大型矩形容器的加强结构优化设计

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]。

1 结构特点

本文针对一体积为171 m3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。

2 加强结构设计

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。

3 受力计算

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:

最大挠度计算:

根据底板许用挠度计算式

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

ZT<{Wx, Wy}, 因此工字钢强度设计满足底板加强结构的要求。

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。

4 结语

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。

摘要：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。

关键词：矩形容器,加强结构,优化设计,受力

参考文献

[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.