大型立式容器内支撑梁的设计.pdf

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1、大型立式容器内支撑梁的设计 朱国栋 ， 段瑞 。 曾小军 ( 中国石化工程建设公司， 北京1 0 0 1 0 1 ) 摘要： 介绍了大型立式容器 内支撑梁设计现状 、 典 型结构及其特 点和适用性。强调 了钢结构设计 理论和压力容器理论设计原则的不 同， 重点说明 了钢结构理论应用在压力容器 内主梁设计的适用 性和差异， 并给出了基本解决思路。 关键词： 支撑梁； 钢结构 ； 设计 ； 计算 中图分类号 ： T Q 0 5 5 8 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 0 9 ) 0 60 0 0 9 0 4 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j

2、i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 6 0 0 3 De s i g n o f S up po r t St r uc t u r e Us e d i n La r g e Ve r t i c a l Ve s s e l s Z HU Gu od o n g ， D U AN R u i ， Z E N G X i a o j u n ( S I N O P E C E n g i n e e r i n g I n c o r p o r a t i o n ，B e i j i n g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a ) Ab s t

3、 r a c t ： T he s i t u a ho n o f d e s i g n，t y p i c a l s t r u c t u r e wi t h t h e i r c h a r a c t e r s a n d a pp l i c a b i l i t y f o r s u p p o rt s t ru c t u r e i n l a r g e v e r t i c a l v e s s e l s a r e i n t r o d uc e d i n t he pa p e r T he d i f f e r e n c e o f d

4、 e s i g n d i s c i p l i n e b e t we e n s t e e l s t ruc t u r e a n d p r e s s ur e v e s s e l i s e mph a s i z e d Th e a pp l i c a bi l i t y o f s t e e l s t r uc t u r e t h e o r y for s u p p o rt i n v e s s e l s i s p o i n t e d o u t a n d ba s i c me t h o d s a r e s h o wn K

5、e y wo r d s： s u p p o rt； s t e e ls t r u c t u r e； d e s i g n； c a l c u l a t i o n 随着石化行业装置 的大型化 ， 设备直径 的增加 给大型立式容器 ( 尤其是塔器 ) 内件的设计增加 了 难度 、 提 出了新 的要求 ， 作为 内件主要支撑 件 ( 格 栅、 H梁、 桁架等 ) 的设计凸现其复杂性 和重要 性。 原有的适用于小 、 中型容器 的内支撑梁方案 已难 以 满足工艺 、 设备要求 。大型支撑结构的设计计算给 工程设计人员提出了新 的课题。 容器直径的增加 ， 使梁的跨度随之加大 ， 从

6、而使 支撑设计从原有的格栅 、 实腹梁等较简单的型式 ， 向 花梁 、 桁架梁等较复杂的结构发展 。大跨度 、 大载荷 支撑结构设计不但需要考核结构强度 ， 还必须重视 结构整体稳定 、 局部稳定 、 局部屈服 以及腐蚀 问题 等 。 大跨度梁 的设计计算 ， 不 同于简单零件的材料 力学计算 ， 设计时须结合钢结构的计算方法。 目前 ， 压力容器相关标准尚未提供钢结构设计的依据和方 法 。而用 于 普 通 钢结 构 设 计 的 钢 结 构设 计 规 范 u 由于材料、 温度、 理论体系与压力容器不 同， 不可以简单照搬应用 ， 否则会给设计带来安全隐患。 设备支撑梁的设 计包括结构选 择和构

7、件安全性核 算 ， 文中分别对这两方面做一 阐述 ， 重点指出钢结构 的设计需重点关注的几个 问题 ， 希望 能对类似工况 的工程设计有一定 的指导意义。 1 典型支撑结构 容器内的典型支撑结构是梁 、 牛腿组合， 梁上面 铺有格栅等部件。首要要求是保证工艺流通面积 ， 9 大型立式容器内支撑梁的设计 V o 1 2 6 N 0 6 2 o o 9 因此梁不宜太宽 ， 一般要求翼宽1 2 0 m m。 目前主要支撑结构( 见图 1 ) 及特点 ： f 1 ) 实腹梁 。 。 。 。 。 _ _ _ _ _ _ 。 l 1 2 ) 加长牛腿 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 _ 。

