矩形容器设计新方法

摘要 从结构设计方法上对非受压矩形容器进行了分析和研究。运用材料力学, 分别 对采用3种加强筋的矩形容器的强度和刚度进行了分析计算, 以获得所要求的薄板刚性, 从而降低制造成本。
关键词 矩形容器 受蚀板 加强筋 中性轴 设计 分类号 TQ 0531202
符 号 说 明
a ——矩形罐高度, mm
M max ——板的最大弯矩, N mm
目前矩形容器的设计计算有2种方法: ① 按A SM E2 21篇附录13中的方法进行设计。 由于其分析的是受内压作用的情况, 对液体 静压作用下矩形容器的计算并不十分准确。
第6期 边士军等: 矩形容器设计新方法
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②按“等效面积法”进行设计。按这种方法计 算出的容器壁厚很薄, 通常4～ 8 mm , 需增加 很多加强横筋才能满足要求。这种结构不利 于控制侧壁的焊接变形, 也不利于在侧壁上 开孔及布置控制仪表。笔者介绍的是一种在 液体静压作用下矩形储罐设计的新方法, 现 简述如下。 1 力学模型
h1 —— 板截面中性轴与组合截面中性轴之间的 S 1 —— 板外层最大弯曲应力, M Pa
距离, mm
S 2 —— 加强筋外层最大弯曲应力, M Pa
h2 —— 加强筋截面中性轴与组合截面中性轴之 S max —— 板的最大允许弯曲应力, M Pa
间的距离, mm h3 —— 板截面中性轴与加强筋截面中性轴之间
a b 01500 01667 11000 11500 21000 21500 31000 31500 41000 Β 01110 01160 01200 01280 01320 01350 01360 01370 01370 Α 01026 01033 01040 01050 01058 01064 01067 01069 01070
V max —— 板截面上最大剪切力, N W —— 连续焊焊缝焊角腰高, mm
Ymax —— 板最大变形量, mm Z —— 垂直立筋截面模数, mm 3
Α, Β—— 常数, 其值见表1和表2, 中间值可用内 插法获得
在石油化工工业中, 经常使用各种形状 和尺寸的容器, 但多为圆柱形和球形。在越来 越多的场合, 尤其在空间有限的海洋采油平 台上, 选择矩形容器则更为适宜。
板中的最大弯曲应力为:
S m ax = Βp b2 tr2
(2)
则
tr = (Βp b2 S m ax) ∀
(3)
S max 可从 A SM E 规范第 篇中选取。按 式 (3) 计算出的 tr 值应大于或等于2 mm , 无 论何种情况, 受腐蚀的储罐侧板厚度必须大
于或等于5 mm。受蚀板的最大变形量可由下 式计算:
力学模型见图1, 将罐壁板沿纵向分解成 具有一定宽度的简支梁, 沿横向分解成具有 一定宽度的固支梁, 分析其应力与变形, 再 用校正系数 Β 和 Α作一定的补偿。液体对侧 板施加变化的水平压力, 罐壁板具有适当的 边界条件 (即矩形罐侧壁的边缘是否受约 束) , 在满足矩形板等厚、允许变形量超过板 厚的一半及板材料泊松比为013的假设条件 下, 用薄板弯曲理论进行分析。
见图2a, 如果顶部加强筋具有足够的尺寸, 那
么储罐的所有边都可以考虑为受约束。这种
梁支撑在顶部和底部, 同时对一边承受线性
变化的分布载荷 。要使其在顶部和底部的弯
矩为0, 必将导致在顶部和底部产生反作用力
R 1及 R 2, 其大小为:
R 1 = p am 6
(5)
R 2 = p am 3
(6)
11罐壁 21水平加强筋 31顶部加强筋 图2 矩形罐侧板受力状况
第192978卷年 11第月6期 P E
石 油 化 工 设 备 TRO 2CH EM ICAL EQU IPM
EN
T
V
o
l.
27 N N ov.
o1.9968
设计计算
矩形容器设计新方法
兰州石油化工机器总厂 (兰州 730050) 工程师 边士军 工程师 冯 云 工程师 朱晓龙
C ——板外层到加强筋外层距离, mm
R 2 ——矩形罐底部反力, N mm
C 1 ——组合截面中性轴到板外层距离, mm
R 3 —— 矩形罐中部水平加强筋处的反力,
C 2 ——组合截面中性轴到加强筋外层距离, mm
N mm
E —— 弹性模量 (碳钢为211×105) , M Pa
Θ—— (盛装) 介质密度, kg m 3
图1 盛装液体的矩形罐受力模型
2 方法概述
矩形罐盛装的液体对侧板产生的最大压
力为:
p = 10- 2aΘ
(1)
对于无加强筋的矩形罐, 其顶边自由, 另
外3条边均受约束, 可直接应用这一边界条件
通过平板公式来确定应力和变形量。计算 a
b, 从表1查得 Β 和 Α值。
表1 3边受约束的矩形板应变常数表 [ 6 ]
A ——宽为 l 的非受蚀板截面面积, mm 2
n ——侧板上与板连续焊的加强立筋数量
A 1 ——宽为 l 的受蚀板截面面积, mm 2
p ——矩形罐中由介质质量而引起对罐侧板
A 2 ——加强筋截面面积, mm 2
的最大压力, M Pa
பைடு நூலகம்
b——矩形罐长或宽中较大者之尺寸, mm
R 1 ——矩形罐顶部反力, N mm
的距离, mm I —— 组合截面惯性矩, mm 4 I 1 —— 板截面惯性矩, mm 4 I 2 —— 加强筋截面惯性矩, mm 4 Im in —— 顶部或中部加强筋截面所要求的最小
惯性矩, mm 4 l—— 垂直立筋中心之间的距离, mm m —— 板的单位宽度, mm
S max’—— 加强筋的最大允许弯曲应力, M Pa SW —— 加强筋与板焊缝的允许剪切应力, M Pa ta —— 受蚀板实际厚度, mm tr —— 受蚀板计算厚度, mm
Y m ax = Αp b4 (E ta3)
(4)
按板的最大变形量限制在受蚀板板厚一
半之内的假设条件, 如果最终算出的板厚太
厚 (不经济) , 或最大变形量超过了受蚀板板
厚的一半 (不可靠) , 则可采用加强筋来增加
储罐刚性, 减轻储罐重量, 达到经济、 安全
和可靠的目的。
211 顶部加强筋
带顶部水平横筋的矩形罐侧板受力情况