填料承托板的設(shè)計(jì)

黃洪波

（桂潤(rùn)環(huán)境科技股份有限公司，南寧530001）

0 引言

填料承托板是化工、環(huán)保設(shè)備里面一個(gè)很重要的構(gòu)件，由于大多數(shù)設(shè)備形狀為圓筒形，因此大多數(shù)承托板為圓形平板。圓平板在有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范里面有一些介紹，而帶有縱向及橫向加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)的平板很少或幾乎沒有祥細(xì)介紹，只是以平蓋作為壓力容器的封頭加以介紹。大直徑承托板通常都設(shè)置縱向與橫向加強(qiáng)肋，結(jié)構(gòu)與平蓋不同，其受力情況也不一樣，承托板的設(shè)計(jì)不能直接套用平蓋封頭的設(shè)計(jì)方法。這種承托板在填料罐里面是承重構(gòu)件，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算和校核，以設(shè)計(jì)出合理可靠的結(jié)構(gòu)件。因此探討一種實(shí)用、可靠、合理的承托板的設(shè)計(jì)方法具有重要意義。過濾罐、生物濾池、填料罐等常壓容器里的承托板，用于支承容器內(nèi)部的填料，同時(shí)又起布水的作用。水從塔底進(jìn)入，通過均勻分布在承托板上的布水孔，使上流水盡可能地均勻分布在圓形截面上，滲透填料向上流動(dòng)，與填料充分接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和固液分離。由于過濾罐、生物濾池、填料罐等這些容器尺寸大，直徑可達(dá)5 m，高度可達(dá)6 m以上，所裝的填料量很大。承托板支承很重的填料，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以確保設(shè)備可靠穩(wěn)定運(yùn)行，因此承托板的設(shè)計(jì)必須經(jīng)過強(qiáng)度校核。本文以在污水處理中用以脫氮的反硝化填料罐為例，介紹承托板的設(shè)計(jì)過程，填料罐內(nèi)徑為φ3.2 m，高為7 m，填料層高為5.2 m，填料的堆積密度為1900 kg/m3。

圖2 承托板

圖1 反硝化填料罐

1 計(jì)算載荷

根據(jù)填料罐尺寸、填料層高度及填料的堆積密度1900 kg/m3，計(jì)算得填料的質(zhì)量為80 t，承托板支承填料的質(zhì)量，承托板屬于承受均布載荷P，計(jì)算得

參考《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書》之《化工容器》中的矩形容器平壁設(shè)置加強(qiáng)肋的方法[1]，對(duì)承托板下表面設(shè)置橫向及縱向加強(qiáng)肋[2]。

2 填料承托板中心支柱失穩(wěn)臨界載荷的計(jì)算

填料承托板正下方設(shè)置φ89×8中心支柱，對(duì)承托板起加固作用。采用這種加固方法主要是因?yàn)槌型邪逦恢帽容^低，距離罐底比較近，所需的支柱高度為500 mm，可以承受很大的質(zhì)量而不失穩(wěn)，因而采用這種增設(shè)支柱的方法比較有效。若承托板直徑很大，可以設(shè)置多根支柱以提高承托板的承壓能力。在填料質(zhì)量的重壓下需要驗(yàn)算支柱的穩(wěn)定性。填料罐直徑為φ3.2 m，承托板周邊支撐，承受80 t填料的質(zhì)量，計(jì)算支柱失穩(wěn)臨界載荷時(shí)可假設(shè)全部質(zhì)量作用于支柱上，承托板下方鋼管支柱尺寸為φ89×8 mm，長(zhǎng)度為500 mm。

承托板中心支柱失穩(wěn)臨界載荷按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上公式計(jì)算[3]:

式中：η為穩(wěn)定系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]中的表1.4—52，取η=2.467；E為鋼材的彈性模量，E=2.0×105MPa；l為中心支柱高度，l=500 mm；I為支柱橫截面形心主慣性矩，計(jì)算公式為

式中：D=89 mm；d=73 mm。

支柱失穩(wěn)的臨界載荷遠(yuǎn)大于填料質(zhì)量，因此支柱穩(wěn)定。

3 填料承托板的設(shè)計(jì)

3.1 填料承托板厚度的計(jì)算

填料承托板的材質(zhì)與罐體相同，選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B鋼板這種具有良好焊接性能的材料。由于處理的污水具有較強(qiáng)的腐蝕性，因而焊接完畢后必須做好防腐處理，以確保設(shè)備的使用壽命。

為了提高承托板的強(qiáng)度和剛度，在承托板的下表面設(shè)置縱向和橫向加強(qiáng)肋，相鄰兩塊加強(qiáng)肋間距為400 mm，并且加強(qiáng)肋用圓圈圍起來，加強(qiáng)肋兩端與圓圈焊接牢固，進(jìn)一步提高承托板的整體剛度。而圓圈與平板采用雙面間斷角焊縫，加強(qiáng)肋與平板采用雙面間斷角焊縫，即焊100 mm斷開100 mm的焊接結(jié)構(gòu)，兩面焊縫錯(cuò)開，以減小焊接變形。承托板的厚度按下式計(jì)算[1]：