8、 。 。 。 l l 。 。 。 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。 。 。 。 。 。 。 。 l o o o o o o o o o o 7 图 1主要支撑结构 ( 1 ) 牛腿 +H实腹梁 常用结构， 适用于较小载荷、 较小跨度支撑 ， 随 着梁的跨度增加 ， 主梁腹板高度也急剧增加 ， 不但笨 重， 还会在容器内形成一定的封闭空问， 影响工艺气 相 的流动 。 ( 2 ) 加长牛腿 +H实腹梁 基于结构( 1 ) 存在的缺点 ， 本结构缩短了梁的 跨度 ， 可以降低梁的重量和规格大小 。但是无法从 根本上解决问题 ， 因为跨度减小， 虽然可以降低梁的 高度， 但是造成 2个长

9、牛腿均为长悬臂梁， 从具体设 计结果看 ， 牛腿非常笨重。更不利的是悬臂梁是焊 在薄壳上 ， 给壳体造成很大的局部应力。 ( 3 ) 牛腿 + 花梁 从力学分析上 比实腹梁更 节省材料 ， 较 ( 1 ) 、 ( 2 ) 结构增加 了气体的流通性。空间允许 的情况 下， 不失为一种较好的支撑方案( 图2为某花梁) 。 1 0 图 2 蜂 窝式花梁 ( 4) 牛腿 + 桁架 桁架作为钢结构 的一种形式 ， 普遍用于建筑结 构领域， 从力学角度来讲， 桁架系二力杆系， 由轴心 受压和受拉的二力构件组成的格构式扩大构件 j ， 充分利用了材料性能 ， 用于承受横 向载荷和跨越较 大的空间情况。目前也

10、是大型立式容器内部支撑的 主要选择方案 ， 其与实腹梁相比有如下优点 ： 1 ) 二力杆各截面主应力几乎均布 ， 因此充分利 用了材料的机械性能 J 。 2 ) 增加桁架高度的可行性大， 但不影响工艺介 质 的横向流动。桁架 由各子构件构成 ， 可以根据空 问结构加大高度和作局部调整， 因此 ， 在抗弯情形 下 ， 可以形成很大的当量抗弯截面模量。 3 ) 桁架结构灵活 ， 可以在容器 内组装， 因此从 安装 、 运输方面等都较实腹梁方便 。 缺点 ： 对设计人员要求高， 有较高的组装精度要 求( 图 3为某桁架梁) 。 图 3平面桁架 牛腿作为常规结构， 已经有较为成熟的解决办 法 ， 本文

11、不作赘述。 支撑梁作为设备安全运转的重要结构， 需要重 点考虑。结构大型化后 ， 通常的材料力学难 以满足 计算要求 ， 往往要借助钢结构理论 、 结构力学进行核 算。而现行钢结构标准 钢结构设计规范 主要 适用房屋和一般构筑物设计 ， 而压力容器的材质 、 内 部温度、 接触介质 、 设计原则等与钢结构设计理念有 着较大的差异 。如何正确地理解、 应用钢结构设计 理论 ， 寻求用于压力容器设备主梁设计计算手段 ， 对 工程设计有重要现实意义。 2 支撑结构的设计计算需重点关注的几个问题 2 1 支撑梁的布置和载荷分配方式 梁一般按容器内径等间距布置。设备内梁上的 第 2 6卷第 6期 压 力

12、 容 器 总第 1 9 9期 操作载荷主要有 ： 填料 ( 催化剂) 自重 ， 压力降 ， 持液 量 ， 格栅重量等 ， 载荷特点多为静载。梁上一般铺设 格栅或约翰逊网， 格栅横跨在梁与梁之间或者梁与 支撑圈之间， 文献 3 给 出了载荷分配指导原则 ， 为 适合工程化要求 ， 笔者认为载荷分配时 ， 可按 1 2矩 形分配原则( 见 图4 ) ， 计算简便且结果偏安全 。 u柑 邻 珩 架 i j j| 蕞 操 匿一 | | 内侧相 邻桁架 图4 2 2钢 结构 与压 力容 器的设 计原 则 区别 目前压力容器设计采用的是以安全系数为基础 的许用应力设计法 ， 而钢结构采用 的是 以概率理论

