水泥廠圓筒容器加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)

□□肖其中，唐根華

水泥廠圓筒容器加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)

Design Comparison of Reinforced Ring for Cylinder Cement Vessel

□□肖其中，唐根華

介紹了幾種加強(qiáng)圈組合慣性矩的計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果表明：相同厚度、相同截面積的加強(qiáng)圈，矩形比T形的組合慣性矩大。在選擇加強(qiáng)圈時(shí)，如果條件允許應(yīng)優(yōu)先考慮矩形加強(qiáng)圈。

加強(qiáng)圈；組合慣性矩；設(shè)計(jì)比較

1 加強(qiáng)圈的作用

加強(qiáng)圈是為了增加容器的剛度，在殼體內(nèi)壁或外壁焊接的環(huán)形構(gòu)件。水泥廠中有很多圓筒容器，如料倉(cāng)、預(yù)熱器、增濕塔、窯尾風(fēng)管等，在設(shè)計(jì)此類(lèi)容器時(shí)經(jīng)常用到加強(qiáng)圈。加強(qiáng)圈一般用型鋼制造，也有用鋼板割成條形后焊接而成。采用加強(qiáng)圈往往比單純?cè)黾託んw壁厚更為節(jié)省材料，尤其當(dāng)殼體材料用不銹鋼而加強(qiáng)圈材料采用碳鋼時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性更為顯著。

衡量加強(qiáng)圈的作用在于其慣性矩的大小，加強(qiáng)圈與筒體組合段的組合慣性矩IS越大，對(duì)筒體的加強(qiáng)作用也越強(qiáng)；相同厚度、相同截面積的加強(qiáng)圈，設(shè)置形式不同，其組合慣性矩也不相同。

2 組合慣性矩的計(jì)算

在水泥廠圓筒容器的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用到矩形和T形（含角鋼）加強(qiáng)圈，角鋼加強(qiáng)圈也有兩種不同的設(shè)置方式。下面將分別介紹這幾種加強(qiáng)圈的組合慣性矩的計(jì)算。設(shè)計(jì)條件：容器外徑D0均為3000mm，殼體壁厚S均為8mm；筒體有效段的長(zhǎng)度L可通過(guò)下式［1］計(jì)算：

文獻(xiàn)［1］中對(duì)筒體有效段L取值的描述過(guò)于繁瑣，實(shí)際上是取1.10×(D0×S)0.5和加強(qiáng)圈距Ls的小值，即L＝min [1.10×(D0×S)0.5，Ls]，由于水泥廠圓筒容器的設(shè)計(jì)壓力不大，1.10×(D0×S)0.5要遠(yuǎn)小于加強(qiáng)圈距Ls，因此直接用上式計(jì)算筒體有效段的長(zhǎng)度。

加強(qiáng)圈材料選用63mm×63mm×10mm角鋼，對(duì)應(yīng)矩形鋼板截面為10mm×116mm。

2.1 等邊角鋼與筒體貼焊時(shí)的組合慣性矩

等邊角鋼的直邊與筒體貼焊，見(jiàn)圖1。對(duì)于這種焊接

公式中，I1為加強(qiáng)圈截面對(duì)其中性軸的慣性矩，經(jīng)查表［3］知為4.109×105mm4；I2為筒體有效段對(duì)其中性軸的慣性矩，由公式計(jì)算 I2＝L×S3／12＝170×83／12＝0.073× 105mm4；AS為加強(qiáng)圈的截面積，經(jīng)查表知為1165.7mm2；A2為筒體有效段的橫截面積，由公式計(jì)算A2＝L×S＝170× 8＝1360mm2；Z0為等邊角鋼的形心軸至其底邊的距離，經(jīng)查表知為19.3mm；S殼體壁厚為8mm。

將數(shù)據(jù)代入上式，解得

2.2 等邊角鋼在筒體上倒立焊接時(shí)的組合慣性矩

等邊角鋼在筒體上倒立焊接，見(jiàn)圖2。對(duì)于這種焊接方式，其組合慣性矩IS的計(jì)算公式為：

公式中，h為等邊角鋼的邊長(zhǎng)，為63mm，其余同上。

將數(shù)據(jù)代入上式，解得IS＝4.109×105＋0.073×105＋1165.7×1360×(63－19.3＋4)2／(1165.7＋1360)＝18.464× 105mm4。

