钢制容器的支承设计

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1、钢制容器的支承设计吴晓梅 程刚 徐昀 宋天宝（安徽省化工设计院，安徽，合肥 230009）摘要：容器的支承是容器设计的一个重要环节，根据容器的结构、类型综合介绍了钢 制容器的支承型式。关键词：支承；立置容器；卧式容器；塔器；球罐；大型储罐化工、石化、医药、生化等行业，其生产过程的实现多在金属容器钢制 容器（以下简称容器）内进行，容器的内部结构确保化学反应、物理过程的实现， 而容器的支承与固定则是不容忽视的大前提。容器的结构大致可划分为立式容器、卧式容器、塔器、球罐、大型储罐（固 定顶与内浮顶、外浮顶）、气柜、料仓、各类换热器等。针对工况、介质、结构 各异的容器，如何保证工艺过程的实现及确保支承

2、的安全和支承的结构优化都是 化工非标设备设计需要面对的问题。我国对容器特别是压力容器的设计、制作、检验皆有配套的法规、规范以及 一系列的技术支持标准，包括对容器的支承也建有相应的标准，这是需要，也是 必然，“没有规矩，不成方圆”。就其结构而言容器一般为筒体（圆形居多）加封 头，支承方式大致可分为容器立置、容器卧置、塔器、球罐、大型贮罐（立置） 等，其支承方式各异，现仅就常见的支承方式作一概略的叙述。一、立置容器 平底结构容器：1、一般直接放于平面基础上。2、置于条型基础上或钢架上。应经计算确定尺寸，必要时用螺栓定位。 带凸形封头结构的容器：1、悬挂式支座（耳座），标准为JB/T4725-92耳

3、式支座当容器要求支承在钢架、墙架或穿越楼板时一般选用悬挂式支座。支座数量 一般应采用4个均布。当容器DNW700mm，且水平力或力矩较小时，允许采用2 个。支座现行标准为JB/T4725-92，该标准将支座分为4种型式：A型（短臂， 带垫板）、 AN 型（短臂，不带垫板）、 B 型（长臂，带垫板）、 BN 型（长臂，不带 垫板），适用DN3004000mm。选用时应使QW Q； 般情况下应校核支座处圆筒 所受支座弯矩M，使M WM（衬里容器M WM / 1.5）。标准给出了 M、Q的 计算方法及其算例，并给出了耳座安装尺寸的计算公式。耳式支座选用导则：a、容器外部无保温并搁置在钢架上时，选A型

4、；当容器外部有保温或需搁 置在楼板上时，选B型；b、确定支座承重时应考虑容器充满介质后的重力（包括可能作用于容器的 附加重力，如保温、管道、容器的平台和爬梯等）c、当容器支承在固定的混凝土框架或楼板上时，按所选的标准支座尺寸设 计的安装孔应满足设备的吊装要求（如开设方形孔）；d、支座垫板设置：应根据容器材料、容器与支座焊接部位的强度和稳定性 决定。通常低温容器或厚度较薄的不锈钢容器，必须加设垫板。垫板的尺寸按标 准选取，材料与壳体相同，垫板四角应倒圆以减少局部应力，对有热处理（HT） 要求的容器，垫板焊后随同处理（支耳可在 HT 后焊），垫板边缘焊缝应留出 20mm 以上的长度不焊接。2、当容

5、器直径较大、壳壁较薄，而外载荷（包括重量、风载、地震载荷等）较 大，或者壳体内处于负压操作时，采用普通的悬挂式支座往往使壳体的局部应力 较大、变形较大，甚至会引起失稳，在此情况下应采用带刚性环的耳式支座，其 相关的计算可见HG20582-1998中“ 19带刚性环耳式支座的设计和计算”3、当容器距离地坪或基础面较近且底部为凸形封头时，通常选用支承或支脚， 其支座标准为JB/T4724-92支承式支座（若直径较大质量较大时应选用裙式 支座）。设计时应注意以下几个方面。a、当用于带夹套的容器时，如夹套不能承受整体质量，应将支座焊于容器的封头上；b、与容器外壁焊接连接的支脚，支腿与容器的贴合处如遇到

