带整体加强环耳式支座的结构设计

孙忠慧

(中国第一重型机械股份公司铸锻钢事业部，黑龙江 161042)

立式压力容器的支承包括耳式支座(分为不带整体加强环和带整体加强环两种型式)、支腿、支承式支座及裙式支座。对于安放在钢结构框架平台上的大型压力容器，反应器的质量通常比较大，一般在几百吨到上千吨左右，是加氢装置中的核心设备。考虑到设备自重、风载荷、地震载荷等多种因素对支承刚度、强度的影响，出于安全目的，需要采用特殊设计的带整体加强环耳式支座作为支承。在对支座进行结构设计过程中，除需要对带整体加强环耳式支座本体强度进行核算外，还应对支座的双头联接螺柱进行强度核算。本文主要针对加氢反应器带加强环耳式支座的设计进行必要的分析和优化。

1 结构设计

带整体加强环耳式支座的结构设计采用了弹性失效设计准则。上、下双层刚性环与容器耳式支座之间为焊接，支座底板与钢结构框架平台采用螺柱、螺母相连接，且在刚性环之间局部增加筋板进行加强。

2 带整体加强环耳式支座的受力分析与计算

2.1 变量说明及设计条件

圆筒壳体的厚度S=178 mm，垫板的厚度S1=0 mm，圆筒壳体壁厚扣除壁厚附加量后的厚度S0=178 mm，垫板厚度扣除腐蚀裕度及负偏差后的厚度S01=0 mm，圆筒壳体的外径D0=5 375 mm，垫板圆筒的外径D01=5 375 mm，支座与基础接触面中心的直径(当缺少此数据时，可按地脚螺栓中心圆直径来计算)Db=6 615 mm，设备操作重量与充水重量之较大值m0=570 000 kg，设备最小重量mmin=330 000 kg，耳式支座的数目n=4，取规范规定的刚性环材料的许用应力［σ］=184 MPa，地脚螺栓的许用应力［σ］b=147 MPa，地脚螺栓材料的常温屈服强度Re=235 MPa。

2.2 计算步骤

2.2.1 耳式支座实际承受载荷的近似计算

立式容器简图见图1。耳式支座实际承受载荷的近似计算(按JB/T4725—1992 附录A)。

用户输入:耳式支座至重心高度h2=2 000 mm，风压高度变化系数fi=1.25，基本风压q0=0.05 MPa。

图1 立式容器简图Figure 1 Sketch of vertical vessel

表1 地震烈度与地震影响系数关系Table 1 Relationship between intensity and influence coefficient of earthquake

水平地震力的计算:查设防烈度与地震影响系数关系表(表1)，得地震影响系数αe=0.12。

水平地震力Pe=αem0g=671 004.0 N

水平 风 载 荷PW=1.2fiq0D02H0×10－6=59 826.0 N

取外部载荷P=Pe+0.25Pw=685 960.5 N

2.2.2 构件计算

图2 是耳式支座简图，尺寸如下:tg=60 mm，B=300 mm，c1=720 mm，T=80 mm，c=900 mm，h=1 020 mm(hmin=Db－D0)，垫板厚H=0 mm，接触面b1=600 mm，着力点d=600 mm。

图2 耳式支座简图Figure 2 Diagram of eared stand

(1)底板

耳式支座底部承受的载荷PF=Q/(c1×b1)=3.72 MPa

利用插值法求出β=0.550 9，β 是由底板长度c1和宽度b1决定的系数。

底板中的最大弯曲应力σb=βPFb12/T2=115.3 MPa＜［σ］，校核通过。

(2)盖板

(3)筋板

αarctg［h1/(c－B)］=57.45°

sinα=0.843

FR=Q/2×sinα=951 302.2 N

L1=csinα=758.7 mm

e=(d－c/2)sinα=126.45 mm

筋板最大合成应力

许用压应力

式中，L 是筋板长度，L=h1/sinα。σc＜［σ］c，校核通过。

2.2.3 带刚性环的耳式支座计算

(1)计算组合截面的惯性矩、垫板圆筒壳体和垫板圆筒上的有效加强宽度。

图3 是刚性环垫板与壳体的组合截面图。

圆筒体上有效加强宽度:

垫板圆筒上有效加强宽度:

组合截面的惯性轴X-X 的位置:

图3 刚性环，垫板与壳体的组合截面图Figure 3 Section drawing of rigid ring，pallet and casing combination

惯性轴的直径:

Ds=D0+2(S1+B－a)=5 250.2 mm

刚性环、垫板和壳体有效加强段截面中心至惯性轴X-X 的距离分别为a1、a2、a3。

刚性环、垫板和壳体有效加强段对于惯性轴X-X 的惯性矩分别为I1、I2、I3。

组合截面对于惯性轴X-X 的惯性矩

I=∑i=I1+I2+I3=1.9E+09 mm4

(2)计算支座处作用于刚性环上的力

图4 是支座及刚性环上的作用力图。

作用于一个支座上的力Fb:

Fb=Q=1 603 895 N

支座处作用于刚性环上的力F:

式中，b=689 mm

图4 支座及刚性环上的作用力图Figure 4 Acting force drawing of stand and rigid ring

2.2.4 计算刚性环组合截面上的内力、应力

式中，n=4。

计算支座处和两支座中间处刚性环组合断面上的应力:

支座处内力矩

式中，Rs是惯性轴的半径，Rs=0.5Ds。

组合截面的面积

A=B·T+S1Ls1+SLs=215 519 mm2

两支座中间处内力矩:

两支座中间处周向力

2.2.5 地脚螺栓计算

单个地脚螺栓所受最大拉力:

单个地脚螺栓所受剪力:

由上述分析计算可知，反应器自身稳定，地脚螺栓仅起固定作用。

3 结论

按照上述方法设计制造的带整体加强环耳式支座结构，已成功应用在国内外多台加氢反应器的支承上，使用安全可靠，证明上述结构设计方法是合理的。

在进行结构设计时应根据计算结果修改结构，避免出现结构不合理处。通过对计算书进行核对，并对结构不合理处进行调整，以达到优化设计的目的。