CN112069609A - 一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法,首先在安装与配管允许的情况下,尽量使塔体与再沸器之间的距离最短,并且每个耳座的地脚螺栓数量不少于两个且应采用双螺母,同时在耳座上设置滑动螺栓孔,使设备在热膨胀时可以自由滑动;然后通过模型计算确定结构中具体尺寸,具体计算包括:(1)支承耳座再沸器侧圆筒局部应力计算;(2)支承耳座精馏塔侧圆筒局部应力计算;(3)支承耳座本体应力计算;(4)导向支座本体及导向支座两侧圆筒局部应力计算;(5)滑动螺栓孔长轴长度确定。本发明分析了支承耳座的受力情况,说明了支承耳座加导向支座的结构设计注意点,为附塔再沸器支承耳座的设计及计算提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法,属于化工、石化工程领域。
背景技术
在化工和石化装置中,精馏塔与塔底再沸器之间宜按工艺流程顺序靠近布置,对于立式再沸器,可布置在塔侧并利用塔体直接支撑。该方式减少了管道输送流体的阻力,空间紧凑,无需支承框架及土建基础且安装方便,以求技术经济综合成本最优化。再沸器的质量及体积不是特别大的情况下,考虑到塔的承载能力,可以采用全生根的方式将再沸器连接于精馏塔上。全生根的连接方式可通过支承耳座加导向支座的结构来实现,如图1所示。出于优化工艺布置,节省空间及节约成本的需要,塔底再沸器常可通过单组支承耳座及导向支座的形式与精馏塔进行连接。由于塔底再沸器支承耳座受力模型与标准耳座有一定区别,无法按照标准耳座的计算方法进行计算。
在安装与配管允许的情况下,应尽量减少耳座中的L2值,即尽量使塔体与再沸器之间的距离最短。
为补偿塔器及再沸器的热膨胀差,支承耳座再沸器侧设置径向长圆孔,导向支座设置轴向(竖直方向)长圆孔,长圆孔长度可通过公式求得。
考虑到抗震构造措施的要求,每个耳座的地脚螺栓数量不应少于两个且应采用双螺母。必要时应对螺栓剪切应力进行计算。
以往的设计实践中,通常是参考以上部分或全部注意事项,参考标准耳座的尺寸进行设计,并无一套设计计算的方法,故设计出的结构往往是偏保守的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法,以设计出较优化的支承耳座结构
本发明采取的技术方案是:一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法,首先在安装与配管允许的情况下,尽量使塔体与再沸器之间的距离最短,并且每个耳座的地脚螺栓数量不少于两个且应采用双螺母,同时在耳座上设置滑动螺栓孔,使设备在热膨胀时可以自由滑动;然后通过模型计算确定结构中具体尺寸,具体计算包括:
(1)支承耳座再沸器侧圆筒局部应力计算;
(2)支承耳座精馏塔侧圆筒局部应力计算;
(3)支承耳座本体应力计算;
(4)导向支座本体及导向支座两侧圆筒局部应力计算;
(5)滑动螺栓孔长轴长度确定。
进一步的,所述再沸器侧圆筒及精馏塔塔侧圆筒上的局部应力计算使用SW6计算软件零部件模块中局部载荷WRC107的计算方法对塔壁及再沸器圆筒上的局部应力进行计算,计算时将支承支座等效为塔避免及再沸器壳体壁面上的矩形附件,在模块中输入的力如下:
沿壳体轴向的附加载荷=Q1;
容器器壁上产生的弯矩M=Q1*a;
a-支座螺栓孔至容器外壁的距离。
进一步的,所述支承耳座本体应力计算在得出支承耳座受力的情况下参照耳座标准附录中的方法进行计算。
进一步的,所述支承耳座本体应力计算如下
式中:W2-再沸器所受的水平地震力;
Q1-耳座所受轴向力;
L-支座螺栓中心线距离再沸器轴线的距离;
H-支承耳座与导向支座之间的高度差;
D-支承耳座安装尺寸(支承耳座地脚螺栓中心圆直径)。
进一步的,所述支承耳座中底板的厚度计算为:将底板结构简化为一个两边自由,两边简支的承受均布载荷的矩形板受弯模型,可得出底板厚度计算式如下:
式中:δ1-底板的厚度;
[σ]-底板的许用应力;
M-底板承受的弯矩;
b1-支承耳座底板宽度,见附图3;
b2-支承耳座两筋板间距离,见附图3;
l1-支承耳座底板长度,见附图3。
进一步的,所述支承耳座中筋板的厚度计算为:将筋板简化为两端铰支的轴向受压的压板,可得出筋板厚度计算式如下:
式中:[σ]-筋板的许用应力;
k-折减系数;
λ-筋板的柔度;
α-支承耳座计算倾角角度,见附图4;
b-支承耳座筋板计算宽度,见附图4;
l-支承耳座筋板计算长度,见附图4。
进一步的,所述支承耳座中焊缝的腰高满足0.7倍较薄板厚度且不小于4mm。
进一步的,所述支承耳座滑动螺栓孔的长度满足热膨胀量差值最大时设备的位移要求,其长度满足以下计算式:
ls≥2max[ltc,lec,lth,leh]