6、容器环焊缝时，应在支脚上切割缺口，以避免与焊缝相碰；c、当容器安装在室外且无保温层，支腿顶部应加焊顶板； 如支脚直接焊在容器上对搬运有妨碍时，可采用螺栓连接的可拆结构，或要安装现场进行焊接。4、可选用标准JB/T4713-92腿式支座其型式分为A、AN （角钢）、B、BN （钢管支柱）四种，有N为不带垫板， 无N则带垫板。通用容器DN400DN1600mm，其支承高度有相应的限制，可详见标准。5、其它结构：对于负荷较大的可采用组合结构。如耳座 + 槽钢支脚；夹紧式支座结构。 高压容器：由于工作压力比较高，筒壁应力、自重一般较大，若采用支座焊于筒壁，将会 产生过大局部应力；对于层板包扎的容器，将

7、会增大层间间隙，因此高压容器支 座一般不设在筒壁上，尽可能放置在底部。对于中、小型高压容器常采用环形支座，大型高压容器需要采用裙式支座。二、卧式容器多用双鞍式支承，也有采用圈座和支腿式支座支承的。鞍座支承卧式容器的强度计算主要是对轴向应力O 1。4、周向应力 a 5a 8、切向剪应力t三项应力进行校核，当上述应力不能满足强度要求 或不大合理时，通常采用调整鞍座位置（A）、修改鞍座型式与有关结构尺寸、 增设加强圈三个方面加以处理。1、我国现有鞍座标准JB/T4712-92鞍式支座设计温度：200C地震设防烈度：8度（II类场地土）鞍座位置应尽可能靠近封头L出AWD0 / 4 ,且W0.2L 当需

8、要时，AW 0.25L此规定的理论依据：主要是遵循等弯矩原则(筒体中心与支座处)和尽 量能利用封头对筒体的加强作用。根据Zick、Kruka等人的理论求解圆筒中 的应力，表明鞍座边角处应力最大，是卧式容器的薄弱环节。但对于换热器LW3000mm，取A = (0.40.6) L L3000mm，取 A = (0.50.7) L其原因：卧式换热器与卧式简单容器质量分布不同，应尽量使筒体支座 处的弯矩与中间截面处弯矩相等。两个鞍座中一为固定(设置在容器上有大接管、接管较多端)一为滑动， 其底板上的开孔是不同的。滑动座一般不应设在容器有大接管或较多接管一 端。当容器基础为钢筋混凝土时，滑动鞍座底板下面

9、必须要安装基础垫板， 基础垫板必需保持平整光洁。当安装环境温度与容器操作壁温有较大差异时 要对长圆螺栓孔长度进行核算。2、我国现行卧式容器工程设计标准为JB/T4731-2005钢制卧式容器该标准前身是GB150中的第八章，现独立分离出来，并对原有内容作了较 大增补和改动。2-1、标准适用于设计压力W35MPa,既包括GB150-1989压力容器中的卧式 容器，也包括常压容器(JB/T4735-1997)中的卧式容器。由于GB50011-2001建筑抗震设计规范对地震载荷作了修改，根据新 的设计反应谱理论，并考虑与JB/T4710-2005钢制塔式容器的一致性，对 鞍座设计中的地震力及风载的计

10、算作出修改和规定。2-2、圈座结构来源于 BS5500, 工程上很少应用，取消了这种结构。2-3、对于 b、 b2 的确定，统一认识，统一规定了如何取值。 2-4、与原标准相比，增加了外加强圈的相关计算。2-5、对于JB/T4312-1992鞍式支座标准中的腹板强度给出了校核的验 算公式。2-6、对于地脚螺栓应力校核给出了计算公式。2-7、标准的附录A给出了有附加载荷作用时卧式容器强度及稳定性校核计 算的具体规定。3、三鞍座卧式容器的设计和计算 以鞍式支座支承的卧式容器，当其长度较长时，为避免跨度较大，导致筒体过度变形产生较大应力，宜采用三鞍座支承。考虑支承平面的微小差异对支承反 力分布的影响