2.3 矩形加強(qiáng)圈的組合慣性矩

焊接方式見(jiàn)圖3。對(duì)于這種焊接方式，文獻(xiàn)［4］給出了其組合慣性矩IS的計(jì)算公式：

在相同厚度、相同截面積（同等重量）條件下，矩形加強(qiáng)圈的h變?yōu)?16mm，其他條件為已知，代入上式，解得IS＝10×1163／12＋170×83／12＋10×116×170×8×(116＋8)2／[4×(10×116＋170×8)]＝13.007×105＋0.073×105＋10×116× 170×8×1242／10080＝37.145×105mm4。

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在厚度和截面積相等時(shí)，僅因?yàn)椴贾梅绞讲煌髯垣@得的組合慣性矩大小之比約為1：2：4，矩形加強(qiáng)圈產(chǎn)生的組合慣性矩最大。

3 加強(qiáng)圈的穩(wěn)定性校核

如果是外壓圓筒容器，如增濕塔、窯尾風(fēng)管等，可通過(guò)下式計(jì)算其保持穩(wěn)定時(shí)加強(qiáng)圈與筒體組合段所需的最小慣性矩：I＝pLSD03／(7.27E)，式中p為許用外壓，LS為加強(qiáng)圈距，E為筒體材料的彈性模量。校核時(shí)，再計(jì)算出加強(qiáng)圈與筒體組合段實(shí)際所具有的組合慣性矩IS，并與最小慣性矩I進(jìn)行比較，如IS大于并接近I，則加強(qiáng)圈的截面積滿(mǎn)足要求，否則應(yīng)重新選擇加強(qiáng)圈尺寸，重復(fù)上述計(jì)算，直到滿(mǎn)足要求為止。

如果是圓筒料倉(cāng)，如煤粉倉(cāng)、鋼板庫(kù)等，由于計(jì)算過(guò)程過(guò)于繁瑣，在標(biāo)準(zhǔn)［5］中，根據(jù)設(shè)計(jì)外壓與許用臨界外壓的關(guān)系規(guī)定了加強(qiáng)圈的數(shù)量和位置；根據(jù)料倉(cāng)的直徑規(guī)定了倉(cāng)壁加強(qiáng)圈的最小截面尺寸，這個(gè)截面尺寸也可以用同等截面模數(shù)的型鋼或組合件代替。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）計(jì)算結(jié)果表明：相同厚度、相同截面積的加強(qiáng)圈，矩形比T形(含角鋼)的組合慣性矩大，因此矩形加強(qiáng)圈對(duì)筒體的加強(qiáng)作用比T形大。所以，在選擇加強(qiáng)圈時(shí)，如果條件允許應(yīng)優(yōu)先考慮矩形加強(qiáng)圈。

（2）厚度和截面積相等的加強(qiáng)圈，矩形截面產(chǎn)生的組合慣性矩大于角鋼截面，這意味著在同樣的設(shè)計(jì)要求下，采用矩形加強(qiáng)圈可以減小加強(qiáng)圈的截面積，或減少加強(qiáng)圈的數(shù)量，降低制造成本。

（3）化工行業(yè)反應(yīng)容器往往是多層殼體，內(nèi)外層殼體間有空間限制，在這種條件下選用T形加強(qiáng)圈是迫不得已而為之。水泥行業(yè)則不同，如果照搬化工行業(yè)的作法，在無(wú)空間限制時(shí)仍使用T形加強(qiáng)圈，實(shí)非明智之舉。

[1]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JB／T4735－1997.鋼制焊接常壓容器[S].1997:20.

[2]林占生,劉萍.等邊角鋼加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].石油化工設(shè)備,1991,（1）:22－23.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),第4版第1卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002:3－104.

[4]唐超.帶矩形加強(qiáng)圈的外壓圓筒的優(yōu)化與直接求解[J].化工設(shè)備設(shè)計(jì),1996,（3）:49－50.

[5]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JB／T4735－1997.鋼制焊接常壓容器[S].1997:121.

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TQ172.68

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1001－6171（2010）04－0089－02

??徽合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051；

2009－12－29； 編輯：呂 光方式，文獻(xiàn)［2］給出了其組合慣性矩IS的計(jì)算公式：