塔支撐件及支撐梁的校核計(jì)算研究

劉永科，董貴菡，姜海瑞

（1.海南中海石油碼頭有限公司，海南?澄邁?571924；?2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司湛江分公司，廣東?湛江?524057）

按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分，塔可以分為板式塔和填料塔。目前，國(guó)內(nèi)塔器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中尚未涉及塔內(nèi)件支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。因此，設(shè)計(jì)塔內(nèi)件時(shí)，支撐件及支撐梁的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算至關(guān)重要[1]。

早期的填料支撐板采用多孔板結(jié)構(gòu)，最大開孔率僅為25%。氣液兩相逆向通過同一孔道，產(chǎn)生較大流動(dòng)阻力，同時(shí)因平面多孔板的承載能力不佳，故顯得強(qiáng)度不足。若為滿足強(qiáng)度而增加板厚，則構(gòu)件又過于笨重。因此，填料支撐板已不再采用多半孔結(jié)構(gòu)了。

經(jīng)改進(jìn)后，填料支撐板采用焊接圓環(huán)支撐板、金屬網(wǎng)支撐板及常用的柵板等結(jié)構(gòu)。前兩種結(jié)構(gòu)的空隙率雖高，但強(qiáng)度較差，實(shí)際很少應(yīng)用。柵板則因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自由截面較大、金屬耗用量較小等優(yōu)點(diǎn)而得到較普遍的應(yīng)用[2]。

本文討論填料塔支撐件（柵板）以及支撐梁（單梁或雙梁）的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1??力學(xué)模型及公式

計(jì)算柵板和支撐梁的強(qiáng)度時(shí)，假定柵板和支撐梁各為一承受均布載荷的兩端簡(jiǎn)支的梁，略去填料對(duì)塔器的摩擦阻力。

填料塔的計(jì)算模型、支撐件及支撐梁簡(jiǎn)化模型及受力情況如圖1、圖2所示。

圖1 支撐件及支撐梁簡(jiǎn)化模型及受力情況

圖2 支撐件圖

1.1??柵板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

柵板的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，由材料力學(xué)理論可以簡(jiǎn)便地求出下列公式。

式中：

M1為物料的重量，kg；

D為圓筒直徑，mm；

Hi為物料i堆放高度，i=1，2，…，5，mm；

ρi為物料i密度，i=1，2，…，5，kg/m3；

M2為物料的吸附重量，kg；

t為物料的吸附容量，%；

M3為由于壓差造成的支撐件所受的附加載荷，kg；

p為氣體通過物料的壓差，MPa；

mmax為每根支撐件承受的最大重量，kg；

q1為每根支撐件承受的均布載荷，N/mm；

f1為支撐件的最大撓度，mm；

Ix為支撐件的慣性矩，mm4；

E為支撐件的彈性模量，N/mm2；

[f1]為支撐件允許的最大撓度，mm；若f1≤[f1]，則校核合格；

W3為支撐件實(shí)際的抗彎截面系數(shù)，mm3；

[W3]為支撐件所需的抗彎截面系數(shù)，mm3；[3]若W1≤[W1]，則校核合格；

σmax為支撐件最大應(yīng)力值，MPa；

[σ]為支撐件的許用應(yīng)力，MPa；若σmax≤ [σ]，則應(yīng)力校核合格；

M4為支撐件總重，kg；

L為支撐件的長(zhǎng)度（考慮支撐梁的間距），mm。

1.2??支撐梁計(jì)算方法

支撐梁的簡(jiǎn)圖如圖4所示，由材料力學(xué)理論可以簡(jiǎn)便地求出下列公式。

圖3 支撐梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

式中：

mmax1為每根支撐梁承受的最大重量[4]，kg；

Mi為見 1.1 中M1～M4，kg；

md為支撐梁?jiǎn)沃?，kg；

q2為每根支撐梁承受的均布載荷，N/mm；

a為支撐梁距塔中心線的間距，mm（當(dāng)單梁支撐時(shí)a=0）；

f2為支撐梁的最大撓度，mm；

[f2]為支撐梁所允許的最大撓度，mm；

E為支撐梁的彈性模量，N/mm2；

I為支撐梁的慣性矩，mm4；

yc為支撐梁截面形心，mm；

W4為支撐梁的實(shí)際的抗彎截面系數(shù)，mm3；

[W4]為支撐梁所需的抗彎截面系數(shù)，mm3；

σmax為支撐梁最大應(yīng)力值，MPa；

[σ]為支撐梁的許用應(yīng)力，MPa；

M5為支撐梁總重，kg；

n為支撐梁根數(shù)，根；

N3為每根梁每側(cè)支撐座（如圖陰影部分）所含支撐筋板個(gè)數(shù)，個(gè)；

N2為筋板的數(shù)量，個(gè)；

mmax為每根梁每側(cè)支撐座所含支撐筋板承受的最大重量，kg；

y為每側(cè)支撐座的形心，mm；

W5為支撐座實(shí)際的抗彎截面系數(shù)，mm3；

[W5]為支撐座所需的抗彎截面系數(shù)，mm3；

σmax為支撐座的焊縫最大彎曲應(yīng)力值，MPa；

[σ]為支撐座的焊縫許用彎曲應(yīng)力，MPa；

a'為支撐座焊縫計(jì)算高度，取0.7×焊縫高度。

τ為支撐座的焊縫最大剪應(yīng)力，MPa；

[τ]為支撐座的焊縫許用剪應(yīng)力，MPa；

σc為支撐座的焊縫的折算應(yīng)力，MPa[5]；

[σc]為支撐座的焊縫的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

2??設(shè)計(jì)步驟

（1）根據(jù)塔徑、載荷條件及其工作要求，選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，確定梁的數(shù)量、截面形狀和尺寸。

（2）根據(jù)本文中的公式對(duì)支撐件和支撐梁進(jìn)行校核計(jì)算。

（3）滿足校核條件f1≤ [f1]、W1≤ [W1]、σmax≤ [σ]和τ≤ [τ]時(shí)，校核合格。

可以根據(jù)以上推導(dǎo)公式，編制支撐件及支撐梁的校核計(jì)算軟件，使塔器設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確高效。

3??結(jié)束語

塔器的支撐件及支撐梁的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性在設(shè)計(jì)計(jì)算至關(guān)重要，目前在國(guó)內(nèi)塔器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中沒有涉及塔內(nèi)件支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，筆者通過柵板設(shè)計(jì)計(jì)算公式與支撐梁設(shè)計(jì)計(jì)算公式的精確推導(dǎo)，并應(yīng)用到支撐件及支撐梁的校核計(jì)算軟件中，使塔器設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確高效，并且為國(guó)內(nèi)塔內(nèi)件支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法填補(bǔ)了空白。