王莎莎 曹 婷 华陆工程科技有限责任公司 西安 710065
在化工领域，耳座支撑式立式设备因其适应性强、制造相对简单等特点在工业生产中被广泛应用。此类设备通常通过支耳安装在结构的楼面或框架上，若设备承受的外载荷较大，选用耳式支座时壳体的局部应力就会超过标准给出的许用载荷，从而导致设计不合理或不经济。在考虑上述工况或设备操作承受负压作用的前提下，一般需选用刚性环支座。随着石油化工、煤化工装置的大型化，刚性环支座的使用越来越广泛[1]。但在工程实践中，高温载荷作用下的刚性环支座本体产生裂纹，导致设备失效的事故多次发生。文献[2,3]中将刚性环支座标准的适用范围限定在-20℃～200℃，并未涉及对设计温度＞200℃时刚性环支座的受力情况分析以及支座形式的选择。因此，在较高温度载荷的作用下，大型立式容器优先选用刚性环支座还是耳式支座，目前并无定论。
本文根据实际项目中某台大型立式容器的设计条件，采用有限元分析方法，对比在不同设计温度的情况下，设备支撑方式采用刚性环支座与耳式支座时，考虑温度载荷引起的温差应力时的应力强度，并得出相应的结论。
热应力是指，在温度改变时，构件内部存在温度梯度，且物体的热膨胀受到约束，使其不能完全自由膨胀收缩而产生的应力。在化工生产中，大量设备在高温高压工况下运行，若设备中的某一部件没有保温而裸露在环境温度中时，常常会出现由于内外温差较大而引起的热应力过大，从而造成设备损坏或设备使用寿命缩短，形成安全隐患，更甚者酿成不可估量的损失。
在不考虑热应力的前提下，支耳的主要破坏形式是筒体局部应力过大而造成的局部失稳。在设计中，为了达到稳定性的要求，通常会采取增加支耳数量或增大壳体壁厚的方式。但当壁厚增大时，会使设备重量增加，成本增加；
当支耳数量增加时，可能造成壳体周围空间不足，结构梁支撑较难布置且各个支耳底面水平度难以统一的问题。按照经济合理、结构紧凑的设计原则，此时可选用刚性环支座代替耳式支座。
刚性环支座要求的壳体壁厚相对较薄，适用于大中型薄壁容器的安装。从结构角度上看，刚性环支座带有上下两个刚性环，增大了抵抗连接处局部应力的能力，对于薄壁容器，其稳定性大于耳式支座；
从经济角度上看，选用耳式支座所增加的筒体材料费用远大于刚性环支座的制造费用；
从安装性能上看，刚性环支座可以确保底板的平整性，其安装精度优于耳式支座[4-6]。
对于高温下的大型立式容器，即使设备设有保温，由于部分结构裸露在环境中且支座底板与结构基础相连接，支座内部也存在较大的温度梯度，此时，将产生较大的热应力。
下面以某立式设备为例，在分别考虑相同保温厚度和不同保温厚度的情况下，对刚性环支座和耳式支座两种不同的支撑方式进行分析和比较，从而对两种支座的优缺点和适用情况进行探讨。
2.1 设备介绍
某工程项目的立式设备，直径为2100mm，高度为23.5m，设备最大质量为210t。设备结构参数见表1，支座位置和设备结构见图1 及图2。该容器采用刚性环支座，设有8 个支耳悬挂固定在基础上。
图1 设备刚性环支座俯视
图2 设备外形结构图
表1 设备结构参数
本设备选用非标准刚性环支座，上下各设有一块刚性环板加强支座的刚度。刚性环支座结构见图3，具体参数见表2。作为对比，该设备使用耳式支座时的支座结构见图4，具体参数见表3。
表3 耳式支座结构参数
图3 刚性环支座结构
图4 耳式支座结构
表2 刚性环支座结构参数
2.2 有限元模型
2.2.1 分析方法介绍
本文运用ANSYS 软件对刚性环支座进行有限元建模和应力分析，以确定在相应载荷作用下各部件的受力状况。有限元分析的基本思想是，将复杂的几何受力模型划分为形状简单的单元，构建单元的结构方程，通过单元与单元之间的节点连接关系，得到结构整体刚度方程，根据位移约束和受力状态，处理边界条件，进行求解。
本文采用顺序耦合法，即以特定的顺序求解单个物理场的模型。在建立模型、划分网格后，先进行热分析，随后转换单元类型进行结构分析，将热分析的结果作为温度载荷施加到结构分析中，完成热力耦合计算。
2.2.2 模型简化与网格划分
为方便计算，对设备结构进行简化，并根据设备结构及载荷特性，建立1/8 模型，将立式容器带刚性环支座模型简化见图5，立式容器带耳式支座模型简化见图7。
