低壓粉料脫氣倉的倉殼圓筒設計計算

譚可昕

(廣東寰球廣業工程有限公司設備室，廣東 廣州 510655)

生產與應用

低壓粉料脫氣倉的倉殼圓筒設計計算

譚可昕

(廣東寰球廣業工程有限公司設備室，廣東 廣州 510655)

本文以浙江某項目的PP粉料脫氣倉設計為實例，綜合運用NB/T47041-2014《塔式容器》、NB/T47003.2-2009《固體料倉》等規范，討論了帶低壓的固體料倉倉殼圓筒的計算方法，主要闡述了脫氣倉軸向組合應力的計算。

脫氣倉；賴姆伯特理論；摩擦力；軸向應力；周向應力

隨著生產力的飛速發展，科學、技術的進一步提高，固體料倉除了儲存糧食類物料外，還對建筑材料中的沙石、水泥，及各種工業原料和產品等進行儲存、配用，需要儲存的松散固體物料的種類越來越多，倉體的形狀更多樣化，設計工況也越來越苛刻。在浙江某聚丙烯裝置項目中，本人負責一臺脫氣倉的設計工作，該脫氣倉的設計壓力為0.35/-0.04MPa，其設計正壓已經超過標準NB/T47003.2-2009《固體料倉》[1]設計壓力大于-500Pa小于0.1MPa的適用范圍，不能按單一的規范進行設計計算。本文主要介紹倉殼圓筒的一種設計計算方法。

1 設備簡介

設備主體材質為S30403，第一段直徑為4500 mm，第二段直徑為6000 mm，總高約48 m，設備的外形結構及主要尺寸如圖1所示。倉體主要的儲存介質為塑料粉料，堆積密度為575 kg/m3，設備運行后，氮氣從脫氣倉底部進入，穿過粉料層，從脫氣倉頂部出來，通過和粉料的逆向接觸，將粉料中的烴類吹出來，實現回收烴類的作用。吹出來的氮氣和夾帶的烴類進入回收系統，回收系統分離氮氣循環使用。脫氣倉底部內設氣體分布器，確保氮氣進入后均勻擴散穿過整個粉料層，同時也保證粉料能均勻下料。

圖1 脫氣倉簡圖Fig.1 Drawing of degassing silo

脫氣倉的設計壓力為0.35/-0.04MPa(考慮氮氣進入倉內的壓力0.69MPa)，設計溫度為100/-6.7℃；設置地區的基本風壓值為854N/m2，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.1 g，地震分組為第一組；場地土類型為III類；地面粗糙度A類；倉體采用短裙座式支座進行支撐。

2 設計方法的探討

通過對料倉的受力分析，可知料倉所承受的載荷分為靜載荷和動載荷，靜載荷包括設計壓力(氣相壓力)、料倉儲存物料引起的壓力、料倉殼體自重、梯子平臺、人孔、接管、儀表、安全閥、過濾器、內件等附件的重量、多雪地區的雪載荷等。動載荷包括地震載荷、風載荷和料倉在加料卸料時所產生的沖擊載荷等。

脫氣倉儲存的物料為固體物料，固體物料所引起的作用力是粉料料倉與其它介質為氣體或液體的設備不同的特別之處，此作用力取決于固體物料的特性參數。在NB/T47003.2-2009《固體料倉》標準中，倉殼圓筒部分的載荷計算，采用了以賴姆伯特理論為基礎的計算方法。該理論利用料倉殼體壁面摩擦平衡載荷的函數關聯來計算垂直壓力和水平壓力，并確認垂直壓力和水平壓力的比值是隨著料倉的深度和料倉的形狀而變化的。

在倉殼橫截面上的垂直載荷就是該段壁面的垂直壓力(倉底上的載荷即為總的垂直壓力)，它等于該斷面以上物料的總重量與其產生的作用于倉殼的摩擦力所平衡的總載荷之差。在完成測定同一筒倉不同深度料倉錐底垂直壓力的試驗后，可以看到壓力隨深度增加而增加，但由于只有一小部分重量的松散物料對殼體壁面有摩擦作用，以致在一定深度上的壓力變為常數，而達到最大值。以深度為縱坐標、壓力為橫坐標繪圖，所得的壓力曲線如圖2(a)所示。該曲線存在一條平行于縱坐標軸的漸近線，該漸近線對應的橫坐標就是垂直壓力的最大值。同理，對于代表殼體壁面側壓力的曲線作了相同的考察，該曲線也存在一條平行于縱坐標軸的漸近線，該漸近線對應的橫坐標就是側壓力的最大值，見圖2(b)所示。

