大型立式容器腿式支座的设计计算

一３６一■论文广场　石油和化工设备　２０１５年第１８卷　

大型立式容器腿式支座的设计计算　

李伟良　

（浙江省夭正设计工程有限公司，浙江杭州３１　００１　２）　

［摘要］本文依据现行标准，参考立式容器腿式支座现有的各种计算方法，给出了一个较为全面、合理的大型立式容器腿　式支座的设计计算方法，以提高大型立式容器腿式支座的安全性和可靠性。　

［关键词］立式容器；腿式支座；设计计算；校核；方法　

立式容器的支承形式一般有腿式支座、耳式　支座、支承式支座和裙座四种，各自有其适用范　围。对于大型立式容器，应优先考虑采用裙座，　如果出于某种需求或工艺要求必须采用支腿时，　则应当对支腿进行设计计算，因为这样的支腿已　经超出现行标准ＪＢ／Ｔ４７１２．１－４７１２．４—２００７《容器支　座》的适用范围。对于这种情况，工程中一般采　用腿式支座或者支承式支座，但支承式支座中的　支腿是支承在立式容器下封头上，对于大型立式　容器，其下封头上的垂直载荷较大，封头局部应　力过大，将导致封头局部变形甚至产生凹陷，因　此较多地采用腿式支座的支承形式。　

笔者依据现行标准和有关文献，整理出如下　设计计算方法。　

１设计计算　

１．１载荷计算　

一般情况下，需要考虑的载荷有风载荷、地　震载荷、容器本体重力载荷。　风载荷可按《化工设备设计全书钢架》第一　章第五节进行计算。　

地震载荷可按ＧＢ５０７６１．２０１２《石油化工钢制　设备抗震设计规范》进行计算。　

对带有动力装置的容器（如搅拌容器），其　扰力可以简化为当量静载荷Ｎ。，计入容器重力，　其值按《化工设备设计全书钢架》中式（１．１）计　算：　

Ｎｏ＝０．００９８　１．ｔ　Ｗｏ　式中：Ｎ。．当量静载荷，ｋＮ；Ｗ。．运动部分的　质量，ｋｇ；ｕ．动力系数，见其表１．１４。　当有偏心载荷时，可分解成其重力部　分（Ｎ。＝ｍ。ｇ）计入容器重力，其偏心力矩部分　（Ｍ。＝ｍ。ｇＬ。）并入水平载荷对地面产生的倾覆力矩　中。　其中：Ｎ。．偏心质量的重力，Ｎ；ｍ。一偏心质　量，ｋｇ；ｇ一重力加速度，９．８１ｍ／ｓ　：Ｍ　一偏心力　矩，Ｎ・ｍｉｌｌ；Ｌ。一偏心距，ｉｉｌｎｌ　

