帶剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計和計算

羅鈞

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院)

帶剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計和計算

羅鈞*

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院)

通過計算實例，對帶剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計和計算進行了闡述，對圈座設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個影響因素進行了討論，并提出了合理建議。

耳式支座剛性環(huán)設(shè)計計算殼體立式容器

0 前言

在化工領(lǐng)域的工程建設(shè)項目中，非標設(shè)備的制造與安裝始終是項目的重要組成部分，非標設(shè)備工程造價之大，是業(yè)內(nèi)人士熟知的。正確控制非標設(shè)備工程的造價，對提高建設(shè)單位的經(jīng)濟效益具有重要意義。根據(jù)以往的項目經(jīng)驗，影響設(shè)備預(yù)算的主要因素是設(shè)備的材料用量、結(jié)構(gòu)及工作壓力等，這對于立式設(shè)備來說尤為突出。所以控制好設(shè)備的材料用量，就能很好地控制設(shè)備投資成本。

在化工領(lǐng)域中，立式設(shè)備因其具有操作方便、適應(yīng)性強、制造相對簡單等特點而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。懸掛式立式設(shè)備通常通過支耳(或剛性環(huán)耳式支座)安裝在設(shè)備的支架或樓板上。當(dāng)立式設(shè)備采用支耳形式支撐時，可能因外載荷(包括設(shè)備質(zhì)量、風(fēng)載、地震載荷等)過大而造成殼體的局部應(yīng)力過大，并進而產(chǎn)生失穩(wěn)。設(shè)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來實現(xiàn)。但當(dāng)支耳數(shù)量增大(>4)時，通常會出現(xiàn)殼體周圍空間不足，各個支座底面很難保證都處于同一水平位置。而增加殼體壁厚來達到其穩(wěn)定性時，勢必會使設(shè)備重量增加，成本增多。因此，當(dāng)選擇標準支耳不能滿足穩(wěn)定性要求時，應(yīng)該進行圈座設(shè)計來實現(xiàn)穩(wěn)定性的要求。

1 帶剛性環(huán)耳式支座的特點

在大多數(shù)情況下，設(shè)計立式容器支座時可以直接選用JB/T 4712.3《耳式支座》中的標準結(jié)構(gòu)，并且不需要校核支座本身的強度，而只需使用JB/T 4712.3給出的計算方法校核風(fēng)載、地震載荷作用下支座筒體處所受的支座彎矩。但是，在實際工程中經(jīng)常會遇到不能直接套用JB/T 4712.3《耳式支座》中標準結(jié)構(gòu)的情況，即需要設(shè)計一種非標準的耳式支座才能滿足工程的需要，例如化工項目中立式設(shè)備經(jīng)常需要的圈座。圈座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，要求的殼體壁厚較薄，適用于大中型薄壁容器的安裝。在結(jié)構(gòu)上，圈座帶有上下兩個剛性環(huán)，增大了抵抗連接處局部應(yīng)力的能力。對于薄壁容器，選擇圈座安裝的穩(wěn)定性大于選用支耳安裝的穩(wěn)定性。

2 帶剛性環(huán)耳式支座實例分析

2.1 初步判斷標準支耳是否符合設(shè)計要求

已知筒體內(nèi)徑Di=1300 mm，總高度H0=8500 mm，支座底板離地面高度為6000 mm，水平作用點到支座底板的高度h1=1000 mm。設(shè)置地區(qū)的基本風(fēng)壓為q0=350 N/m2，地震設(shè)防烈度為7度(地震影響系數(shù)a=0.12)。設(shè)計壓力p=1.5 MPa，設(shè)計溫度t=200℃；材料為S30408，[σ]t=130 MPa；筒體名義厚度為12 mm，厚度附加量C=C1=0.3 mm；設(shè)備總質(zhì)量m0=31 000 kg，偏心載荷Ge=10 000 N，偏心距Se=1500 mm。

選用步驟如下：

（1）根據(jù)已知筒體的內(nèi)徑Di=1300 mm以及容器所承受的重力載荷，選用4個B5支座，δ3=10 mm，支座材料為Q345R，支座允許載荷為[Q]= 120 kN。

