浅析A型支承式支座的设计

Analysis of Design of Type A Bracket Support

刘旭 Xu LIU , 吴忠全 Zhongquan WU

1 四川泸天化弘旭工程建设有限公司四川泸州 646300 Sichuan Lutianhua Hongxu Engineering Construction Co., Ltd., Luzhou, Sichuan 646300, China 2 泸州泸天化化工设计有限公司四川泸州 646300 Luzhou Lutianhua Chemical Engineering Design Co., Ltd., Luzhou, Sichuan 646300, China

摘要：

在立式容器支承结构中，常选用支承式支座，其设计一般符合行业标准《容器支座第4部分：支承式支座》(JB/T 4712.4—2007)的要求。以仪表空气储罐为例，分析了非标A型支承式支座的结构设计并计算了强度，结果表明：每个支座承受的实际载荷Q小于每个支座本体允许载荷[Q]，满足Q < [Q]的要求，说明仪表空气储罐A型支承式支座的设计是合格的，为立式容器中广泛采用的A型支承式支座提供了设计和计算依据，也为今后设计非标A型支承式支座提供了参考。

关键词：

容器支座; A型支承式支座; 允许载荷; 设计计算;

Abstract：

In the bracket structure of vertical vessels, bracket supports are often used, and their design generally meets the requirements of the industry standard "Vessel supports-Part 4: Bracket support" (JB/T 4712.4—2007). Taking the instrument air storage tank as an example, the structural design of the non-standard A-type bracket support is analyzed and the strength is calculated. The results show that the actual load Q of each support is less than the allowable load [Q] of each support body, and meets the requirement of Q < [Q], indicating that the design of the A-type bracket support of the instrument air storage tank is qualified. The method provides the design and calculation basis for the A-type bracket support widely used in vertical vessels, and also provides a reference for the future design of non-standard A-type bracket support.

Keyword：

vessel support; A-type bracket support; allowable load; design and calculation;

支承式支座一般用于高度不高，且离基础地面或楼面又较低的立式容器。其结构简单轻便，不需要专门的框架、钢梁来支承设备，可直接把设备载荷传递至较低的基础上，还能提供较大的操作、安装和维修空间，在立式容器中应用较为广泛。除采用符合行业标准《容器支座第4部分：支承式支座》(JB/T 4712.4—2007)要求的支座外，有关介绍非标支承式支座设计与计算的资料较少，本文为设计者提供了一种非标的A型支承式支座设计与计算的方法。

1 适用范围与设计步骤

1.1 适用范围

A型支承式支座适用于下列条件的钢制立式圆筒形容器：

① 公称直径DN 800~DN 3 000 mm；②圆筒长度L与公称直径DN之比≤5；③容器总高度H₀≤10 m。

其中：容器公称直径DN，采用钢板卷制容器筒体时为内直径，采用无缝钢管作容器筒体时为外直径；圆筒长度L为上下封头与圆筒环焊缝中心之间的距离；容器总高度H₀为上下封头外表面最顶部之间的距离，有保温层时取保温层外表面。

1.2 设计步骤

1.2.1 标准A型支承式支座

(1) 根据设备质量及作用在容器上的外载荷，计算出每个支座实际承受的载荷Q。确定每个支座实际承受载荷Q时，须考虑设备在安装时可能出现的全部支座未能同时受力等情况，此时需要采用不均匀系数k进行修正。

