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        水泥廠圓筒容器加強圈的設計

        2010-08-23 06:43:32肖其中唐根華
        水泥技術 2010年4期
        關鍵詞:慣性矩截面積邊角

        □□肖其中,唐根華

        水泥廠圓筒容器加強圈的設計

        Design Comparison of Reinforced Ring for Cylinder Cement Vessel

        □□肖其中,唐根華

        介紹了幾種加強圈組合慣性矩的計算方法。計算結(jié)果表明:相同厚度、相同截面積的加強圈,矩形比T形的組合慣性矩大。在選擇加強圈時,如果條件允許應優(yōu)先考慮矩形加強圈。

        加強圈;組合慣性矩;設計比較

        1 加強圈的作用

        加強圈是為了增加容器的剛度,在殼體內(nèi)壁或外壁焊接的環(huán)形構(gòu)件。水泥廠中有很多圓筒容器,如料倉、預熱器、增濕塔、窯尾風管等,在設計此類容器時經(jīng)常用到加強圈。加強圈一般用型鋼制造,也有用鋼板割成條形后焊接而成。采用加強圈往往比單純增加殼體壁厚更為節(jié)省材料,尤其當殼體材料用不銹鋼而加強圈材料采用碳鋼時,其經(jīng)濟性更為顯著。

        衡量加強圈的作用在于其慣性矩的大小,加強圈與筒體組合段的組合慣性矩IS越大,對筒體的加強作用也越強;相同厚度、相同截面積的加強圈,設置形式不同,其組合慣性矩也不相同。

        2 組合慣性矩的計算

        在水泥廠圓筒容器的設計中,經(jīng)常用到矩形和T形(含角鋼)加強圈,角鋼加強圈也有兩種不同的設置方式。下面將分別介紹這幾種加強圈的組合慣性矩的計算。設計條件:容器外徑D0均為3000mm,殼體壁厚S均為8mm;筒體有效段的長度L可通過下式[1]計算:

        文獻[1]中對筒體有效段L取值的描述過于繁瑣,實際上是取1.10×(D0×S)0.5和加強圈距Ls的小值,即L=min [1.10×(D0×S)0.5,Ls],由于水泥廠圓筒容器的設計壓力不大,1.10×(D0×S)0.5要遠小于加強圈距Ls,因此直接用上式計算筒體有效段的長度。

        加強圈材料選用63mm×63mm×10mm角鋼,對應矩形鋼板截面為10mm×116mm。

        2.1 等邊角鋼與筒體貼焊時的組合慣性矩

        等邊角鋼的直邊與筒體貼焊,見圖1。對于這種焊接

        公式中,I1為加強圈截面對其中性軸的慣性矩,經(jīng)查表[3]知為4.109×105mm4;I2為筒體有效段對其中性軸的慣性矩,由公式計算 I2=L×S3/12=170×83/12=0.073× 105mm4;AS為加強圈的截面積,經(jīng)查表知為1165.7mm2;A2為筒體有效段的橫截面積,由公式計算A2=L×S=170× 8=1360mm2;Z0為等邊角鋼的形心軸至其底邊的距離,經(jīng)查表知為19.3mm;S殼體壁厚為8mm。

        將數(shù)據(jù)代入上式,解得

        2.2 等邊角鋼在筒體上倒立焊接時的組合慣性矩

        等邊角鋼在筒體上倒立焊接,見圖2。對于這種焊接方式,其組合慣性矩IS的計算公式為:

        公式中,h為等邊角鋼的邊長,為63mm,其余同上。

        將數(shù)據(jù)代入上式,解得IS=4.109×105+0.073×105+1165.7×1360×(63-19.3+4)2/(1165.7+1360)=18.464× 105mm4。

        2.3 矩形加強圈的組合慣性矩

        焊接方式見圖3。對于這種焊接方式,文獻[4]給出了其組合慣性矩IS的計算公式:

        在相同厚度、相同截面積(同等重量)條件下,矩形加強圈的h變?yōu)?16mm,其他條件為已知,代入上式,解得IS=10×1163/12+170×83/12+10×116×170×8×(116+8)2/[4×(10×116+170×8)]=13.007×105+0.073×105+10×116× 170×8×1242/10080=37.145×105mm4。

        通過計算發(fā)現(xiàn),在厚度和截面積相等時,僅因為布置方式不同,各自獲得的組合慣性矩大小之比約為1:2:4,矩形加強圈產(chǎn)生的組合慣性矩最大。

        3 加強圈的穩(wěn)定性校核

        如果是外壓圓筒容器,如增濕塔、窯尾風管等,可通過下式計算其保持穩(wěn)定時加強圈與筒體組合段所需的最小慣性矩:I=pLSD03/(7.27E),式中p為許用外壓,LS為加強圈距,E為筒體材料的彈性模量。校核時,再計算出加強圈與筒體組合段實際所具有的組合慣性矩IS,并與最小慣性矩I進行比較,如IS大于并接近I,則加強圈的截面積滿足要求,否則應重新選擇加強圈尺寸,重復上述計算,直到滿足要求為止。

        如果是圓筒料倉,如煤粉倉、鋼板庫等,由于計算過程過于繁瑣,在標準[5]中,根據(jù)設計外壓與許用臨界外壓的關系規(guī)定了加強圈的數(shù)量和位置;根據(jù)料倉的直徑規(guī)定了倉壁加強圈的最小截面尺寸,這個截面尺寸也可以用同等截面模數(shù)的型鋼或組合件代替。

        4 結(jié)語

        (1)計算結(jié)果表明:相同厚度、相同截面積的加強圈,矩形比T形(含角鋼)的組合慣性矩大,因此矩形加強圈對筒體的加強作用比T形大。所以,在選擇加強圈時,如果條件允許應優(yōu)先考慮矩形加強圈。

        (2)厚度和截面積相等的加強圈,矩形截面產(chǎn)生的組合慣性矩大于角鋼截面,這意味著在同樣的設計要求下,采用矩形加強圈可以減小加強圈的截面積,或減少加強圈的數(shù)量,降低制造成本。

        (3)化工行業(yè)反應容器往往是多層殼體,內(nèi)外層殼體間有空間限制,在這種條件下選用T形加強圈是迫不得已而為之。水泥行業(yè)則不同,如果照搬化工行業(yè)的作法,在無空間限制時仍使用T形加強圈,實非明智之舉。

        [1]中華人民共和國行業(yè)標準.JB/T4735-1997.鋼制焊接常壓容器[S].1997:20.

        [2]林占生,劉萍.等邊角鋼加強圈的設計計算[J].石油化工設備,1991,(1):22-23.

        [3]成大先.機械設計手冊,第4版第1卷[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2002:3-104.

        [4]唐超.帶矩形加強圈的外壓圓筒的優(yōu)化與直接求解[J].化工設備設計,1996,(3):49-50.

        [5]中華人民共和國行業(yè)標準.JB/T4735-1997.鋼制焊接常壓容器[S].1997:121.

        book=3,ebook=22

        TQ172.68

        A

        1001-6171(2010)04-0089-02

        ??徽合肥水泥研究設計院,安徽 合肥 230051;

        2009-12-29; 編輯:呂 光方式,文獻[2]給出了其組合慣性矩IS的計算公式:

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