大型矩形容器的加強結構優化設計

孟利宏(四川晨光工程設計院,成都610041)

大型矩形容器的加強結構優化設計

孟利宏(四川晨光工程設計院,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，導致容器產生嚴重變形，如何對這類容器選擇合理的加強結構設計，對大型矩形容器的制造，經濟性會產生很大影響。本文針對一大型矩形容器采用型鋼進行結構加強，通過分析其受力情況以達到優化設計的目的。

矩形容器；加強結構；優化設計；受力

在潤滑油生產平臺上，由于生產的實際需要及為節省空間，出產的成品油儲罐往往被設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，如果加強結構設計不合理，容器剛性設計不足，則容易導致容器壁板發生嚴重的翹曲變形[2][3]。

1 結構特點

本文針對一體積為171m3成品油儲罐進行加強結構設計,其結構俯視圖如圖1所示，長×寬×高為15000×3800×3000，側板及底板材料為Q345R，中間由壁板分隔成12個獨立空間，內壁板材料為Q235A。容器內儲存成品潤滑油，常溫常壓，容器放置在7個間隔為2530mm的條形磚混基礎上。設計結構為開式排放設備，即無頂板，由于該設備為常溫常壓結構，按文獻[4]中壁板計算，考慮經濟性要求即取四周側板及中間壁板的厚度δ=8mm，底板厚度根據文獻[4]計算可得δb,n=14mm。

圖1 矩形容器的結構俯視圖

2 加強結構設計

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

3 受力計算

本文分三個方面對矩形容器的加強結構進行受力計算：

3.1 底板加強結構設計

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

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-設計溫度下材料的彈性模量；β-系數。)

工字鋼加強筋的截面系數取ZT取長度方向截面系數ZT,L與寬度方向截面系數ZT,W中的較大值，底板上加強筋實際的截面系數應不小于ZT。

根據文獻[4]中，ZT,L和ZT,W的計算公式為：

式中：LT、WT-加強筋沿L、W方向的間距；[σ]b-常溫下型鋼結構件材料的許用應力，MPa

18#工字鋼截面模數Wx=185000mm3,Wy=26000mm3

圖2 底板工字鋼加強結構

3.2 豎向加強結構設計

矩形容器的豎向加固，采用角鋼 75×75×8進行加強，合理的布置加強筋，是大型矩形容器經濟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，根據文獻[4]中壁板的計算公式：

式中：α-系數，[σ]t-設計溫度下矩形板材料的許用應力，MPa。

對于3800×3000側面板而言，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 橫向加強結構設計

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進行加強，橫向加強結構設計校核：

第1段加強結構

第1段壁板計算厚度

對兩段剛度進行校核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計合理。

4 結語

本文探討了利用型鋼對大型矩形容器底板及四周側板進行加固，并進行了剛度校核；經過加強結構設計的受力分析，計算結果表明本設計受力合理，省材并有利于制造，滿足該矩形容器的剛性設計要求。

[1]楊衛國，矩形容器的結構優化設計[J]，廣州化工，2003.31 (2).

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

[3]李其朋，陳國華等，基于MATLAB的矩形截面壓力容器優化設計[J]，設計計算，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，學歷：本科，畢業于蘭州理工大學；現有職稱：無；研究方向：壓力容器，非標設備設計。