劉明

（廣東省中山市南方空氣分離設(shè)備有限公司 528441）

外壓容器扁鋼加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)方法研究

劉明

（廣東省中山市南方空氣分離設(shè)備有限公司 528441）

外壓容器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是要提高容器剛度和臨界壓力，一般采用增加加強(qiáng)圈和容器壁厚的方法，其中在外壓容器筒體上安裝加強(qiáng)圈是一種被廣泛應(yīng)用的方法。在加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)過程中，需要確定出正確的選型和尺寸，選擇科學(xué)的扁鋼估選公式進(jìn)行簡化計(jì)算。本文重點(diǎn)對估選公式進(jìn)行了分析，結(jié)合實(shí)例對加強(qiáng)圈的尺寸進(jìn)行了確定，探究了慣性矩和組合界面實(shí)際慣性矩的計(jì)算方法。

外壓容器；慣性矩；加強(qiáng)圈；設(shè)計(jì)探究

與增大外壓容器壁厚的方法相比，增設(shè)加強(qiáng)圈的方法更加經(jīng)濟(jì)，將扁鋼、角鋼等加強(qiáng)圈安裝在外壓容器的筒體上的方法應(yīng)用較為廣泛，因此必須加強(qiáng)對加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)的研究。外壓容器加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)過程中，必須先選擇合適的型材，保證不同加強(qiáng)圈的間距和界面尺寸滿足要求[1]。全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)對鋼材選用都進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，在選擇鋼型之后，需要對加強(qiáng)圈和組合截面需要的慣性矩進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)也需要明確有效段組合截面積的實(shí)際慣性矩，如果組合截面的理論慣性矩小于實(shí)際慣性矩，說明鋼型可用，否則必須重新選擇，指導(dǎo)滿足要求為止。為了進(jìn)一步簡化計(jì)算方法，本文對估選公式進(jìn)行了探究，利用公式實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確計(jì)算。

1 概述

應(yīng)用加強(qiáng)圈的目的是增強(qiáng)外壓容器的穩(wěn)定定和剛性，一般將加強(qiáng)圈安裝與容器的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)。加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)過程中，需要保證實(shí)際慣性矩大于計(jì)算的最小慣性矩。實(shí)際應(yīng)用中一般選用扁鋼、角鋼和工字鋼等加工制作，可以將加強(qiáng)圈焊接在容器外部和內(nèi)部。如果加強(qiáng)圈焊接在外壓容器筒體的外部，加強(qiáng)圈不同側(cè)的間斷焊縫的總長度必須在容器外周長度的1/2以上，如果加強(qiáng)圈焊接在外壓容器筒體的內(nèi)側(cè)，不同側(cè)的間斷焊縫總長度在內(nèi)圓周長度的1/3以上。

針對外壓容器加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)工作而言，一般將最小質(zhì)量作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮到制造、安裝和應(yīng)用方面的問題。為了得出更加周密的設(shè)計(jì)方法，必須選用科學(xué)的結(jié)構(gòu)和尺寸，需要應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算方法和數(shù)值分析方法，通過計(jì)算的方式優(yōu)選設(shè)計(jì)方案，彌補(bǔ)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)過程中不足，因此對估選公式的確定十分重要。

2 估選公式

2.1 理論慣性矩I

實(shí)際應(yīng)用中需要保障加強(qiáng)圈穩(wěn)定可靠，殼體和加強(qiáng)圈之間應(yīng)用連續(xù)焊接方法固定，不得出現(xiàn)任何消弱和割斷情況[2-3]。從結(jié)構(gòu)上看，加強(qiáng)圈和外壓容器筒體焊接為一個(gè)統(tǒng)一的整體，筒體受到壓力時(shí)，加強(qiáng)圈也會(huì)受到壓力，為了保證外壓容器殼體的穩(wěn)定性，全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)對加強(qiáng)圈和設(shè)備殼體截面之間的組合慣性矩進(jìn)行了明確的規(guī)定，即：

式中：I表示理論慣性矩，單位mm4；qer表示加強(qiáng)圈和筒體單位長度所承受的負(fù)荷，單位MN/mm；D0表示加強(qiáng)圈中性截面的直徑，計(jì)算過程中一般應(yīng)用外壓容器的殼體外徑代替，單位mm；E表示在設(shè)計(jì)溫度下的加強(qiáng)圈彈性模量，單位MPa。