式中：t為承托板厚度，mm；B為承托板加強(qiáng)肋間距，B=400 mm；P為設(shè)計(jì)壓力，P=99522 N/m2；[σ]t為材料的許用應(yīng)力，取[σ]t=120 MPa；C為承托板厚度附加量，取C=0.2 mm。

將以上參數(shù)代入公式，得

取板厚t=10 mm，由于污水腐蝕性強(qiáng)，鋼板厚度適當(dāng)增加，另外，鋼板厚度較厚，焊接后板不容易出現(xiàn)變形。

3.2 確定加強(qiáng)肋厚度

承托板采用縱向及橫向聯(lián)合加強(qiáng)形式，每一個(gè)加強(qiáng)肋的抗彎斷面系數(shù)為Wp（看成兩支點(diǎn)梁），在縱向上，加強(qiáng)肋的抗彎斷面系數(shù)Wp按下式計(jì)算[1]：

式中：Wp為縱向加強(qiáng)肋的抗彎斷面系數(shù)；b為縱向兩加強(qiáng)肋間距，b=400 mm；l為板高度，取l=1600 mm；K為系數(shù)，決定于加強(qiáng)肋在支點(diǎn)的固定方法，剛性固定時(shí)，取K=12，非剛性固定時(shí)，取K=8，本設(shè)計(jì)取K=12；[σ]t為材料的許用應(yīng)力，取[σ]t=120 MPa；P為設(shè)計(jì)壓力，P=99522 N/m2。

將參數(shù)代入公式，得

橫向與縱向加強(qiáng)肋抗彎斷面系數(shù)相等，橫向與縱向加強(qiáng)肋厚度相同。

加強(qiáng)肋的厚度按下式計(jì)算：

在《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書》之《化工容器》中，推薦加強(qiáng)肋截面高度h=5Sp，即h=5×16=80 mm，即加強(qiáng)肋的截面尺寸為80 mm×16 mm。

3.3 強(qiáng)度校核

加強(qiáng)肋與平板構(gòu)成的組合截面如圖3所示。

圖3 加強(qiáng)肋組合截面

3.3.1 組合截面慣性軸x-x的位置bx的計(jì)算

組合截面慣性軸位置按下式計(jì)算[1]：

式中：bx為組合截面慣性軸位置，mm；t為加強(qiáng)肋厚度，t=16 mm；b為加強(qiáng)肋截面高度，b=80 mm；B為單元平板寬度（即相鄰兩加強(qiáng)肋之間的寬度），B=400 mm；T為承托板厚度，T=10 mm。

將以上各參數(shù)代入上式，得

慣性軸x-x到平板中性軸的距離y=80-74+5=11 mm

3.3.2 帶加強(qiáng)肋的單元平板的抗彎斷面系數(shù)ωpc的計(jì)算

在《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書》之《化工容器》[1]中，抗彎斷面系數(shù)ωpc按下式計(jì)算：

滿足強(qiáng)度要求，表明所確定各參數(shù)是合理的。上式中，取材料許用應(yīng)力[σ]=120 MPa。以上按干填料的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，若填料經(jīng)過進(jìn)水浸濕后，一旦罐體把水排空，則填料中會(huì)增加大約15%的質(zhì)量，即質(zhì)量增加或者載荷增加了15%，按上述方法進(jìn)行計(jì)算，算出組合截面的應(yīng)力為σ=121 MPa＜1.2[σ]，仍然滿足強(qiáng)度要求。當(dāng)設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，填料浸泡在水中，由于水的浮力作用，抵消了部分填料的重力，因此運(yùn)行狀態(tài)下承托板承受的重力會(huì)更小，承托板的組合截面應(yīng)力也更小，因而承托板更安全。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大直徑帶加強(qiáng)肋的填料承托板，并且在填料罐內(nèi)位置比較低，離罐底很近，這種情況的承托板比較適合采用設(shè)置中心支柱的方法來提高承托板的強(qiáng)度和剛度，無需增加鋼板的厚度便可滿足強(qiáng)度要求，從而減輕了承托板的質(zhì)量并節(jié)省了材料，也使其結(jié)構(gòu)更加合理。其次，通過對(duì)承托板設(shè)置縱向及橫向加強(qiáng)肋，能有效提高承托板的整體剛度。另外需要說明，在本實(shí)例中，承托板上開出布水孔，這些布水孔孔徑較小，孔中心距大，對(duì)承托板的強(qiáng)度和剛度的影響微小，在開孔邊緣會(huì)出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，但只在開孔處很小的范圍內(nèi)，離開孔邊緣應(yīng)力集中便迅速衰減，對(duì)整體的影響很小，因此設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)忽略了板開孔的影響，把承托板當(dāng)成實(shí)心板來設(shè)計(jì)。