(2) 每个支座本体允许载荷[Q]可从行业标准JB/T 4712.4—2007表 2中查出。

表 2

符号表

符号	单位	符号含义	本例数据
Q	N	每个支座实际承受载荷	下文设计计算
D	mm	支座安装尺寸(A型支座D=2s₂)	700
g	m/s²	重力加速度	9.8
G_e	N	偏心载荷	0
H	mm	水平力作用点至底板高度	1 560
k		不均匀系数(安装3个支座时k=1，安装3个以上支座时k=0.83)	1
m₀	kg	设备总质量(包括壳体、附件、内部介质及保温层质量)	3 000
n	个	支座数量	3
P	N	水平力(取P_w和P_e+0.25P_w较大者)	3 865
P_w	N	水平风载荷	1 349
P_e	N	水平地震力	3 528
a		地震影响系数	0.12
D_o	mm	容器外径(有保温层时取保温层外径)	1 016
f_i		风压高度变化系数	1
H₀	mm	容器总高度	2 766
q₀	N/m²	10 m高度处基本风压值	400
S_e	mm	偏心距	0
H	mm	高度	257
l₁	mm	底板长度	130
b₁	mm	底板宽度	90
δ₁	mm	底板厚度	10
s₁	mm	底板宽度方向地脚螺栓孔中心至底板边缘的距离	45
s₂	mm	底板宽度方向地脚螺栓孔中心至容器中心线的距离	350
l₂	mm	筋板长度	150
b₂	mm	筋板之间的外侧距离	110
δ₂	mm	筋板厚度	8
b₃	mm	垫板宽度	190
δ₃	mm	垫板厚度	8
e	mm	垫板长度方向至筋板端部的距离	40
d	mm	地脚螺栓孔直径	24
f	MPa	底板材料抗弯强度(按钢结构设计规范确定)^[2]	215
k₁		折减系数	0.45
[σ]_c	MPa	筋板材料许用应力	113

(3) 依据每个支座实际承受载荷Q≤每个支座本体允许载荷[Q]这一原则，在行业标准JB/T 4712.4—2007表 2中选出符合该标准的支座。

1.2.2 非标A型支承式支座

(1) 根据设备质量及作用在容器上的外载荷，计算出每个支座实际承受的载荷Q。确定每个支座实际承受载荷Q时，同样需要采用不均匀系数k进行修正。

(2) 计算每个支座本体允许载荷[Q]。

(3) 依据每个支座实际承受载荷Q≤每个支座本体允许载荷[Q]这一原则，设计非标A型支承式支座。

2 设计计算

以仪表空气储罐非标A型支承式支座设计为例，结合文献[1]来分析非标A型支承式支座的设计。仪表空气储罐的示意图和支承式支座设计尺寸见图 1和图 2。

图 1

仪表空气储罐示意图

图 2

仪表空气储罐支承式支座设计尺寸

2.1 设计参数

仪表空气储罐设计项目及参数见表 1。

表 1

仪表空气储罐设计表

项目	参数
设计压力/MPa(绝压)	0.8
工作压力/MPa(绝压)	0.6
设计温度/℃	50
工作温度/℃	常温
介质	压缩空气
腐蚀裕量/mm	0
焊接接头系数(筒体/封头)	0.85/1
空设备质量/kg	675
设备充水时最大质量/kg	2 675
设备主要受压元件材料/支座材料	S30408/Q235B

2.2 设计计算时涉及到的参数符号

设计计算时涉及到的参数符号见表 2。

2.3 受力分析^[3-5]

2.3.1 每个支座实际承受载荷Q

支座的作用是承受容器的质量，若容器安装在室外或者侧面挂有重物，则在计算中要相应计入风载荷和偏心载荷。对于易发生地震的地区，还需考虑地震载荷。

当容器盛装介质时，支座中最大压应力发生在背风侧。由于静载荷与风载荷引起的附加载荷是相加的，因此背风侧支座中的应力是支座设计的控制应力。

当容器内未盛装介质时，最大拉应力发生在向风侧，此时支座中的应力为风载荷减去静载荷，因此向风侧支座中的应力是支座设计的控制应力。按式(1)计算Q值：

图 1

$Q=\frac{m_{0} g+G_{{\rm{e}}}}{k n}+\frac{4\left(P H+G_{\mathrm{{\rm{e}}}} S_{\mathrm{{\rm{e}}}}\right)}{n D} $

其中P值按式(2)~式(4)计算：

图 2

$Q=\frac{m_{0} g+G_{{\rm{e}}}}{k n}+\frac{4\left(P H+G_{\mathrm{{\rm{e}}}} S_{\mathrm{{\rm{e}}}}\right)}{n D} $

图 3

$Q=\frac{m_{0} g+G_{{\rm{e}}}}{k n}+\frac{4\left(P H+G_{\mathrm{{\rm{e}}}} S_{\mathrm{{\rm{e}}}}\right)}{n D} $

图 4

$Q=\frac{m_{0} g+G_{{\rm{e}}}}{k n}+\frac{4\left(P H+G_{\mathrm{{\rm{e}}}} S_{\mathrm{{\rm{e}}}}\right)}{n D} $

将相关数据代入式(1)中，可计算出Q为21.29 kN。

2.3.2 每个支座本体允许载荷[Q]

