填料承托板的設計

黃洪波

（桂潤環境科技股份有限公司，南寧530001）

0 引言

填料承托板是化工、環保設備里面一個很重要的構件，由于大多數設備形狀為圓筒形，因此大多數承托板為圓形平板。圓平板在有關設計規范里面有一些介紹，而帶有縱向及橫向加強肋結構的平板很少或幾乎沒有祥細介紹，只是以平蓋作為壓力容器的封頭加以介紹。大直徑承托板通常都設置縱向與橫向加強肋，結構與平蓋不同，其受力情況也不一樣，承托板的設計不能直接套用平蓋封頭的設計方法。這種承托板在填料罐里面是承重構件，進行設計時要經過嚴格的計算和校核，以設計出合理可靠的結構件。因此探討一種實用、可靠、合理的承托板的設計方法具有重要意義。過濾罐、生物濾池、填料罐等常壓容器里的承托板，用于支承容器內部的填料，同時又起布水的作用。水從塔底進入，通過均勻分布在承托板上的布水孔，使上流水盡可能地均勻分布在圓形截面上，滲透填料向上流動，與填料充分接觸并發生化學反應和固液分離。由于過濾罐、生物濾池、填料罐等這些容器尺寸大，直徑可達5 m，高度可達6 m以上，所裝的填料量很大。承托板支承很重的填料，要求具有足夠的強度和剛度，以確保設備可靠穩定運行，因此承托板的設計必須經過強度校核。本文以在污水處理中用以脫氮的反硝化填料罐為例，介紹承托板的設計過程，填料罐內徑為φ3.2 m，高為7 m，填料層高為5.2 m，填料的堆積密度為1900 kg/m3。

圖2 承托板

圖1 反硝化填料罐

1 計算載荷

根據填料罐尺寸、填料層高度及填料的堆積密度1900 kg/m3，計算得填料的質量為80 t，承托板支承填料的質量，承托板屬于承受均布載荷P，計算得

參考《化工設備設計全書》之《化工容器》中的矩形容器平壁設置加強肋的方法[1]，對承托板下表面設置橫向及縱向加強肋[2]。

2 填料承托板中心支柱失穩臨界載荷的計算

填料承托板正下方設置φ89×8中心支柱，對承托板起加固作用。采用這種加固方法主要是因為承托板位置比較低，距離罐底比較近，所需的支柱高度為500 mm，可以承受很大的質量而不失穩，因而采用這種增設支柱的方法比較有效。若承托板直徑很大，可以設置多根支柱以提高承托板的承壓能力。在填料質量的重壓下需要驗算支柱的穩定性。填料罐直徑為φ3.2 m，承托板周邊支撐，承受80 t填料的質量，計算支柱失穩臨界載荷時可假設全部質量作用于支柱上，承托板下方鋼管支柱尺寸為φ89×8 mm，長度為500 mm。

承托板中心支柱失穩臨界載荷按《機械設計手冊》上公式計算[3]:

式中：η為穩定系數，查《機械設計手冊》[1]中的表1.4—52，取η=2.467；E為鋼材的彈性模量，E=2.0×105MPa；l為中心支柱高度，l=500 mm；I為支柱橫截面形心主慣性矩，計算公式為

式中：D=89 mm；d=73 mm。

支柱失穩的臨界載荷遠大于填料質量，因此支柱穩定。

3 填料承托板的設計

3.1 填料承托板厚度的計算

填料承托板的材質與罐體相同，選用碳素結構鋼Q235B鋼板這種具有良好焊接性能的材料。由于處理的污水具有較強的腐蝕性，因而焊接完畢后必須做好防腐處理，以確保設備的使用壽命。

為了提高承托板的強度和剛度，在承托板的下表面設置縱向和橫向加強肋，相鄰兩塊加強肋間距為400 mm，并且加強肋用圓圈圍起來，加強肋兩端與圓圈焊接牢固，進一步提高承托板的整體剛度。而圓圈與平板采用雙面間斷角焊縫，加強肋與平板采用雙面間斷角焊縫，即焊100 mm斷開100 mm的焊接結構，兩面焊縫錯開，以減小焊接變形。承托板的厚度按下式計算[1]：

