立式高压容器支座的计算

第３８卷第２期　化肥工业　２０１１年４月　立式高压容器支座的计算　谢放华　（湖南安淳高新技术有限公司　长沙４１００１５）　摘要将立式高压容器支座简化成简支梁，对其进行受力分析。结合实例，按照材料力学对支座槽钢进行　强度和挠度计算，为工程计算提供了一种设计依据。　关键词　支座简支梁强度挠度　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　Ｓｅａｔ　ｆｏｒ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｈｉｇｈ－Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌ　Ｘｉｅ　Ｆａｎｇｈｕａ　（Ｈｕ　ｎａｎ　Ａｎｃｈｕｎ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．　Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００１５）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏａｉｎｇ　ｓｅａｔ　ｆｏｒ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ａｓ　ｓｉｍｐｌｙ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｅａｍｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ｓａｍｐｌｅｓ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ，ａｓ　ｐｅｒ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓｔｅｅｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｅａｔ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｅａｔ　ｓｉｍｐｌｙ　ｓｕｐｐｏ￣ｂｅａｍ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　立式高压容器在氮肥企业中普遍使用，如合　成塔外壳、热交换器外壳、醇化塔外壳、烃化塔外　壳等。由于氮肥生产中操作工艺压力高、设备总　高较长等因素，设备外壳质量一般在１０　ｔ以上，直　径为ｑ）３　０００　ｈｉｍ的设备外壳质量甚至超过１００　ｔ。　这些设备的支座一般采用由槽钢组合起来的“组　合式”支座（图１为轻型支座，图２为重型支座）。　目前，对这类设备支座进行计算的文献报道很少，　现对这种“组合式”支座进行简化并进行强度计　算，为工程设计提供一种近似计算方法。　图２重型支座　槽钢４／一垦　一团　］ｊ　Ｉ　ｌ　Ｉ［　｝［　１　支座计算　下板　，—／一一　—　ｌ＇　、１．１轻型支座　一　一如图１所示，轻型支座主要由１个座圈和不　筋板／　’　ｌ／一　—、　：　同长度的槽钢等构件组焊而成。座圈内圈成圆　●　＼立柱　形，内圈与设备下部球封头相配合；外圈为正八　堕塑／　—一　：　边形，焊接于槽钢架上；槽钢架置于基础的立柱　懵Ｎ２／　¨　、　上。立柱的布置根据支座尺寸确定，一般立柱　堕　！／／　／　Ｉ　ｌｊ　支撑在槽钢ｌ和槽钢３焊接点附近。工程上近　图１轻型支座　似认为座圈四周受力均匀，作用在槽钢架上的　本文作者的联系电话：０７３ｌ－８５１５３３８５　１３　第３８卷第２期　化肥工业　１．１．２稽利最大挠度　２０１１年４月　力相当于沿着座圈八边形均匀分布的１个均布　载荷ｑ（ｑ＝设备质量／８ｂ，Ｎ／ｒａｍ）。