戴建紅

0 前言

某公司設(shè)計(jì)制造了一批立式壓力容器設(shè)備，此批設(shè)備用戶為了出料方便，要求用腿式支座。一般直徑小的立式設(shè)備的腿式支座按JB/T4712-2007《容器支座》標(biāo)準(zhǔn)選用就可以了，不必進(jìn)行計(jì)算。但其中有一臺(tái)設(shè)備內(nèi)徑已超過2 500 mm，又由于物料比較重，按標(biāo)準(zhǔn)要求此設(shè)備應(yīng)選用受力比較好的裙座結(jié)構(gòu)[1]，且用裙座結(jié)構(gòu)可以用SW6軟件進(jìn)行穩(wěn)定性及強(qiáng)度計(jì)算。經(jīng)與用戶溝通，為了出料方便，最后還是選用了腿式支座。筆者參考了JB/T4712-2007《容器支座》、GB12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》及《化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》，對(duì)此臺(tái)設(shè)備腿式支座進(jìn)行了詳細(xì)地計(jì)算，保證了支座的穩(wěn)定性及強(qiáng)度要求。

1 計(jì)算示例

設(shè)備內(nèi)徑為2 800 mm，壁厚為16 mm，主材為Q345R，計(jì)算時(shí)支柱需支承的總重取操作狀態(tài)下的總重量和水壓試驗(yàn)狀態(tài)下的總重量兩者中最大值Qmax=13 650 kg。憑經(jīng)驗(yàn)，選用四條材質(zhì)為20#的無縫鋼管φ219 mm×6 mm進(jìn)行計(jì)算。

1.1 支柱穩(wěn)定性及強(qiáng)度校核

1.1.1 各力的計(jì)算

受力簡圖如圖1所示。

1.1.1.1 由重量產(chǎn)生的單根支柱軸向壓力

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級(jí)地震）

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

1.1.1.3 由地震力引起的彎矩計(jì)算

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

1.1.1.4 由最大計(jì)算彎矩產(chǎn)生的單根支柱的軸向壓力（由于安裝在室內(nèi)，不考慮風(fēng)載荷的影響）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 單根支柱承受的最大軸向壓力N

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

1.1.1.6 單根支柱承受的橫向推力F

圖1 受力簡圖

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

1.1.2 在彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性驗(yàn)算

1.1.2.1 在彎曲平面內(nèi)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 支柱的橫截面積

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

1.1.2.3 支柱的橫截面模數(shù)

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 支柱的計(jì)算長度L0=μ·L

查[3]表7-3-1得計(jì)算長度換算系數(shù)μ=0.85

故L0=0.85×301.5=256.275 cm

1.1.2.6 支柱慣性半徑，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 支柱的細(xì)長比

λ=L0/r=256.275/7.455=34.38

查[3]表7-3-5得φ=0.186

1.1.2.8 在彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定驗(yàn)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]，故滿足穩(wěn)定要求。

1.1.2.9 在出彎矩作用平面的穩(wěn)定驗(yàn)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]，故滿足穩(wěn)定要求。

1.1.3 按強(qiáng)度考慮支柱的承載能力

支柱應(yīng)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]，故滿足強(qiáng)度要求。

1.2 地腳螺栓計(jì)算

支柱底板與基礎(chǔ)的摩擦力為：

Fs=fsQmin/n=0.4×5650/4=565 kg＜單根支柱承受的橫向推力F，

式中fs查[2]中第27頁，鋼-混凝土，fs=0.4[2]，Qmin為設(shè)備凈重。

故不需設(shè)置地腳螺栓，現(xiàn)取每個(gè)支柱4-M16地腳螺栓作固定位置用。

1.3 基礎(chǔ)板計(jì)算

支柱最大壓力：Wmax=N=4 918.1 kgf

基礎(chǔ)許用壓應(yīng)力：[σ]bc=30 kgf/cm2

支柱底板直徑：

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

故取基礎(chǔ)板為35 cm×35 cm。

基礎(chǔ)板的壓應(yīng)力：

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

底板外邊緣至支柱表面的距離：

Lb=（350-219）/2=65.5 mm=6.55 cm

底板材料為Q235-A，故σs=235 MPa，

故[σ]b=σs/1.5=235/1.5=156.67 MPa=

1 535.3 kgf/cm2，

底板的腐蝕裕量Cb=3 mm，

取δb=12mm。

2 小結(jié)

從設(shè)備的使用情況來看，設(shè)備運(yùn)行良好，效果滿意，支柱沒有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，用戶也非常滿意，故以上計(jì)算方法是可行的。

［1］JB/T4712-2007.容器支座［S］.

［2］GB12337-1998.鋼制球形儲(chǔ)罐［S］.

［3］化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)［Z］.國家石油和化學(xué)工業(yè)局，1998.