立式压力容器腿式支座计算

戴建红

0 前言

某公司设计制造了一批立式压力容器设备，此批设备用户为了出料方便，要求用腿式支座。一般直径小的立式设备的腿式支座按JB/T4712-2007《容器支座》标准选用就可以了，不必进行计算。但其中有一台设备内径已超过2 500 mm，又由于物料比较重，按标准要求此设备应选用受力比较好的裙座结构[1]，且用裙座结构可以用SW6软件进行稳定性及强度计算。经与用户沟通，为了出料方便，最后还是选用了腿式支座。笔者参考了JB/T4712-2007《容器支座》、GB12337-1998《钢制球形储罐》及《化工设备设计手册》，对此台设备腿式支座进行了详细地计算，保证了支座的稳定性及强度要求。

1 计算示例

设备内径为2 800 mm，壁厚为16 mm，主材为Q345R，计算时支柱需支承的总重取操作状态下的总重量和水压试验状态下的总重量两者中最大值Qmax=13 650 kg。凭经验，选用四条材质为20#的无缝钢管φ219 mm×6 mm进行计算。

1.1 支柱稳定性及强度校核

1.1.1 各力的计算

受力简图如图1所示。

1.1.1.1 由重量产生的单根支柱轴向压力

N1=Qmax/4=13 650/4=3 412.5 kg

1.1.1.2 地震力[2]

Fe=Czam0g

其中：Cz=0.45，a=0.23（7级地震）

故Fe=0.45×0.23×13 650×9.81=13 859.3（N）=1 414.2（kgf）

1.1.1.3 由地震力引起的弯矩计算

Me=Fe·L=1 414.2×301.5=426 381.3（kg·cm）

1.1.1.4 由最大计算弯矩产生的单根支柱的轴向压力（由于安装在室内，不考虑风载荷的影响）A向：N2=Mmax/2R=426 381.3/283.2=1 505.6 kg，B向：N2=2 Mmax/2R·1/2=426 381.3/200.3·1/2=1 064.4 kg。

1.1.1.5 单根支柱承受的最大轴向压力N

N=N1+N2=3 412.5+1 505.6=4 918.1 kgf

1.1.1.6 单根支柱承受的横向推力F

图1 受力简图

F=Fe/4=1 414.2/4=353.55 kg

1.1.2 在弯矩作用平面内的稳定性验算

1.1.2.1 在弯曲平面内作用力的偏心矩

e=M/N=F·L/N=353.55×301.5/4 918.1=21.67 cm

1.1.2.2 支柱的横截面积

Am=π (D2-d2)/4=π (21.92-20.72)/4=40.15 cm2

1.1.2.3 支柱的横截面模数

Wm=π （D4-d4）/32D=π （21.94-20.74）/32 ×21.9=208.10 cm3

1.1.2.4 偏心率，由[3]式7-3-13[3]得

ε=e·Am/Wm=21.67×40.15/208.10=4.18

1.1.2.5 支柱的计算长度L0=μ·L

查[3]表7-3-1得计算长度换算系数μ=0.85

故L0=0.85×301.5=256.275 cm

1.1.2.6 支柱惯性半径，由[3]表7-3-4得

r=0.35×(D+d)/2=0.35×(21.9+20.7)/2=7.455 cm

1.1.2.7 支柱的细长比

λ=L0/r=256.275/7.455=34.38

查[3]表7-3-5得φ=0.186

1.1.2.8 在弯矩作用平面内的稳定验算

σ =N/（φAm） =4 918.1/（0.186 × 40.15） =658.57 kgf/cm2＜m[σ]

其中：查[3]表7-1-1得[σ]=1 600 kgf/cm2

查[3]表7-1-5得m=1

由于σ＜m[σ]，故满足稳定要求。

1.1.2.9 在出弯矩作用平面的稳定验算

由于λ=34.38＜100

故φ1=φ/(1+φε)=0.892/（1+0.892×4.18）=0.189

其中：φ由λ=34.38查[3]表7-3-2得φ=0.892

σ=N/(φ1Am)=4 918.1/(0.189×40.15)=648.1 kgf/cm2＜m[σ]

由于σ＜m[σ]，故满足稳定要求。

1.1.3 按强度考虑支柱的承载能力

支柱应力：

σ=N/Aj+M/Wj=N/Am+F·L/Wm=

4 918.1/40.15+353.55×301.5/208.10=

634.7 （kgf/cm2）＜m[σ]

由于σ＜m[σ]，故满足强度要求。

1.2 地脚螺栓计算

支柱底板与基础的摩擦力为：

Fs=fsQmin/n=0.4×5650/4=565 kg＜单根支柱承受的横向推力F，

式中fs查[2]中第27页，钢-混凝土，fs=0.4[2]，Qmin为设备净重。

故不需设置地脚螺栓，现取每个支柱4-M16地脚螺栓作固定位置用。

1.3 基础板计算

支柱最大压力：Wmax=N=4 918.1 kgf

基础许用压应力：[σ]bc=30 kgf/cm2

支柱底板直径：

Db2=(8～10)d+d0=(8～10)×1.6+21.9=34.7～37.9 cm

故取基础板为35 cm×35 cm。

基础板的压应力：

σbc=Wmax/A=4918.1/(35×35)=4.015 kgf/cm2

底板外边缘至支柱表面的距离：

Lb=（350-219）/2=65.5 mm=6.55 cm

底板材料为Q235-A，故σs=235 MPa，

故[σ]b=σs/1.5=235/1.5=156.67 MPa=

1 535.3 kgf/cm2，

底板的腐蚀裕量Cb=3 mm，

取δb=12mm。

2 小结

从设备的使用情况来看，设备运行良好，效果满意，支柱没有发生失稳现象，用户也非常满意，故以上计算方法是可行的。

［1］JB/T4712-2007.容器支座［S］.

［2］GB12337-1998.钢制球形储罐［S］.

［3］化工设备设计手册［Z］.国家石油和化学工业局，1998.