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    大型外压球罐径向加强筋设计计算.pdf

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    大型外压球罐径向加强筋设计计算.pdf

    第43卷第1期 2014年1月 石油化工设备 PETR_CHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 No.1 Jan.2014 文章编号100074662014010031-04 大型外压球罐径向加强筋设计计算 任金平 ,陈叔平 ,刘福录 ,任永平。,于春柳 1.兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州 730050; 2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃兰州 730070 摘要对大型外压球罐可以通过设置径向加强筋来大幅度降低其主体壁厚,提高稳定性,从而获得 一定的经济价值。通过应用实例,从强度与稳定性两方面提出了外压大型球罐径向加强筋的设置 及计算方法,结果表明,稳定性满足要求,经济性十分明显。 关键词球罐;外压;加强筋;稳定性;设计 中图分类号TQOSO.2;TE972 文献标志码A doi10.3969/j.issn.10007466.2014.01.007 Design and Calculation of Radial Reinforcing Ribs for Large External Pressure Spherical Tanks REN Jinping ,CHEN Shuping ,LIU Fu-lu ,REN Yong-ping2,YU Chunliu 1.School of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology, t , Lanzhou 730050,China;2.Lanpec Technologies Limited,Lanzhou 730070,China AbstractThe main wall thickness of large external pressure spherical tanks can be greatly re一 [2]宋贵良.锅炉计算手册[M].沈阳辽宁科学技术出版 社,1995. SONG Guiliang.Boiler Calculation Manual[M]. ShenyangLiaoning Science and Technology Publishing House,1995. [3]徐连荣,王宏,钦峰,等.面式减温器蒸汽出iI管孔裂纹 成因分析[J].锅炉制造,201152527. 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XIAO Zhongyi,GE Huihui.Analysis of Supercriti cal Boiler Attemperator Cylinder Crack[J].Welding Technology,201235860. 许编 收稿日期20130801 基金项目甘肃省科技重大专项资助项目1203GKDA001 作者简介任金平1987一,男,甘肃正宁人,硕士研究生,从事化工设备及低温储运技术研究。 石油化工设备 2014年第43卷 duced by setting radial reinforcing ribs,at the same time spherical tanks’stability is improve, thereby certain economic value is obtained.The application examples from strength and stability are used to present design and calculation about the radial reinforcement of large external pressure spherical tanks.The calculation results show that the stability can meet the demand and the economy is very obvious. Key wordsspherical tank;external pressure;reinforcing rib;stability;design 随着科学技术的快速发展和工农业生产的需 要,球形容器的使用范围越来越广泛,其中外压球罐 的需求数量也日益增加,用于低温液体储存、太空及 真空环境的模拟试验等,且体积不断趋于大型化。 因此,加快研发速度,设计和制造出更加先进、经济、 安全的外压大型球罐成为一项重要科研任务。 对外压圆筒储罐,可以通过设置一定数量的加 强圈来大幅度降低壳体壁厚,从而显示出其经济价 值,在外压容器设计中被广泛采用。在圆筒上设置 加强圈的实质,就是缩短其计算长度,增加圆筒的刚 性,从而提高抵抗外压下失稳的能力l1 ]。外压球罐 作为外压容器的一种,在很多状况下跟外压圆筒储 罐的破坏相同,也是失稳。 对外压圆筒储罐,可以通过设置加强筋来提高 其临界失稳压力,对外压球罐也可以采用此方法。 设置了加强筋的外压球罐抗外压及各种载荷的能力 得到显著提高,有效提高了单层球壳抗外压失稳能 力,避免球壳在真空或外压的状态下,受到自重、地 震、风压、雪压等载荷产生球壳失稳破坏,而且厚度 比不设置加强圈时薄很多。如果使用不锈钢材料或 是低压大直径的外压球罐,更应该考虑加强筋的意 义和经济价值。目前,国内一些规范和文献中均未 给出该结构在外压球罐使用方面具体的设计和计算 方法,为此,笔者对此结构的设计和计算方法进行 探讨。 1加筋方法与结构 1.1 加筋方法 与圆筒罐有所不同,球罐的几何形状沿各方向 都在发生变化。因此,大型外压球罐加筋既可以径 向加筋也可以环向加筋。圆筒罐沿筒体轴线方向未 发生几何形状的改变,这也是圆筒罐的简体只允许 环向加筋而单独的纵向加筋对简体的加强作用很小 的重要原因。 