矩形固体料仓

矩形固体料仓

摘要：结合圆形固体料仓及矩形容器的设计标准及原理，分析比较矩形固体料仓及液体矩形容器的结构及受力状况，提出矩形固体料仓的计算方法。并指出料仓在结构设计，制造中应该注意的一些问题。

关键词：矩形固体料仓设计计算

NB/T47003.2-2009《固体料仓》对储存固体松散物料的钢制焊接立式圆筒形料仓的设计算有明确的阐述,NB/T47003.1-2009《钢制焊接常压容器》中对储存液体物料的钢制焊接矩形容器的设计计算有详细的规定。但在某一大型项目中,有一储存褐煤的钢制矩形锥体料仓。外形见图1,设计计算无具体的标准参照。下面就其结构及受力状况进行分析,提出对该种设备的设计计算方法和依据。

1 工艺条件

所有的工艺参数包括设计温度,设计压力,料仓材质,磨蚀及腐蚀裕量,充装介质的密度,颗粒度,安息角,介质与壳体的磨擦系数及磨擦角等均由工艺专业提供。

2 选材

设备的选材除应满足设计要求外,还要考虑其经济型。应尽量考虑优选用价格低廉并且刚性较好的碳钢材料。

3 设计计算

3.1 锥形料仓的分段

为使仓内料松散固体物料能够自动流出,料仓无论横截面是圆形还是方形其底部均为锥体,并且锥体部分的半顶角θ的大小与物料与壳体的摩擦系数及摩擦角有决定性的关系。半顶角θ一般由工艺提供。如图1,整个设备就是一个截面为矩形的锥形容器。

为了准确的计算风载荷及地震载荷,将料仓在高度方向等间距截面划分,每一段就是一个小的矩形锥体。将每个截面及划分后的锥体从上到下分别按顺序编号,如图1。并且在每个截面及竖向同等间距设置加强筋。

设定料仓壳体的名义厚度及加强筋的规格,按照NB/T47003.2-2009依次计算每段锥体的容积,操作质量,重心,地震力,地震弯矩及任意截面处的最大弯矩等。

3.2 分析液体及固体物料对容器壁的作用力

固体料仓是储存固体松散物料的容器,它是区别于储存气体,液体的容器。气体充满于所储存的容器内,以自身的压力对整个容器壁产生作用力。液体盛装在容器内,以液柱静压力对不同高度的壁面产生不同的作用力。而松散的固体物料在自然状态下有堆积形态,对物料面以下的容器壁产生垂直压力,水平压力,在物料流动的情况下对壁面

还产生摩擦力。对于矩形容器的壁面其作用力也是如此。这里重点对固体松散物料及液体介质对容器壳壁的作用力作分析及对比。

NB/T 47003.2-2009《固体料仓》中固体物料对圆形容器的锥体壁有垂直压应力pvi-i,水平压应力phi-i及法向压应力pni-i三种作用力。固体物料对圆形容器直筒壁有垂直压应力pvi-i,水平压应力phi-i及摩擦力Ffi-i。实际上固体物料对容器壳体的作用力跟设备横截面的形状没有关系。固体物料对该料仓的斜壁板A及直壁板B在任意截面i-i 的作用力如图2所示,物料对斜壁板的法向作用力pni-i以及对直壁板的水平压应力phi-i决定设备壳体的材料和厚度以及加强筋的材料和规格是否满足强度及刚度要求。

而对于充装液体的矩形容器,任意截面介质的作用力就是其界面以上部分液体的液柱静压力ρghi-i,且对同一截面各个方向的力都是一样的,其设计计算见NB/T 47003.1-2009《钢制焊接常压容器》第8章矩形容器。

3.3 固体物料对矩形壳体作用力的计算及应力校核

如图三,将该料仓每个矩形截面的对角线作为该截面的当量直径DHi-i,代替NB/T47003.2计算中的Dii-i及Dz|,计算任意截面固体物料对斜壁板的垂直压应力pvi-i,水平压应力phi-i及法向压应力pni-i。对直壁板的垂直压应力pvi-i,水平压应力phi-i及摩擦力Ffi-i。并根据设定的壳体壁厚,按照NB/T47003.2校核各个截面的各个应力,如不合格,

调整壳体厚度,重新计算直至合格。

3.4 按NB/T47003.1矩形容器计算壳体壁厚,加强圈的惯性矩及绕度

将固体物料对斜壁板的法向作用力pni-i以及对直壁板的水平压应力phi-i代替NB/T47003.1第8章矩形容器各计算公式中的ρghi-i,分别计算斜壁板A及直壁板B在各个截面处的载荷,惯性矩,壁板的计算厚度,绕度。替换后各计算公式见表1。

若设定的壁板厚度及加强筋规格能同时满足要求,停止计算。否则重新设定,重新计算,直至满足要求。因为当量直径DH 只是设定的直径,按其计算的固体物料对壳体壁的作用力存在一定的偏差。最终确定的壁板厚度及加强圈的规格在计算中应留有较大的裕量。

加强圈惯性矩的计算可参考机械设计手册,也可参照HG 20582-1998带刚性环耳式支座的设计及计算中刚性环组合截面惯性矩的计算方法。

另外,由于该料仓与钢梁的预埋件相焊,悬挂在空中。最大操作状态下料仓与预埋件的焊缝剪切力必须小于料仓与钢梁操作条件下许用应力小值的0.6倍。

4 结构设计

除料仓锥体的半顶角要保证物料能够自动流出之外,还要考虑在

料仓的壁面上设置吹扫口。对于易燃介质,如果采用气体吹扫时必须采用惰性气体。最长用的是氮气。

另外,为了尽量减少物料在壳体内挂料滞留,壳内所有焊缝应为连续焊。接管与壳体内壁齐平,壳体内部所有角焊缝应打磨圆角,呈圆滑过渡。加强筋尽量设备在壳体外表面。

5 制造

由于该料仓壳体的外表面横向及竖向均有加强筋。必须保证加强筋的横竖筋之间无间隙,互相咬合。保证加强作用。还有,对于加强筋与壳体的焊接中应采取一定的措施避免较大的焊接变形,如均匀焊接,对称焊接,焊接中采取较低的线能量等。

参考文献

[1]HG 20582-1998,钢制化工容器强度计算规定.

[2]NB/T47003.1-2009,钢制焊接常压容器.

[3]NB/T47003.2-2009,固体料仓.

[4]机械设计手册.