王新芳 , 程濤濤 ， 邵繼東

(惠生工程(中國)有限公司 ， 河南 鄭州 450018)

《鋼制焊接常壓容器》闡述了承裝液體的矩形容器的計算方法，《固體料倉》給出儲存固體松散物料的圓筒形料倉的計算方法[1-3]。對矩形料倉，無直接設計標準。通過研究兩個標準的計算原理，理論分析，簡化得到易于工程應用的矩形料倉壁厚及加強筋的計算方法。

1 工程實例簡介

某項目中矩形混合料倉，介質(zhì)為催化劑固體顆粒，松散物料內(nèi)摩擦角的最小值(ψ)及松散物料與殼體壁面的摩擦角(ψ′)均為45°。其它工藝條件如下：設計壓力(表) 0.01/-0.01 MPa，堆密度400～500 kg/m3，設計溫度65 ℃，顆粒規(guī)格180～1 000μm，材料S30408，規(guī)格尺寸5 600 mm×8 00 mm×4 000 mm。

2 設備選材

為保證潔凈度，設備主體(包括斜壁板、豎直壁板、頂板、管口等)采用S30408，其余不接觸介質(zhì)的材料為碳鋼?？紤]到固體物料對料倉的機械磨蝕，本設備磨蝕裕量確定為1 mm。

3 結構方案確定

3.1 總體結構

設備外形結構見圖1，在截面為矩形的錐殼下部，設有DN200的圓管(N2a、N2b、N2c)，為減少物料在錐殼內(nèi)掛料滯留，便于固體顆粒順利從錐殼流出，需要在錐殼下部設置方變圓過渡段。這樣整個設備大致分為上部矩形容器、中部錐殼，下部方變圓過渡段。

圖1 設備結構方案

3.2 支撐結構

料倉支撐結構主要是裙座、短裙座、耳式支座和帶整體加強環(huán)耳式支座。對于此矩形料倉，考慮到設備安裝因素，這里采用耳座，設置在上部矩形容器壁板上。

3.2.1耳座設置原則

耳座個數(shù)：考慮到設備穩(wěn)定性，在長度方向壁板上各設置3個，總計6個耳座。耳座位置：耳座位置應盡量保證每個耳座受力合理，故中間耳座位于中間錐殼部分重心正上方，兩側耳座分別位于兩側錐殼部分重心正上方。耳座選用：計算出矩形容器的當量直徑，并乘以1.2系數(shù)，圓整為3 000 mm，按照等效的DN3000直徑，使用NB/T47065.3-2018耳式支座中的C型耳座，并校核殼體局部用力。耳座材料：考慮到環(huán)境溫度的影響，采用Q345D，墊板為S30408。

3.2.2加強筋設置

參照NB/T47003.1-2009《鋼制焊接常壓容器》，矩形容器的剛度通常需要橫向與豎向的加強筋來滿足，結合工程經(jīng)驗，加強筋設置方案，如圖2所示。

圖2 壁板受力模型

3.2.3防磨板設置

從圖1中易知，從管口N1a、N2b進入催化劑顆粒將會直接沖擊正下方的相鄰錐殼的斜壁板以及之間的連接焊縫，為避免直接沖擊磨蝕，需要在此設置防磨板，如圖1所示。

4 設計計算

4.1 設計范圍

計算為強度、剛度兩部分：頂板、豎直壁板、斜壁板的壁厚及相應加強筋設設置。

4.2 計算模型選用

固體料倉是儲存固體松散物料的容器，松散的固體物料盛裝在容器里，對物料面以下的容器壁，產(chǎn)生垂直壓力、水平壓力、在物料流動的情況下對壁面還產(chǎn)生摩擦力[4]。對矩形混合料倉的豎直壁板、斜壁板也存在這些力。此設備計算模型，主要參照矩形容器和固體料倉，計算方法參照矩形容器，但對于載荷形式，充分考慮到固體料倉的特殊性，進行重新確定。

4.2.1計算公式選用

由NB/T47003.1-2009《鋼制焊接常壓容器》中壁板以及頂板壁厚計算模型釋義可知，矩形容器壁板、頂板的力學模型均為矩形薄板，四邊簡支的理論假定，它們的區(qū)別在于壁板受到是三角形或梯形的液體靜壓力，而頂板受到的是均布附加載荷和自重[2]。在壁板模型中，若將三角形或梯形的液體靜壓力保守轉(zhuǎn)換為液體靜壓力最大值的均布載荷，則可認為頂板壁厚的計算模型與壁板是一致的，并且壁板計算厚度將會較保守，但能滿足工程設計要求。同時壁板加強筋計算(即剛度計算)模型，也采用頂板計算模型，故本文的矩形混合料倉的豎直壁板、斜壁板、頂板的壁厚和加強筋均采用NB/T47003.1-2009《鋼制焊接常壓容器》中頂板計算公式，見公式(1)～(6)：

