關于帶剛性環耳式支座設計計算與分析

摘要通過對一臺立式換熱器中帶剛性環耳式支座的設計及力學分析，說明了帶剛性環耳式支座能夠較好地解決局部應力過大的問題，從而驗證了帶剛性環耳式支座設計的可靠性、合理性。

關鍵詞設計 剛性環 耳式支座 局部應力

中圖分類號:TE62文獻標識碼:A

1 引言

隨著國家經濟的飛速發展，工業生產的規模日趨擴大，石油煉化工業在國民經濟發展中的作用更加突出，而且面臨著大型化、規模化的挑戰。因此，在近幾年的工程設計中，常常會遇見由于化工裝置的大型化而應用常規方法解決不了的一些問題。由于工藝流程的需要，設備往往被要求懸空安裝在兩層構架的中間，此時，設備承載方式的設計尤為重要。通常情況下，一般選擇耳式支座作為設備的支承方式。但當容器直徑較大、殼體壁厚較薄，而外載荷較大或殼體內有負壓操作工況時，普通的耳式支座往往會使得殼體局部應力較大，變形較大，甚至引起失穩。因此，在這種情況下用剛性環來解決局部應力過大的問題。本文就是通過對一臺立式換熱器的帶剛性環耳式支座的設計計算和力學分析來證明用帶剛性環耳式支座解決局部應力過大問題的可靠性和合理性。

2 主要設計參數

3 設計和計算

3.1 筒體、封頭、接管及設備內構件的計算

該設備的筒體、封頭、接管及內構件均可根據GB150-1998《鋼制壓力容器》和GB151-1999《管殼式換熱器》的要求進行強度計算。

3.2 支座的計算

該設備的設計關鍵是支座的設計計算，為了簡單明了，用框圖的形式來陳述計算過程:

4 力學分析

4.1 耳式支座計算的分析

耳式支座承擔設備和物料等的重量，也承擔可能引起的偏心載荷及管道因熱膨脹而引起的推力等。此外，還應考慮風載荷及地震載荷的影響，其承受的外載荷情況比較復雜。在這些外載荷的作用下，不但要考慮支座本身的強度，還要考慮與支座相連部分的設備承壓殼體產生的局部應力。

框圖注①:支座本體的允許載荷[]是由筋板和底板的厚度決定的，對于大載荷的情況，增加筋板或底板的厚度均可以解決問題。 (下轉第183頁)(上接第179頁)

框圖注②:支座與圓筒(或墊板)之間連接焊縫處，只要焊腳尺寸滿足制造要求，連接焊縫內剪應力和彎曲應力的組合就能滿足承載要求。

框圖注③:在支座處，容器圓筒內的應力主要是由容器的內壓力和支座外彎矩引起的，即:(1)由壓力引起的一次總體薄膜應力;(2)由支座彎矩引起的一次局部薄膜應力和一次彎曲應力。根據應力分析的方法，對這些應力的組合按照下列原則進行限制:

i;

ii;

iii。

一般情況下，都能滿足，然而對于，兩者迭加后往往使得圓筒局部應力過大。根據應力的性質，可以用增加圓筒壁厚的方法來解決，但在實際工程應用中，這種方法顯然是不經濟的。因此，考慮用加強環(即剛性環)的方法來解決。

4.2 剛性環計算的分析

對于局部應力過高的區域，應當進行加強以降低應力水平。所以首先要計算出有效加強寬度，在此范圍內墊板及剛性環本體才能起到較好的加強效果。剛性環設在有效加強寬度的中部，可以把剛性環和剛性環兩側有效加強范圍內的筒體作為一個聯合加強件，即看作一個當量圓環(如圖示)。用力學的方法計算出該組合截面的慣性軸位置、組合截面的面積、斷面系數及慣性矩。然后將組合截面看成為一個剛性環，按受徑向集中載荷的圓環公式來求出環上的應力。由于兩支座處和兩支座中間處環上的集中應力最大，因此，校核這兩處的彎曲應力，通過來限定。

剛性環，墊板與簡體的組合截面

帶剛性環耳式支座，由于剛性環和墊板是整圓的，故在有效范圍內殼體的一整圈都承擔了附加彎矩和附加剪力，很好地解決了幾個支耳支承時圓筒局部應力過大的問題。所以，剛性環耳式支座相比標準耳座不但承載能力大，而且使承壓筒體的局部應力得以改善，使設備能長時間安全運行。

5 結束語

對于上文中所列舉的立式換熱器這類大直徑薄壁立式容器，帶剛性環耳式支座克服了該類容器由于支座處殼體局部應力較大可能引起失穩的問題。設計采用耳式支座與框架式支承結構連接的固定方式經濟合理，帶剛性環耳式支座的設計計算及力學分析切實可靠。

參考文獻

[1] 鋼制壓力容器(GB150-1998).北京:國家質量技術監督局，1998.

[2] 鋼制化工容器強度計算規定(HG20582-1998).北京:國家石油和化學工業局，1998.

[3] 管殼式換熱器(GB151-1999).北京:國家質量技術監督局，1999.

[4] 容器支座第3部分:耳式支座(JB/T4712.3-2007).北京:中華人民共和國國家發展和改革委員會，2007.