels in hydrautic process,PWHT process and transport process are supported on multi-saddles to reduce the numerical value of the moment and support pressure.This article discuss the design method of multi-saddles,and compare the several methods.
Key word: horizontal pressure vessels;multi-saddle;design
1 前言
长期以来，大多数卧式压力容器都采用双鞍座支撑，但是随着设备的大型化和焊接工艺的逐步成熟，近年来大型卧式圆筒形容器有了增加的趋势。

但是内径、长度和容量的增大受到双鞍座的限制，支座间跨距过大，导致筒体产生较大的弯曲和变形，造成厚度增加影响了容器的经济性。

若采用多鞍座结构，则会改善受力情况，因此多鞍座的卧式容器近来得到了越来越多的应用。

此外一些大型塔器在制造过程中，处于卧式状态时也常常使用多个临时鞍座支撑，由于计算方法较繁琐，所以很多制造厂的技术人员常常并未对此进行计算校核，而是凭经验设置临时鞍座。

因此本文对多鞍座的常用计算方法进行简介，并就其实际工程应用的便捷性进行比较，希望工程技术人员实际工作中有参考价值。

2 几种多鞍座卧式容器设计方法简介
多年来，多鞍座卧式容器的设计并没有形成统一的标准，目前大多采用三弯矩理论计算弯矩和鞍座反力，在引用双鞍座卧式容器的Zick校核方法对应力进行校核。

欧洲协调标准EN13445《非直接受火压力容器》还提出了一种多鞍座卧式容器的设计方法，这是多鞍座卧式容器设计首次写入标准。

另外，对于一些承受非均匀载荷的以及鞍座非等距布置的特殊多鞍座卧式压力容器的设计还需进行有限元分析。

Zick法是由L.P.Zick提出，专门针对双鞍座卧式容器的设计方法。

后来设计人员将此方法运用于三鞍座卧式容器的设计，近些年逐渐形成了比较通用的将多鞍座卧式容器简化为受均布载荷的静不定梁，利用三弯矩理论来计算鞍座处的弯矩和鞍座反力，再引用Zick法的双鞍座卧式容器的应力计算和校核模型，对多鞍座卧式容器进行设计计算。

这一方法属于半理论、半经验的方法，虽然此方法经过长期实践，并没有出现大的问题，但此方法计算繁琐且保守性太强。

EN13445《非直接受火压力容器》第3篇16.8节给出了多鞍座设计方法，此方法针对常用的鞍座均匀布置的多鞍座卧式容器，以具体的公式形式给出了鞍座处弯矩、剪力的计算方法，并给出了强度和稳定性的校核方程。

此欧洲协调标准的设计方法和Zick法都是以受均匀载荷的多支撑简支梁作为简化模型，通过该简化模型对鞍座处的弯矩进行计算。

另外运用有限元分析设计方法虽然方法先进、经济性较好，但掌握起来比较困难，不利于推广。

3 设计计算方法介绍
Zick法：
用三弯矩方程求得支座反力、轴向弯矩及剪力，再利用Zick理论分别对设备的圆筒轴向应力、切向剪应
力、圆筒轴向应力、鞍座腹板水平分力引起的应力、鞍座压缩应力进行强度计算。

多鞍座计算中所用的三弯矩方程的一般性公式为：
Mn-1Ln+2Mn(Ln+Ln+1)+Mn+1Ln+1=-6ωnan/Ln-6ωn+1an+1/Ln+1
其中：M为鞍座截面上的弯矩；n为鞍座数；L为鞍座间的跨度；ωn为把Ln作为简支梁时，外载荷单独作用下的弯矩图面积；a为ωn的弯矩图形心到左端的距离。

使用有限元分析法对多鞍座卧式容器进行应力分析时显示，当鞍座分布均匀时，用三弯矩方程计算得到的支座反力基本是真实的，但当鞍座分布比较不均匀时，用三弯矩方程计算的支座反力则与实际偏差很大，此时用三弯矩方程并结合Zick理论对多鞍座卧式容器进行设计是较保守的，而且鞍座越不均匀，结果越保守。

HG20582-1998《钢制化工容器强度计算规定》中的三鞍座卧式容器的设计计算方法中考虑支承平面对支承反力分布的影响时，计算支承反力时均取实际计算反力的1.2倍，对于多鞍座的情况，根据经验，同样取1.2倍是完全足够的。

