浅谈卧式容器鞍式支座的允许载荷

常永波

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

鞍式支座是卧式容器广泛应用的一种支座，通常由垫板、腹板、筋板和底板构成。垫板能够减少筒体的周向应力，筋板作用是将垫板和腹板连接起来增加鞍座刚度，用来抵抗压缩力和外弯矩。腹板、筋板的厚度以及鞍座的高度直接决定着鞍式支座的允许载荷的大小。

1 鞍式支座的受力分析

1.1 鞍式支座腹板的水平拉应力

容器作用于鞍座的载荷见图1。

图1 容器作用于鞍座的载荷示意图

此径向载荷的水平分量即静载荷产生的水平分力Fs，有将鞍座沿纵向截面撕裂的趋势，该力由Zick法导出：

式中，Q为一个鞍座的反力(支承的重量)，N；K9为系数，当鞍式支座包角θ=120°时，K9=0.204；当鞍式支座包角θ=150°时，K9=0.259。

依据《卧式容器》NB/T47042-2014规定，鞍式支座腹板的水平拉应力σ9按以下两种情况分别计算:

(1)无垫板或垫板不起加强作用时：

(1)

(2)垫板起加强作用时：

(2)

标准规范考虑到在鞍座与筒体连接处的最低点也存在周向弯矩，该弯矩在腹板应力计算时被忽略了，但该弯矩同样有将鞍座沿纵向截面撕裂的趋势，因此规定静载荷在鞍座上产生水平分力的拉应力应不超过鞍座材料许用应力[σ]sa的2/3，即：

(3)

将式(1)、(2)分别代入式(3)可得两式：

为了提高适用性，鞍式支座有无垫板或垫板不起加强作用时，则由腹板水平拉应力确定的允许载荷[Q]按下式计算:

1.2 鞍式支座组合截面内的压应力

(1)依据《卧式容器》NB/T47042-2014规定，由地震载荷引起鞍式支座组合截面内的压应力：

(当 FEV≤mgf 时)

(当 FEV>mgf 时)

(2)依据《卧式容器》NB/T47042-2014规定，由温度变化引起鞍式支座组合截面内的压应力：

以上公式中的符号说明详见《卧式容器》NB/T47042-2014。

为拓宽鞍式支座的使用范围，按照《鞍式支座》NB/T47065.1-2018的编制说明，鞍式支座允许载荷的计算中，取计算系数f′ =0.59作为鞍式支座组合截面内的压应力核算依据，可以基本涵盖地震设防烈度为9度的工况和最危险的温差变化工况。则由鞍式支座组合截面内的压应力确定的允许载荷[Q]按下式计算:

式中，H为鞍式支座高度，mm；Asa为鞍式腹板与筋板(筒体或垫板最低处)组合截面积，mm2；Zr为鞍式腹板与筋板(筒体或垫板最低处)组合截面的抗弯截面系数，mm3。

本文给出Asa、Zr具体的计算方法，腹板与筋板组合截面图见图2。

图2 腹板与筋板组合截面图

鞍座腹板与筋板(小端)组合截面积Asa：

鞍座腹板与筋板组合截面的形心z0：

依据材料力学中的平行轴定理，鞍座腹板与筋板组合截面的形心Iz：

鞍座腹板与筋板组合截面的抗弯截面系数Zr：

以上公式中，L为腹板长度，mm；δ2为腹板厚度，mm；b2为筋板长度，mm；δ3为筋板厚度，mm；n为筋板总数量，个。

2 鞍式支座的允许载荷确定

依据上面论述，当设备直径，鞍座高度、材料、包角以及腹板和筋板的组合的截面尺寸都给定时，鞍式支座的允许载荷就可以通过上面的公式计算出来，取其较小值：

[Q]=min([Q]水平应力法，[Q]压应力法)

举例说明。鞍座材料：Q345R；鞍座材料许用应力[σ]sa：170MPa；鞍座高度H：250 mm；鞍座包角θ：120°；设备直径Di：2800 mm；腹板长度L：2020 mm；腹板厚度δ2(b0)：18 mm；筋板长度b2：268 mm；筋板厚度δ3：18 mm；筋板总数量n：6个。

分别计算鞍座承受的水平拉应力和压应力：

可得此鞍座的允许载荷：

[Q]=min([Q]水平应力法，[Q]压应力法)=2183 kN

3 鞍式支座与卧式容器两个标准中对鞍座水平拉应力控制值的不同

例如：某设备直径3000mm，厚度110mm，设备最大质量480t，即单个鞍座最大载荷为2400 kN。选用NB/T47065.1-2018中150°包角重型鞍座，标准中给出此鞍座的允许载荷为2939 kN，能够满足设计要求。但是按照NB/T47042-2014强度校核计算发现鞍座的水平拉应力：

因标准垫板厚度<0.6倍筒体厚度，所以垫板不起加强作用。

σ9校核不满足《卧式容器》NB/T47042-2014对鞍座应力的控制要求，也就是说选用的标准鞍座是无法满足设计要求的。

因此，当选用的标准鞍式支座垫板不起加强作用时，有必要对该鞍座进行强度校核。

4 结语

(1)本文按照标准规范给出了鞍式支座的允许载荷的具体计算方法，设计人员可参考此方法进行非标鞍式支座的设计。

(2)设计卧式容器时，选用标准鞍式支座需进行强度校核。