①計算帶剛性環(huán)耳式支座承受的實際載荷Q1

地震載荷：Pe=am0g=0.12×31 000×9.8=36 456 N

風(fēng)載荷：Pw=1.2fiq0DoH0×10-6

取fi=1.00(由于設(shè)備質(zhì)心高度為7000 mm,故fi按設(shè)備質(zhì)心距地面高度H0=10 m時取值)，因此有

安裝尺寸：

Q1>[Q]，支座本體不能滿足允許載荷要求。

②計算支座處圓筒所受的支座彎矩ML

筒體有效厚度：δe=δn-C=12-0.3=11.7 mm。

根據(jù)δe和p查JB/T 4712.3—2007中表B.1，經(jīng)內(nèi)插得[ML]=19.39 kN·m。

因為Q1>[Q]，ML>[ML]，所以4個B5支座不能滿足要求。

（2）選用4個C5支座，δ3=10 mm，其本體允許載荷為[Q]=210 kN，支座處筒體的許用彎矩[ML]=30.13 kN·m。

根據(jù)上述步驟計算得：Q1≈120.8kN，Q1<[Q]。

ML=41.07 kN·m，ML>[ML]，故4個C5支座不能滿足要求。

2.2 帶剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計和計算

2.2.1 初步確定帶剛性環(huán)耳式支座系列參數(shù)尺寸

在上述2.1節(jié)實例計算中，根據(jù)已知的筒體內(nèi)徑及重力荷載分別選用JB/T 4712.3的B5及C5耳式支座標準結(jié)構(gòu)，并對其進行校核，但兩者都無法滿足設(shè)計要求。在此情況下，必須設(shè)計非標準耳式支座。本著經(jīng)濟合理、結(jié)構(gòu)緊湊的原則，并結(jié)合實例計算中校核所得出的結(jié)論，決定參考選用JB/T 4712.3中的C5和B5耳式支座結(jié)構(gòu)尺寸。

參考C5耳式支座結(jié)構(gòu)尺寸，如下所述。

支座高度：H=430 mm；

底板：l1=250 mm，b1=180 mm，l=20 mm，S1= 90 mm；

墊板：L3=510 mm，δ3=12 mm（墊板厚度由10 mm增為12 mm），e=40 mm；

蓋板：b4=70 mm，δ4=14 mm；

地腳螺栓：d=30 mm，規(guī)格M24。

參考B5耳式支座結(jié)構(gòu)尺寸，如下所述。

筋板：l2=330 mm，b2=180 mm，δ2=12 mm（筋板厚度由10 mm增為12 mm）。

2.2.2 設(shè)計和計算步驟

由上述結(jié)構(gòu)尺寸及已知條件得出：S1=90 mm，l2=330 mm，b2=180 mm，δ2=12 mm，δ3=12 mm，Di=1300 mm，δ=12 mm，δ1=12 mm，B=70 mm，T= 14 mm，Do=1324 mm，Do1=1348 mm，h=413 mm，b=246 mm，δ0=11.7 mm，δ01=11.7 mm，n=4。

（1）安裝尺寸

（2）計算支座處作用于剛性環(huán)上的力F

支座及剛性環(huán)上的作用力如圖1所示。

圖1 支座及剛性環(huán)上的作用力

①4個支座(n=4)時的Fb

其中，質(zhì)心距設(shè)備底部的距離為l=6500 mm，Q=31 000×9.8=303 800 N。體型系數(shù)k1=0.7，質(zhì)心距離地面高度≤20 m時，k21=1.7。