式中:ltc-精馏塔在径向可能出现的最大冷缩量;
lth-精馏塔在径向可能出现的最大热胀量;
lec-再沸器在径向可能出现的最大冷缩量;
leh-再沸器在径向可能出现的最大热胀量。
本发明的有益效果是:本发明详细分析了附塔再沸器支承耳座的受力情况,结合支承耳座的结构设计的注意点,提出了支承耳座的一种设计与计算方法。通过本方法进行计算可以详细分析支承耳座本体及其影响区域的受力情况,然后设计出较优化的支承耳座结构。
附图说明
图1是附塔再沸器支承耳座示意图。
图2是简化力学模型图。
图3是支承耳座尺寸示意图;其中(A)为再沸器侧及塔侧支承耳座主视图,(B)为再沸器侧及塔侧支承耳座侧视图,(C)为再沸器侧支承耳座俯视图,(D)为塔侧支承耳座俯视图。
图4筋板受力模型图。
图5普通碳钢的k=f(λ)曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
支承耳座工作过程中主要受到的力有:
(1)再沸器自身的重力及垂直地震力,方向竖直向下,为设备轴向,由支承耳座承受;
(2)再沸器自重及垂直地震力在耳座处产生了远离塔的力,方向水平,即设备径向;
(3)再沸器所受的水平地震力,方向水平,即设备径向,由支承耳座及导向支座同时承受;
(4)塔与再沸器材质及温度不同,热膨胀量不同,在支座处产生的热应力。
根据附塔再沸器的支承条件和耳座构造,再沸器可简化为竖向刚性杆,上部耳座为承受竖向和水平方向反力的不动铰支座,下部支座为仅承受水平方向反力的辊轴支座。
可推知,再沸器与塔连接的支承耳座的受力如下:
竖直方向Q1
水平方向FAX=W1+W2/2
耳座所受轴向力可由下式计算:
Q1=m0g+FVEq
m0-再沸器总质量(包括壳体、附件、内部介质及保温层的质量,应取充水试验工况及操作工况下的质量的大值);
g-重力加速度,取9.81Kg/m2;
FVEQ-竖向地震力,FVEQ=αvmaxmeqg;
αvmax-垂直地震影响系数最大值,αvmax=0.65αmax;
αmax-地震影响系数最大值;
meq-计算垂直地震力时,设备的当量质量,取meq=0.75m0;
耳座所受径向力:
由于再沸器的重心距离支座有一定距离,再沸器所受的轴向力Q1会在支承耳座处引起背离塔设备的径向力,该力的大小为:
W1=Q1L/H
Q1-再沸器所受的轴向力
L-支座螺栓中心线距离再沸器轴线的距离
H-支承耳座与导向支座之间的高度差
再沸器所受的水平地震力:
设备运行过程中还会受到水平风载荷及水平地震力的作用,当该部分水平力与W1的方向相同时对耳座的受力影响最大,参照NB/T 47065.3中的计算方法,该部分径向力大小为:
W2=max{pw,pe+0.25pw}
Pw-水平风载荷,Pw=1.2fiq0D0H0×10-6
fi-风压高度变化系数,按再沸器质心所在处高度取
q0-10m高度处的基本风压值,N/m2
D0-容器外径,有保温层时取保温层外径,mm
H0-再沸器的总高度
pe-水平地震力,pe=αmaxm0g
支座处产生的热应力:
由于精馏塔与再沸器的材料和温度不同,两者的热膨胀量有一定的差距,会在轴向和径向上产生一定的热应力,热应力可以通过在支座上设置滑动螺栓孔进行解决,在计算时无需考虑。
基于以上受力分析,对支撑耳座及导向支座进行结构设计和计算。
支承耳座基本结构见附图3,图中各尺寸的确定方式如下:
可根据耳座的悬臂长度、耳座承受的荷载及再沸器的公称直径等基本信息参考《容器支座第3部分:耳式支座》(NB/T 47065.3-2018)中相应规格标准耳座的“支座系列参数表”初定耳座底板、筋板的几何尺寸及板厚等,见下图3。
在安装与配管允许的情况下,应尽量减少图3中的L2值,尽量使塔体与再沸器之间的距离最短。
当抗震设防烈度为8度或以下时,水平地震力均小于耳座之间的摩擦力,因此地脚螺栓可按照构造要求设置或参考《容器支座第3部分:耳式支座》(NB/T 47065.3-2018)中“支座系列参数表”选用,考虑到抗震构造措施的要求,每个耳座的地脚螺栓数量不应少于两个且应采用双螺母。必要时应对螺栓剪切应力进行计算。
另外,为减少耳座受到的热应力,应在耳座上设置滑动螺栓孔,使设备在热膨胀时可以自由滑动,支承耳座螺栓孔设置方向如下图3。
支承耳座基本结构见附图3,根据计算确定结构中具体尺寸,具体计算过程如下:
①支承耳座再沸器侧圆筒局部应力计算
②支承耳座精馏塔侧圆筒局部应力计算
③支承耳座本体应力计算
④导向支座本体及导向支座两侧圆筒局部应力计算
⑤滑动螺栓孔长轴长度确定
塔壁及再沸器圆筒上的局部应力计算(①,②):
使用SW6计算软件零部件模块中局部载荷WRC107的计算方法对塔壁及再沸器圆筒上的局部应力进行计算,计算时将支承支座等效为塔避免及换热器壳体壁面上的矩形附件,在模块中输入的力如下:
