大直径薄壁钢制立式容器刚性环耳式支座的设计

(云南化工设计院有限公司，云南昆明，650041)

1 前言

设计钢制立式容器耳式支座时，若容器直径不大于4000mm，可直接选用标准结构[1]，校核支座构件本身的强度，按照标准给定方法校核支座处筒体所受的支座弯矩即可。但在实际设计中，经常会遇到直径大于4000mm的钢制立式容器，该类容器壳体薄，外载荷、高径比大且重心不稳，采用标准的耳式支座造成壳体的局部应力过大，产生局部变形，甚至引起容器失稳。该情况下，可采用带盖板环和底板环的刚性环耳式支座，根据相关标准进行计算和校核[2,3]，可有效避免大直径薄壁容器工作时失稳、变形带来的安全隐患。

2 钢制立式容器刚性环耳式支座设计及强度计算

刚性环耳式支座由盖板环、筋板和底板环组成，相较一般的耳式支座承载力更大，受力更均匀，容器更加稳固。

本文涉及的刚性环尺寸的假设、支座处作用于刚性环上的受力以及刚性环组合截面上的内力和应力的计算，以及计算公式及未说明意义的符号和未提及的符号，详见标准[2,3]所述。

图1 刚性环组合断面上的力和力矩图

3 钢制立式容器刚性环耳式支座结构对容器壳体应力影响分析

设计条件介绍：设备所在地区的基本风压：q0=300N/m2; 重力加速度：9.81m/s2; 地震设防烈度：a=7度；筒体直径：Di=4800mm；筒体、封头：022Cr17Ni12Mo2；垫板、底板环、盖板环和筋板材料Q235-B；设计压力：P=0.1MPa；设计温度：t=118℃； 材料许用应力：113MPa；设备总高度：H=10680mm ；不均匀系数：K=0.83；水平力作用点距底板高度：1900；圆筒壳体名义厚度：δn=10mm；支座地脚螺栓中心圆直径：Db=5544mm；操作状态下设备的总质量：m=270300kg；圆筒壳体有效厚度：δe=8.2mm；圆筒外径：D0=4820mm；垫板的有效厚度：δe1=8.2mm；垫板圆筒的外径：D01=4840mm。

计算壳体所受应力，应分别计算底板环和盖板环与垫板、壳体的组合截面的各种参数，通过计算得出支座处与两支座间的内力矩，周向力和内力的情况，经过有效叠加运算，得出最佳的刚性环耳式支座结构设计，由于计算涉及的参数过多，本文计算的前提为刚性环耳式支座底板环的尺寸不变，经实际计算确定底板厚度和宽度分别为35mm、500mm，可满足底板环所需最大应力。本文以上述数据为基础，分析盖板环和筋板结构对壳体应力的影响。

3.1 盖板环厚度和宽度对壳体应力影响分析

取筋板的高度600mm，厚度30mm，假定支座为8个，盖板环厚度T分别取25、30、35、40mm(宽度为350mm)，宽度B分别取250、300、350、400mm(厚度为30mm)来分析刚性环耳式支座结构变化对壳体应力影响分析。通过计算得出盖板环厚度—应力表1和盖板环宽度—应力表2。

从表1可知其他参数不变时，盖板环的厚度变化对支座处和两支座间的内力矩和轴向力的影响很小，但对应力的影响较大，为了更直观表达盖板环的厚度变化对应力的影响，如图2所示。

表1 盖板环厚度—应力表(宽度为350mm)

表2 盖板环宽度—应力表(厚度为30mm)

从表2可知其他参数不变时，盖板环的宽度变化对支座处和两支座间的轴向力的影响极小，对内力矩影响不大，对应力的影响较大，为了更直观表达盖板环的宽度变化对应力的影响，如图3所示。

由图2、图3可知，在刚性环支座其他参数不变时，盖板环的厚度和宽度，均对支座处和两支座间的应力产生较大的影响，盖板环厚度由25mm增至40mm，支座处和两支座间的应力值都会明显减小，减小幅度分别达到31%和30%；盖板环宽度由250mm增至400mm，支座处和两支座间的应力同样明显减小，减小幅度分别达到48.5%和44.0%。

图2 盖板环厚度—应力图 图3 盖板环宽度—应力图

3.2 筋板高度对壳体应力影响分析

取盖板环的宽度350mm，厚度30mm，假定支座为8个，筋板厚度取30mm，高度h分别取350、400、500、600mm来分析刚性环耳式支座结构变化对壳体应力影响。计算得出筋板高度—应力表3。

从表3可知，筋板高度的变化对支座处和两支座间内力矩、周向力和应力都产生较大影响。筋板高度由350mm增至600mm，支座处和两支座间的内力矩分别减小41.6%和42.0%，周向力分别减小41.7%和41.7% ，应力分别减小41.7%和41.7%应力值，为了更直观表达筋板高度变化对应力的影响，如图4所示。

3.3 刚性环耳式支座数量对壳体应力影响分析

此处取筋板的高度500mm，厚度30mm，盖板环的宽度350mm，厚度30mm，底板环厚度和宽度分别为35mm、500mm，以上述数据为根据对支座数量分别为4、6、8、10个时，分析刚性环耳式支座数量变化对壳体应力影响，详见表4。

从表4可知，支座数量的变化对支座处和两支座间内力矩、周向力和应力都产生较大影响。支座数量由为4个增至10个，支座处和两支座间的内力矩分别减小60.0%和59.9%，周向力分别减小59.9%和60% ，应力分别减小60.0%和60.0%，为了更直观表达支座数量变化对应力的影响，如图5所示。(另外，本文采用的应力单位均为MPa。)

表3 筋板高度—应力表

表4 支座数量—应力表

图4 筋板高度—应力图 图5 支座数量—应力图

4 结论

(1)通过实际案例分析得知，刚性环式耳座的结构会对支座处和两支座间的内力矩、轴向力和应力值产生不同程度的影响，在刚性环支座结构相应参数不变时： ①盖板环的厚度和宽度增加，支座处和两支座间的应力值都会有较大幅度的减小，减小幅度分别达到30%和44%以上；但盖板环的厚度和宽度变化对内力矩和轴向力的影响很小。②筋板高度的变化对支座处和两支座间内力矩、周向力和应力值影响均较大。筋板高度增加，内力矩、周向力和应力值均大幅下降。其中，应力值减小达到41.7%。③支座数量的变化对支座处和两支座间内力矩、周向力和应力都产生较大影响。支座数量增加，内力矩、周向力和应力值均下降。其中，应力值减小60.0%。④支座数量的变化对内力矩、周向力和应力值的影响最大，对于本文实例，4支座时应力值已超出设计温度下材料允许应力值，不可采用。

(2)实际设计时，应充分考虑刚性环式耳座的结构设计的优化，在保证容器安全使用的情况下，尽量合理选材，优化材质用量。

(3)刚性环耳式支座设计，是大直径立式容器支撑的常用结构，本文计算和分析的结果，对普遍刚性环耳式支座设计能够起到一定的参考作用。