以槽钢１为　例，其受力可以简化为简支梁分别受到均布载　荷和集中载荷的叠加。轻型支座的槽钢１受力　情况如图３所示，图中的Ｒ　和　１　槽钢的转角方程０及槽钢的挠度方程，计算　如下：　（１）０≤ｘ＜ａ　为支座受到　）＝三１　Ｍ（　）＝　０１（　）＝　（　）＝　（　）　＝　＋ｃｌ　立柱的反力，÷ｑ６为槽钢２所受载荷简化为　２个集中载荷，ｑ为槽钢１支撑座圈的均布载　荷，ｎ和ｂ为几何尺寸。　图３轻型支座的槽钢１受力情况　１．１．１槽钢最大弯曲应力　根据静力平衡方程：　＋Ｒ口：ｇ６＋　１　ｑｂ＋　１　ｑｂ　口＋Ｄ　，　，　Ｂ（２０＋６）＝ｆ●　ｑ　ｑｘｄｘ＋　￡　＋譬（ｎ＋６）　可求得：ＲＡ＝ＲＢ＝ｇ６　槽钢１的弯矩方程为：　（１）当０≤　＜０时，Ｍ（　）＝Ｒ　＝ｑｂｘ　（２）当口≤　＜０＋ｂ时，Ｍ（　）：一÷ｇ［　一　号（２口＋６）］　＋　６＋　）　槽钢１的弯矩图如图４所示。　图４槽钢１的弯矩图　由图４可看出，当　＝口＋　ｂ，Ｍ（　）取得最　大值　＝ｑ（ａ６＋　１　６　），则槽钢最大弯曲应　力：　ｍ“　＝　＝　９（。６＋６＋二６　　）　㈩　（１）　式中：　——槽钢截面抗弯系数。　ｆ４　‘　（　）＝．『　＝　３＋ｃ。　＋Ｄ。　（２）　≤　＜０＋６　／　（　）　可１　（　）　＝　一（　一ａ）。＋口６］　＝　［－－Ｘ，２＋（２。＋６）　一（ｎ　一　）］　（　）＝ｆ＇２（　）＝　１肘（　）　：＝Ｊ　［一　＋（２口＋６）ｚ一（口　一　ａｂ）］ｄｘ　＝　［一　１　３＋（ａ十　一（　一　］＋　（　）＝／　ｚ（　）　＝　卜　１　３＋（口＋　ｂ）　２一（Ⅱ２一Ⅱ６）　＋Ｃ２］ｄｘ　＝　一　＋　一　）＋　ｃ２　＋　边界条件：　当　：０，　（０）＝０，则Ｄ，＝０；　当　：０，０。（ｎ）＝０：（０），　（ｏ）＝　（口）。　由０。（ｏ）＝０　（ｏ），求得：　＝　（｝一譬）＋ｃ－　将Ｃ　代人　（０）＝　（口），求得：　Ｄ２＝２＿＿　ｑ＿ａ３ｂ４～　６）　当　：。＋　，　：（口＋　ｂ）＝０，求得：　第３８卷第２期　化肥工业　２０１１年４月　ｃ　＝　［（。。一　（。＋号）一　（２　＋　ｂ）　］　设：ｌ＝２ａ＋ｂ，则当　＝÷，　（÷）取得最　大值，把Ｃ　和Ｄ　代人，即：　＝　，…（÷）　＝卫２Ｅ１　［一　Ｌ　１２　（＼　　２　）／　　十一１６（＼　２）　／　　一　（÷　＋　［　（。　）ｚ一　］（吾）＋　（　一　）　而ｑ［２４（／２２一。ｂ）ｚ　＋３２ａ３ｂ一　１６ａ　一５１　］　（２）　同理，可求得槽钢２和槽钢３的最大弯曲应　力和最大挠度。由于槽钢２、槽钢３与槽钢１受　力相同，实际计算中仅以槽钢１来判断槽钢的强　度和挠度是否符合要求。　１．２重型支座　与轻型支座不同，重型支座（图２）把座圈换　成了上、下２块矩形盖板，由盖板与槽钢组焊而　成。盖板中间带圆孔，与设备下部球封头相配　合。槽钢共有４种长度，可近似认为每块槽钢　承受的设备施加的载荷为１个均布载荷ｑ（ｑ＝　设备质量／所有槽钢总长，Ｎ／ｍｍ），每块槽钢的　受力简化为简支梁分别受到均布载荷和集中载　荷的叠加。　１．２．１　槽钢１　重型支座的槽钢１受力情况如图５所示，其　中Ｑ　和ｑ　为槽钢２和槽钢４承受载荷的一半，　即ｑ２＝ｑＬ２／２，Ｑ４：ｑＬ４／２，Ｌ２和，Ｊ４为槽钢２和　槽钢４的长度，ｏ，ｂ，１均为支点间的距离，下同。　图５重型支座的槽钢１受力情况　槽钢１的受力情况可分解为集中载荷Ｑ　，Ｑ　和均布载荷ｑ单独作用的叠加。根据《机械设计　手册》¨Ｊ，得到在梁的中间位置处各载荷下的弯　矩和挠度见表１。　３种载荷叠加，在梁的中间位置有：　＋警［１＿４（　）２］（３）　＝　４　ｃ　一　＋　［５—２４（　ｂ１）　］　（４）　表１槽钢１受力情况　载荷　弯矩Ｍ　挠度＿厂　ｑ２　Ｍ…＝Ｑ２。，　２４Ｅ１［３—４（　’｝）ｚ．，　］　Ｑ４　Ｍ　＝一Ｑ４ｂ　：一　＝…簪　一　（　）　＝　ｃ　ｓ—ｚ４（｝）。　