圖2 壓力-深度關系圖Fig.2 Graph of pressure and depth

故可利用殼體壁面摩擦平衡函數關系，計算側壓力和垂直壓力。函數式為(所有公式中的符號說明詳見規范)：

這也是在深度h處，摩擦載荷在筒體單位長度上的載荷計算公式。

經過理論推導，殼體壁面上側壓力的表達式為：

松散物料在計算斷面以上的倉殼圓筒上引起的摩擦力為：

由物料的水平壓應力ph在倉殼圓筒處產生的周向應力為：

由摩擦力引起的軸向應力

由于脫氣倉的設計壓力超過0.1MPa且高徑比大，整體設備應按照NB/T47041-2014《塔式容器》[2]進行設計計算，但由于脫氣倉儲存的是固體物料，倉殼圓筒的應力校核應考慮由水平壓應力引起的周向應力和由摩擦力引起的軸向應力。具體的計算思路如下：

(1)根據計算壓力(設計壓力、固體物料對倉殼圓筒任意截面引起的水平壓應力ph)確定倉殼圓筒、錐殼及封頭的有效厚度；

(2)根據地震載荷或風載荷計算的需要，選取若干計算截面(包括所有危險截面)，并考慮制造、運輸、安裝的要求，設定各計算截面處的有效厚度；

3 脫氣倉軸向組合應力的計算

沿脫氣倉高度取3個截面進行操作工況下的計算，分段如圖1所示。以I-I截面為例，說明其軸向組合應力的校核過程，公式中的符號說明詳見規范。

3.1 質量計算

設備操作質量 m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me=573973 kg

設備最小質量 mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me=166842 kg

設備壓力試驗時的質量 m氣=mmin=166842 kg

綜上所述，果農要想實現果樹健康的成長，提高果實的質量。果樹管理人員需要根據不同種類果樹的實際情況，采取科學的修剪方式，加強對果樹病蟲害的防治工作。此外，在果樹病蟲害的防治工作當中，要積極的將綠色防治方式融入到實際的防治工作當中。不但可以有效的對病蟲害進行防治，而且還有助于環保，進而提高果實的數量及產量。

3.2 地震彎矩計算

3.3 風彎矩計算

由于設備H>30m，但H/D<15，故不考慮橫風向風振。I-I截面風彎矩：

= 1.139×1010N·mm

故組合風彎矩

=1.139×1010N·mm

3.4 最大彎矩

=1.139×1010N·mm

3.5 軸向應力的校核

查GB150.3圖4-8得B=62.54

故允許軸向壓應力

取其中較小值

(1)操作時引起的軸向應力：

(2)m0引起的軸向應力：

(5)設計壓力p和水平壓應力ph引起的周向應力：

軸向壓應力σc=σ2+σ3+σZ=59.98 MPa ≤ [σ]cr=

75.05 MPa；

組合軸向應力σt=σ1-σ2+σ3-σZ=41.81 MPa；

同理，各倉殼計算截面的穩定和強度驗算結果列于表1。

表1 任意截面軸向應力Table 1 Axial stress for arbitrary cross-section

由此可見，脫氣倉筒體所取截面的軸向應力校核合格。本文只選取了三個典型的截面進行分析，實際設計時，須選取更多截面進行計算，使計算壁厚更合理。

4 結論

對于低壓、高徑比較大的固體料倉，可綜合運用《塔式容器》和《固體料倉》標準對料倉進行設計計算。按《塔式容器》標準對料倉進行整體校核計算，并在倉殼應力計算時按《固體料倉》標準考慮固體物料對倉體產生的水平壓應力及摩擦載荷，綜合計算料倉的軸向組合應力，以保證倉體的安全運行。

[1] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.NB/T 47003.2-2009 固體料倉[S]. 北京: 新華出版社,2009.

[2] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會. NB/T 47041-2014 塔式容器[S]. 北京: 新華出版社,2014.

(本文文獻格式：譚可昕.低壓粉料脫氣倉的倉殼圓筒設計計算[J].山東化工,2017,46(15):100-102.)

The Design and Calculation of Cylinder for Low-Pressure Powder Degassing Silo

TanKexin

(HQC(GD)Co.,Ltd.,Guangzhou 510655,China)

By taking PP powder degassing silo in Zhejiang project as an example,and applying comprehensively NB/T47041-2014“Vertical vessels supported by skirt”，NB/T47003.2-2009“Silos for solid materials”,the paper discusses the design methods of silo with low design pressure and elaborates on the calculation of axial stress for degassing silo.

degassing silo; Reimebert theory; friction force; axial stress; circumferential stress

2017-05-27

譚可昕(1985—)，女，廣東廣州人，本科生，主要從事化工設備設計工作。

TQ015

B

1008-021X(2017)15-0100-03