另外，ＪＢ／Ｔ４７１２．１～４７１２．４　２００７《容器支座》　附录Ａ中也给出了相应资料性的计算方法，可作参　考。　

１．２容器支腿受力分析　

№　Ｍｊ　Ｒ２　

Ｒ２　醋　Ｍ６　

图１　图２　

根据静力平衡（见图１），支腿底部有：　

①轴向支反力Ｒ。，单位：Ｎ；　

Ｒｌ＝Ｇ／Ｎ　式中：Ｇ．容器重力，Ｎ；Ｎ．支腿数　

作者简介：李伟良（１９８３～），男，浙江杭州人，大学本科，工　程师。主要从事化工设备设计工作。

　第６期　李伟良大型立式容器腿式支座的设计计算　一３７一　

②水平反力Ｒ２，单位：Ｎ；　

Ｒｚ＝ＰｆＮ　式中：Ｐ一水平力（取水平地震力与风载荷之　大值），Ｎ；　③轴向力Ｒ３，单位：Ｎ；　

为平衡Ｐ对地面的倾覆力矩Ｍ　［Ｍ　＝ＰＨ］，按推　导，应有Ｒ３＝４Ｍｌ／ＮＤｂ＝４ＰＨ／ＮＤｂ，　

其中：Ｍ１．水平力矩，Ｎ・ｍｍ；Ｈ一基础至水　平力作用点的距离，ｍｍ；Ｄ　．支腿中心圆直径，　

ｍｉｌｌ；　Ｒ，对图１中容器左腿为拉伸，对右腿为压缩。　在一个支腿上引起的最大应力产生在其受压侧，　故对右腿（受压缩最大）进行分析。　取支腿为隔离体，根据其下端所受的Ｒ　、　Ｒ２、Ｒ，，由静力平衡条件，其上端也必有Ｒ。、Ｒ２、　

，见图２。　由于支腿上下端对应的Ｒ　、Ｒ，不作用于同一　轴线上，故将上端Ｒ　、Ｒ　平移至支腿横截面的中　心轴线上，由此产生偏心力矩Ｍ３［Ｍ３＝（Ｒ。＋Ｒ３）Ｓ。】，　其中Ｓｅ为壳体外壁至支腿中心的距离（ｍｍ）。为了　平衡Ｍ　，在支腿底部必然产生反力矩Ｍ，，见图２。　

此外由于Ｒ：力偶作用，　产生力矩　Ｍ　［Ｍ　＝Ｒ　ｈ］，其中ｈ为基础至支腿装配焊缝中心　的距离（ｍｍ）。Ｍ　应由支腿两端产生反力矩加以平　衡，支腿两端所产生反力矩的大小与两端部的支　持条件相关，依其固支情况进行分配。　美国ＡＳＭＥ认为：支腿底板与基础间的连接要　比支腿上端与壳体的连接更接近于固支。为此假　设支腿上下端的力矩以１：３进行分配，即上端承受　Ｍ５＝Ｍ４／４，下端承受Ｍ６＝３Ｍ４／４。　

日本ＪＩＳ则假定支腿和壳体的连接为固接，　支腿和基础地脚螺栓的连接点为铰接，全部Ｍ　由支腿上端产生的反力矩Ｍ　平衡，即支腿上端　Ｍ５＝Ｍ４，支腿下端Ｍ６＝０。　我国标准规范的力学模型与日本基本一致，　假定支腿与壳体的连接为固接，支腿端部为自由　端。　