式中：t為承托板厚度，mm；B為承托板加強肋間距，B=400 mm；P為設計壓力，P=99522 N/m2；[σ]t為材料的許用應力，取[σ]t=120 MPa；C為承托板厚度附加量，取C=0.2 mm。

將以上參數代入公式，得

取板厚t=10 mm，由于污水腐蝕性強，鋼板厚度適當增加，另外，鋼板厚度較厚，焊接后板不容易出現變形。

3.2 確定加強肋厚度

承托板采用縱向及橫向聯合加強形式，每一個加強肋的抗彎斷面系數為Wp（看成兩支點梁），在縱向上，加強肋的抗彎斷面系數Wp按下式計算[1]：

式中：Wp為縱向加強肋的抗彎斷面系數；b為縱向兩加強肋間距，b=400 mm；l為板高度，取l=1600 mm；K為系數，決定于加強肋在支點的固定方法，剛性固定時，取K=12，非剛性固定時，取K=8，本設計取K=12；[σ]t為材料的許用應力，取[σ]t=120 MPa；P為設計壓力，P=99522 N/m2。

將參數代入公式，得

橫向與縱向加強肋抗彎斷面系數相等，橫向與縱向加強肋厚度相同。

加強肋的厚度按下式計算：

在《化工設備設計全書》之《化工容器》中，推薦加強肋截面高度h=5Sp，即h=5×16=80 mm，即加強肋的截面尺寸為80 mm×16 mm。

3.3 強度校核

加強肋與平板構成的組合截面如圖3所示。

圖3 加強肋組合截面

3.3.1 組合截面慣性軸x-x的位置bx的計算

組合截面慣性軸位置按下式計算[1]：

式中：bx為組合截面慣性軸位置，mm；t為加強肋厚度，t=16 mm；b為加強肋截面高度，b=80 mm；B為單元平板寬度（即相鄰兩加強肋之間的寬度），B=400 mm；T為承托板厚度，T=10 mm。

將以上各參數代入上式，得

慣性軸x-x到平板中性軸的距離y=80-74+5=11 mm

3.3.2 帶加強肋的單元平板的抗彎斷面系數ωpc的計算

在《化工設備設計全書》之《化工容器》[1]中，抗彎斷面系數ωpc按下式計算：

滿足強度要求，表明所確定各參數是合理的。上式中，取材料許用應力[σ]=120 MPa。以上按干填料的質量進行計算，若填料經過進水浸濕后，一旦罐體把水排空，則填料中會增加大約15%的質量，即質量增加或者載荷增加了15%，按上述方法進行計算，算出組合截面的應力為σ=121 MPa＜1.2[σ]，仍然滿足強度要求。當設備處于運行狀態，填料浸泡在水中，由于水的浮力作用，抵消了部分填料的重力，因此運行狀態下承托板承受的重力會更小，承托板的組合截面應力也更小，因而承托板更安全。

4 結語

對于大直徑帶加強肋的填料承托板，并且在填料罐內位置比較低，離罐底很近，這種情況的承托板比較適合采用設置中心支柱的方法來提高承托板的強度和剛度，無需增加鋼板的厚度便可滿足強度要求，從而減輕了承托板的質量并節省了材料，也使其結構更加合理。其次，通過對承托板設置縱向及橫向加強肋，能有效提高承托板的整體剛度。另外需要說明，在本實例中，承托板上開出布水孔，這些布水孔孔徑較小，孔中心距大，對承托板的強度和剛度的影響微小，在開孔邊緣會出現一定的應力集中，但只在開孔處很小的范圍內，離開孔邊緣應力集中便迅速衰減，對整體的影響很小，因此設計計算時忽略了板開孔的影響，把承托板當成實心板來設計。