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        立式壓力容器腿式支座計(jì)算

        2014-03-26 06:58:48戴建紅
        機(jī)電工程技術(shù) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:單根支柱支座

        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?jī)烧咧凶畲笾礠max=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(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)度L0=μ·L

        查[3]表7-3-1得計(jì)算長(zhǎng)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(zhǎng)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(yè),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(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局,1998.

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