1、受受液柱静压力矩形截面容器的加强液柱静压力矩形截面容器的加强 徐全德 （江苏耕耘化学有限公司 江苏省连云港 222002） 摘要摘要： 受内压的非圆形截面容器，器壁不仅承受薄膜应力，同时还承受弯曲应力。 薄膜应力通过增大壁板厚度来满足设计及使用要求；而为满足弯曲应力，往往通过增设加 强件来实现。受液柱静压力矩形截面的设计可参照 NB/T47003.1-2009钢制焊接常压容器 （含标准释义）；GB150-2011压力容器等规范性文献进行设计，同时也可以运用有 限元分析软件进行设计。 关键词：关键词：矩形截面容器 组合惯性矩 有限元分析 圆形截面容器虽然较矩形截面容器有很多的优越性，同样受内压的
2、容器，圆形截面容 器的筒体仅承受薄膜应力，而矩形截面容器的壁板不仅承受薄膜应力，同时还承受弯曲应 力。在实际生产中有时由于生产工艺要求有时需要使用矩形截面容器。由于截面上所有部 位的薄膜应力均相等，而最大弯曲应力只存在于截面的边缘处，在矩形容器设计时，为减 小容器壁板的厚度，往往通过设置加强筋的方法来达到受力部件所需的强度和刚度。 1 加强方案的确定 1.1 已知条件 注 ：为 便于 比较 计算 数据 ， 在此 取容器的装载系数为 1.0 1.2 加强方案确定 由于该容器的高度仅为其长度的约 1/3，若采用横向和纵向联合加固型，在建立模型 时，纵、横向各承受一半的力，则在计算纵、横向加强筋所需
3、的抗弯截面系数时两者相差 较大， 因此在此选用纵向加强方案， 为保证容器刚度， 在最后可象征性的增加横向加强筋。 矩形截面容器的设计规范有 GB150-2011压力容器，NB/T47003.1-2009钢制焊接 常压容器（含标准释义），化工设备设计全书之化工容器等压力容器规范中只有横 内壁外形尺寸 6600mm 2600mm 2210mm 介质密度 1.45 10-3Kg/mm3 操作温度 60 设计温度 80 重力加速度 g 9.81 103mm/s2 装载系数 1 底板及壁板材质 Q235-B+橡胶 壁板厚度 1 10mm 底板厚度 2 14mm 腐蚀裕量 1mm 向加强的设计，现以其它两
4、种文献分别进行设计比较。为减少文章篇幅，现仅就容器的长 边加强进行计算，短边的加强可同理进行设计计算。 2 设计计算 2.1 方案一1,2 按 NB/T47003.1-2009钢制焊接常压容器（含标准释义）并参照 GB150-2011压力容 器 2.1.1 顶边加固件的计算 顶边加固件实际惯性矩应不小于 IC,T （式-1） 式中： IC,T顶边加固件所需惯性矩，mm4 Hc顶边加固件承受储液压力的高度，mm，取 2210mm Lc顶边加固件承受储液压力的宽度，mm，在此预取 680mm Et材料在设计温度下的弹性模量，Pa，查有关文献取 197GPa 因此顶边加固件最小惯性矩为： =2406
5、2.56mm4=2.41cm4 在此选用80 80 10 座位顶部加强件，其方向惯性矩为 88.43cm4。 2.1.2 加固柱的计算 加固柱的最大间距通过下式进行计算： （式-2） 式中： LP,max加固柱最大间距，mm w,e壁板有效厚度，mm，在此取 11mm t设计温度下矩形板材料的许用应力，Pa，取 126MPa 系数，在此预选取加固柱间距为 680mm，取 0.059 Pc计算压力，Pa 将上述数据代入式-2： =1169.76mm 为减小加强筋的型号，在此选取加强筋间距 680mm。 加固柱所需截面系数 ZP按下式计算（按三角形荷载，两端简支算） ( ) （式-3） 式中： H
6、加固件承受储液压力的高度，mm，取 2210mm 因此加固柱所需截面系数为： ( ) ( ) =39483.68mm3=39cm3 注：（式-3）在计算时忽略了材料所受的薄膜应力，因该设备为常压容器，液柱产生的薄 膜应力较小，为 0.03MPa。 此外（式-3）只考虑加强筋与壁板简单的组合，壁板的加强宽度整合取为加固柱的间 距。若按组合抗弯截面系数计算，则所需组合抗弯截面系数为： （式-4） 壁板参与加强有效宽度 Ls的计算 计算组合惯性矩时，侧板起加强作用的有效宽度 Ls按以下取值： 2) 按下式计算 W： （式-5） 式中： 侧板有效厚度，mm，在此取 11mm 系数， ，对于 Q235-
7、B 材质取 483 在设计温度下的材料屈服点，MPa，因未找到 Q235-B 高温下的屈服值，在此参考 Q245R（板厚 1636mm）的屈服值并取为 210Mpa。 则 W 值为： b) 取加强件两侧间距之和的一半；为 680mm 取 a)和 b)得到的两个值得小值。由此 Ls取 366mm 预选6.3 槽钢（方向惯性矩 Ix=50.8cm4，截面积 A=8.451cm2）作为加强件来计算组合 截面的惯性矩及抗弯截面系数。 组合截面的形心位置计算： ( ) 根据平行移轴公式计算组合截面的惯性矩： ( ) ( ) 因此组合截面的抗弯截面系数为： ( ) 24.23cm353.20cm3因此10
8、 满足要求。 2.2 方案二3 加强筋的计算可按下列简化方法进行： 设单元矩形平壁上荷载的一半由一个加强筋承受（不计及平壁），再计算每一个加强 筋的抗弯截面系数（看成两端简支梁） （式-6） 8#槽钢方向抗弯截面系数 Wx=25.3cm3，10#槽钢方向抗弯截面系数 Wx=39.7cm3，由此 仍选 10#槽钢作为纵向加强件。 2.3 方案三 下面用 Ansys workbench14.0 有限元分析软件按顶边加固件角钢808010， 纵向加 固件 10#槽钢进行计算，约束类型为顶边自由，三边固定。计算结果见图 14： 图一 长边侧板受力图 图二 按等效应力计算的应力云图 结语 上述三种方案均
9、可运用于实际的容器设计，其中前两种方案为同一种力学模型，即两 端简支梁。所不同的是，方案一偏保守一些。方案二对于小型容器比较合适，用于较高的 容器设计时需慎重，因当所需的截面惯性矩较大时，壁板相对所能其加强作用的惯性矩较 小。方案三为有限元仿真分析，可以较好的模拟容器实际的受力情况，并且可以计算生成 容器的形变云图，可以较好的应用于容器的优化设计。 图三 按最大变形量规则计算的变形云图 图四 按强度应力规则计算的应力云图 参考文献： 1 NB/T47003.1-2009钢制焊接常压容器（含标准释义） 2 GB150-2011压力容器 3 丁伯民. 化工设备设计全书之化工容器 4 刘鸿文 材料力学
