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]。
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
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。
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。
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。