１．２．２槽钢３　重型支座的槽钢３受力情况如图６所示。槽　钢３的受力情况为集中载荷ｑ　和均布载荷ｑ单　独作用的叠加，在梁的中间位置处各载荷下的弯　矩和挠度见表２。　图６重型支座的槽钢３受力情况　表２槽钢３受力情况　载荷叠加，在梁的中间位置有：　警　（５）　＝　［３＿４（鲁　＋　（６）　１．２．３槽钢４　重型支座的槽钢４受力情况如图７所示。　Ｉ｛Ｕ　Ｕ　Ｌｊ　ｉ　Ｕ　Ｕ　ｉ　ｉ　Ｕ　Ｕ　Ｕ｛ｊ　图７重型支座的槽钢４受力情况　载荷叠加，在梁中间位置有：　：警　４（　（７）　１５　第３８卷第２期　化肥工业　２０１１年４月　（８）　重型支座槽钢上下各有１块盖板，其弯曲截　面如图８所示。　图８重型支座槽钢的弯曲截面　由材料力学可得：　Ｉ＇＝　ｘ＋２【　＋（　ｈ＋　６］　（９）　Ｗ　＝　，　）２ｈ。ｂ］　ｈ＋ｈ　（１０）　由公式　：　ｍ　ａｘ，即可求得各槽钢的最大　弯曲应力。　２　计算实例　２．１轻型支座　某ＤＮ８００　ｌａｉｎ热交换器的轻型支座相关计算　一一椭　一一参数如表３所示。该热气换器的轻型支座的均布　载荷为ｑ＝鬈＝垫　＝８６．７２（Ｎ／ｍｍ）。　表３轻型支座计算参数　项目　参数　设备总质量Ｇ／ｋｇ　长度ａ／ｍｍ　长度ｂ／ｍｍ　长度ｌ／ｍｍ　槽钢特性　弹性模量Ｅ／ＧＰａ　惯性矩１．／ｃｍ４　截面抗弯系数　／ｃｍ　许用应力［ｏ＂］／ＭＰａ　根据式（１），得到最大弯曲应力　…＝　１６　５４．８５　ＭＰａ。由于　＜［ｏｒ］，弯曲应力合格。　根据式（２），得到最大挠度，ｍ　＝０．２８６　ｍｍ。　２．２重型支座　２　某ＤＮ１参数见表４，其均布载荷和集中载荷分别为：＿．．ｒ堕３　　２００　ｍｍ热交换器重型支座相关计算　．．＋．Ｌ　　　ｇ＝　＋　２．３７（Ｎ／ｍｍ）　Ｑ２＝ｑＬ２／２＝１２　＋　５１７．３３（Ｎ）　Ｑ　＝ｑＬ４／２＝４４　５１７．６９（Ｎ）　表４重型支座计算参数　项　目　参数　设备总质量Ｇ／ｋｇ　槽钢１长度Ｌ　／ｍｍ　槽钢２长度　／ｍｍ　槽钢３长度Ｌ３／ｍｍ　槽钢４长度Ｌ４／ｍｍ　槽钢特性　弹性模量Ｅ￣ＧＰａ　几何尺寸ｈ／ｍｍ　几何尺寸ｂ／ｍｍ　惯性矩ｌｘ／ｃｍ　上下板高度ｈｌ／ｍｍ　许用应力［　］／ＭＰａ　由式（９）和式（１０）得到弯曲截面的特性：　，，　＝　＋２［　＋（　ｈ＋　ｈｉ　２　６］　＝１２　７０１．２（ｃｍ　）　　瑚　～加ｍ２　＋【　Ⅲ　）——二　　一ｚ　］　＝　＝８４６．７５（ｃｍ　）　２．２．１槽钢１　槽钢１几何尺寸为：ａＩ＝２８８　Ｈｉｍ，ｂＩ＝８４　１ｎｌｎ，　ｚ　＝１　６２０　ｒｆｌｎｌ。根据式（３）和式（４），有：　：　。一Ｑ４６　＋　１－４（　：１６　８６１　９４０．０５ｆＮ・ｍｍ）　ｕ　Ｌｌ　一　＝　Ｗ　＝一　　８４６　７５　＿ｌ９．９１（Ｍ一　‘　Ｐａ）ａ，　　．　４　一筹＋鑫　［５—２４（　）　］＝０．１９（ｍｍ）　（下转第１９页）　第３８卷第２期　化肥工业　２０１１年４月　（３）造粒后的物料送至于燥机进行干燥、筛　分，不合格的大粒物料破碎后与细粉一起返回造　氮、磷、钾的含量，改善土壤固、液、气三相比。　粒机重新造粒，合格物料经冷却、计量、包装制得　所需缓释复混肥成品。　４　结语　近年来，脲醛缓释肥料作为缓释肥料中的一　个重要产品在我国发展非常迅速，有不少企业开　始小规模生产和销售，但早期无统一的标准来规　范市场、引导研究方向，一定程度上制约了这类肥　３　工艺优点　脲醛缓释复混肥料可利用现有复混肥生产线　生产，工艺简单、投资省、成本低，有利于其在农业　生产上的推广应用。　料在国内的发展。近期，国家化肥质量监督检验　中心联合部分生产企业制定了脲醛缓释肥料的行　业标准，将促进脲醛缓释肥料的发展，规范市场秩　序。与其它缓控释肥料相比，脲醛缓释复混肥料　产品价格优势明显，且养分主要是氮，缓释效果　好。