外壓容器扁鋼加強圈設計方法研究

劉明

（廣東省中山市南方空氣分離設備有限公司 528441）

外壓容器扁鋼加強圈設計方法研究

劉明

（廣東省中山市南方空氣分離設備有限公司 528441）

外壓容器的設計重點是要提高容器剛度和臨界壓力，一般采用增加加強圈和容器壁厚的方法，其中在外壓容器筒體上安裝加強圈是一種被廣泛應用的方法。在加強圈設計過程中，需要確定出正確的選型和尺寸，選擇科學的扁鋼估選公式進行簡化計算。本文重點對估選公式進行了分析，結合實例對加強圈的尺寸進行了確定，探究了慣性矩和組合界面實際慣性矩的計算方法。

外壓容器；慣性矩；加強圈；設計探究

與增大外壓容器壁厚的方法相比，增設加強圈的方法更加經濟，將扁鋼、角鋼等加強圈安裝在外壓容器的筒體上的方法應用較為廣泛，因此必須加強對加強圈設計的研究。外壓容器加強圈設計過程中，必須先選擇合適的型材，保證不同加強圈的間距和界面尺寸滿足要求[1]。全國壓力容器標準化技術委員會對鋼材選用都進行了相應的規定，在選擇鋼型之后，需要對加強圈和組合截面需要的慣性矩進行計算，同時也需要明確有效段組合截面積的實際慣性矩，如果組合截面的理論慣性矩小于實際慣性矩，說明鋼型可用，否則必須重新選擇，指導滿足要求為止。為了進一步簡化計算方法，本文對估選公式進行了探究，利用公式實現快速準確計算。

1 概述

應用加強圈的目的是增強外壓容器的穩定定和剛性，一般將加強圈安裝與容器的內側或者外側。加強圈設計過程中，需要保證實際慣性矩大于計算的最小慣性矩。實際應用中一般選用扁鋼、角鋼和工字鋼等加工制作，可以將加強圈焊接在容器外部和內部。如果加強圈焊接在外壓容器筒體的外部，加強圈不同側的間斷焊縫的總長度必須在容器外周長度的1/2以上，如果加強圈焊接在外壓容器筒體的內側，不同側的間斷焊縫總長度在內圓周長度的1/3以上。

針對外壓容器加強圈設計工作而言，一般將最小質量作為設計目標，但是在實際設計過程中必須充分考慮到制造、安裝和應用方面的問題。為了得出更加周密的設計方法，必須選用科學的結構和尺寸，需要應用現代計算方法和數值分析方法，通過計算的方式優選設計方案，彌補傳統經驗型設計過程中不足，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

實際應用中需要保障加強圈穩定可靠，殼體和加強圈之間應用連續焊接方法固定，不得出現任何消弱和割斷情況[2-3]。從結構上看，加強圈和外壓容器筒體焊接為一個統一的整體，筒體受到壓力時，加強圈也會受到壓力，為了保證外壓容器殼體的穩定性，全國壓力容器標準化技術委員會對加強圈和設備殼體截面之間的組合慣性矩進行了明確的規定，即：

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

以Ls表示加強圈之間的間距，不同加強圈和筒體承受的外載荷范圍為Ls/2，所以此時的外載荷為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表示設計外壓，單位MPa；m表示穩定安全系數，我國的設備穩定安全系數取為3。

實際應用中，per=mp=3p，由于加工過程中會受到外界因素的影響，為了提高設備的安全性，一般將載荷量在原有的基礎上增大10%后進行計算，因此有：

qer=3×（1+10%）pLs

所以理論慣性矩I=3.3pLsD03/（24E）。

2.2 組合截面實際慣性矩Is計算

圖1是組合截面圖。

圖1 組合截面圖

全國壓力容器標準化技術委員會提出組合截面實際慣性矩的計算方法為：

式中：I1表示加強圈截面對中性軸的慣性矩，單位mm4；As表示加強圈的橫截面積，單位mm2；h表示扁鋼的實際高度，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。

因為I2≥I1，h≥δe，所以在計算過程中可以將I2忽略不計，有h+δe≈h，As≈A2，此時有Is=I1+Ash2/8，同時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。

結合實際應用，一般在設計時必須保證實際慣性矩與理論慣性矩的慣性為Is≥I，此時將上述公式代入，得出最終的估選公式為I1≥pLsD03/（18.18E）。

3 實際應用案例

應用最終的估選公式I1≥pLsD03/（18.18E）選擇扁鋼加強圈的截面尺寸，之后借助全國壓力容器標準技術委員會給出的方法進行計算。

以某催化劑罐應用為例，開展加強圈的設計工作，以下為已知條件：

設計外壓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，加強圈間距Ls=3000mm，實際設計溫度控制在450℃。

3.1 確定加強圈截面尺寸

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計表》中查詢，在450℃環境下，對應的E值為1.58×106kg/cm2=1.58×9.8×104MPa。

應用過程中將加強圈的截面尺寸選為180mm/18mm，確定出扁鋼的

實際高度h為180mm，寬度b為18mm，所以實際慣性矩

實際選用的加強圈的橫截面積As=bh=3240mm2。

3.2 計算慣性矩I

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

3.3 計算組合截面的實際慣性矩

外壓容器筒體的有效段橫截面積為A2=2b1δe=4037.12mm。

可見實際慣性矩的值大于計算的慣性矩值，所以選用的扁鋼是合理的。

4 結束語

在外壓容器設計過程中，加強圈的設計和計算一直是重點關注的內容，如果只遵循國家標準計算方法進行計算，實際設計過程中必須要計算3～5次，計算過程十分繁瑣。本文提出的估選公式，在計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，可以保證扁鋼加強圈設計計算方便簡潔，且具有較高的準確性，值得推廣應用。

[1]邱東華，格寧，鮑旭東，等.外壓容器扁鋼加強圈設計方法探討[J].遼寧石油化工大學學報，2013，24（2）：89.

[2]丁滿福，王碧玲.外壓容器環向加強圈快速計算[J].石油化工設備，2014，26（3）：38.

[3]張俊峰.外壓容器環向加強圈設計計算的優化[J].湖北化工，2012，18（2）：39.

TH49

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1004-7344（2016）15-0231-02

2016-5-11