１．３容器支腿校核计算　

综合上述受力分析，可对支腿进行应力校核　计算如下：　

１．３．１支腿的强度和稳定性校核计算　支腿的弯曲应力ｏ　ｂ，ＭＰａ；　

】　

式中：Ｗ一支腿的最小抗弯截面模数，ｍｍ　；　［Ｏ】　一支腿的许用弯曲应力，ＭＰａ；　

②支腿的压缩应力Ｏ　，ＭＰａ；　

Ｏ＂ｃ　［　】　

式中：Ａ一支腿的横截面面积，ｒｆｕＴｌ　；　［ｏ］。一支腿的临界许用压缩应力，ＭＰａ；　

临界许用压缩应力按下述方法进行计算：　

（１）首先求支腿的细长比　：　

＝ｌｋ／ｉ，且必须小于２５０；　

式中：ｌ　一支腿的当量长度，根据支腿长度　Ｌ（ｍｍ），考虑两端约束条件按下述方法确定：　

ｌｋ＝Ｌ（两端铰接）；ｌｋ－０．５Ｌ（两端固定）；　ｌｋ＝０．７Ｌ（一端铰接，一端固定）　

ｉ．支腿截面最小回转半径，　

Ｉ　

其中：Ｉ一支腿最小截面惯性矩，ｎ－Ｌｌ－ｎ４；　

（２）然后求支腿的临界细长比入。：　

。１ｌＪ　

式中：Ｅ．支腿材料的弹性模量，ＭＰａ；　

０。一支腿材料的屈服强度，ＭＰａ；　

（３）再求支腿的临界许用压缩应力【ｏ　ｋ　

当入　。时：　

十。　。］　

当入＞入　时　

。－ｏ．２７７　㈡　

⑧支腿的剪切应力　，ＭＰａ；　

ｆ：　［　】　

式中：【　卜一支腿的许用剪切应力，ＭＰａ；

　一３８一■论文广场　石油和化工设备　２０１５ｉｆ－第１８卷　

④另外，根据钢结构设计标准中的综合强度　评价方法，支腿结构还应满足下式：　

＋　１　］　［　】　１．３．２基础及底板的强度校核计算　①基础上的压应力０　，ＭＰａ；　

：　［　】　口Ｄ　式中：［０】　一混凝土许用压应力，ＭＰａ；　

ａ一基础板的长度，ｍｌｎ；　

ｂ一基础板的宽度，ｍｍ￣　

②底板的厚度６　ｂ，ｍｉ／１；　

裔　

式中：［ｏ］一底板的许用应力，ＭＰａ；　

Ｂ一支腿到底板边缘的最大长度，ｍｉｎ；　ｃｂ一底板的腐蚀裕量，１１１１＂ｎ；　

ｌ－３－３地脚螺栓的强度校核计算　

①地脚螺栓拉伸应力ｏ　ｂｔ，ＭＰａ：　

：　］　

式中：【Ｏ］　一地脚螺栓许用拉伸应力，　ＭＰａ；　ｎｂ广一单个支腿的地脚螺栓数量；　

Ａｂ广单个地脚螺栓有效截面积，１１１ｎｌ；　

＝署（ｄ—　，一旦　号　］　

其中：ｄ一地脚螺栓螺纹小径，ｒｎｌｎ；　

Ｃｂ广＿一地脚螺栓腐蚀裕量，ｔｏｎｉ；　

ｔｂ一地脚螺栓的螺距，ｍｎｌ；　②地脚螺栓剪切应力　，ＭＰａ；　

［　】　６ｆ　式中：［　】　一地脚螺栓许用剪切应力，　ＭＰａ；　ｕ一摩擦系数，一般可取ｕ：０．４，若偏于安　全考虑则可取１．ｔ：０；　

③地脚螺栓埋入深度Ｈ，ｎｌｌｌｌ；　４ｄＢ，ｕ￣　

式中：ｄＢ一地脚螺栓螺纹大径，１１１－１１１；　

ｐ　一混凝土与地脚螺栓间的附着应力，　按钢结构设计标准可取ｕ　＝１．４ＭＰａ。　

１．３．４支腿装配焊缝的强度校核计算　支腿与壳体装配的焊接，必须有足够的强度　承受支腿反力。　

①支腿装配焊缝的弯曲应力Ｏ，，ＭＰａ；　

尼万　Ｏ＇ｆ　亨　

式中：ｚ一焊缝的抗弯截面模量，ｌ＂ｎｌＴｌ　；　

Ｚ：２ｘ壁　６　４２　式中：ｈ。一支腿与壳体装配的焊缝长度，　ｉｌｌｒｎ；　ｔｏ一装配焊缝的焊脚高度，ｍｍ；　②支腿装配焊缝的剪切应力　，ＭＰａ：　

ｋ＂ｆ：　±　Ａｆ　式中：Ａ广焊缝的横截面积，删ｎ　；　

③支腿装配焊缝的当量应力Ｏ：，ＭＰａ；　

ｏ　ｚ＝ｔａ　＋３４　

支腿装配焊缝的应力需满足以下要求：　

Ｏ　ｆ＜［Ｂ】；Ｔ　ｆ＜［Ｂ】；Ｏ　［Ｂ］　式中：［Ｂ卜一焊缝的抗弯、抗剪许用应力，　ＭＰａ；［Ｂ］＝１．５［Ｏ］　①　其中：　一焊缝系数，对于角焊缝受剪切　时，可取Ｏ＝０．４９；　

