孟利宏(四川晨光工程設(shè)計院,成都610041)

大型矩形容器的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

孟利宏(四川晨光工程設(shè)計院,成都610041)

大型矩形容器由于其容積大，受液體載荷的影響容易引起剛性不足，導(dǎo)致容器產(chǎn)生嚴(yán)重變形，如何對這類容器選擇合理的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，對大型矩形容器的制造，經(jīng)濟(jì)性會產(chǎn)生很大影響。本文針對一大型矩形容器采用型鋼進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，通過分析其受力情況以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。

矩形容器；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；受力

在潤滑油生產(chǎn)平臺上，由于生產(chǎn)的實(shí)際需要及為節(jié)省空間，出產(chǎn)的成品油儲罐往往被設(shè)計成大尺寸的常壓矩形容器[1]，這類容器由于壓力低，溫度不高常常受到設(shè)計者的忽視，但由于其體積大，承受較大的液體載荷，如果加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，容器剛性設(shè)計不足，則容易導(dǎo)致容器壁板發(fā)生嚴(yán)重的翹曲變形[2][3]。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文針對一體積為171m3成品油儲罐進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,其結(jié)構(gòu)俯視圖如圖1所示，長×寬×高為15000×3800×3000，側(cè)板及底板材料為Q345R，中間由壁板分隔成12個獨(dú)立空間，內(nèi)壁板材料為Q235A。容器內(nèi)儲存成品潤滑油，常溫常壓，容器放置在7個間隔為2530mm的條形磚混基礎(chǔ)上。設(shè)計結(jié)構(gòu)為開式排放設(shè)備，即無頂板，由于該設(shè)備為常溫常壓結(jié)構(gòu)，按文獻(xiàn)[4]中壁板計算，考慮經(jīng)濟(jì)性要求即取四周側(cè)板及中間壁板的厚度δ=8mm，底板厚度根據(jù)文獻(xiàn)[4]計算可得δb,n=14mm。

圖1 矩形容器的結(jié)構(gòu)俯視圖

2 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

對受內(nèi)壓矩形截面的容器進(jìn)行受力分析，在液體壓力的作用下，其底板及四周的側(cè)板將產(chǎn)生很大的彎矩而變形，盡管中間隔板對側(cè)板有一定程度的加強(qiáng)作用，但是實(shí)際應(yīng)用中容器的剛性仍達(dá)不到要求，因此底板及四周側(cè)板都需要加強(qiáng)，底板由于放置在條形磚混基礎(chǔ)上，與條形石墩接觸的位置擬采用18#工字鋼進(jìn)行加強(qiáng)支撐，每兩個條形磚混基礎(chǔ)的底板中間位置采用角鋼進(jìn)行加固；四周側(cè)板采用角鋼進(jìn)行加強(qiáng)。合理的利用型鋼對容器進(jìn)行加固，保證其剛性設(shè)計滿足要求。

3 受力計算

本文分三個方面對矩形容器的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計算：

3.1 底板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

矩形容器底板放置在18#工字鋼支撐上如圖2所示，相關(guān)文獻(xiàn)中并未提及底板強(qiáng)度校核，為校核工字鋼強(qiáng)度，將底板假設(shè)為頂板，把液柱靜壓力作為頂板承受載荷進(jìn)行校核計算：

底板有效厚度：δb,e=δb,n-C1-C2=14-2-0.3=11.7mm

液柱靜壓力：PC=ρgh=998×9.8×3=0.02934MPa

最大撓度計算：

根據(jù)底板許用撓度計算式

其中，B/A=1300/1265=1.03

fT,MAX[f]因此底板最大撓度滿足要求。

(式中：ρM-矩形板或加固件的材料密度；Et-設(shè)計溫度下材料的彈性模量；β-系數(shù)。)

工字鋼加強(qiáng)筋的截面系數(shù)取ZT取長度方向截面系數(shù)ZT,L與寬度方向截面系數(shù)ZT,W中的較大值，底板上加強(qiáng)筋實(shí)際的截面系數(shù)應(yīng)不小于ZT。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中，ZT,L和ZT,W的計算公式為：

式中：LT、WT-加強(qiáng)筋沿L、W方向的間距；[σ]b-常溫下型鋼結(jié)構(gòu)件材料的許用應(yīng)力，MPa

18#工字鋼截面模數(shù)Wx=185000mm3,Wy=26000mm3

圖2 底板工字鋼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

3.2 豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

矩形容器的豎向加固，采用角鋼 75×75×8進(jìn)行加強(qiáng)，合理的布置加強(qiáng)筋，是大型矩形容器經(jīng)濟(jì)性要求考慮的重要因素之一，在本文中，采用反推法，由于壁板的厚度δ=8mm，因此δw=δ-C1-C2=8-2-0.3=5.7mm,同時，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中壁板的計算公式：

式中：α-系數(shù)，[σ]t-設(shè)計溫度下矩形板材料的許用應(yīng)力，MPa。

對于3800×3000側(cè)面板而言，取LP1=950mm較為合理。

對于15000×3000長壁板而言，取LP2=937.5mm較為合理。

3.3 橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于矩形容器高度為3000mm，橫向加固考慮為2段加固，采用角鋼 75×75×8進(jìn)行加強(qiáng)，橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計校核：

第1段加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

第1段壁板計算厚度

對兩段剛度進(jìn)行校核fi,MAX[f]，且計算得出的壁板厚度均小于壁板有效厚度，因此，采用兩道加固方式設(shè)計合理。

4 結(jié)語

本文探討了利用型鋼對大型矩形容器底板及四周側(cè)板進(jìn)行加固，并進(jìn)行了剛度校核；經(jīng)過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的受力分析，計算結(jié)果表明本設(shè)計受力合理，省材并有利于制造，滿足該矩形容器的剛性設(shè)計要求。

[1]楊衛(wèi)國，矩形容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]，廣州化工，2003.31 (2).

[2]姜英明，常壓矩形容器壁板強(qiáng)度和剛度設(shè)計[J]，石油化工設(shè)備，2001.30(4).

[3]李其朋，陳國華等，基于MATLAB的矩形截面壓力容器優(yōu)化設(shè)計[J]，設(shè)計計算，2008.25(4).

[4]NB/T 47003.1-2009，鋼制焊接常壓容器，國家能源局.

孟利宏（1990－）；性別：男，籍貫：甘肅省徽縣人，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)；現(xiàn)有職稱：無；研究方向：壓力容器，非標(biāo)設(shè)備設(shè)計。