图5 立式容器带刚性环支座几何模型
图7 立式容器带耳式支座几何模型
由于本台设备涉及传热分析，为保证精度，壳体和耳座均以实体单元建模，传热分析采用实体热单元SOLID70 划分网格，结构分析采用SOLID185单元划分网格。SOLID70 单元有8 个节点，且每个节点上只有一个温度自由度，具有三个方向的热传导能力，可以用于三维静态或瞬态的热分析，从而实现匀速热流的传递。SOLID185 单元有8 个节点，且每个节点有三个沿着XYZ 平移的自由度，单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力[7-10]。立式容器带刚性环支座网格模型见图6，立式容器带耳式支座网格模型见图8。由于垫板四周的焊缝非本文重点考虑区域，忽略垫板与筒体之间的间隙，在模型中，垫板与筒体紧密贴合。
图6 立式容器带刚性环支座网格模型
图8 立式容器带耳式支座网格模型
2.2.3 载荷约束
本文主要讨论不同设计温度及结构形式下的设备的热应力问题，因此，只考虑重力、设备内压及温度载荷，而忽略地震载荷、风载荷及偏心载荷的影响。传热分析：在壳体内表面施加介质温度与壳体介质的对流换热系数之和，在保温外表面与结构裸露在环境中的表面施加环境温度与空气的对流换热系数之和，得到温度分布场；
结构分析：在耳座底板下表面受基础支撑的区域施加轴向约束，并在对称面施加对称约束。
2.3 结果与分析
2.3.1 相同保温厚度下支座的温度分布
当环境温度为20℃，设计温度分别为20℃、100℃、200℃、295℃时，在考虑相同保温厚度100mm 的条件下，刚性环支座的温度分布见图9～12，耳式支座的温度分布见图13～16。
图9 设计温度20℃刚性环支座温度分布
图10 设计温度100℃刚性环支座温度分布
图11 设计温度200℃刚性环支座温度分布
图13 设计温度20℃耳式支座温度分布
图14 设计温度100℃耳式支座温度分布
图15 设计温度200℃耳式支座温度分布
总体而言，热量沿径向向外扩散。在该方向上，由于钢材的导热系数远高于保温层，因此筒体和垫板上的温度梯度很小；
在保温层区域上下环板（盖板和底板）的温度也与垫板接近，温度梯度较小；
保温层外部，耳座温度迅速降低，温度梯度明显。随着设计温度的升高，各区域的温度梯度也等比例提高。
2.3.2 相同保温厚度下温度对刚性环支座的应力分布影响
当环境温度为20℃，设计温度分别为20℃、100℃、200℃、295℃时，在考虑相同保温厚度100mm 的条件下，刚性环支座的应力分布云图见图17～20，通过定义路径的方式读取应力值，刚性环支座的下环板与支座底板连接处夹角附近的应力值见表4。
图17 设计温度20℃刚性环支座应力分布
图18 设计温度100℃刚性环支座应力分布
图19 设计温度200℃刚性环支座应力分布
图20 设计温度295℃刚性环支座应力分布
表4 刚性环支座的下环板与支座底板连接处夹角附近的应力值
由图可知，当设计温度为20℃时，无热应力产生，刚性环支座整体应力值较低，小于筒体处应力值。
随着设计温度的升高，耳座内部出现温差，从而产生热应力。最大应力出现在筋板外侧的下环板外沿。随着设计温度的不断升高，该处应力逐渐增大，直至发生开裂。
2.3.3 相同保温厚度下温度对耳式支座的应力分布影响
当环境温度为20℃，设计温度分别为20℃、100℃、200℃、295℃时，在考虑相同保温厚度100mm 的条件下，耳式支座的应力分布云图见图21～24，通过定义路径的方式读取应力值，耳式支座底板、筋板与筒体连接处附近的应力值见表5。
表5 耳式支座的应力最大值
图21 设计温度20℃耳式支座应力分布
图22 设计温度100℃耳式支座应力分布
图23 设计温度200℃耳式支座应力分布
图24 设计温度295℃耳式支座应力分布
由图可知，当设计温度为20℃时，无热应力产生，最大应力出现在耳座底板、筋板与垫板连接处附近。
随着设计温度的升高，耳座内部出现温差，从而产生热应力。最大应力位置未发生变化。
2.3.4 不同保温厚度下温度对支座的应力分布影响
