立式容器支腿的设计与计算

摘要： 在立式容器支撑型式的设计中，由于现行腿式支座标准使用存在一定局限性，当设备使用条件超出标准支腿选用范围时，很多设计者束手无策；本文对支腿的设计计算方法进行了论述，以供设计人员在设计时参考。

Abstract： In the design of vertical vessel support type， because there are some limitations in the standard using of leg type support， when a device using conditions are beyond the standard leg choosing range， many designers do not have any idea. This paper discusses the design and calculation method of the leg in order to provide the reference for the designers.

关键词： 立式容器；支腿；使用范围；计算方法

Key words： vertical vessel；leg；using range；calculation method

中图分类号：TQ053.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）32-0055-02

作者简介：丁天栋（1980-），男，河北行唐人，工程师，主要从事化工设备设计工作。

0 引言

在立式设备支撑设计中，支腿式支撑是常用的型式之一。然而，在我国现行支腿标准JB/T4712.2-2007中，选用标准支腿有一定局限性，其局限性主要有以下几个方面：①工程直径限制；标准规定了公称直径DN1600以内的立式容器支腿系列，但在实际工程中，公称直径超界的情况时有发生，在一些大直径设备中，为了保证足够的底部空间，还得选用腿式支座。②地质条件及设计温度限制；标准中规定设计温度不高于200℃，风压不高于800Pa，抗震设防烈度不高于8度等，事实上在设计温度高于200℃或气象地质条件超过此范围时，支腿式支撑也是可用的。③支腿高度及容器高度的限制；这两个高度在标准中是互相对应的，然而，在实际工程设计中，经常会遇到因为工艺需要而增大支腿或设备高度的情况，这时有些设计者通过选用大一到两级规格支腿，这样可能会造成支腿尺寸偏大，结构不太合理。现在设计者大都通过强度计算软件对容器进行强度校核，如果设计者掌握了支腿的计算方法，这些问题就能迎刃而解。

1 计算方法简介

支腿的计算内容包括：①支腿稳定及强度计算；②地脚螺栓的强度计算；③基础板的强度计算；④支腿装配焊缝的强度计算。现行支腿标准在附录中给出了一种支腿的计算方法，对以上四种计算做出了具体说明。支腿式容器主要载荷见图1，支腿的计算主要是围绕水平载荷FH和垂直载荷W1进行的。

1.1 稳定及强度计算 在支腿计算中，大量实例表明支腿压应力是支腿设计的控制因素。在支腿压应力计算中，应考虑设备水平载荷FH和垂直载荷W1；这里需要说明的是由于在试压工况下，不考虑地震力和风载荷作用，因此，试压工况仅有垂直载荷，因此在支腿压应力设计计算时，计算的是操作工况。单根支腿的压应力计算公式为：？滓c=■，其中FL2=■-■ 式中：σc—单根支腿压应力；FL2—单根支腿垂直反力；FH—水平载荷；HC—基础顶面至设备质心高度；N—支腿个数；DB—支柱中心圆直径；W1—垂直载荷；A—单根支腿的横截面积。

支腿稳定性计算还包括支腿的弯曲计算，弯曲计算其实就是支腿弯矩的计算，由于水平载荷FH会对地面引起倾覆力矩，当有偏心载荷时，其偏心距应计入水平载荷对地面引起倾覆力矩；同理，由于支腿顶部也是会引起倾覆力矩，这个力矩主要因为单根支腿垂直反力引起，由此，支腿两端将产生反力矩，据此可计算支腿的弯曲应力：

σb=■ 式中：σb—支腿弯曲应力；R—每个支腿水力；L1—基础班下表面至支腿装配焊缝中心的长度；e—壳体外壁至支柱形心的距离；WMIN—单根支腿的最小抗弯截面模量。

需要说明的是，在支腿压应力和弯曲计算中，支腿的长细比起着主要作用，长细比愈大，支腿的临界许用应力越小，同时又加大了倾覆力矩的影响，容易导致支腿弯曲；因此，对支腿的长细比应予控制；长细比计算公式为：

λ=■ 式中：λ—支腿长细比；k—有效长度系数，与端部固定形式有关，一般为常数；IMIN—支腿最小惯性矩。

因此在选择支腿时，可以从两方面降低支腿长细比：①应尽可能选择较大IMIN，在同样的截面积下，回转半径较大者，IMIN也会较大，这样会提高支腿的稳定性。②各支腿间采用斜拉杆支撑，这样相当于改变了端部固定形式，因为一般情况下，支腿端部固定形式可理解为一端固支一端简支，这时的k值一般取0.7，当采用斜拉筋支撑时，可理解为上下端同时固支，k值取0.5，k值下降从而提高了支腿稳定性。

除了压应力及弯曲计算外，稳定性及强度计算还应包括支腿剪切计算，剪切应力是由水平载荷引起的，计算公式为：？子=■；式中τ—支腿剪切应力。

1.2 地脚螺栓强度计算 地脚螺栓强度计算包括拉应力计算和剪切应力计算，其计算公式为：

σbt=■-■

？子bt=■

式中：σbt—地脚螺栓拉应力；Db—地脚螺栓中心圆直径；nbt—一个支腿地脚螺栓数；Abt—一个地脚螺栓的有效截面积；τbt—地角螺栓的剪切应力。

由于在实际工程应用中，同等规格的容器，单纯通过改变地脚螺栓规格所引起的拉应力和剪切应力变化并不大，在很多情况下，地脚螺栓的强度富裕量是很大的，地脚螺栓仅起固定作用。

1.3 基础板强度计算 基础板强度计算主要是基础压缩应力的计算，基础的压缩应力主要由容器单根支腿垂直反力引起，计算方法同支腿的压应力类似，只是把支腿截面积换为了基础板的面积：σc1=■ 式中：σbt—基础上压缩应力；b1—基础板长度；b2—基础板宽度。

在实际工程设计中，判断基础压缩应力合不合格是由土建专业完成的，设备专业只需根据基础压缩来计算基础板的厚度：

σ■=B■+Cb 式中：δb—基础板厚度；B—支腿到基础板边缘别的最大长度；[σ]—基础板许用应力；Cb—基础板腐蚀裕量。

降低基础压缩应力的最有效方法就是增大基础板的面积。在工程实际应用中，我们如果选用的是大面积的基础板，还会给土建专业带来方便。

1.4 装配焊缝的强度计算 装配焊缝的强度计算是对与本体装配焊缝的强度计算，计算主要包括焊缝弯曲应力计算、焊缝剪切应力以及当量应力的计算，其计算公式如下：σf=■ τ1=■ σz=■

式中：R—每个支腿的水力；Z—焊缝的抗弯截面模量；τ1—支腿装配焊缝的剪切应力；A1—焊缝的横截面积；σz—支腿装配焊缝的当量应力。

2 结束语

很多设计者在立式容器使用条件超出标准支腿选用范围时，不知该如何选用支腿，本文详细介绍了立式容器支腿的计算方法，以供设计者在使用时参考，只有掌握了支腿的计算方法，设计有据可依，才能从根本上解决问题，使支腿设计变的更合理。

参考文献：

[1]桑如苞.立式容器支腿计算方法分析[J].石油化工设备技术，1999，20（4）.

[2]谢智刚.立式容器支腿设计问题的探讨[J].石油化工设计，2002，19（3）.

[3]JB/T4712.2-2007.容器支座第二部分：腿式支座[S].