計算厚度：

(1)

最大撓度：

(2)

許用撓度：

(3)

加強筋L方向截面系數(shù)：

(4)

加強筋W方向截面系數(shù)：

(5)

加強筋最大截面系數(shù)：

ZT=max(ZT,L,ZT,W)

(6)

式中：A、B，矩形板計算公式與圖表中矩形邊，mm；應用時視具體問題以L、LP、LT代替A，以H、Hi、W、WT代替B；α、β,系數(shù)，見標準中圖8-5、8-7、8-15；Et，設計溫度下材料的彈性模量，MPa；[f]，壁板或頂板的許用撓度，mm；fT,max，頂板最大撓度，mm；g，重力加速度，g=9.81 m/s2；Pa，頂板附加載荷，Pa=1.2×10-3MPa；ZT，頂板加強筋所需截面系數(shù)，mm3；ZT,L，頂板加強筋L方向截面系數(shù)，mm3；ZT,W，頂板加強筋W方向截面系數(shù)，mm3；LT、WT，頂板加強筋沿L、W方向的間距，mm；[σ]b，常溫下型鋼結構件材料的許用應力，MPa；[σ]t，設計溫度下矩形板材料的許用應力，MPa；δT,e，頂板有效厚度，mm；δT，頂板計算厚度，mm；ρM，矩形板或加固件的材料密度，kg/mm3，ρM=7.85×10-6kg/mm3。

在公式(1)～(6)中，各符號與標準中含義相同。

4.2.2計算載荷確定

在公式(1)～(6)中附加載荷Pa，這里為內(nèi)壓Pi和壁板側向壓力之和。

參照固體料倉(NB/T47003.2-2009)可知：①對于圓筒形的豎直壁板I-I截面將受到水平壓力Ph，垂直壓力Pv，摩擦力Ff，內(nèi)壓Pi，如圖2a所示；②而斜壁板I-I截面將受到水平壓力Ph，垂直壓力Pv，法向壓力Pn，內(nèi)壓Pi，如圖2b所示。而這些矩形設備的豎直壁板以及斜壁板受力將是一樣的，其中側向壓力，對于豎直壁板將是水平壓力Ph，而斜壁板為法向壓力Pn。對于Ph和Pn可以按照NB/T47003.2-2009中計算公式，利用前文的物性參數(shù)進行計算得出。

對于豎直壁板和斜壁板，重點是根據(jù)內(nèi)外壓和物料的重力載荷來調(diào)整公式中的附加載荷Pa值。通過分析此設備，豎直壁板的Pa可取距頂部包邊角鋼上表面以下3 m處水平壓力Ph與內(nèi)壓0.01 MPa之和為0.012 MPa(這里不考慮外壓)；而斜壁板的Pa為頂部包邊角鋼上表面以下3 m法向壓力Pn與內(nèi)壓0.01 MPa之和為0.014 MPa。而頂板Pa為外壓0.01 MPa與活動載荷0.001 2 MPa之和，這里取Pa=0.012 MPa。

4.2.3計算結果

公式中矩形板的應力計算系數(shù)α和撓度計算系數(shù)β，需按照圖2不同部位中最大矩形板的長度A與寬度B查標準中圖表來確定，表2給出矩形混合料倉主要計算結果。

表2 矩形混合料倉主要計算結果

4.3 設備參數(shù)確定

根據(jù)表2計算數(shù)據(jù)，豎直壁板、斜壁板、頂板壁板取8 mm，而加強筋選∠63×6，其截面系數(shù)為6 000 mm3，能滿足剛度要求，整個設備主體設計參數(shù)已確定。

5 結論

結合工程經(jīng)驗，確定矩形混合料倉的支撐結構、加強筋、防磨板的設置方案。通過研究《鋼制焊接常壓容器》(NB/T47003.1-2009)中壁板以及頂板壁厚計算模型釋義，最終確定矩形混合料倉的豎直壁板、斜壁板、頂板的壁厚和加強筋均采用《鋼制焊接常壓容器》中計算公式。通過研究《固體料倉》(NB/T47003.2-2009)，可知壁板的側向壓力，對于豎直壁板將是水平壓力Ph，而斜壁板為法向壓力Pn。對于Ph和Pn可以按照NB/T47003.2-2009中計算公式，利用前文的物性參數(shù)進行計算得出。通過對豎直壁板、斜壁板、頂板確定各自附加載荷Pa，從而利用這些計算公式得到計算厚度和截面系數(shù)，從而確定設備壁板取8 mm，加強筋為∠63×6。本文矩形混合料倉的設計方法，操作簡單，可靠性高，可以為此類設備設計提供參考。