大直徑薄壁鋼制立式容器剛性環(huán)耳式支座的設(shè)計(jì)

(云南化工設(shè)計(jì)院有限公司，云南昆明，650041)

1 前言

設(shè)計(jì)鋼制立式容器耳式支座時(shí)，若容器直徑不大于4000mm，可直接選用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)[1]，校核支座構(gòu)件本身的強(qiáng)度，按照標(biāo)準(zhǔn)給定方法校核支座處筒體所受的支座彎矩即可。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到直徑大于4000mm的鋼制立式容器，該類容器殼體薄，外載荷、高徑比大且重心不穩(wěn)，采用標(biāo)準(zhǔn)的耳式支座造成殼體的局部應(yīng)力過大，產(chǎn)生局部變形，甚至引起容器失穩(wěn)。該情況下，可采用帶蓋板環(huán)和底板環(huán)的剛性環(huán)耳式支座，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算和校核[2,3]，可有效避免大直徑薄壁容器工作時(shí)失穩(wěn)、變形帶來的安全隱患。

2 鋼制立式容器剛性環(huán)耳式支座設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

剛性環(huán)耳式支座由蓋板環(huán)、筋板和底板環(huán)組成，相較一般的耳式支座承載力更大，受力更均勻，容器更加穩(wěn)固。

本文涉及的剛性環(huán)尺寸的假設(shè)、支座處作用于剛性環(huán)上的受力以及剛性環(huán)組合截面上的內(nèi)力和應(yīng)力的計(jì)算，以及計(jì)算公式及未說明意義的符號和未提及的符號，詳見標(biāo)準(zhǔn)[2,3]所述。

圖1 剛性環(huán)組合斷面上的力和力矩圖

3 鋼制立式容器剛性環(huán)耳式支座結(jié)構(gòu)對容器殼體應(yīng)力影響分析

設(shè)計(jì)條件介紹：設(shè)備所在地區(qū)的基本風(fēng)壓：q0=300N/m2; 重力加速度：9.81m/s2; 地震設(shè)防烈度：a=7度；筒體直徑：Di=4800mm；筒體、封頭：022Cr17Ni12Mo2；墊板、底板環(huán)、蓋板環(huán)和筋板材料Q235-B；設(shè)計(jì)壓力：P=0.1MPa；設(shè)計(jì)溫度：t=118℃； 材料許用應(yīng)力：113MPa；設(shè)備總高度：H=10680mm ；不均勻系數(shù)：K=0.83；水平力作用點(diǎn)距底板高度：1900；圓筒殼體名義厚度：δn=10mm；支座地腳螺栓中心圓直徑：Db=5544mm；操作狀態(tài)下設(shè)備的總質(zhì)量：m=270300kg；圓筒殼體有效厚度：δe=8.2mm；圓筒外徑：D0=4820mm；墊板的有效厚度：δe1=8.2mm；墊板圓筒的外徑：D01=4840mm。

計(jì)算殼體所受應(yīng)力，應(yīng)分別計(jì)算底板環(huán)和蓋板環(huán)與墊板、殼體的組合截面的各種參數(shù)，通過計(jì)算得出支座處與兩支座間的內(nèi)力矩，周向力和內(nèi)力的情況，經(jīng)過有效疊加運(yùn)算，得出最佳的剛性環(huán)耳式支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于計(jì)算涉及的參數(shù)過多，本文計(jì)算的前提為剛性環(huán)耳式支座底板環(huán)的尺寸不變，經(jīng)實(shí)際計(jì)算確定底板厚度和寬度分別為35mm、500mm，可滿足底板環(huán)所需最大應(yīng)力。本文以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析蓋板環(huán)和筋板結(jié)構(gòu)對殼體應(yīng)力的影響。

3.1 蓋板環(huán)厚度和寬度對殼體應(yīng)力影響分析

取筋板的高度600mm，厚度30mm，假定支座為8個(gè)，蓋板環(huán)厚度T分別取25、30、35、40mm(寬度為350mm)，寬度B分別取250、300、350、400mm(厚度為30mm)來分析剛性環(huán)耳式支座結(jié)構(gòu)變化對殼體應(yīng)力影響分析。通過計(jì)算得出蓋板環(huán)厚度—應(yīng)力表1和蓋板環(huán)寬度—應(yīng)力表2。

從表1可知其他參數(shù)不變時(shí)，蓋板環(huán)的厚度變化對支座處和兩支座間的內(nèi)力矩和軸向力的影響很小，但對應(yīng)力的影響較大，為了更直觀表達(dá)蓋板環(huán)的厚度變化對應(yīng)力的影響，如圖2所示。

表1 蓋板環(huán)厚度—應(yīng)力表(寬度為350mm)

表2 蓋板環(huán)寬度—應(yīng)力表(厚度為30mm)

