大型矩形容器的加强结构优化设计

孟利宏(四川晨光工程设计院,成都610041)

大型矩形容器的加强结构优化设计

孟利宏(四川晨光工程设计院,成都610041)

大型矩形容器由于其容积大，受液体载荷的影响容易引起刚性不足，导致容器产生严重变形，如何对这类容器选择合理的加强结构设计，对大型矩形容器的制造，经济性会产生很大影响。本文针对一大型矩形容器采用型钢进行结构加强，通过分析其受力情况以达到优化设计的目的。

矩形容器；加强结构；优化设计；受力

在润滑油生产平台上，由于生产的实际需要及为节省空间，出产的成品油储罐往往被设计成大尺寸的常压矩形容器[1]，这类容器由于压力低，温度不高常常受到设计者的忽视，但由于其体积大，承受较大的液体载荷，如果加强结构设计不合理，容器刚性设计不足，则容易导致容器壁板发生严重的翘曲变形[2][3]。

1 结构特点

本文针对一体积为171m3成品油储罐进行加强结构设计,其结构俯视图如图1所示，长×宽×高为15000×3800×3000，侧板及底板材料为Q345R，中间由壁板分隔成12个独立空间，内壁板材料为Q235A。容器内储存成品润滑油，常温常压，容器放置在7个间隔为2530mm的条形砖混基础上。设计结构为开式排放设备，即无顶板，由于该设备为常温常压结构，按文献[4]中壁板计算，考虑经济性要求即取四周侧板及中间壁板的厚度δ=8mm，底板厚度根据文献[4]计算可得δb,n=14mm。

图1 矩形容器的结构俯视图

2 加强结构设计

对受内压矩形截面的容器进行受力分析，在液体压力的作用下，其底板及四周的侧板将产生很大的弯矩而变形，尽管中间隔板对侧板有一定程度的加强作用，但是实际应用中容器的刚性仍达不到要求，因此底板及四周侧板都需要加强，底板由于放置在条形砖混基础上，与条形石墩接触的位置拟采用18#工字钢进行加强支撑，每两个条形砖混基础的底板中间位置采用角钢进行加固；四周侧板采用角钢进行加强。合理的利用型钢对容器进行加固，保证其刚性设计满足要求。

3 受力计算

本文分三个方面对矩形容器的加强结构进行受力计算：

3.1 底板加强结构设计

矩形容器底板放置在18#工字钢支撑上如图2所示，相关文献中并未提及底板强度校核，为校核工字钢强度，将底板假设为顶板，把液柱静压力作为顶板承受载荷进行校核计算：

底板有效厚度：δb,e=δb,n-C1-C2=14-2-0.3=11.7mm

液柱静压力：PC=ρgh=998×9.8×3=0.02934MPa

最大挠度计算：

根据底板许用挠度计算式

其中，B/A=1300/1265=1.03

fT,MAX[f]因此底板最大挠度满足要求。

(式中：ρM-矩形板或加固件的材料密度；Et-设计温度下材料的弹性模量；β-系数。)

工字钢加强筋的截面系数取ZT取长度方向截面系数ZT,L与宽度方向截面系数ZT,W中的较大值，底板上加强筋实际的截面系数应不小于ZT。

根据文献[4]中，ZT,L和ZT,W的计算公式为：

式中：LT、WT-加强筋沿L、W方向的间距；[σ]b-常温下型钢结构件材料的许用应力，MPa

18#工字钢截面模数Wx=185000mm3,Wy=26000mm3

图2 底板工字钢加强结构

3.2 竖向加强结构设计

矩形容器的竖向加固，采用角钢 75×75×8进行加强，合理的布置加强筋，是大型矩形容器经济性要求考虑的重要因素之一，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,同时，根据文献[4]中壁板的计算公式：

式中：α-系数，[σ]t-设计温度下矩形板材料的许用应力，MPa。

对于3800×3000侧面板而言，取LP1=950mm较为合理。

对于15000×3000长壁板而言，取LP2=937.5mm较为合理。

3.3 横向加强结构设计

由于矩形容器高度为3000mm，横向加固考虑为2段加固，采用角钢 75×75×8进行加强，横向加强结构设计校核：

第1段加强结构

第1段壁板计算厚度

对两段刚度进行校核fi,MAX[f]，且计算得出的壁板厚度均小于壁板有效厚度，因此，采用两道加固方式设计合理。

4 结语

本文探讨了利用型钢对大型矩形容器底板及四周侧板进行加固，并进行了刚度校核；经过加强结构设计的受力分析，计算结果表明本设计受力合理，省材并有利于制造，满足该矩形容器的刚性设计要求。

[1]杨卫国，矩形容器的结构优化设计[J]，广州化工，2003.31 (2).

[2]姜英明，常压矩形容器壁板强度和刚度设计[J]，石油化工设备，2001.30(4).

[3]李其朋，陈国华等，基于MATLAB的矩形截面压力容器优化设计[J]，设计计算，2008.25(4).

[4]NB/T 47003.1-2009，钢制焊接常压容器，国家能源局.

孟利宏（1990－）；性别：男，籍贯：甘肃省徽县人，学历：本科，毕业于兰州理工大学；现有职称：无；研究方向：压力容器，非标设备设计。