沿壳体轴向的附加载荷=Q1
容器器壁上产生的弯矩M=Q1*a
a-支座螺栓孔至容器外壁的距离
支承耳座本体的应力计算(③)
参照文献,可进一步推知:
(1)底板的厚度计算:
将底板结构可简化为一个两边自由,两边简支的承受均布载荷的矩形板受弯模型,可得出底板厚度计算式如下:
δ1-底板的厚度
[σ]-底板的许用应力
M-底板承受的弯矩
b1,b2,11-支承耳座几何尺寸,详见附图3。
(2)筋板的厚度计算:
将筋板简化为两端铰支的轴向受压的压板,可得出底板厚度计算式如下,两个公式互相套用,需要多次试算:
[σ]-筋板的许用应力,
k-折减系数,根据附图5由λ值确定
λ-筋板的柔度
α,b,l-支承耳座几何尺寸,详见附图4。
(3)焊缝计算:
焊缝承受的力包括减应力(竖直载荷产生)和拉应力和压应力(弯矩产生),通常焊缝腰高满足0.7倍较薄板厚度且不小于4mm的要求,焊缝的应力即能满足要求,因而焊缝的强度无需单独进行计算。
导向支座本体及导向支座两侧圆筒局部应力计算(④):
因导向支座仅受径向力,受力远较支承耳座小,出于方便材料采购和制造的需要,一般会将导向支座用材规格与支承耳座规格统一,因而支承耳座计算通过后,导向支座一般可不进行计算。
滑动螺栓孔长圆孔长度确定(⑤):
支承耳座滑动螺栓孔的长度应能满足热膨胀量差值最大时设备的位移要求,应保证ls的长度满足以下计算式:
l≥2max[ltc,lec,lth,leh]
ltc-精馏塔在径向可能出现的最大冷缩量
lth-精馏塔在径向可能出现的最大热胀量
lec-再沸器在径向可能出现的最大冷缩量
leh-再沸器在径向可能出现的最大热胀量
线膨胀量计算公式如下。
lt=α×L×Δt
α-钢材平均线膨胀系数,
L-长度,此处取设备的半径RO,
Δt-设计温度与20℃之间的差值,如设计温度大于20℃则为热胀,小于20℃则为冷缩。
导向支座也应设置用于上下滑动的长圆孔,用于补偿再沸器与精馏塔之间在竖直方向的热膨胀差值,长圆孔的长度ls计算方法参考上文支承耳座滑动螺栓孔长度的计算,上式中L使用支承耳座与导向支座之间筒体长度H代替。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解,上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围,凡采用等同替换等方式所获得的技术方案,均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法,其特征在于,首先在安装与配管允许的情况下,尽量使塔体与再沸器之间的距离最短,并且每个耳座的地脚螺栓数量不少于两个且应采用双螺母,同时在耳座上设置滑动螺栓孔,使设备在热膨胀时可以自由滑动;然后通过模型计算确定结构中具体尺寸,具体计算包括:
(1)支承耳座再沸器侧圆筒局部应力计算;
(2)支承耳座精馏塔侧圆筒局部应力计算;
(3)支承耳座本体应力计算;
(4)导向支座本体及导向支座两侧圆筒局部应力计算;
(5)滑动螺栓孔长轴长度确定。
2.根据权利要求1所述的一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法,其特征在于,所述再沸器侧圆筒及精馏塔塔侧圆筒上的局部应力计算使用SW6计算软件零部件模块中局部载荷WRC107的计算方法对塔壁及再沸器圆筒上的局部应力进行计算,计算时将支承支座等效为塔避免及再沸器壳体壁面上的矩形附件,在模块中输入的力如下:
沿壳体轴向的附加载荷=Q1;
容器器壁上产生的弯矩M=Q1*a;
a-支座螺栓孔至容器外壁的距离。
3.根据权利要求1所述的一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法,其特征在于,所述支承耳座本体应力计算在得出支承耳座受力的情况下参照耳座标准附录中的方法进行计算。
7.根据权利要求1所述的一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法,其特征在于,所述支承耳座中焊缝的腰高满足0.7倍较薄板厚度且不小于4mm。
8.根据权利要求1所述的一种附塔再沸器支承耳座的设计及计算方法,其特征在于,所述支承耳座滑动螺栓孔的长度满足热膨胀量差值最大时设备的位移要求,其长度满足以下计算式:
ls≥2max[ltc,lec,lth,leh]
式中:ltc-精馏塔在径向可能出现的最大冷缩量;
lth-精馏塔在径向可能出现的最大热胀量;
lec-再沸器在径向可能出现的最大冷缩量;
leh-再沸器在径向可能出现的最大热胀量。
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