從表2可知其他參數(shù)不變時(shí)，蓋板環(huán)的寬度變化對支座處和兩支座間的軸向力的影響極小，對內(nèi)力矩影響不大，對應(yīng)力的影響較大，為了更直觀表達(dá)蓋板環(huán)的寬度變化對應(yīng)力的影響，如圖3所示。

由圖2、圖3可知，在剛性環(huán)支座其他參數(shù)不變時(shí)，蓋板環(huán)的厚度和寬度，均對支座處和兩支座間的應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響，蓋板環(huán)厚度由25mm增至40mm，支座處和兩支座間的應(yīng)力值都會(huì)明顯減小，減小幅度分別達(dá)到31%和30%；蓋板環(huán)寬度由250mm增至400mm，支座處和兩支座間的應(yīng)力同樣明顯減小，減小幅度分別達(dá)到48.5%和44.0%。

圖2 蓋板環(huán)厚度—應(yīng)力圖 圖3 蓋板環(huán)寬度—應(yīng)力圖

3.2 筋板高度對殼體應(yīng)力影響分析

取蓋板環(huán)的寬度350mm，厚度30mm，假定支座為8個(gè)，筋板厚度取30mm，高度h分別取350、400、500、600mm來分析剛性環(huán)耳式支座結(jié)構(gòu)變化對殼體應(yīng)力影響。計(jì)算得出筋板高度—應(yīng)力表3。

從表3可知，筋板高度的變化對支座處和兩支座間內(nèi)力矩、周向力和應(yīng)力都產(chǎn)生較大影響。筋板高度由350mm增至600mm，支座處和兩支座間的內(nèi)力矩分別減小41.6%和42.0%，周向力分別減小41.7%和41.7% ，應(yīng)力分別減小41.7%和41.7%應(yīng)力值，為了更直觀表達(dá)筋板高度變化對應(yīng)力的影響，如圖4所示。

3.3 剛性環(huán)耳式支座數(shù)量對殼體應(yīng)力影響分析

此處取筋板的高度500mm，厚度30mm，蓋板環(huán)的寬度350mm，厚度30mm，底板環(huán)厚度和寬度分別為35mm、500mm，以上述數(shù)據(jù)為根據(jù)對支座數(shù)量分別為4、6、8、10個(gè)時(shí)，分析剛性環(huán)耳式支座數(shù)量變化對殼體應(yīng)力影響，詳見表4。

從表4可知，支座數(shù)量的變化對支座處和兩支座間內(nèi)力矩、周向力和應(yīng)力都產(chǎn)生較大影響。支座數(shù)量由為4個(gè)增至10個(gè)，支座處和兩支座間的內(nèi)力矩分別減小60.0%和59.9%，周向力分別減小59.9%和60% ，應(yīng)力分別減小60.0%和60.0%，為了更直觀表達(dá)支座數(shù)量變化對應(yīng)力的影響，如圖5所示。(另外，本文采用的應(yīng)力單位均為MPa。)

表3 筋板高度—應(yīng)力表

表4 支座數(shù)量—應(yīng)力表

圖4 筋板高度—應(yīng)力圖 圖5 支座數(shù)量—應(yīng)力圖

4 結(jié)論

(1)通過實(shí)際案例分析得知，剛性環(huán)式耳座的結(jié)構(gòu)會(huì)對支座處和兩支座間的內(nèi)力矩、軸向力和應(yīng)力值產(chǎn)生不同程度的影響，在剛性環(huán)支座結(jié)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)不變時(shí)： ①蓋板環(huán)的厚度和寬度增加，支座處和兩支座間的應(yīng)力值都會(huì)有較大幅度的減小，減小幅度分別達(dá)到30%和44%以上；但蓋板環(huán)的厚度和寬度變化對內(nèi)力矩和軸向力的影響很小。②筋板高度的變化對支座處和兩支座間內(nèi)力矩、周向力和應(yīng)力值影響均較大。筋板高度增加，內(nèi)力矩、周向力和應(yīng)力值均大幅下降。其中，應(yīng)力值減小達(dá)到41.7%。③支座數(shù)量的變化對支座處和兩支座間內(nèi)力矩、周向力和應(yīng)力都產(chǎn)生較大影響。支座數(shù)量增加，內(nèi)力矩、周向力和應(yīng)力值均下降。其中，應(yīng)力值減小60.0%。④支座數(shù)量的變化對內(nèi)力矩、周向力和應(yīng)力值的影響最大，對于本文實(shí)例，4支座時(shí)應(yīng)力值已超出設(shè)計(jì)溫度下材料允許應(yīng)力值，不可采用。

(2)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮剛性環(huán)式耳座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，在保證容器安全使用的情況下，盡量合理選材，優(yōu)化材質(zhì)用量。

(3)剛性環(huán)耳式支座設(shè)計(jì)，是大直徑立式容器支撐的常用結(jié)構(gòu)，本文計(jì)算和分析的結(jié)果，對普遍剛性環(huán)耳式支座設(shè)計(jì)能夠起到一定的參考作用。