填料承托板的设计

黄洪波

（桂润环境科技股份有限公司，南宁530001）

0 引言

填料承托板是化工、环保设备里面一个很重要的构件，由于大多数设备形状为圆筒形，因此大多数承托板为圆形平板。圆平板在有关设计规范里面有一些介绍，而带有纵向及横向加强肋结构的平板很少或几乎没有祥细介绍，只是以平盖作为压力容器的封头加以介绍。大直径承托板通常都设置纵向与横向加强肋，结构与平盖不同，其受力情况也不一样，承托板的设计不能直接套用平盖封头的设计方法。这种承托板在填料罐里面是承重构件，进行设计时要经过严格的计算和校核，以设计出合理可靠的结构件。因此探讨一种实用、可靠、合理的承托板的设计方法具有重要意义。过滤罐、生物滤池、填料罐等常压容器里的承托板，用于支承容器内部的填料，同时又起布水的作用。水从塔底进入，通过均匀分布在承托板上的布水孔，使上流水尽可能地均匀分布在圆形截面上，渗透填料向上流动，与填料充分接触并发生化学反应和固液分离。由于过滤罐、生物滤池、填料罐等这些容器尺寸大，直径可达5 m，高度可达6 m以上，所装的填料量很大。承托板支承很重的填料，要求具有足够的强度和刚度，以确保设备可靠稳定运行，因此承托板的设计必须经过强度校核。本文以在污水处理中用以脱氮的反硝化填料罐为例，介绍承托板的设计过程，填料罐内径为φ3.2 m，高为7 m，填料层高为5.2 m，填料的堆积密度为1900 kg/m3。

图2 承托板

图1 反硝化填料罐

1 计算载荷

根据填料罐尺寸、填料层高度及填料的堆积密度1900 kg/m3，计算得填料的质量为80 t，承托板支承填料的质量，承托板属于承受均布载荷P，计算得

参考《化工设备设计全书》之《化工容器》中的矩形容器平壁设置加强肋的方法[1]，对承托板下表面设置横向及纵向加强肋[2]。

2 填料承托板中心支柱失稳临界载荷的计算

填料承托板正下方设置φ89×8中心支柱，对承托板起加固作用。采用这种加固方法主要是因为承托板位置比较低，距离罐底比较近，所需的支柱高度为500 mm，可以承受很大的质量而不失稳，因而采用这种增设支柱的方法比较有效。若承托板直径很大，可以设置多根支柱以提高承托板的承压能力。在填料质量的重压下需要验算支柱的稳定性。填料罐直径为φ3.2 m，承托板周边支撑，承受80 t填料的质量，计算支柱失稳临界载荷时可假设全部质量作用于支柱上，承托板下方钢管支柱尺寸为φ89×8 mm，长度为500 mm。

承托板中心支柱失稳临界载荷按《机械设计手册》上公式计算[3]:

式中：η为稳定系数，查《机械设计手册》[1]中的表1.4—52，取η=2.467；E为钢材的弹性模量，E=2.0×105MPa；l为中心支柱高度，l=500 mm；I为支柱横截面形心主惯性矩，计算公式为

式中：D=89 mm；d=73 mm。

支柱失稳的临界载荷远大于填料质量，因此支柱稳定。

3 填料承托板的设计

3.1 填料承托板厚度的计算

填料承托板的材质与罐体相同，选用碳素结构钢Q235B钢板这种具有良好焊接性能的材料。由于处理的污水具有较强的腐蚀性，因而焊接完毕后必须做好防腐处理，以确保设备的使用寿命。

为了提高承托板的强度和刚度，在承托板的下表面设置纵向和横向加强肋，相邻两块加强肋间距为400 mm，并且加强肋用圆圈围起来，加强肋两端与圆圈焊接牢固，进一步提高承托板的整体刚度。而圆圈与平板采用双面间断角焊缝，加强肋与平板采用双面间断角焊缝，即焊100 mm断开100 mm的焊接结构，两面焊缝错开，以减小焊接变形。承托板的厚度按下式计算[1]：

式中：t为承托板厚度，mm；B为承托板加强肋间距，B=400 mm；P为设计压力，P=99522 N/m2；[σ]t为材料的许用应力，取[σ]t=120 MPa；C为承托板厚度附加量，取C=0.2 mm。

将以上参数代入公式，得

取板厚t=10 mm，由于污水腐蚀性强，钢板厚度适当增加，另外，钢板厚度较厚，焊接后板不容易出现变形。

3.2 确定加强肋厚度

承托板采用纵向及横向联合加强形式，每一个加强肋的抗弯断面系数为Wp（看成两支点梁），在纵向上，加强肋的抗弯断面系数Wp按下式计算[1]：

式中：Wp为纵向加强肋的抗弯断面系数；b为纵向两加强肋间距，b=400 mm；l为板高度，取l=1600 mm；K为系数，决定于加强肋在支点的固定方法，刚性固定时，取K=12，非刚性固定时，取K=8，本设计取K=12；[σ]t为材料的许用应力，取[σ]t=120 MPa；P为设计压力，P=99522 N/m2。

将参数代入公式，得

横向与纵向加强肋抗弯断面系数相等，横向与纵向加强肋厚度相同。

加强肋的厚度按下式计算：

在《化工设备设计全书》之《化工容器》中，推荐加强肋截面高度h=5Sp，即h=5×16=80 mm，即加强肋的截面尺寸为80 mm×16 mm。

3.3 强度校核

加强肋与平板构成的组合截面如图3所示。

图3 加强肋组合截面

3.3.1 组合截面惯性轴x-x的位置bx的计算

组合截面惯性轴位置按下式计算[1]：

式中：bx为组合截面惯性轴位置，mm；t为加强肋厚度，t=16 mm；b为加强肋截面高度，b=80 mm；B为单元平板宽度（即相邻两加强肋之间的宽度），B=400 mm；T为承托板厚度，T=10 mm。

将以上各参数代入上式，得

惯性轴x-x到平板中性轴的距离y=80-74+5=11 mm

3.3.2 带加强肋的单元平板的抗弯断面系数ωpc的计算

在《化工设备设计全书》之《化工容器》[1]中，抗弯断面系数ωpc按下式计算：

满足强度要求，表明所确定各参数是合理的。上式中，取材料许用应力[σ]=120 MPa。以上按干填料的质量进行计算，若填料经过进水浸湿后，一旦罐体把水排空，则填料中会增加大约15%的质量，即质量增加或者载荷增加了15%，按上述方法进行计算，算出组合截面的应力为σ=121 MPa＜1.2[σ]，仍然满足强度要求。当设备处于运行状态，填料浸泡在水中，由于水的浮力作用，抵消了部分填料的重力，因此运行状态下承托板承受的重力会更小，承托板的组合截面应力也更小，因而承托板更安全。

4 结语

对于大直径带加强肋的填料承托板，并且在填料罐内位置比较低，离罐底很近，这种情况的承托板比较适合采用设置中心支柱的方法来提高承托板的强度和刚度，无需增加钢板的厚度便可满足强度要求，从而减轻了承托板的质量并节省了材料，也使其结构更加合理。其次，通过对承托板设置纵向及横向加强肋，能有效提高承托板的整体刚度。另外需要说明，在本实例中，承托板上开出布水孔，这些布水孔孔径较小，孔中心距大，对承托板的强度和刚度的影响微小，在开孔边缘会出现一定的应力集中，但只在开孔处很小的范围内，离开孔边缘应力集中便迅速衰减，对整体的影响很小，因此设计计算时忽略了板开孔的影响，把承托板当成实心板来设计。