塔支撑件及支撑梁的校核计算研究
2019-03-27刘永科董贵菡姜海瑞
刘永科，董贵菡，姜海瑞
（1.海南中海石油码头有限公司，海南 澄迈 571924； 2.中海油安全技术服务有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）
按塔的内件结构分，塔可以分为板式塔和填料塔。目前，国内塔器设计标准中尚未涉及塔内件支撑结构的内容。因此，设计塔内件时，支撑件及支撑梁的强度和整体稳定性设计计算至关重要[1]。
早期的填料支撑板采用多孔板结构，最大开孔率仅为25%。气液两相逆向通过同一孔道，产生较大流动阻力，同时因平面多孔板的承载能力不佳，故显得强度不足。若为满足强度而增加板厚，则构件又过于笨重。因此，填料支撑板已不再采用多半孔结构了。
经改进后，填料支撑板采用焊接圆环支撑板、金属网支撑板及常用的栅板等结构。前两种结构的空隙率虽高，但强度较差，实际很少应用。栅板则因具有结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小等优点而得到较普遍的应用[2]。
本文讨论填料塔支撑件（栅板）以及支撑梁（单梁或双梁）的设计计算。
1 力学模型及公式
计算栅板和支撑梁的强度时，假定栅板和支撑梁各为一承受均布载荷的两端简支的梁，略去填料对塔器的摩擦阻力。
填料塔的计算模型、支撑件及支撑梁简化模型及受力情况如图1、图2所示。
图1 支撑件及支撑梁简化模型及受力情况
图2 支撑件图
1.1 栅板的设计计算方法
栅板的结构简图如图3所示，由材料力学理论可以简便地求出下列公式。
式中：
M1为物料的重量，kg；
D为圆筒直径，mm；
Hi为物料i堆放高度，i=1，2，…，5，mm；
ρi为物料i密度，i=1，2，…，5，kg/m3；
M2为物料的吸附重量，kg；
t为物料的吸附容量，%；
M3为由于压差造成的支撑件所受的附加载荷，kg；
p为气体通过物料的压差，MPa；
mmax为每根支撑件承受的最大重量，kg；
q1为每根支撑件承受的均布载荷，N/mm；
f1为支撑件的最大挠度，mm；
Ix为支撑件的惯性矩，mm4；
E为支撑件的弹性模量，N/mm2；
[f1]为支撑件允许的最大挠度，mm；若f1≤[f1]，则校核合格；
W3为支撑件实际的抗弯截面系数，mm3；
[W3]为支撑件所需的抗弯截面系数，mm3；[3]若W1≤[W1]，则校核合格；
σmax为支撑件最大应力值，MPa；
[σ]为支撑件的许用应力，MPa；若σmax≤ [σ]，则应力校核合格；
M4为支撑件总重，kg；
L为支撑件的长度（考虑支撑梁的间距），mm。
1.2 支撑梁计算方法
支撑梁的简图如图4所示，由材料力学理论可以简便地求出下列公式。
图3 支撑梁结构简图
式中：
mmax1为每根支撑梁承受的最大重量[4]，kg；
Mi为见 1.1 中M1～M4，kg；
md为支撑梁单重，kg；
q2为每根支撑梁承受的均布载荷，N/mm；
a为支撑梁距塔中心线的间距，mm（当单梁支撑时a=0）；
f2为支撑梁的最大挠度，mm；
[f2]为支撑梁所允许的最大挠度，mm；
E为支撑梁的弹性模量，N/mm2；
I为支撑梁的惯性矩，mm4；
yc为支撑梁截面形心，mm；
W4为支撑梁的实际的抗弯截面系数，mm3；
[W4]为支撑梁所需的抗弯截面系数，mm3；
σmax为支撑梁最大应力值，MPa；
[σ]为支撑梁的许用应力，MPa；
M5为支撑梁总重，kg；
n为支撑梁根数，根；
N3为每根梁每侧支撑座（如图阴影部分）所含支撑筋板个数，个；
N2为筋板的数量，个；
mmax为每根梁每侧支撑座所含支撑筋板承受的最大重量，kg；
y为每侧支撑座的形心，mm；
W5为支撑座实际的抗弯截面系数，mm3；
[W5]为支撑座所需的抗弯截面系数，mm3；
σmax为支撑座的焊缝最大弯曲应力值，MPa；
[σ]为支撑座的焊缝许用弯曲应力，MPa；
a'为支撑座焊缝计算高度，取0.7×焊缝高度。
τ为支撑座的焊缝最大剪应力，MPa；
[τ]为支撑座的焊缝许用剪应力，MPa；
σc为支撑座的焊缝的折算应力，MPa[5]；
[σc]为支撑座的焊缝的抗拉强度设计值，MPa。
2 设计步骤
（1）根据塔径、载荷条件及其工作要求，选择适当的材料，确定梁的数量、截面形状和尺寸。
（2）根据本文中的公式对支撑件和支撑梁进行校核计算。
（3）满足校核条件f1≤ [f1]、W1≤ [W1]、σmax≤ [σ]和τ≤ [τ]时，校核合格。
可以根据以上推导公式，编制支撑件及支撑梁的校核计算软件，使塔器设计更加准确高效。
3 结束语
塔器的支撑件及支撑梁的强度和整体稳定性在设计计算至关重要，目前在国内塔器设计标准中没有涉及塔内件支撑结构设计的方法，笔者通过栅板设计计算公式与支撑梁设计计算公式的精确推导，并应用到支撑件及支撑梁的校核计算软件中，使塔器设计更加准确高效，并且为国内塔内件支撑结构设计方法填补了空白。
