钢制焊接常压容器圆形平盖加平行角钢加强筋的设计计算

冯永利

(克拉玛依石化公司)

NB/T 47003.1-2009[1]标准中第6.4节的表6-5给出了当容器公称直径不大于2 200mm时圆形平盖厚度和角钢加强筋规格的推荐值；当容器公称直径大于2 200mm时，圆形平盖厚度可依据该标准进行计算，但平盖上角钢加强筋规格需通过计算或按经验值确定。由于按经验值确定存在一定的局限性，而该标准中又未提供其规格的计算过程，因此，笔者以设计工作中的对象为具体实例，进行了圆形平盖加平行角钢加强筋的设计计算，为平盖角钢加强筋的规格选择提供依据。

1 平盖厚度计算

平盖的计算厚度是依据文献[1]中第6.4节式6-38圆形平盖厚度计算公式进行计算的。笔者所用算例的参数为：平盖直径Dc=3000mm；结构特征系数(查表6-4)Kp=0.032；计算压力pc=0.02MPa；设计温度80℃；设计温度下材料许用应力(按第5章)[σ]t=129.5MPa；焊接接头系数φ=0.85；平盖初步选择井字形角钢加强筋，角钢规格选择∠110×110×12。平盖结构尺寸如图1所示。

图1 平盖结构尺寸图

2 平盖加平行角钢加强筋的设计计算

NB/T 47003.1-2009标准规定，加强筋与平盖组合截面系数Zs应不小于按表6-4规定计算出的所需截面系数Zx，加强筋与平盖组合截面包括加强筋两侧各10δp范围。本算例中，角钢加强筋与平盖的组合截面如图2所示。

图2 角钢加强筋与平盖的组合截面

2.1 组合截面形心位置[2]

角钢Ⅰ的边长δ1=110mm，面积A1=2520mm2，重心距z0=32.6mm。角钢Ⅰ的形心纵坐标y1=δ+z0=12+32.6=44.6mm。

矩形Ⅱ的面积A2=20δp×δ=20×7.23×12=1735.2mm2；形心纵坐标y2=δ/2=6mm；组合截面形心C的纵坐标yc=(A1y1+A2y2)/(A1+A2)=(2520×44.6+1735.2×6)/(2520+1735.2)=28.86mm。

2.2 组合截面对形心轴x的惯性矩

角钢Ⅰ对其自身形心轴的惯性矩I1=2830000mm4。角钢Ⅰ对形心轴x的惯性矩I1,x=I1+A1(y1-yc)2=2830000+2520×(44.6-28.86)2=3454324.0mm4。矩形Ⅱ对其自身的形心轴的惯性矩I2=20δp×δ3/12=20×7.23×123/12=20822.4mm4。矩形Ⅱ对形心轴x的惯性矩I2，x=I2+A2(yc-y2)2=20822.4+1735.2×(28.86-6)2=927602.5mm4。组合截面对形心轴x的惯性矩Ix=I1,x+I2,x=4381926.5mm4。

本算例中的平盖与加强筋组合截面对形心轴x的惯性矩为Ix′=2Ix=8763853mm4。

2.3 组合截面的截面系数及其校核

形心至组合截面下缘的距离ya=28.86mm，形心至组合截面上缘的距离yb=93.14mm。组合截面的截面系数最小值，即危险截面的组合截面系数Zs=Ix′/yb(ymax)=8763853/93.14=94093.3mm3。

依据NB/T 47003.1-2009标准中表6-4，本算例所选角钢加强筋与平盖的所需截面系数为：

得出Zs>Zx，因此本设计所选加强筋的规格合格。

3 结束语

在NB/T 47003.1-2009标准中要求加强筋与平盖组合截面系数Zs应不小于表6-4中规定计算出的所需截面系数Zx，计算时取Zs为加强筋与平盖组合截面系数的最小值，即危险截面的组合截面系数，平行角钢加强筋的危险截面位置在角钢的最上缘，当危险截面的组合截面系数大于所需截面系数时，则组合截面的任意截面都是安全合格的。笔者给出的关于圆形平盖上所用平行角钢加强筋的规格的计算方法简单易学、过程清晰，为广大从事设计工作的人员提供了角钢加强筋的选择依据。

[1] NB/T 47003.1-2009，钢制焊接常压容器[S].北京：中国标准出版社，2009.

[2] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1992.