钢制容器的支承设计

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

㈠ 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。

㈡ 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DN≤700mm，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DN300~4000mm。选用时应使Q≤[Q]；一般情况下应校核支座处圆筒所受支座弯矩ML，使ML≤[ML]（衬里容器ML≤[ML] / 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；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DN400~DN1600mm，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。

㈢ 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σ1~σ4、周向应力σ5~σ8、切向剪应力τ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：200℃

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

A≤D0 / 4 ,且≤0.2L 当需要时，A≤ 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 L≤3000mm，取A =（0.4~0.6）L

L＞3000mm，取A =（0.5~0.7）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≤35MPa，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，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A≥0.145L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/R≤0.5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H＞10m，设计压力≤35MPa，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≤15°为宜。

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≥400℃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50m3~10000m3）共14种，混合式（公称容积1000m3~10000m3）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。⑴直接连接结构：大型球罐可采用；⑵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；⑶U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；⑷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为径向长圆孔，以利于支柱的径向移动，释放支柱施加给球壳的高应力，确保球罐的安全。

5、拉杆

拉杆结构分为可调式和固定式两种。

a、可调式：采用圆钢加工而成，拉杆与支柱采用销钉连接。

b、固定式：一般采用钢管。拉杆与支柱的连接采用焊接结构。该结构制作简单、施工方便，拉杆可承受拉伸和压缩载荷，大大提高了支柱承载能力。国外大型球罐广泛采用此结构。

五、大型储罐

大型储罐的支承大多是直接座落于基础之上。其支承取决于罐底结构，同时也与其基础结构密切相关。

必要时应设置锚栓。其设置条件：1、储罐内压产生的升举力大于罐顶、罐壁以及由它们支撑物件的重力时；2、风弯矩、地震弯矩产生的倾覆升举力；3、储液对罐顶的静压产生的升举力。

低压储罐在罐内剩余压力作用下会产生向上的升举力，同时在风力作用下，罐也有向一侧倾倒而被升举的倾向。此外，当试水或装液至顶盖部位时，还有由液压向上的垂直分力产生的升举力。当升举力的总和超过储罐体和罐顶重量时，会使储罐边缘部分离地，造成罐底破裂，导致严重的后果。为防止这种现象的产生，储罐周边必须悬挂平衡重物或设计锚栓来平衡升举力，以后者使用居多，升举力的计算可见“球罐和大型储罐”一书的相关叙述。锚栓结构有地脚螺栓或类似塔器裙座的型式。

大型储罐与支承基础的关系至为密切。基础质量的好坏直接影响到储罐能否正常、安全运行。

大量储罐事故的成因可归纳为罐底板的脆性破裂、地震破坏和罐底基础破坏。

罐底承受上方的贮存液体（或充水）压力及下方基础的支承力，在靠近罐壁处，还受到罐壁及边缘力的作用，加上由于基础的不均匀沉降和焊接工艺的影响，罐底的受力分析较为复杂。

罐底边缘板近角焊缝的σx值相当高，略向中心移动便迅速衰减；高应力和应力急剧变化的区域均在边缘板上，中幅板只要地基不发生问题，应力很小。罐底边缘处应力σx值虽高，属二次应力，虽超过屈服极限，可用σx＜2σs校核。

罐底排板结构：对于DN ≤ 16.5m以下储罐，可条形组排；较大储罐，其边缘部分受罐壁作用力、边缘力较大，所以底板的外周需比中部厚，为确保底板的严密推荐对接焊，罐底与罐壁底圈的内外角焊缝均采用连续焊，焊接高度≥罐底边缘板厚度，该焊缝内侧应打磨圆滑，避免应力集中，为确保底板的严密性对底板的焊缝进行真空试漏（负压不得小于等于350mmH2O）。

储罐基础依据土质条件形式各异大致可分为下列几种：环墙式基础、护坡式基础、外环墙式基础、刚性桩及钢筋混凝土承台式基础。

当钢罐为高温罐时须根据介质的温度不同采取相应的构造措施，应选用不同的沥青。当储存介质最高温度高于95℃时，基础表面应采取隔热措施。

当钢罐为低温罐时必须对基础采取防冻措施，除了储罐的平底与基础中间必须有保温层外，基础结构也各不相同。

储罐基础周边须设排水坡、排水沟。

储罐基础应该满足：1、不被压坏；2、总沉陷量不超过允许范围；3、避免不均匀沉降；4、为减少底板的腐蚀，基础表面应设防潮绝缘层。

参考文献

[1] L.E.勃朗奈尔,E.H.杨. 琚定一 谢端绶译.化工容器设计.上海：上海科学技术出版社，1964.

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会.《压力容器设计指导手册》上、下册.昆明：云南出版集团公司 云南科技出版社.2006.

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[8] 国家发改委.JB/T4731-2005钢制卧式容器.

[9] 国家发改委.JB/T4710-2005钢制塔式容器.

[10] 乔海星等.卧式圆筒形容器设计的几何理念.化工设备与管道.2007，2.

[11] 国家质量技术监督局.JB151-1999管壳式换热器.

作者简介：吴晓梅（1967-），女，工程师，主要从事化工设备设计工作。

Supporting Design Of Steel Vessels

Wu Xiaomei,Cheng Gang,Xu Yun,Song Tianbao

（Anhui Chemical Design Institute,Anhui,Hefei 230009）

Abstract: Supporting of vessels is one important part of design of vessels.This article sum up supporting type of vessels according as structure and types of vessels.

Keywords: supporting, vertical vessels ,horizontal vessels on saddle supports,vertical vessels supported by skirt,spherical tanks,large tanks