11、，计算反力均取实际反力的 1.2 倍。为使三支座处筒体的轴向力较 为均匀，一般应考虑A20.145L较合适。为了充分利用封头对筒体邻近部分的加强作用，应尽可能将支座设计的靠近封头。当A/RW0.5时，可认为封头对支座部分的筒体起加强作用。详细的设计计算可见HG20582-1998中的18节内容。4、还需提及的是随着卧式圆筒形储存容器的设计容积越来越大，对于双支座和 多支座的卧式圆筒形容器提出了几何尺寸的比例优化问题，在“卧式圆筒形容器 设计的几何理念”（化工设备与管道2007-2 载）一文中通过分析给出了一种 简便确定大型卧式圆筒形容器外形几何尺寸的方法（文中公式6、24），有利 于优化设计和

12、减少反复核算，应该引起我们的关注。三、塔器立置容器中，如果高度H与平均直径D之比大于5,且高度H10m，设计压力W35MPa,由裙座自支承的就称为（钢制）塔式容器，简称塔器。我国现行国家标准为JB/T4710-2005钢制塔式容器，化工行业标准有HG20652-1998塔器设计技术规定塔器的裙座设计主要内容是：裙座壳、塔器底部管道孔出口、检查孔、基 础环、隔气圈（根据塔器工况设置）、地脚螺栓座（筋板、盖板、垫板）尺寸 及地脚螺栓直径的确定。裙座结构尺寸确定后必须要进行应力验算。裙座壳的型式有圆筒型、圆锥型，条件允许应尽量采用前者；当塔器直径较小、高度很大时宜选用圆锥型，半锥顶角W15。为宜。

13、裙座与塔体下封头的连接可采用对接、搭接两种型式。 塔器下封头设计温度$400C时，应设置隔气圈。有的塔器直接悬挂在另一设备（多为换热器）上，此结构可使设备布置 紧凑，节省部分支架或建筑层。但在裙座验算时，要考虑附加的偏心弯矩。四、球罐1、有关球罐的标准规范：GB12337-1998钢制球形储罐GB/T17261-1998钢制球形储罐型式与基本参数GB/T50094-1998球形储罐施工及验收规范2、球罐的型式与基本参数分为桔瓣式（公称容积50m310000m3）共14种，混合式（公称容积1000m310000m3 ）共 9 种3、支柱与球壳的连接支承座形式a 、柱式支承：赤道正切柱式、 V 形

14、柱式、三桩会一柱式b、 裙式支承：圆筒裙式、锥形以及用钢筋混凝土连续基础支承的半埋 式、锥底支承等。以赤道正切柱式支承为国内外普遍采用。我国标准就是采用该种支承方 法。其结构特点：球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与 球壳相切或近似相切（相割）而焊接起来。支柱支承球罐的重量，为了承受 风载荷和地震力，保证球罐的稳定性，在支柱之间设置拉杆相连接。其优点：受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，组焊方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修也方便，且适用于多种规格的球罐。其缺点：重心高，稳定性较差。支柱与球壳的连接分有垫板连接和无垫板连接两种结构型式。前者焊接 接头易产生裂纹（因为局部应

15、力较大），我国及引进球罐大多采用后者。支柱与球壳连接端部结构分平板式、半球式和椭圆式三种。平板式结构 边角易造成高应力状态；半球式和椭圆式结构属弹性结构，不易形成边沿高 应力状态，抗拉断能力较强，故多被采用。我国标准选用后两种结构。支柱与球壳连接下部结构一般分直接连接、连接处下端加托板、 U 形柱和翻边四种。直接连接结构：大型球罐可采用；加托板结构：支柱与球 壳连接部下端，由于夹角小，间隙狭窄难以施焊，采用此结构可弥补难以施 焊而削弱的部分；U形柱结构：既避免了支柱与球壳连接部下端由于夹角 小而造成焊接的困难，又保证了支柱与球壳焊接质量的可靠性，U形柱由钢 板弯制，特别适合于低温球罐对支柱材料的要求；翻边结构：不但解除了 连接部位下端施焊困难，确保了焊接质量，对该部位的应力状态也有所改善。4、支柱支柱一般采用无缝钢管或卷制焊接钢管制作，U形柱可采用与球壳板相 同材料的钢板制作。低温或容积较大的球罐，应采用分段支柱型式，分段 的长度不宜小于支柱总长的 1/3。段间的环向接头应全焊透。支柱上设置通气口，以防支柱内气体因受热膨胀而使支柱破裂。支座 底板上应开设通气孔，以利积水的排除。支座底板上开设的地脚螺栓孔应