Zick法计算多鞍座卧式容器时，通常应符合双鞍座卧式容器的设计前提条件，且针对鞍座均匀布置的多鞍座卧式容器。

欧洲协调标准方法：
此方法同样是针对受均布载荷的鞍座均匀布置的多鞍座卧式容器，将其简化为受均匀载荷的多支撑简支梁模型，通过该简化模型对鞍座处的弯矩进行计算，但欧洲协调标准EN13445中明确给出了设计条件并以条款形式列出，规定了此方法的适用范围。

此计算方法与Zick法相比，区别主要有以下几点：
（1）端部受力处理方法不同：
Zick 法在计算端部弯矩时，考虑封头形状，不同的封头型式，产生不同的弯矩。

而EN13445则没有考虑封头形状，比Zick法计算简单。

卧式容器的封头对筒体稳定性有一定的加强作用，Zick法规定当A≤0.5Ri时，封头对鞍座处筒体有加强作用，而EN13445方法则更宽松，规定A≤0.5Di时，封头对鞍座处筒体仍有加强作用。

（2）求解思路不同
EN13445标准明确规定了多鞍座卧式容器鞍座的分布应该尽量保证各鞍座受力均匀。

因此对于载荷均布的卧式容器，鞍座也应该均匀布置，对于鞍座非均匀布置的卧式容器，鞍座反力通过静不定结构力学方程求得。

鞍座处弯矩和剪力、鞍座间弯矩通过梁理论求得。

Zick 法是首先计算出容器各鞍座处的弯矩，以鞍座两侧相邻的筒体为研究对象，根据静不定梁的三弯矩理论，列出三弯矩方程，加上根据容器两端外伸筒体列出的力学平衡方程，求解出各鞍座处的弯矩，然后进一步求出鞍座反力和鞍座间的弯矩。

这与EN13445中先求解鞍座反力，再求解鞍座处弯矩和剪力、鞍座间弯矩的求解顺序不同。

相比之下，EN13445提供的方法简单，更适宜工程应用。

（3）校核形式不同
EN13445中考虑了容器在零压力和设计压力两种情况下的受力情况，分别进行校核。

而Zick 法中的校核采用传统的校核方法，计算出设计压力下卧式容器的各个危险点的最大应力，然后与材料的许用应力进行比较。

Zick法没有比较各个弯矩之间的关系，无论大小，一律计算出各个情况下的危险点的受力情况，计算量较大，计算过程繁琐。

有限元分析法：
使用此方法进行多鞍座卧式容器设计，需掌握专门的有限元软件，适用范围不受限制，可以设计载荷不均匀布置，鞍座不均布的特殊结构形式的卧式容器，且设计较精确，经济性好。

但实际工作中设计人员掌握此方法的并不多，不利于工程实际应用推广。

4 结束语
在实际工程应用中，往往情况比较复杂，比如运输过程中，由于运输时的地面的不平等各种因素的影响，海运时海浪的冲击等，可能还需考虑一个冲击载荷的影响；安装后，由于各鞍座的基础沉降不一致，使得鞍座不在同一水平面上，从而会改变筒鞍座处支承反力和弯矩，进而引起筒体应力变化，此时还可能要考虑到基
础沉降对筒体应力场的影响。

参考文献：
[1]GB150《钢制压力容器》。

中国标准出版社。

[2]JB/T4731-2005《钢制卧式容器》。

新华出版社
[3]HG20582-1998《钢制化工容器强度计算规定》。

全国化工工程建设标准编辑中心
[4]JB/4712-1992《鞍式支座》新华出版社
[5]EN13445.Unfired Pressure Vessels
作者简介：王永青（1981-），男，江苏.淮安人，汉族，助理工程师，大学本科学历，2003年毕业于南京工业大学，长期从事压力容器和锅炉的设计、制造、检验等相关工作。

现就职于扬州惠通化工技术有限公司，从事压力容器制造工艺和质检工作。

冉谦（1982-），男，河北.保定人，汉族，助理工程师，大学本科学历，2005年毕业于河北建筑工程学院，长期从事压力容器产品以及化工设备的设计、制造等工作。

现就职于扬州惠通化工技术有限公司，从事压力容器设计及制造工艺编制。