因A型支承式支座安装在椭圆形封头的过渡区内，且垫板为矩形，无现成的局部应力计算方法，行业标准JB/T 4712.4—2007中也没有关于A型支承式支座对封头局部应力的计算，只考虑了支座本体的允许载荷。

A型支承式支座本体允许载荷是由筋板和底板决定的，取筋板和底板两者承受的允许载荷的最小值。由于筋板的失效大多表现为压缩失稳，所以筋板可按简化为两端铰支的轴向受压的压板进行计算。底板按两边自由、两边简支的承受均布载荷的矩形板受弯进行计算。

2.3.2.1

筋板的允许载荷[Q₁]

筋板的允许载荷[Q₁]按式(5)计算：

图 5

$Q=\frac{m_{0} g+G_{{\rm{e}}}}{k n}+\frac{4\left(P H+G_{\mathrm{{\rm{e}}}} S_{\mathrm{{\rm{e}}}}\right)}{n D} $

其中折减系数k₁的确定是支承式支座设计中的一个难点。折减系数k₁的设置是为了考虑筋板稳定性的许用应力降低系数，其值与筋板的柔度λ有关。柔度λ按式(6)计算：

图 6

$Q=\frac{m_{0} g+G_{{\rm{e}}}}{k n}+\frac{4\left(P H+G_{\mathrm{{\rm{e}}}} S_{\mathrm{{\rm{e}}}}\right)}{n D} $

式中：μ——长度系数(约束影响系数)；

r——筋板的惯性半径，mm。

由于筋板可简化为两端铰支的轴向受压的压板，因此μ=1。设计中通常是将直立筋板看作一端连接在底板上，另一端支承在封头壁上的受压构件，因而可将图 3中的筋板视作断面为δ×a，长度为l₂的两端铰接，并承受轴向力的压板。本例l₂=272.3 mm，r=2.312 mm。

图 3

筋板受力示意图

将上述参数代入式(6)可计算出λ=117.8，根据图 4可以查出折减系数k₁的数值。本例k₁≈0.45。

图 4

折减系数k₁与柔度λ的关系

将相关数据代入式(5)中，可计算出[Q₁]=53.45 kN。

2.3.2.2

底板的允许载荷[Q₂]

底板的允许载荷[Q₂]按式(7)计算：

图 7

$Q=\frac{m_{0} g+G_{{\rm{e}}}}{k n}+\frac{4\left(P H+G_{\mathrm{{\rm{e}}}} S_{\mathrm{{\rm{e}}}}\right)}{n D} $

将相关数据代入式(7)中，可计算出[Q₂]=32.24 kN。

2.3.2.3

支座本体允许载荷[Q]

支座本体允许载荷[Q]取筋板和底板两者承受的允许载荷的最小值，即：

$Q=\frac{m_{0} g+G_{{\rm{e}}}}{k n}+\frac{4\left(P H+G_{\mathrm{{\rm{e}}}} S_{\mathrm{{\rm{e}}}}\right)}{n D} $

计算得，[Q] =32.24 kN。

2.3.3 结论

每个支座实际承受载荷Q=21.29 kN，每个支座本体允许载荷[Q]=32.24 kN，Q＜[Q]，故该仪表空气储罐A型支承式支座的设计是合格的。

3 结语

本文通过实例来分析非标A型支承式支座的设计并计算载荷，为立式容器中广泛采用的A型支承式支座提供了设计和计算依据，也为设计者设计非标A型支承式支座提供了参考。

ckwx 参考文献

全国锅炉压力容器标准化技术委员会.容器支座第4部分: 支承式支座: JB/T 4712.4—2007[S].北京: 新华出版社, 2007.

北京钢铁设计研究总院.钢结构设计规范: GB 50017—2003[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2003.

丁伯明, 曹文辉.石油化工设备设计选用手册:承压容器[M].北京:化学工业出版社, 2008.

丁伯明, 黄正林.化工设备设计全书:化工容器[M].北京:化学工业出版社, 2003.

叶文邦, 黄正林, 曹文辉.压力容器设计指导手册:上册[M].3版.昆明:云南科技出版社, 2015.

表 2

图 1

图 2

表 1

图 1

图 2

图 3

图 4

2.3.2.1

筋板的允许载荷[Q1]

图 5

图 6

图 3

图 4

2.3.2.2

底板的允许载荷[Q2]

图 7

2.3.2.3

支座本体允许载荷[Q]

筋板的允许载荷[Q₁]

底板的允许载荷[Q₂]