孫忠慧

(中國第一重型機械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江 161042)

立式壓力容器的支承包括耳式支座(分為不帶整體加強環(huán)和帶整體加強環(huán)兩種型式)、支腿、支承式支座及裙式支座。對于安放在鋼結(jié)構(gòu)框架平臺上的大型壓力容器，反應(yīng)器的質(zhì)量通常比較大，一般在幾百噸到上千噸左右，是加氫裝置中的核心設(shè)備?？紤]到設(shè)備自重、風載荷、地震載荷等多種因素對支承剛度、強度的影響，出于安全目的，需要采用特殊設(shè)計的帶整體加強環(huán)耳式支座作為支承。在對支座進行結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，除需要對帶整體加強環(huán)耳式支座本體強度進行核算外，還應(yīng)對支座的雙頭聯(lián)接螺柱進行強度核算。本文主要針對加氫反應(yīng)器帶加強環(huán)耳式支座的設(shè)計進行必要的分析和優(yōu)化。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

帶整體加強環(huán)耳式支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了彈性失效設(shè)計準則。上、下雙層剛性環(huán)與容器耳式支座之間為焊接，支座底板與鋼結(jié)構(gòu)框架平臺采用螺柱、螺母相連接，且在剛性環(huán)之間局部增加筋板進行加強。

2 帶整體加強環(huán)耳式支座的受力分析與計算

2.1 變量說明及設(shè)計條件

圓筒殼體的厚度S=178 mm，墊板的厚度S1=0 mm，圓筒殼體壁厚扣除壁厚附加量后的厚度S0=178 mm，墊板厚度扣除腐蝕裕度及負偏差后的厚度S01=0 mm，圓筒殼體的外徑D0=5 375 mm，墊板圓筒的外徑D01=5 375 mm，支座與基礎(chǔ)接觸面中心的直徑(當缺少此數(shù)據(jù)時，可按地腳螺栓中心圓直徑來計算)Db=6 615 mm，設(shè)備操作重量與充水重量之較大值m0=570 000 kg，設(shè)備最小重量mmin=330 000 kg，耳式支座的數(shù)目n=4，取規(guī)范規(guī)定的剛性環(huán)材料的許用應(yīng)力［σ］=184 MPa，地腳螺栓的許用應(yīng)力［σ］b=147 MPa，地腳螺栓材料的常溫屈服強度Re=235 MPa。

2.2 計算步驟

2.2.1 耳式支座實際承受載荷的近似計算

立式容器簡圖見圖1。耳式支座實際承受載荷的近似計算(按JB/T4725—1992 附錄A)。

用戶輸入:耳式支座至重心高度h2=2 000 mm，風壓高度變化系數(shù)fi=1.25，基本風壓q0=0.05 MPa。

圖1 立式容器簡圖Figure 1 Sketch of vertical vessel

表1 地震烈度與地震影響系數(shù)關(guān)系Table 1 Relationship between intensity and influence coefficient of earthquake

水平地震力的計算:查設(shè)防烈度與地震影響系數(shù)關(guān)系表(表1)，得地震影響系數(shù)αe=0.12。

水平地震力Pe=αem0g=671 004.0 N

水平 風 載 荷PW=1.2fiq0D02H0×10－6=59 826.0 N

取外部載荷P=Pe+0.25Pw=685 960.5 N

2.2.2 構(gòu)件計算

圖2 是耳式支座簡圖，尺寸如下:tg=60 mm，B=300 mm，c1=720 mm，T=80 mm，c=900 mm，h=1 020 mm(hmin=Db－D0)，墊板厚H=0 mm，接觸面b1=600 mm，著力點d=600 mm。

圖2 耳式支座簡圖Figure 2 Diagram of eared stand

(1)底板

耳式支座底部承受的載荷PF=Q/(c1×b1)=3.72 MPa

利用插值法求出β=0.550 9，β 是由底板長度c1和寬度b1決定的系數(shù)。

底板中的最大彎曲應(yīng)力σb=βPFb12/T2=115.3 MPa＜［σ］，校核通過。

(2)蓋板

(3)筋板

αarctg［h1/(c－B)］=57.45°

sinα=0.843

FR=Q/2×sinα=951 302.2 N

L1=csinα=758.7 mm

e=(d－c/2)sinα=126.45 mm

筋板最大合成應(yīng)力

許用壓應(yīng)力

式中，L 是筋板長度，L=h1/sinα。σc＜［σ］c，校核通過。

2.2.3 帶剛性環(huán)的耳式支座計算

(1)計算組合截面的慣性矩、墊板圓筒殼體和墊板圓筒上的有效加強寬度。

圖3 是剛性環(huán)墊板與殼體的組合截面圖。

圓筒體上有效加強寬度:

墊板圓筒上有效加強寬度:

組合截面的慣性軸X-X 的位置:

圖3 剛性環(huán)，墊板與殼體的組合截面圖Figure 3 Section drawing of rigid ring，pallet and casing combination

慣性軸的直徑:

Ds=D0+2(S1+B－a)=5 250.2 mm

剛性環(huán)、墊板和殼體有效加強段截面中心至慣性軸X-X 的距離分別為a1、a2、a3。

剛性環(huán)、墊板和殼體有效加強段對于慣性軸X-X 的慣性矩分別為I1、I2、I3。

組合截面對于慣性軸X-X 的慣性矩

I=∑i=I1+I2+I3=1.9E+09 mm4

(2)計算支座處作用于剛性環(huán)上的力

圖4 是支座及剛性環(huán)上的作用力圖。

作用于一個支座上的力Fb:

Fb=Q=1 603 895 N

支座處作用于剛性環(huán)上的力F:

式中，b=689 mm

圖4 支座及剛性環(huán)上的作用力圖Figure 4 Acting force drawing of stand and rigid ring

2.2.4 計算剛性環(huán)組合截面上的內(nèi)力、應(yīng)力

式中，n=4。

計算支座處和兩支座中間處剛性環(huán)組合斷面上的應(yīng)力:

支座處內(nèi)力矩

式中，Rs是慣性軸的半徑，Rs=0.5Ds。

組合截面的面積

A=B·T+S1Ls1+SLs=215 519 mm2

兩支座中間處內(nèi)力矩:

兩支座中間處周向力

2.2.5 地腳螺栓計算

單個地腳螺栓所受最大拉力:

單個地腳螺栓所受剪力:

由上述分析計算可知，反應(yīng)器自身穩(wěn)定，地腳螺栓僅起固定作用。

3 結(jié)論

按照上述方法設(shè)計制造的帶整體加強環(huán)耳式支座結(jié)構(gòu)，已成功應(yīng)用在國內(nèi)外多臺加氫反應(yīng)器的支承上，使用安全可靠，證明上述結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是合理的。

在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)計算結(jié)果修改結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理處。通過對計算書進行核對，并對結(jié)構(gòu)不合理處進行調(diào)整，以達到優(yōu)化設(shè)計的目的。