水泥厂圆筒容器加强圈的设计

□□肖其中，唐根华

水泥厂圆筒容器加强圈的设计

Design Comparison of Reinforced Ring for Cylinder Cement Vessel

□□肖其中，唐根华

介绍了几种加强圈组合惯性矩的计算方法。计算结果表明：相同厚度、相同截面积的加强圈，矩形比T形的组合惯性矩大。在选择加强圈时，如果条件允许应优先考虑矩形加强圈。

加强圈；组合惯性矩；设计比较

1 加强圈的作用

加强圈是为了增加容器的刚度，在壳体内壁或外壁焊接的环形构件。水泥厂中有很多圆筒容器，如料仓、预热器、增湿塔、窑尾风管等，在设计此类容器时经常用到加强圈。加强圈一般用型钢制造，也有用钢板割成条形后焊接而成。采用加强圈往往比单纯增加壳体壁厚更为节省材料，尤其当壳体材料用不锈钢而加强圈材料采用碳钢时，其经济性更为显著。

衡量加强圈的作用在于其惯性矩的大小，加强圈与筒体组合段的组合惯性矩IS越大，对筒体的加强作用也越强；相同厚度、相同截面积的加强圈，设置形式不同，其组合惯性矩也不相同。

2 组合惯性矩的计算

在水泥厂圆筒容器的设计中，经常用到矩形和T形（含角钢）加强圈，角钢加强圈也有两种不同的设置方式。下面将分别介绍这几种加强圈的组合惯性矩的计算。设计条件：容器外径D0均为3000mm，壳体壁厚S均为8mm；筒体有效段的长度L可通过下式［1］计算：

文献［1］中对筒体有效段L取值的描述过于繁琐，实际上是取1.10×(D0×S)0.5和加强圈距Ls的小值，即L＝min [1.10×(D0×S)0.5，Ls]，由于水泥厂圆筒容器的设计压力不大，1.10×(D0×S)0.5要远小于加强圈距Ls，因此直接用上式计算筒体有效段的长度。

加强圈材料选用63mm×63mm×10mm角钢，对应矩形钢板截面为10mm×116mm。

2.1 等边角钢与筒体贴焊时的组合惯性矩

等边角钢的直边与筒体贴焊，见图1。对于这种焊接

公式中，I1为加强圈截面对其中性轴的惯性矩，经查表［3］知为4.109×105mm4；I2为筒体有效段对其中性轴的惯性矩，由公式计算 I2＝L×S3／12＝170×83／12＝0.073× 105mm4；AS为加强圈的截面积，经查表知为1165.7mm2；A2为筒体有效段的横截面积，由公式计算A2＝L×S＝170× 8＝1360mm2；Z0为等边角钢的形心轴至其底边的距离，经查表知为19.3mm；S壳体壁厚为8mm。

将数据代入上式，解得

2.2 等边角钢在筒体上倒立焊接时的组合惯性矩

等边角钢在筒体上倒立焊接，见图2。对于这种焊接方式，其组合惯性矩IS的计算公式为：

公式中，h为等边角钢的边长，为63mm，其余同上。

将数据代入上式，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 矩形加强圈的组合惯性矩

焊接方式见图3。对于这种焊接方式，文献［4］给出了其组合惯性矩IS的计算公式：

在相同厚度、相同截面积（同等重量）条件下，矩形加强圈的h变为116mm，其他条件为已知，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。

通过计算发现，在厚度和截面积相等时，仅因为布置方式不同，各自获得的组合惯性矩大小之比约为1：2：4，矩形加强圈产生的组合惯性矩最大。

3 加强圈的稳定性校核

如果是外压圆筒容器，如增湿塔、窑尾风管等，可通过下式计算其保持稳定时加强圈与筒体组合段所需的最小惯性矩：I＝pLSD03／(7.27E)，式中p为许用外压，LS为加强圈距，E为筒体材料的弹性模量。校核时，再计算出加强圈与筒体组合段实际所具有的组合惯性矩IS，并与最小惯性矩I进行比较，如IS大于并接近I，则加强圈的截面积满足要求，否则应重新选择加强圈尺寸，重复上述计算，直到满足要求为止。

如果是圆筒料仓，如煤粉仓、钢板库等，由于计算过程过于繁琐，在标准［5］中，根据设计外压与许用临界外压的关系规定了加强圈的数量和位置；根据料仓的直径规定了仓壁加强圈的最小截面尺寸，这个截面尺寸也可以用同等截面模数的型钢或组合件代替。

4 结语

（1）计算结果表明：相同厚度、相同截面积的加强圈，矩形比T形(含角钢)的组合惯性矩大，因此矩形加强圈对筒体的加强作用比T形大。所以，在选择加强圈时，如果条件允许应优先考虑矩形加强圈。

（2）厚度和截面积相等的加强圈，矩形截面产生的组合惯性矩大于角钢截面，这意味着在同样的设计要求下，采用矩形加强圈可以减小加强圈的截面积，或减少加强圈的数量，降低制造成本。

（3）化工行业反应容器往往是多层壳体，内外层壳体间有空间限制，在这种条件下选用T形加强圈是迫不得已而为之。水泥行业则不同，如果照搬化工行业的作法，在无空间限制时仍使用T形加强圈，实非明智之举。

[1]中华人民共和国行业标准.JB／T4735－1997.钢制焊接常压容器[S].1997:20.

[2]林占生,刘萍.等边角钢加强圈的设计计算[J].石油化工设备,1991,（1）:22－23.

[3]成大先.机械设计手册,第4版第1卷[M].北京:化学工业出版社, 2002:3－104.

[4]唐超.带矩形加强圈的外压圆筒的优化与直接求解[J].化工设备设计,1996,（3）:49－50.

[5]中华人民共和国行业标准.JB／T4735－1997.钢制焊接常压容器[S].1997:121.

book=3,ebook=22

TQ172.68

A

1001－6171（2010）04－0089－02

��徽合肥水泥研究设计院，安徽 合肥 230051；

2009－12－29； 编辑：吕 光方式，文献［2］给出了其组合惯性矩IS的计算公式：