以Ls表示加強(qiáng)圈之間的間距，不同加強(qiáng)圈和筒體承受的外載荷范圍為Ls/2，所以此時(shí)的外載荷為qer=perLs。

其中per表示臨界壓力，單位MPa。

由于per/m≥p，所以per≥mp。

式中：p表示設(shè)計(jì)外壓，單位MPa；m表示穩(wěn)定安全系數(shù)，我國的設(shè)備穩(wěn)定安全系數(shù)取為3。

實(shí)際應(yīng)用中，per=mp=3p，由于加工過程中會(huì)受到外界因素的影響，為了提高設(shè)備的安全性，一般將載荷量在原有的基礎(chǔ)上增大10%后進(jìn)行計(jì)算，因此有：

qer=3×（1+10%）pLs

所以理論慣性矩I=3.3pLsD03/（24E）。

2.2 組合截面實(shí)際慣性矩Is計(jì)算

圖1是組合截面圖。

圖1 組合截面圖

全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)提出組合截面實(shí)際慣性矩的計(jì)算方法為：

式中：I1表示加強(qiáng)圈截面對中性軸的慣性矩，單位mm4；As表示加強(qiáng)圈的橫截面積，單位mm2；h表示扁鋼的實(shí)際高度，單位mm；δe表示外壓容器筒體的有效厚度，單位mm；a表示組合截面與x-x軸距離，單位mm；I2表示外壓容器筒體有效段對中性軸的慣性矩，單位mm4；A2表示外壓容器筒體有效段的橫截面積，單位mm2。

因?yàn)镮2≥I1，h≥δe，所以在計(jì)算過程中可以將I2忽略不計(jì)，有h+δe≈h，As≈A2，此時(shí)有Is=I1+Ash2/8，同時(shí)I1=bh3/12，As=bh，其中b表示所用扁鋼的寬度，單位為mm，因此有Is=bh3/12+bh3/8=2.5I1。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，一般在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證實(shí)際慣性矩與理論慣性矩的慣性為Is≥I，此時(shí)將上述公式代入，得出最終的估選公式為I1≥pLsD03/（18.18E）。

3 實(shí)際應(yīng)用案例

應(yīng)用最終的估選公式I1≥pLsD03/（18.18E）選擇扁鋼加強(qiáng)圈的截面尺寸，之后借助全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)給出的方法進(jìn)行計(jì)算。

以某催化劑罐應(yīng)用為例，開展加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)工作，以下為已知條件：

設(shè)計(jì)外壓p=0.1MPa，外壓容器筒體的外徑D0=3836mm，外壓容器筒體的有效厚度δe=15.2mm，加強(qiáng)圈間距Ls=3000mm，實(shí)際設(shè)計(jì)溫度控制在450℃。

3.1 確定加強(qiáng)圈截面尺寸

由于最終的估選公式為：

其中的E值在《石油化工壓力容器設(shè)計(jì)表》中查詢，在450℃環(huán)境下，對應(yīng)的E值為1.58×106kg/cm2=1.58×9.8×104MPa。

應(yīng)用過程中將加強(qiáng)圈的截面尺寸選為180mm/18mm，確定出扁鋼的

實(shí)際高度h為180mm，寬度b為18mm，所以實(shí)際慣性矩

實(shí)際選用的加強(qiáng)圈的橫截面積As=bh=3240mm2。

3.2 計(jì)算慣性矩I

慣性矩I=D02Ls（δe+As/Ls）A/10.9=1.50328×107（mm4）

3.3 計(jì)算組合截面的實(shí)際慣性矩

外壓容器筒體的有效段橫截面積為A2=2b1δe=4037.12mm。

可見實(shí)際慣性矩的值大于計(jì)算的慣性矩值，所以選用的扁鋼是合理的。

4 結(jié)束語

在外壓容器設(shè)計(jì)過程中，加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)和計(jì)算一直是重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，如果只遵循國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中必須要計(jì)算3～5次，計(jì)算過程十分繁瑣。本文提出的估選公式，在計(jì)算過程中可以將外壓容器筒體有效段對中性軸的慣性矩I2忽略不計(jì)，可以保證扁鋼加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)計(jì)算方便簡潔，且具有較高的準(zhǔn)確性，值得推廣應(yīng)用。

[1]邱東華，格寧，鮑旭東，等.外壓容器扁鋼加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)方法探討[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，24（2）：89.

[2]丁滿福，王碧玲.外壓容器環(huán)向加強(qiáng)圈快速計(jì)算[J].石油化工設(shè)備，2014，26（3）：38.

[3]張俊峰.外壓容器環(huán)向加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)計(jì)算的優(yōu)化[J].湖北化工，2012，18（2）：39.

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2016-5-11