13、 为基础的极限分析设计方法 ， 而从事压力容 器设计的人员对于后者不熟悉。由于两者设计原则 的差异 ， 对材料 的使用处理也不同( 见表 1 ) 。 表 1 钢结构规范 和压力容器规范 对材料处理的主要差异 项 目 钢结构 压力容器 概念 ( 结构 ) 设计 强度 ( 材料 ) 许用应力 结 构 承 载 材料抗 拉 强度 、 屈 服 能 力 涉 及 材料屈服 限 限 、 高 温 蠕 变 、 断 裂 材料 因素 持久强度 材 料 适 用 l 5 0 随材料 的不 同而异 ， 温度 最高可达 6 0 0 o C 种类多 ， 仅 压力 容 器 材 料 牌 号 种类少 ， 钢材 4种 专用 板材 就有

14、 1 5种 数量 牌号 材 料 性 能 分 项 系 屈 服 限 数 J ： 安全系数 Q 2 3 5 1 0 8 7 ； 安全系数 ： ( 材 料 性 Q 3 4 5 ，Q 4 2 0 ，Q 3 9 o ： 屈服限f S1 5 ( 1 6 ) 能 分项 系 f ,1 1 1 1 数 ) ( 在荷载值 上要 考虑 相应分项系数 ) 同种牌号材料在 钢结构设计规范 中比在 G B 1 5 0 给出的许用值要大 ， 而且在压力容器结构 设计 中， 使用的材料牌号并未纳入钢结构规范。材 料的许用应力的选取 ， 往往 困扰压力容器设计人员 。 分析二者设计原则的差异 ， 问题当迎刃而解。 举例说明 ：

15、温度 2 0， 材料 Q 2 3 5B， 厚度 1 6 m m， 钢结构设计规范 材料的抗拉许用应力值强 度设计值 为 2 1 5 MP a ， 而压力 容器标 准 G B 1 5 0 1 9 9 8 _ 6 中， 许用应力值为 1 1 3 MP a 。设计人员 习惯 利用材料力学公式计算梁的应力 ， 而在应力评定时 ， 简单地选用 钢结 构设计规范 的强度设计值许用 应力 2 1 5 MP a作为许用应力 ， 是错误的。现将钢结 构的计算原则简述如下 ： 钢结构 的一般框 架结 构 ， 分项 系数设 计表 达 式 可简化为 ： T o ( G S + 咖 S Q ik ) y ( 1 ) 式

16、中 。 结构重要性 系数， 钢结构设计 规 范要 求 应 按 国 家 现 行 标 准 G B 5 0 0 6 8 ( 建筑结构 可靠 度设计统 一 标准 规定采用 ， 对于设计使用 年 限为 2 5年 的结构 构件 ， 不应小 于 0 9 5， 对于 容器设 计寿命 一般 1 5 年 ， 因此 y 。 应在 0 9 51之间 y 。 永久载荷分项系数 ， 一般为 1 2 l 5 ， 以 恒定载荷为主一般 =1 3 5 E 2 。 按永久载荷标准值计算 的荷载效应 值 咖Y Q i S 可变载荷有关的分项系数， 在此不作详述 钢材抗力分项系数 ， 材料性能分项系 数 ， 具体见表 1 R 结构构

17、件抗力值 下面举例说明： 某支撑梁设计温度 1 0 0 o C， 经载 荷转换后 ， 其上线载荷为 1 5 k N m m， 最大弯曲应力 o r ， 形 式 为 H实 腹 梁 ， 材 料 Q 2 3 5 。则 对应 公 式 ( 1 ) ， 分项系数表达式为： o 9 5( 1 3 5 )1 0 5 1 0 8 7 ( 2 ) 转换后 ： f f f 一 ( 3 ) 式 中， 1 0 5为弯 曲梁截面塑性发展系数 ， 为 材料屈服限。 大型立式容器 内支撑梁 的设计 V o 1 2 6 N 0 6 2 0 0 9 由公式( 3 ) 可知， 1 4 6相 当于压力容器以安全 系数为基础的容许应力

