淺談臥式容器鞍式支座的允許載荷

常永波

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

鞍式支座是臥式容器廣泛應用的一種支座，通常由墊板、腹板、筋板和底板構成。墊板能夠減少筒體的周向應力，筋板作用是將墊板和腹板連接起來增加鞍座剛度，用來抵抗壓縮力和外彎矩。腹板、筋板的厚度以及鞍座的高度直接決定著鞍式支座的允許載荷的大小。

1 鞍式支座的受力分析

1.1 鞍式支座腹板的水平拉應力

容器作用于鞍座的載荷見圖1。

圖1 容器作用于鞍座的載荷示意圖

此徑向載荷的水平分量即靜載荷產生的水平分力Fs，有將鞍座沿縱向截面撕裂的趨勢，該力由Zick法導出：

式中，Q為一個鞍座的反力(支承的重量)，N；K9為系數，當鞍式支座包角θ=120°時，K9=0.204；當鞍式支座包角θ=150°時，K9=0.259。

依據《臥式容器》NB/T47042-2014規定，鞍式支座腹板的水平拉應力σ9按以下兩種情況分別計算:

(1)無墊板或墊板不起加強作用時：

(1)

(2)墊板起加強作用時：

(2)

標準規范考慮到在鞍座與筒體連接處的最低點也存在周向彎矩，該彎矩在腹板應力計算時被忽略了，但該彎矩同樣有將鞍座沿縱向截面撕裂的趨勢，因此規定靜載荷在鞍座上產生水平分力的拉應力應不超過鞍座材料許用應力[σ]sa的2/3，即：

(3)

將式(1)、(2)分別代入式(3)可得兩式：

為了提高適用性，鞍式支座有無墊板或墊板不起加強作用時，則由腹板水平拉應力確定的允許載荷[Q]按下式計算:

1.2 鞍式支座組合截面內的壓應力

(1)依據《臥式容器》NB/T47042-2014規定，由地震載荷引起鞍式支座組合截面內的壓應力：

(當 FEV≤mgf 時)

(當 FEV>mgf 時)

(2)依據《臥式容器》NB/T47042-2014規定，由溫度變化引起鞍式支座組合截面內的壓應力：

以上公式中的符號說明詳見《臥式容器》NB/T47042-2014。

為拓寬鞍式支座的使用范圍，按照《鞍式支座》NB/T47065.1-2018的編制說明，鞍式支座允許載荷的計算中，取計算系數f′ =0.59作為鞍式支座組合截面內的壓應力核算依據，可以基本涵蓋地震設防烈度為9度的工況和最危險的溫差變化工況。則由鞍式支座組合截面內的壓應力確定的允許載荷[Q]按下式計算:

式中，H為鞍式支座高度，mm；Asa為鞍式腹板與筋板(筒體或墊板最低處)組合截面積，mm2；Zr為鞍式腹板與筋板(筒體或墊板最低處)組合截面的抗彎截面系數，mm3。

本文給出Asa、Zr具體的計算方法，腹板與筋板組合截面圖見圖2。

圖2 腹板與筋板組合截面圖

鞍座腹板與筋板(小端)組合截面積Asa：

鞍座腹板與筋板組合截面的形心z0：

依據材料力學中的平行軸定理，鞍座腹板與筋板組合截面的形心Iz：

鞍座腹板與筋板組合截面的抗彎截面系數Zr：

以上公式中，L為腹板長度，mm；δ2為腹板厚度，mm；b2為筋板長度，mm；δ3為筋板厚度，mm；n為筋板總數量，個。

2 鞍式支座的允許載荷確定

依據上面論述，當設備直徑，鞍座高度、材料、包角以及腹板和筋板的組合的截面尺寸都給定時，鞍式支座的允許載荷就可以通過上面的公式計算出來，取其較小值：

[Q]=min([Q]水平應力法，[Q]壓應力法)

舉例說明。鞍座材料：Q345R；鞍座材料許用應力[σ]sa：170MPa；鞍座高度H：250 mm；鞍座包角θ：120°；設備直徑Di：2800 mm；腹板長度L：2020 mm；腹板厚度δ2(b0)：18 mm；筋板長度b2：268 mm；筋板厚度δ3：18 mm；筋板總數量n：6個。

分別計算鞍座承受的水平拉應力和壓應力：

可得此鞍座的允許載荷：

[Q]=min([Q]水平應力法，[Q]壓應力法)=2183 kN

3 鞍式支座與臥式容器兩個標準中對鞍座水平拉應力控制值的不同

例如：某設備直徑3000mm，厚度110mm，設備最大質量480t，即單個鞍座最大載荷為2400 kN。選用NB/T47065.1-2018中150°包角重型鞍座，標準中給出此鞍座的允許載荷為2939 kN，能夠滿足設計要求。但是按照NB/T47042-2014強度校核計算發現鞍座的水平拉應力：

因標準墊板厚度<0.6倍筒體厚度，所以墊板不起加強作用。

σ9校核不滿足《臥式容器》NB/T47042-2014對鞍座應力的控制要求，也就是說選用的標準鞍座是無法滿足設計要求的。

因此，當選用的標準鞍式支座墊板不起加強作用時，有必要對該鞍座進行強度校核。

4 結語

(1)本文按照標準規范給出了鞍式支座的允許載荷的具體計算方法，設計人員可參考此方法進行非標鞍式支座的設計。

(2)設計臥式容器時，選用標準鞍式支座需進行強度校核。