在解决了缓释黏结剂制备和复混肥造粒工艺　衔接技术以及游离醛去除的产品安全环保难题　（１）使用氧化淀粉改性，制得的缓释黏结剂　不但黏性适宜，而且无游离甲醛，解决了安全环保　问题，提高了肥料利用率，减少农业面源污染，增　强植物的抗逆性，改善作物的品质。　（２）使用硼砂、氢氧化钾、磷酸和氧化钙调节　反应液ｐＨ，并可添加中、微量元素，提高缓控释复　混（合）肥的养分含量，以满足作物对中、微量元　素的需求。　（３）脲醛缓释复混肥料以脲甲醛为骨架，不　使用黏土，可有效防止肥料颗粒因吸水膨胀而快　速崩解的现象，具有良好的养分缓释性能（特别　后，大力发展脲醛缓控释肥料符合国家有关政策，　有利于我国农业持续健康发展。　参考文献　［１］　Ｆ　ｌａｎｎｅｒｙ　Ｒ　Ｉ　，Ｂｕｓｓｃｈｅｒ　Ｗ　Ｊ．Ｕｓｅ　ｏｆ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｉｎ　ｐｏｔｔｉｎｇ　ｓｏｉｌｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｗａｔｅｒ　ｈｏｌｄｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ［Ｊ］．Ｃｏｍｍｕｎｅ　Ｓｏｉｌ　Ｓｃｉ　Ｐｌａｎｔ　Ａｎａｌ，１９８２，１３：１０３—１１１．　是氮素），提高了其总养分含量，而且生产过程中　成球率高，颗粒强度大（＞１８　Ｎ／颗）。　（４）脲醛缓释复混肥料中添加的有机肥富含　［２］　卢其明，冯新，孙克君，等．聚合物／膨润土复合控释材料的应　用研究［Ｊ］．植物营养与肥料学报，２００５，１１（２）：１８３—１８６．　［３］　Ａｍａｓｓ　Ｅ　Ｂ，Ｇ　Ｓｌａｎｇｅｎ　Ｊ　Ｈ　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ—ｒｅｌｅａｓｅ　ｔｅｒｔｉｌｉｚｅｒ‘‘Ｏｓｍｏｃｏｔｅ”ｏｎ　ｇｒｏｗｔｈ，ｙｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　腐植酸，不但能改善土壤结构，而且是作物生长的　催化剂及刺激剂；还能活化养分，增加土壤中速效　痧痧　ｏｎｉｏｎ　ｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．Ｆｅｒｔ　Ｒｅｓ，１９９４，３７（１）：７９—８４　（收到修改稿日期痧痧　驴痧　２０１０—０５—２４）　（上接第１６页）　２．２．２槽钢３　…　１９　８３４　４３２．１７　８４６．７５　＝２３．４２（ＭＰａ）　槽钢３几何尺寸为：ａ，＝３２８．５　１Ｔｉｍ，ｌ　＝　１　１３５　Ｉｌｌｍ。根据式（５）和式（６）得：　Ｍ…：Ｑ：。，＋ｑｌ；［５＝　—２４（　）２］＝０．２８（ｍｍ）　簪：ｌ２　５４５　５８９＿７３（Ｎ．ｍｍ）　・　８２（ＭＰａ）　．根据上述计算结果，可得到槽钢的最大弯曲　Ｊ立力　…＝｛　，　ｋ，ｆ，　｝：２３．４２（ＭＰａ）。由于　Ｏ－　＜［１３＂］，弯曲应力合格。最大挠度　…＝｛　。，　，　＝　＝　—　４（　＋　｝＝０．２８（ｍｍ）。　３　结语　将立式高压容器支座简化成简支梁，根据材　料力学计算支座槽钢的最大弯曲应力和挠度，为　工程设计提供了一种近似计算方法。　参考文献　［１］成大先．机械设计手册：第１卷［Ｍ］．北京：化学工业出版　社，２００７．　＝０．０７（ｍｍ）　２．２．３槽钢４　槽钢４的几何尺寸为：１２＝１　８３０　ｍｍ，ｂ　＝　２８２．５　ｉＩｌｍ。根据式（７）和式（８）得：　＝　１＿４（　）２］　［２］刘鸿文．材料力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００２　：１９　８３４　４３２．１７　ｆ　Ｎ・１１＂１１３１１　（收稿日期２０１１－０３－０３）　１　９