18、设计法的安全系数 n 。在钢 结构设计计算中， 这个系数随不 同计算工况和支撑 结构有所变动。 可见 ， 直接采用 钢结构设计规范 中的强度设 计值f= f y Y 作为许用应力法 的许用应力值， 降低 了安全裕度 ， 显然是错误 的。如果按钢结构等设计 安全裕度设计， 许用应力值应为 = 2 ( 上算例 中 n=1 4 6) 。 2 3温度 对整体稳 定性 的影 响 无论实腹梁还是桁架， 稳定性都是一个重要的 计算内容 ， 尤其平面桁架， 通过工程计算发现 ， 其稳 定性往往成为设计 的关键。在钢结构规范 中， 使用 温度一般不超过 1 5 0 o C i J ， 对温度稍高情况一般采 取隔

19、热等措施 ， 但设备 内的使用 温度不 可能限 于 1 5 0 ， 有些反应器甚至超过 5 0 0 o C。但 钢结构设 计规范 对高温下梁的稳定性计算并没有提及。对 于高温工况 ， 温度升高， 材料的性能发生变化 ， 如果 简单引用常温环境下的钢结构公式 ， 显然会出现偏 差 ， 因此工程设计必须考虑。 钢结构设计时 ， 实腹梁的稳定性是在纯弯 曲梁 的模型进行修正得到的。 为便于分析， 仍然 以 H型弯 曲梁作为说 明对 象。 弯曲梁的临界弯矩原始公式 J ： ， M = C 1 l C 2 0+C 3 0 + ， + 箍) (4 ) 其中， C ， C ， C ， 为常量， 上述受温度影

20、响的参数 是材料弹性模量 E， 剪变模量 G 。由于 中， G E 竹 ：1 2 6为常量“ J ， 因此临界弯矩 ， 与弹性模量 E 成正 比关系。而弹性模量随温度变化而变化 ， 钢结 构材料由于使用温度不高， 一般取 E： 2 0 61 0 Pa _ 】 J ，因此笔者认为 ， 按钢结构计算所得到的整 体稳定系数 应考虑温度带来的影响。 ； 欢迎订阅 + + + - 4 - + - 1 - + - + - 。 0 以上对大型设备内主梁设计主要问题进行了论 述 ， 并以实腹梁为例进行 了说 明， 在工程计算 中， 无 论桁架结构多复杂 ， 最终会分解到实腹梁核算 ， 因此 解决实腹梁计算问题

21、 ， 桁架问题也就容易得到解决。 钢结构是一门系统学科 ， 文 中仅就工程中涉及 到的关键问题作了阐述 ， 其它问题限于篇幅未做介 绍， 但设计者应当注意。随着设备大型化 ， 特别是大 跨度 、 高承载桁架梁等在压力容器内应用时， 一定要 针对具体结构 ， 全面考核结构的可靠度。 3结语 ( 1 )大型化立式容器的支撑梁设计不但结构更 复杂 ， 而且稳定性问题成为一个重要考核方面； ( 2 ) 支撑梁设计时， 应注意 钢结构设计规范 与压力容器规范 G B 1 5 0的设计原则是不同的； ( 3 ) 指出设备内支撑梁结构与建筑钢结构设计 主要差异 ， 并基于设计原则的不同进行了分析， 给出 了

22、大型设备内支撑梁的设计计算思路。 参考文献 ： 1 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 ， 钢结构设计规范 s 2 夏志斌 钢结构原理与设计 M 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 4 3 D e n n i s R Mo s s P r e s s u r e V e s s e l D e s i g n M a n u a l M T h i r d E d i t i o n 美 4 宋曼华 钢结构设计与计算 M 北京 ： 机械工业出版 社 ， 2 0 0 0 5 陈绍潘 钢结构稳定设计指南 M 北京： 中国建筑工 业 出版社 ， 2 0 0 4 6 G B 1 5 0 -1 9 9 8 ， 钢制压力容器 s 7 戴少度 材料力学 M 北京 ： 国防工业出版社 ， 2 0 0 0 8 丁伯民 化工容器 M ， 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 3 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 2 2 3 修稿 日期 ： 2 0 0 9 0 5 2 6 作者简介： 朱国栋( 1 9 7 4一) ， 男， 高级工程师， 现从事石油化 工设备设计工作， 通讯地址 ： 1 0 0 1 0 1 北京朝阳区安慧北里安 园2 l 号中国石化工程建设公司设备二室。 欢迎投稿