淺談臥式容器鞍式支座的允許載荷

常永波

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

鞍式支座是臥式容器廣泛應(yīng)用的一種支座，通常由墊板、腹板、筋板和底板構(gòu)成。墊板能夠減少筒體的周向應(yīng)力，筋板作用是將墊板和腹板連接起來(lái)增加鞍座剛度，用來(lái)抵抗壓縮力和外彎矩。腹板、筋板的厚度以及鞍座的高度直接決定著鞍式支座的允許載荷的大小。

1 鞍式支座的受力分析

1.1 鞍式支座腹板的水平拉應(yīng)力

容器作用于鞍座的載荷見圖1。

圖1 容器作用于鞍座的載荷示意圖

此徑向載荷的水平分量即靜載荷產(chǎn)生的水平分力Fs，有將鞍座沿縱向截面撕裂的趨勢(shì)，該力由Zick法導(dǎo)出：

式中，Q為一個(gè)鞍座的反力(支承的重量)，N；K9為系數(shù)，當(dāng)鞍式支座包角θ=120°時(shí)，K9=0.204；當(dāng)鞍式支座包角θ=150°時(shí)，K9=0.259。

依據(jù)《臥式容器》NB/T47042-2014規(guī)定，鞍式支座腹板的水平拉應(yīng)力σ9按以下兩種情況分別計(jì)算:

(1)無(wú)墊板或墊板不起加強(qiáng)作用時(shí)：

(1)

(2)墊板起加強(qiáng)作用時(shí)：

(2)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范考慮到在鞍座與筒體連接處的最低點(diǎn)也存在周向彎矩，該彎矩在腹板應(yīng)力計(jì)算時(shí)被忽略了，但該彎矩同樣有將鞍座沿縱向截面撕裂的趨勢(shì)，因此規(guī)定靜載荷在鞍座上產(chǎn)生水平分力的拉應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)鞍座材料許用應(yīng)力[σ]sa的2/3，即：

(3)

將式(1)、(2)分別代入式(3)可得兩式：

為了提高適用性，鞍式支座有無(wú)墊板或墊板不起加強(qiáng)作用時(shí)，則由腹板水平拉應(yīng)力確定的允許載荷[Q]按下式計(jì)算:

1.2 鞍式支座組合截面內(nèi)的壓應(yīng)力

(1)依據(jù)《臥式容器》NB/T47042-2014規(guī)定，由地震載荷引起鞍式支座組合截面內(nèi)的壓應(yīng)力：

(當(dāng) FEV≤mgf 時(shí))

(當(dāng) FEV>mgf 時(shí))

(2)依據(jù)《臥式容器》NB/T47042-2014規(guī)定，由溫度變化引起鞍式支座組合截面內(nèi)的壓應(yīng)力：

以上公式中的符號(hào)說(shuō)明詳見《臥式容器》NB/T47042-2014。

為拓寬鞍式支座的使用范圍，按照《鞍式支座》NB/T47065.1-2018的編制說(shuō)明，鞍式支座允許載荷的計(jì)算中，取計(jì)算系數(shù)f′ =0.59作為鞍式支座組合截面內(nèi)的壓應(yīng)力核算依據(jù)，可以基本涵蓋地震設(shè)防烈度為9度的工況和最危險(xiǎn)的溫差變化工況。則由鞍式支座組合截面內(nèi)的壓應(yīng)力確定的允許載荷[Q]按下式計(jì)算:

式中，H為鞍式支座高度，mm；Asa為鞍式腹板與筋板(筒體或墊板最低處)組合截面積，mm2；Zr為鞍式腹板與筋板(筒體或墊板最低處)組合截面的抗彎截面系數(shù)，mm3。

本文給出Asa、Zr具體的計(jì)算方法，腹板與筋板組合截面圖見圖2。

圖2 腹板與筋板組合截面圖

鞍座腹板與筋板(小端)組合截面積Asa：

鞍座腹板與筋板組合截面的形心z0：

依據(jù)材料力學(xué)中的平行軸定理，鞍座腹板與筋板組合截面的形心Iz：

鞍座腹板與筋板組合截面的抗彎截面系數(shù)Zr：

以上公式中，L為腹板長(zhǎng)度，mm；δ2為腹板厚度，mm；b2為筋板長(zhǎng)度，mm；δ3為筋板厚度，mm；n為筋板總數(shù)量，個(gè)。

2 鞍式支座的允許載荷確定

依據(jù)上面論述，當(dāng)設(shè)備直徑，鞍座高度、材料、包角以及腹板和筋板的組合的截面尺寸都給定時(shí)，鞍式支座的允許載荷就可以通過(guò)上面的公式計(jì)算出來(lái)，取其較小值：

[Q]=min([Q]水平應(yīng)力法，[Q]壓應(yīng)力法)

舉例說(shuō)明。鞍座材料：Q345R；鞍座材料許用應(yīng)力[σ]sa：170MPa；鞍座高度H：250 mm；鞍座包角θ：120°；設(shè)備直徑Di：2800 mm；腹板長(zhǎng)度L：2020 mm；腹板厚度δ2(b0)：18 mm；筋板長(zhǎng)度b2：268 mm；筋板厚度δ3：18 mm；筋板總數(shù)量n：6個(gè)。

分別計(jì)算鞍座承受的水平拉應(yīng)力和壓應(yīng)力：

可得此鞍座的允許載荷：

[Q]=min([Q]水平應(yīng)力法，[Q]壓應(yīng)力法)=2183 kN

3 鞍式支座與臥式容器兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鞍座水平拉應(yīng)力控制值的不同

例如：某設(shè)備直徑3000mm，厚度110mm，設(shè)備最大質(zhì)量480t，即單個(gè)鞍座最大載荷為2400 kN。選用NB/T47065.1-2018中150°包角重型鞍座，標(biāo)準(zhǔn)中給出此鞍座的允許載荷為2939 kN，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。但是按照NB/T47042-2014強(qiáng)度校核計(jì)算發(fā)現(xiàn)鞍座的水平拉應(yīng)力：

因標(biāo)準(zhǔn)墊板厚度<0.6倍筒體厚度，所以墊板不起加強(qiáng)作用。

σ9校核不滿足《臥式容器》NB/T47042-2014對(duì)鞍座應(yīng)力的控制要求，也就是說(shuō)選用的標(biāo)準(zhǔn)鞍座是無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求的。

因此，當(dāng)選用的標(biāo)準(zhǔn)鞍式支座墊板不起加強(qiáng)作用時(shí)，有必要對(duì)該鞍座進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范給出了鞍式支座的允許載荷的具體計(jì)算方法，設(shè)計(jì)人員可參考此方法進(jìn)行非標(biāo)鞍式支座的設(shè)計(jì)。

(2)設(shè)計(jì)臥式容器時(shí)，選用標(biāo)準(zhǔn)鞍式支座需進(jìn)行強(qiáng)度校核。