鋼制焊接常壓容器圓形平蓋加平行角鋼加強筋的設計計算

馮永利

(克拉瑪依石化公司)

NB/T 47003.1-2009[1]標準中第6.4節的表6-5給出了當容器公稱直徑不大于2 200mm時圓形平蓋厚度和角鋼加強筋規格的推薦值；當容器公稱直徑大于2 200mm時，圓形平蓋厚度可依據該標準進行計算，但平蓋上角鋼加強筋規格需通過計算或按經驗值確定。由于按經驗值確定存在一定的局限性，而該標準中又未提供其規格的計算過程，因此，筆者以設計工作中的對象為具體實例，進行了圓形平蓋加平行角鋼加強筋的設計計算，為平蓋角鋼加強筋的規格選擇提供依據。

1 平蓋厚度計算

平蓋的計算厚度是依據文獻[1]中第6.4節式6-38圓形平蓋厚度計算公式進行計算的。筆者所用算例的參數為：平蓋直徑Dc=3000mm；結構特征系數(查表6-4)Kp=0.032；計算壓力pc=0.02MPa；設計溫度80℃；設計溫度下材料許用應力(按第5章)[σ]t=129.5MPa；焊接接頭系數φ=0.85；平蓋初步選擇井字形角鋼加強筋，角鋼規格選擇∠110×110×12。平蓋結構尺寸如圖1所示。

圖1 平蓋結構尺寸圖

2 平蓋加平行角鋼加強筋的設計計算

NB/T 47003.1-2009標準規定，加強筋與平蓋組合截面系數Zs應不小于按表6-4規定計算出的所需截面系數Zx，加強筋與平蓋組合截面包括加強筋兩側各10δp范圍。本算例中，角鋼加強筋與平蓋的組合截面如圖2所示。

圖2 角鋼加強筋與平蓋的組合截面

2.1 組合截面形心位置[2]

角鋼Ⅰ的邊長δ1=110mm，面積A1=2520mm2，重心距z0=32.6mm。角鋼Ⅰ的形心縱坐標y1=δ+z0=12+32.6=44.6mm。

矩形Ⅱ的面積A2=20δp×δ=20×7.23×12=1735.2mm2；形心縱坐標y2=δ/2=6mm；組合截面形心C的縱坐標yc=(A1y1+A2y2)/(A1+A2)=(2520×44.6+1735.2×6)/(2520+1735.2)=28.86mm。

2.2 組合截面對形心軸x的慣性矩

角鋼Ⅰ對其自身形心軸的慣性矩I1=2830000mm4。角鋼Ⅰ對形心軸x的慣性矩I1,x=I1+A1(y1-yc)2=2830000+2520×(44.6-28.86)2=3454324.0mm4。矩形Ⅱ對其自身的形心軸的慣性矩I2=20δp×δ3/12=20×7.23×123/12=20822.4mm4。矩形Ⅱ對形心軸x的慣性矩I2，x=I2+A2(yc-y2)2=20822.4+1735.2×(28.86-6)2=927602.5mm4。組合截面對形心軸x的慣性矩Ix=I1,x+I2,x=4381926.5mm4。

本算例中的平蓋與加強筋組合截面對形心軸x的慣性矩為Ix′=2Ix=8763853mm4。

2.3 組合截面的截面系數及其校核

形心至組合截面下緣的距離ya=28.86mm，形心至組合截面上緣的距離yb=93.14mm。組合截面的截面系數最小值，即危險截面的組合截面系數Zs=Ix′/yb(ymax)=8763853/93.14=94093.3mm3。

依據NB/T 47003.1-2009標準中表6-4，本算例所選角鋼加強筋與平蓋的所需截面系數為：

得出Zs>Zx，因此本設計所選加強筋的規格合格。

3 結束語

在NB/T 47003.1-2009標準中要求加強筋與平蓋組合截面系數Zs應不小于表6-4中規定計算出的所需截面系數Zx，計算時取Zs為加強筋與平蓋組合截面系數的最小值，即危險截面的組合截面系數，平行角鋼加強筋的危險截面位置在角鋼的最上緣，當危險截面的組合截面系數大于所需截面系數時，則組合截面的任意截面都是安全合格的。筆者給出的關于圓形平蓋上所用平行角鋼加強筋的規格的計算方法簡單易學、過程清晰，為廣大從事設計工作的人員提供了角鋼加強筋的選擇依據。

[1] NB/T 47003.1-2009，鋼制焊接常壓容器[S].北京：中國標準出版社，2009.

[2] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1992.