技术论文初稿2016.12.16

1、受液柱静压力矩形截面容器的加强徐全德（江苏耕耘化学有限公司 江苏省连云港 222002）摘要： 受内压的非圆形截面容器，器壁不仅承受薄膜应力，同时还承受弯曲应力。薄膜应力通过增大壁板厚度来满足设计及使用要求；而为满足弯曲应力，往往通过增设加强件来实现。受液柱静压力矩形截面的设计可参照NB/T47003.1-2009钢制焊接常压容器（含标准释义）；GB150-2011压力容器等规范性文献进行设计，同时也可以运用有限元分析软件进行设计。关键词：矩形截面容器 组合惯性矩 有限元分析圆形截面容器虽然较矩形截面容器有很多的优越性，同样受内压的容器，圆形截面容器的筒体仅承受薄膜应力，而矩形截面容器的壁板不

2、仅承受薄膜应力，同时还承受弯曲应力。在实际生产中有时由于生产工艺要求有时需要使用矩形截面容器。由于截面上所有部位的薄膜应力均相等，而最大弯曲应力只存在于截面的边缘处，在矩形容器设计时，为减小容器壁板的厚度，往往通过设置加强筋的方法来达到受力部件所需的强度和刚度。1 加强方案的确定1.1已知条件内壁外形尺寸6600mm2600mm2210mm介质密度1.4510-3Kg/mm3操作温度60设计温度80重力加速度g9.81103mm/s2装载系数1底板及壁板材质Q235-B+橡胶壁板厚度110mm底板厚度214mm腐蚀裕量1mm注：为便于比较计算数据，在此取容器的装载系数为1.01.2 加强方案确

3、定由于该容器的高度仅为其长度的约1/3，若采用横向和纵向联合加固型，在建立模型时，纵、横向各承受一半的力，则在计算纵、横向加强筋所需的抗弯截面系数时两者相差较大，因此在此选用纵向加强方案，为保证容器刚度，在最后可象征性的增加横向加强筋。矩形截面容器的设计规范有GB150-2011压力容器，NB/T47003.1-2009钢制焊接常压容器（含标准释义），化工设备设计全书之化工容器等压力容器规范中只有横向加强的设计，现以其它两种文献分别进行设计比较。为减少文章篇幅，现仅就容器的长边加强进行计算，短边的加强可同理进行设计计算。2 设计计算2.1 方案一1,2按NB/T47003.1-2009钢制焊接

4、常压容器（含标准释义）并参照GB150-2011压力容器2.1.1 顶边加固件的计算顶边加固件实际惯性矩应不小于IC,TIC,T=0.217gHC2LC3Et （式-1）式中：IC,T顶边加固件所需惯性矩，mm4Hc顶边加固件承受储液压力的高度，mm，取2210mmLc顶边加固件承受储液压力的宽度，mm，在此预取680mmEt材料在设计温度下的弹性模量，Pa，查有关文献取197GPa因此顶边加固件最小惯性矩为：IC,T=0.217gHC2LC3Et=0.2171.4510-39.81103221026803197109mm4=24062.56mm4=2.41cm4在此选用808010座位顶部加

5、强件，其方向惯性矩为88.43cm4。2.1.2 加固柱的计算加固柱的最大间距通过下式进行计算：LP,max=0.408w,etPC（式-2）式中：LP,max加固柱最大间距，mmw,e壁板有效厚度，mm，在此取11mmt设计温度下矩形板材料的许用应力，Pa，取126MPa系数，在此预选取加固柱间距为680mm，取0.059Pc计算压力，Pa将上述数据代入式-2：LP,max=0.408w,etPC=0.408111261060.0591.4510-39.811032210mm=1169.76mm为减小加强筋的型号，在此选取加强筋间距680mm。加固柱所需截面系数ZP按下式计算（按三角形荷载，

6、两端简支算）ZP=LP0.0642gH3t-w,e26 （式-3）式中：H加固件承受储液压力的高度，mm，取2210mm因此加固柱所需截面系数为：ZP=LP0.0642gH3t-w,e26=6800.06421.4510-39.8110322103126106-1126mm3=39483.68mm3=39cm3注：（式-3）在计算时忽略了材料所受的薄膜应力，因该设备为常压容器，液柱产生的薄膜应力较小，为0.03MPa。此外（式-3）只考虑加强筋与壁板简单的组合，壁板的加强宽度整合取为加固柱的间距。若按组合抗弯截面系数计算，则所需组合抗弯截面系数为：ZP=0.0642LPgH3t （式-4）=0

7、.06426801.4510-39.8110322103126106mm3=53197.01mm3=53.20cm3壁板参与加强有效宽度Ls的计算计算组合惯性矩时，侧板起加强作用的有效宽度Ls按以下取值：2) 按下式计算W：W=Relt （式-5）式中：侧板有效厚度，mm，在此取11mm系数，MPa，对于Q235-B材质取483MPaRelt在设计温度下的材料屈服点，MPa，因未找到Q235-B高温下的屈服值，在此参考Q245R（板厚1636mm）的屈服值并取为210Mpa。则W值为：W=Relt=11483210mm=366.63mmb) 取加强件两侧间距之和的一半；为680mm取a)和b)

8、得到的两个值得小值。由此Ls取366mm预选6.3槽钢（方向惯性矩Ix=50.8cm4，截面积A=8.451cm2）作为加强件来计算组合截面的惯性矩及抗弯截面系数。组合截面的形心位置计算：X=36.61.10.55+8.4513.15+1.18.451+36.61.1cm=1.19cm根据平行移轴公式计算组合截面的惯性矩：IX=50.8+36.61.1312+36.61.11.19-0.552+8.4511.1+3.15-1.192cm4=150.48cm4因此组合截面的抗弯截面系数为：ZP=IX3.15+1.1+3.15-1.19cm3=150.483.15+3.06cm3=24.23cm3

9、24.23cm353.20cm3因此10满足要求。2.2 方案二3加强筋的计算可按下列简化方法进行：设单元矩形平壁上荷载的一半由一个加强筋承受（不计及平壁），再计算每一个加强筋的抗弯截面系数（看成两端简支梁）ZP=H2LCgH293t（式-6）=221026801.4510-39.811032210293126106mm3=26577.80mm3=26.58cm38#槽钢方向抗弯截面系数Wx=25.3cm3，10#槽钢方向抗弯截面系数Wx=39.7cm3，由此仍选10#槽钢作为纵向加强件。2.3 方案三下面用Ansys workbench14.0有限元分析软件按顶边加固件角钢808010，纵向加固件10#槽钢进行计算，约束类型为顶边自由，三边固定。计算结果见图14： 图一 长边侧板受力图 图二 按等效应力计算的应力云图结语上述三种方案均可运用于实际的容器设计，其中前两种方案为同一种力学模型，即两端简支梁。所不同的是，方案一偏保守一些。方案二对于小型容器比较合适，用于较高的容器设计时需慎重，因当所需的截面惯性矩较大时，壁板相对所能其加强作用的惯性矩较小。方案三为有限元仿真分析，可以较好的模拟容器实际的受力情况，