长跨距大直径薄壁的卧式容器鞍座设计

1. 卧式容器的鞍座

化工厂的贮槽、换热器等设备一般都是两端具有成型封头的卧式圆筒容器。卧式容器一般由鞍座来承担它的重量。

对于卧式容器，除了考虑按照GB/T150来计算各类强度外，还要考虑鞍座对于容器的影响，所以即使选用标准鞍座（鞍座强度够）后，还要对容器进行强度和稳定性的校核。

目前的双鞍座计算方法均为ZICK法为基础，将其受力状态简化为受均布载荷的外伸简支梁。

按材料力学计算方法可知，当外伸长度A＝0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取A≤0.2L。

（其中L取圆筒体长度(两封头切线间距离)，A为鞍座中心线至封头切线的距离。）

当鞍座邻近封头时，封头对支座处筒体有加强作用。

为了充分利用这一加强效应，在满足A≤0.2L下应尽量使A≤0.5Ri(筒体内半径)。

2. 鞍座计算的调整方法

一般设计人员拿到卧式容器时，先进按照容器支座，选择一款鞍座，然后对设备进行强度计算。

如果计算不通过，一般可以采用如下办法：

1. 加大鞍座包角，120°的包角不够时可以加大到150°的包角。

2. 有时候加了鞍座垫板，但是垫板不一定参与了计算，鞍座垫板参与计算需要三个条件：

a) 垫板包角要大于等于鞍座包角+12°。

b) 垫板厚度要大于等于0.6倍筒体厚度。

c) 垫板宽度要大于等于1.56sqrt（RT）+支座宽度。

3. 调整鞍座之间距离，试试将鞍座靠近封头或者鞍座位置A≤0.2L。

4. 增加鞍座加强圈。

5. 增加鞍座数量。

6. 加厚筒体。

具体采用哪种方法，需要根据具体情况灵活应用。

一般都推荐用双鞍座，对于两个以上的鞍座，由于基础水平高度不等、安装时存在垂直误差，地基的非均匀沉降、壳体不直和不圆等微小差异以及容器不同部位在受力挠曲的相对变形不同，使支座反力难以被各支点平均分摊，导致壳体应力趋大。

以前见过一些设计人员，因为调整包角和鞍座间距后还无法计算通过，最后加厚了筒体。

因鞍座计算而加厚筒体是下下策，不到万不得已，无计可施，死马当活马医，不要轻易加厚筒体。

除非是整体应力σ1~σ4无论如何过不去，大多数情况下，这种加厚是没有必要的。

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3.长跨距大直径薄壁的卧式容器

一般的鞍座很容易通过，对于长跨距的大直径薄壁卧式容器，应该如何调整呢？

大直径长跨距意味这设备比较重，受力比较大。

薄壁又使得鞍座对于筒体的应力分布影响较大，筒体自身的抗弯性能，承载能力比较弱，一般σ6和σ6‘无法通过。

在鞍座包角已经最大，且起加强作用的情况下，鞍座位置是保持小于0.5Ri还是调整0.2L呢？

在标准释义里，是这么回答的，既要又要：

在实践中，鱼和熊掌，二者不可得兼，必须要舍弃一种。

那么应该如何取舍呢？

如果鞍座能够靠近封头，就计算通过是最好的。

如果不行，可以考虑加加强圈，使得鞍座处筒体截面保持圆形，此时相当于鞍座靠近了封头的效果。

所以面对前面的问题，一般会选择鞍座增加加强圈，调整鞍座间距，使得鞍座位置在0.2L附近。

终究到底：

鞍座的弯矩分布可以通过调整距离A，这是稀缺的。

但是加强不仅仅封头可以，加强圈也可以，这不是稀缺的。

那么对于大跨距的，增加加强圈来计算是非常经济合理的。

有朋友会说：

加了加强圈会使得筒体上的开孔位置变少了，特别是上部管口比较多的情况。

这个问题应该这么考虑：

对于大直径的薄壁容器，如果封头对于鞍座没有加强，在筒体上方，属于不能承受纵向弯矩的无效截面，这种现象被称为“扁塌效应”。

虽然规范无法考虑，无法评估后果，原则上，尽量不要在无效区的筒体上开孔，特别是大孔。

麻绳专挑细处断，得饶人处且饶人，何必专在一个地方薅呢？

在此处开孔本身就不可取，又何来浪费的道理。

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4. 分析验证

对于卧式容器，或者卧式运输的塔器，跨距非常长时，其设备的弯曲变形也是很大的。

曾经有一台高塔，塔顶部有1/3是悬挑在运输支座外的，晃悠悠的运输。运输完后出现了永久的变形。

在考虑封头加强还是考虑挪动鞍座位置之间，下图是优先考虑封头加强，强度计算虽然通过了，但是导致筒体中间部分的挠度比较大，肉眼可以看到已经下沉了。

加加强圈不但能够降低应力值，还有一个隐形福利：降低变形。

为了对于大直径，大跨距的卧式容器的鞍座有个直观了解，我们不妨分析一下，看看各种情况下的变形和应力分布。

比如一台直径为4米，长度40米，厚度20mm的卧式容器。按照力学模型计算其挠度：

在空罐的情况下，代入挠度计算公式，挠度为6.5mm。

进行有限元法分析，可以得到最大挠度在中间，其值为7.8mm。实际的挠度大于按照梁公式计算出来的挠度。

满液体时，按照上面公式计算，挠度为47.3mm。

在加上1MPa压力和装满水后，其最大挠度为58.4mm。

从云图上可以看到，封头对于鞍座截面起加强作用，鞍座截面大体上是圆形。

当鞍座移动到0.2L=8米处，自重下其最大挠度为5.9mm<7.8mm。

加压加液体后的最大挠度为43mm<58.4mm。

只要移动鞍座位置到0.2L附近，使得挠度降低，容器的挠度会有很多的改善。

看其变形，在鞍座截面上已经无法保持圆形截面，出现无效区。

如果鞍座加了加强圈后，挠度和应力值会进一步的下降。加加强圈空罐挠度1.5mm<5.9mm<7.8mm。

在1MPa压力和水压情况下的挠度：

10.7mm<43mm<58.4mm。

应力值也大大下降，最大应力点由鞍座垫板边缘转移到了加强圈外沿。应力值由609MPa下降到294MPa。

对比如下:

工况	梁公式	封头加强	0.2L处无加强圈	0.2L处有加强圈
空罐位移mm	6.5	7.8	5.9	1.5
满液加压位移mm	47.3	58.4	43	36.6
空罐应力值MPa		56	81.5	10.7
满液加压应力值MPa		319.4	609.6	294.2

加加强圈，无论是变形还是应力都得到非常大的改善。

5. 结论

卧式容器的鞍座布置对于应力分布有很大的影响。

通过第二段的内容可以比较快速的调整卧式容器鞍座计算。

优先采用改善整体弯矩分布的方式（移动鞍座到~0.2L附近）调整鞍座，如果封头无法起到加强作用，可以在鞍座处加加强圈的方式，使得鞍座截面保持圆形，并降低整体的变形。

加强圈一般采用T型钢或者工字钢。

当温度比较高时，需要考虑加强圈的约束带来的温差应力，有必要的情况下，采用保温措施，使得加强圈温度均匀，或做温度场分析。

文章来源压力容器唯心不易