（3）計算剛性環(huán)組合斷面上的內(nèi)力和應(yīng)力

①剛性環(huán)、墊板與殼體的組合截面

該組合截面如圖2所示。

圖2 剛性環(huán)、墊板與殼體的組合截面

③組合截面的慣性矩

按下式計算組合截面的慣性矩：

（4）計算支座處和兩支座中間處剛性環(huán)組合斷面上的應(yīng)力

支座處內(nèi)力矩和支座處周向力如圖3所示。

圖3 剛性環(huán)組合斷面上的力和力矩

①支座處內(nèi)力矩

按下式計算支座處內(nèi)力矩：

②支座處周向力

③支座處應(yīng)力

據(jù)上述計算結(jié)果可知，該圈座滿足要求。

符號說明：

A——組合截面的面積，mm2；

a——剛性環(huán)外緣至慣性軸的距離，mm；

a1、a2、a3——剛性環(huán)、墊板和殼體有效加強段截面中心至慣性軸X-X的距離，mm；

B——剛性環(huán)的寬度，mm；

b——反作用力Fb至殼體的力臂，mm；

Db——支座與基礎(chǔ)接觸面中心的直徑，mm；

Do——圓筒殼體的外徑，mm；

Ds——慣性軸直徑，mm；

F——剛性環(huán)上的作用力，N；

Fb——支座處反作用力，N；

h——耳式支座的高度，mm；

I1、I2、I3——剛性環(huán)、墊板和殼體有效加強段，以及組合截面對于慣性軸X-X的慣性矩，mm4；

Ls——圓筒體上有效加強寬度，mm；

M——外載荷作用在容器上的力矩，N·mm；

Mr——剛性環(huán)組合斷面上的內(nèi)力矩，N·mm；

n——耳式支座的數(shù)目；

Q——水壓試驗時設(shè)備所受的重力載荷，N；

Rs——慣性軸的半徑，mm；

T——剛性環(huán)的厚度，mm；

Tr——剛性環(huán)組合斷面上的周向力，N；

δ——圓筒殼體的厚度，mm；

δ1——墊板的厚度，mm；

δ0——筒體殼體壁厚扣除厚度附加量后的厚度，mm；

δ01——墊板扣除厚度附加量后的厚度，mm；

θ——角度(弧度)；

[σ]——剛性環(huán)材料的許用應(yīng)力，MPa。

3 帶剛性環(huán)耳式支座的優(yōu)化設(shè)計

由支座處應(yīng)力計算公式

若省略上式中等式右邊第二項（較小），可見增大I1即增大B和T。而減小的方法就要增大筋板高度h。所以，合理調(diào)整剛性環(huán)寬度B、厚度T和筋板高度h，使帶剛性環(huán)耳式支座各部分的強度都能得到充分發(fā)揮，這樣才能設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、受力合理、重量輕、耗材少的圈座，真正達到節(jié)省材料的目的。

4 結(jié)束語

通過對支耳和剛性環(huán)耳式支座特點的分析，明確了選用支座時各自所必須考慮的因素。影響支耳選型的主要因素是筒體局部應(yīng)力過大，這往往就要求增大筒體壁厚，因此筒體所用的材料量較大。而影響剛性環(huán)耳式支座結(jié)構(gòu)型式的主要因素與支耳不同，通常僅要求剛性環(huán)耳式支座本身所用的材料量增大而已。從經(jīng)濟角度上看，選用標準耳式支座所增加筒體的材料費用遠大于剛性環(huán)耳式支座本身的制造費用。從結(jié)構(gòu)角度上看，剛性環(huán)耳式支座穩(wěn)定性優(yōu)于耳式支座。

本文介紹了立式容器采用的標準及非標耳式支座的設(shè)計步驟。對于剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計，主要是對支座構(gòu)件(底板、蓋板、筋板)進行強度計算。本文先通過參考標準耳座B5和C5的結(jié)構(gòu)尺寸，然后通過剛性環(huán)組合截面的計算進行校核。若校核計算都通過，則說明所選的構(gòu)件尺寸是合適的。通過調(diào)整構(gòu)件尺寸，可使剛性環(huán)支座結(jié)構(gòu)合理、緊湊。

[1]周地.常壓懸掛式容器支座選型的優(yōu)化[J].廣東化工，2006，33（10）：78-80.

[2]國家發(fā)展和改革委員會.容器支座：第3部分耳式支座：JB/T 4712.3—2007[S].北京：新華出版社，2007.

[3]鋼制化工容器強度計算規(guī)定：HG/T 20582—2011[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[4]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.壓力容器：GB 150.1～150.4—2011[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.

中化泉州和沈鼓集團聯(lián)合研制國內(nèi)首臺4M150新氫壓縮機

中化泉州石化和沈陽鼓風(fēng)機集團公司經(jīng)過三年的研制，國產(chǎn)化的4M150新氫壓縮機組于2014年5月在中化集團泉州石化的渣油加氫工藝中試車成功，并于2016年4月通過了中國機械工業(yè)聯(lián)合會的國產(chǎn)化鑒定。鑒定專家一致認為，該項目的研制成功填補了國內(nèi)空白，各項技術(shù)指標均達到國際先進水平。

中石化泉州石化的1200萬t/a煉油項目，是中化集團建設(shè)的國家“十二五”重點項目，千萬噸級煉油廠必須采用150系列往復(fù)壓縮機。近年來，由于國內(nèi)尚無滿足要求的產(chǎn)品，國內(nèi)采用此級別的壓縮機均需從國外引進，這制約了我國煉化工業(yè)的發(fā)展。因此推動4M150新氫壓縮機的國產(chǎn)化勢在必行。4M150新氫壓縮機組的成功研發(fā)具有劃時代的意義，不僅打破了國外公司對于該機組的壟斷，也突破了國外進口的價格制約，對于石化企業(yè)降低成本意義重大。

（江鎮(zhèn)海）

Design and Calculation of Lug Support with Rigid Ring

Luo Jun

Through the example calculation,the design and calculation of the lug support with rigid ring are expounded.Several factors that should be considered in the design of the ring seat are discussed,and reasonable suggestions are put forward.

Lug support;Rigid ring;Design;Calculation;Shell;Vertical vessel

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.007

2016-08-15)

*羅鈞，男，1986年生，助理工程師。南寧市，530219。