从制造加工的难易及经济效果来看,径向加筋 优于环向加筋l_1 。因此,建议对外压球罐尽量采用 径向加筋设计。 1.2筋板截面型式 通常加筋板截面的型式可以是T型、工字型、 角钢、槽钢或其他型钢,一方面型钢截面惯性矩较 大,另一方面成型也较方便2]。 对这些型钢,还必须综合考虑制造、加工、经济、 效果等因素,选择合适的筋板截面形式。 1.3筋板材料 筋板材料根据需要可用碳钢,也可用不锈钢。 在没有特殊要求情况下,不锈钢或贵金属材料的球 壳外部可设置碳钢加强筋,以节省高价格材料的消 耗量,降低投资成本。 1.4 筋板数量及规格 外压球罐筋板的数量一般应取为4的倍数,即 N一4nn为大于等于1的整数。对于小型外压球 罐,n可以取1;但对于大型外压球罐,则 为大于等 于2的整数。 筋板规格根据经验选取,可以取几种不同规格 进行计算比较,选择最优。 2筋板截面尺寸确定 2.1 外压球壳厚度计算 2.1.1 无加强筋 Zoelly R在1915年用小变形假定导出了受外 压球壳厚度的理论计算公式,称为经典理论,由下式 表示 ] 一 1 一艿C 2 式中, 为无加强筋时球体计算壁厚, 为无加强筋 时球体实际壁厚,C为壁厚附加量,D。为球体内直 径,mm;P 为计算压力,E 为温度t时材料的弹性 模量,MPa; 为泊松比。 2.1.2 有加强筋 关于加筋后外压球罐壁厚计算,先作一认定,即 加筋后外压球罐不再出现整体弹性失稳破坏,而同 内压球罐破坏一样变为强度破坏,故其壁厚按内压 第1期 任金平,等大型外压球罐径向加强筋设计计算 状况下球壳厚度的计算公式计算[6-7] ,一 3 o一 。 一 C 4 式中, 为有加强筋时球体计算壁厚, 。 为有加强筋 一 时球体实际壁厚,[ ] 为设计温度下材料的许用应 力,MPa; 为焊接接头系数。 2.2组合截面惯性矩 2.2.1 计算所需加筋 单元计算宽度b用下式计算 6一 5 D一 L0 式中,R。为球体内半径,mm;N为筋板数。 单元计算宽度的惯性矩计算公式为 J一 6 为了安全,计算惯性矩时引入更大的安全系数 1.2 E ],则式6变为 ~ d\ l- J 一一 一一f ,J l , I _l \\\ 、、 , 一 一 b 。。 图2槽钢筋板与球壳组合形式图 f D 一l 团 ‘ I 、、 b’ 6’ 6o 图3 T型钢筋板与球壳组合形式图 _f D 7 。 ‘ l , b’ b’ 图4工字钢筋板与球壳组合形式图 图1~图4中,筋板与球壳组合形式的综合惯 性矩计算公式如下 J 一[ 2A2c一口 ] 1A1a 10 其中 一 nl I n2 式中, 为筋板惯性矩,mm ;A 为筋板截面面积, A 为壳板截面面积,mm ;a为组合截面型心距,c 为筋板型心距球壳中心面距离,mm。 2.4校核所选筋板 如果要保证加筋后球罐不发生失稳,加筋后球 罐组合截面必须具有足够的惯性矩,而这一惯性矩 值可以根据按已有的相关规范及标准确定出的外压 球罐壁厚求出,也就是加筋后大型外压球罐的组合 惯性矩不得小于未加筋大型外压球罐的相应值,即 _r ≥I,这就是校核所选筋板是否合适的原则等值 计算原则。 2.5 计算步骤 1按相应外压和内压公式求得外内压下球壳 的实际厚度 和 。 2确定筋板数量N、结构及规格。 3计算出所需加筋截面的惯性矩 和加筋后 组合截面惯性矩 。 4比较惯性矩j和I 的大小关系,校核所选筋 板是否合适。如果 值小于,或大于J但偏离较 大,则应重新选择筋板并再次计算, 值,直至合格。 3 应用举例 某Q345R制外压球罐,外压力 一0.1 MPa,体 积5 000 m。,常温下使用,壁厚附加量C一2 mm, Q345R在2O℃时的弹性模量E一197 000 MPa,材 石油化工设备 2014年第43卷 料许用应力 一189 MPa,泊松比 一O.3,焊接接头 系数 一1.0。需要确定采用加筋结构的有关尺寸。 1 和 的计算。由球的体积公式计算得 球罐内径R。一21 220 mm,由式1计算得 10 mm,由式2计算得 12 mm,由式3计算得 一3 mm,由式4计算得e 5 mm。 2筋板数量N、结构及规格确定。本例筋板 材料采用Q235,取筋板的数量N一12,以结构选择 槽钢为例进行计算,相关规格尺寸见表1 。 表1槽钢规格 3计算所需加筋截面的惯性矩 和加筋后组 合截面惯性矩 。由式8计算得组合单元计算宽 度b 一1 142 1Tim,计算得壳板截面面积 5 710 mm。。由式9计算得惯性矩I 142 750 1Tim ,由相关公式计算得到的各形心距结 果见表2。由式5和式7计算得J 959 484 mm ,由式10计算得到的第1组、第2 组、第3组综合惯性矩工 分别为699 077、1 187 404、 2 157 159 mm 表2截面形心距 mm 4比较惯性矩I和I 的大小关系,校核所选筋 板是否合适。第2组和第3组数值符合I ≥I,但第3 组数值偏离I值较大。因此,第2组是满足条件的最 优选择,选择尺寸hbdt为63 mrn40 mm 4.8 mmX 7.5 mm的槽钢作为该外压球罐的加强筋。 5经济性比较。将本方法计算的加筋外压球 罐材料用量同按其它标准要求计算的不加筋外压球 罐材料用量作一比较,本例按加筋设计的球罐质量 为60.65 t,不加筋设计的球罐质量为133.34 t,加 筋设计的球罐比不加筋设计的球罐可节约Q235钢 72.70 t,材料节省率为54.5 。Q235R钢的市场 平均价格约为3 700元/t,此种加筋设计可直接节 省材料投资26.9万元,即使减去加筋后所增加的制 造费用,经济效益也非常可观。 4 结语 外压球罐同样可以采用加强筋结构来降低壳体 壁厚,提高稳定性,特别适用于大型薄壁低中压和不 锈钢制外压球罐,其经济价值可观。 分别从强度和稳定性进行加强筋的计算,并按 内压公式确定设置加强筋后外压球罐的壁厚,而筋 板规格的确定则是保证加筋后罐体组合截面惯性矩 不小于假设按外压球罐计算公式设计的相应惯性 矩,并以此建立方程求解。 对计算过程中的过载系数,假想单元计算宽度都 是保守取值,从理论上讲计算结果是安全可靠的。 参考文献 [1]唐超.外压凸形封头的径向加筋及其设计计算[J].石 油化工设计,1995,12441-44. 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