当环境温度为20℃，设计温度为295℃，保温厚度分别为50mm、200mm 时，耳式支座的温度分布云图见图25～26 所示，刚性环支座的温度分布云图见图27～28 所示；
保温厚度为100mm 时，刚性环支座的温度分布云图见图12，耳式支座的温度分布云图见图16。
图12 设计温度295℃刚性环支座温度分布
图16 设计温度295℃耳式支座温度分布
图25 保温厚度50mm 耳式支座温度分布
图26 保温厚度200mm 耳式支座温度分布
图27 保温厚度50mm 刚性环支座温度分布
图28 保温厚度200mm 刚性环支座温度分布
在温度分布的基础上，分别完成耳式支座的应力分布计算和刚性环支座的应力分布计算，通过定义路径的方式读取应力值，刚性环支座的下环板与支座底板连接处夹角附近的应力值见表6，耳式支座底板、筋板与筒体连接处附近的应力值见表7。
表6 刚性环支座的下环板与支座底板连接处夹角附近的应力值
表7 耳式支座的应力最大值
2.3.5 热应力对不同结构支座的影响
将设计温度分别为20 ℃、100 ℃、200 ℃、295℃时，在考虑相同保温厚度100mm 的条件下，刚性环支座与耳式支座的最大应力值见图29。
图29 刚性环支座与非刚性环支座的的最大应力值
当设计温度为295℃时，刚性环支座的径向位移见图30，耳式支座的径向位移见图31。
图30 设计温度295℃刚性环支座径向位移
图31 设计温度295℃耳式支座径向位移
当设计温度为20℃时，即无热应力时，刚性环支座的应力整体小于耳式支座。因此，在设计温度与环境温度相近时，大型立式薄壁容器可使用刚性环支座代替耳式支座，以达到节约材料、节省成本的目的。
随着设计温度的升高，支座温差逐渐增大，刚性环支座与耳式支座的应力均随之提升，且刚性环支座应力提升速度远高于耳式支座。即热应力对刚性环支座影响更大。
在高温工况下，刚性环支座的热应力主要表现为下环板外沿的环向拉应力。这是由于在重力作用下，刚性环支座的下环板受环向拉应力作用，上环板受环向压应力作用。设备内部温度高于环境温度时，耳座上下环板将沿径向产生温度梯度。环板内侧温度高于外侧，内侧的膨胀受到外侧限制，因此，上下环板将产生内侧受压、外侧受拉的环向热应力。对于上环板的外沿，重力和温度载荷产生的应力能相互抵消；
而对于下环板的外沿，重力和温度载荷产生的应力相互叠加。
对于耳式支座，在重力和温度载荷单独作用下，底板与盖板的受力与刚性环支座相同。但耳式支座的底板和盖板是断开的，环向膨胀受到的限制小，因此，底板环向应力增加并不明显。耳式支座的底板、筋板与垫板连接处同时存在结构不连续和较大温度梯度而产生最大应力。
耳式支座的热应力受保温厚度影响较大，在不同保温厚度下，随着保温厚度的增加，热应力逐渐减小；
刚性环支座的热应力受保温厚度影响不大。
设备的径向膨胀量由设备尺寸、设计温度和材料线膨胀系数决定，与支座形式无关。对于该设备，设计温度为295℃时，最大径向位移为4.5mm。建议设备地脚螺栓孔采用长圆孔，防止设备的径向膨胀受到地脚螺栓的限制从而导致设备热应力的升高。
本文通对某一典型立式设备的刚性环支座和耳式支座的结构进行有限元分析，得到不同设计温度下的温度分布、应力分布以及径向位移，比较了不同工况下两种支座的应力变化趋势。通过计算和分析，得出以下结论：
（1）对于耳式支座，应力最大值位置出现在筋板、下底板与垫板相连接位置附近；
对于刚性环支座，应力最大值位置出现在底板、筋板与垫板的连接处。在设备运行过程中，这些位置易产生裂纹，影响设备的使用寿命。
（2）对于承受内压的大型立式薄壁容器，当环境温度与设计温度相差不大时，可优先选择刚性环支座进行支撑。
（3）当立式设备设计温度较高时，选取支撑方式时应充分考虑温差引起的热应力，设计中应尽量避免使用刚性环支座。
（4）当考虑经济成本及场地限制等条件后，仍需选用刚性环支座，应对连接处的热应力进行计算分析，确保设计的准确合理。
（5）耳式支座的热应力受保温厚度影响较大，刚性环支座的热应力受保温厚度影响不大。
（6）当立式设备设计温度较高时，支座螺栓孔建议选取径向长圆孔。
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