［Ｏ］　一设计温度下支腿的许用应力，ＭＰａ；　

ｌ－３．５支腿连接处的壳体强度　与支腿连接的壳体处，由支腿反力引起的轴　向弯矩、周向弯矩和径向剪力，可按下列公式计　算：　

Ｍｚ＝（Ｒ３＋ＲＩ）Ｓ。　

Ｍｔ＝Ｒ２Ｓｅ　Ｑ＝Ｒ２　式中：Ｍ　一支腿反力引起的轴向弯矩；

　第６期　李伟良大型立式容器腿式支座的设计计算　一３９一　

Ｍ　一支腿反力引起的周向弯矩；　

Ｏ一支腿反力引起的径向剪力；　

根据支腿反力核算局部应力的强度是必要　的。但是，如图１所示支腿靠近下封头，由于封头　的影响，不可能准确地求出支腿反力引起的壳体　局部应力，一般采用简化的美国焊接研究会第１０７　号公报（ｗＲＣ１Ｏ７公报）方法进行计算，当支腿连　接处壳体的局部应力不满足要求时，可以设置垫　板，使垫板厚度参与局部应力计算。　

２处理措施　由于支腿承受轴向应力和弯曲应力的作用，　所以在支腿的设计计算校核时，组合应力达不到　满足要求时，应从这两方面着手，采取以下一个　或多个措施，以满足上述公式的要求：　

（１）选用更大截面模量的型钢，以提高支腿的　抗弯能力和承压能力。　（２）增加支腿数量，减少单根支腿的轴向载荷　和弯矩。　（３）在支腿间增加支撑，减少轴向计算长度，　提高支腿的轴向承压能力。　

（４）用钢管作支腿，．焊接时要使钢管的中心　线与壳体中线重合，这样可以消除支腿的偏心力　矩。　

３结束语　

关于立式容器支腿的设计计算方法有多种，　如美国、日本都有各自建立的力学模型的计算方　法，各有其特点。本文依据受力分析，借鉴其计　算方法，结合国内现行标准，给出了一个较为全　面、合理的大型立式容器腿式支座的设计计算方　法，提高了大型立式容器腿式支座的安全性和可　靠性。　上述设计计算方法已在实际的工程设计中得　到了应用。在某空分项目中，有两台直径　３２００　ｍｍ的立式真空槽，在其支腿设计计算中应用了上　述方法，从而满足了工程设计的需要，解决了工　程设计中的实际问题，且该设备目前运行正常，　说明上述设计计算方法具有比较现实的工程实际　应用意义。　

◆参考文献　［１］ＧＢ　５０７６１．２０１２，石油化工钢制设备抗震设计规范［Ｓ】．　［２】ＪＢ／Ｔ　４７１２．１－－４７１２．４－２００７，容器支座［Ｓ］．　［３］ＮＢ／Ｔ４７００３．１．２００９，钢制焊接常压容器【Ｓ】．　［４］４夏颂祺，丁伯民等．化工设备设计全书钢架【Ｍ】　匕京：化　学工业出版社，２００４．　［５】中村康治主编，刘人侃译．ＪＩＳ压力容器一说明和计算例　［Ｓ】．化工部设备设计技术中心站，１９８９．　［６］ＨｅｎｒｙＨ．Ｂｅｄｎａｒ，Ｐ．Ｅ．ＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌＤｅｓｉｇｎＨａｎｄｂｏｏｋ，１９８１．　［７】Ｋ．Ｒ．Ｗｉｃｈｍａｎ￣．Ｇ．Ｈｏｐｐｅｒ　ａｎｄ　Ｊ．Ｌ．Ｍｅｒｓｈｏｎ，Ｌｏｃａｌ　Ｓｌｒｅｓｓｅｓ　ｉｎ　Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　Ｓｈｅｌｌ　ｄｕｅ　ｔｏ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｌｏａｄｉｎｇｓ．Ｍａｒｃｈ　１９７９　Ｒｅｖｉｓｉｏｎ　ｏｆＷＲＣ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　１０７／Ａｕｇｕｓｔ　１９６５．　

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