大型机械搅拌槽槽体的结构设计

蔡燕妮

(中国恩菲工程技术有限公司 冶金事业二部，北京 100038)

大型机械搅拌槽槽体的结构设计

蔡燕妮

(中国恩菲工程技术有限公司 冶金事业二部，北京 100038)

以Φ14 m×20 m大型机械搅拌槽为例，结合设计实践,介绍了大型搅拌槽槽体的结构和计算方法，分析了其设计要点,提供了一些必要的经验数据和焊接结构型式。

搅拌槽； 结构设计； 焊接

随着工业加工能力的不断提高，大型机械搅拌槽在冶金、化工等行业的应用日益广泛。大型搅拌槽由于搅拌器的叶轮直径大、扭矩和弯矩大，并且受介质性质、搅拌桨型、施工质量和搅拌效果的影响,其结构设计尤为重要。在设计过程中，应力求合理化和规范化，并满足可靠性、合理性及经济性的要求。下面就以中国恩菲工程技术有限公司承担的某项目中Φ14 m×20 m机械搅拌槽为例，结合设计实践，介绍该种类型大型搅拌槽的结构设计。

1 Φ14 m×20 m机械搅拌槽的工艺参数

几何容积 3000 m3

工作温度 80～90 ℃

工作压力 常压

介质密度 1500～1600 kg/m3

2 槽壁设计

2.1 壁厚及材料

机械搅拌槽的槽壁承受内装物料的静压力，表现为自上而下逐渐增大，它的理论最大值在槽壁最底部，但由于槽底部的约束，应力的最大值位置可随槽体直径和槽壁厚度的增加而略微上移，为了制造时节省材料及备料方便，采用从上到下逐段增加钢板厚度的方法。每段钢板的计算厚度可以按照公式(1)[1]来进行计算

(1)

式中 Pc—计算压力，MPa； Di—筒体内直径，mm； [σ]t—设计温度下筒体材料的许用应力，mm；

φ—焊接接头系数；

δ—筒体的计算厚度，mm。

以最下边一圈的钢板为例，其计算厚度为：

其中，许用应力按钢材Q345R取为189MPa，焊缝系数取0.7，由该公式可以得出最底圈钢板的计算厚度，钢板的腐蚀裕量根据工艺操作要求及所处环境条件取为2mm，再考虑钢板的负偏差，得出钢板厚度为19mm，按照此种计算方法，再以工程经验数据加以限制，取钢板的厚度δ为22mm。

经过计算，并结合钢板的标准宽度，槽壁以2.5m间距分为8段，从下往上壁厚递减，下面4段选用Q345R，上面四段选用Q235-B，考虑到大型搅拌槽都是现场进行安装，这样选材可以减少壁厚，节省材料，便于卷板、焊接操作。

2.2 结构

槽壁各不等厚钢板之间的环焊缝采用内层壁面对齐的形式，相对之薄板开单边V形坡口进行焊接，等厚段钢板之间的环焊缝采用单面焊形式(见图1)，各段板之间的纵焊缝全部采用对接全焊透形式，且各段纵焊缝应相互错开。安装时以槽底为基准平面，先安装槽盖和最上段槽壁筒节，然后从上而下，逐圈槽壁筒节组装焊接与顶起，交替进行，依次直到底圈筒节安装完毕。

图1 槽壁筒节间的对接焊缝型式

3 槽底设计

槽底板受力情况较为复杂，会受到内部矿浆的压力、基础的支撑力以及槽壁附近的边缘力等因素的影响，因此槽壁与槽底板之间的角焊缝控制非常重要，焊缝尺寸过小会导致接头强度不够，如果尺寸过大会造成焊缝接头处的应力加大，此外，焊缝处所受的应力是变化的，因此在焊接过程中应尽量减少缺陷和提高焊缝金属的韧性[2]。槽壁与槽底板之间采用双面连续角焊T型接头，由于壁板与罐底的连接是T型角焊缝，且两侧不对称，温度分布也不均匀，熔化金属沿板两侧，收缩量不一致，易引起角变形，外侧角焊缝的尺寸按槽壁与槽底板两者中的较薄者，并与表1[3]中所列的数值比较，取其较大的数值作为焊缝直边尺寸：

表1 角焊缝的直边尺寸

查表1可知，外侧采用的焊脚尺寸等于底板的厚度。由于内侧应力较大，应适当增大焊脚尺寸，除了采用焊高等于边缘板厚度的连续角焊缝之外，还需堆焊成断面呈三角形形状，以减少应力集中。其中焊脚延长的长度应不小于2倍槽底板厚度。槽底和槽壁连接处的焊接形式见图2。

图2 槽底与槽壁之间的连接型式

搅拌槽工作时,由于物料特性的原因，物料与搅拌轴、叶片之间的作用力很大，再加上搅拌槽进、出物料产生的液位波动等因素,搅拌轴会产生晃动和振动，甚至在槽顶部连接搅拌装置的机架位置,能感觉到明显的颤动或振动。经过分析,为了使搅拌轴具有足够的强度，采用与土建基础连接的底轴承与搅拌轴相联，以及增强槽底板整体刚性的方式，见图3。

图3 槽底垫板安装结构示意图

对于大型的机械搅拌槽，地震作用的破坏性，往往首先表现为槽壁下部出现失稳变形，当局部变形超过一定量时，就会引起焊缝开裂，从而导致矿浆泄漏，因此有必要对槽壁进行抗震验算。

底周边单位长度上的提离力按以下公式进行计算：

(2)

式中Ft—罐底周边单位长度上的提离力，N/mm；Kz—综合影响系数，取Kz=0.4；α1—相应于储罐与储液耦合振动基本周期的水平地震影响系数，取α1=0.45；

me—储液的等效质量，me=3928969.2 kg；

g—重力加速度，取g=9.81m/s；

Hw—罐内储液的高度，Hw=19000 mm；

Dis—底层罐壁的平均直径，Dis=14000 mm。

槽底周边单位长度上的提升反抗力

Fr=0.25×10-9ρsHwDis=106.4 MPa

(3)

式中ρs—储液的密度，ρs=1600 kg/m3。

由于Ft>2Fr，搅拌槽底部需与槽基础进行固定，现采取以下方式，见图4。

图4 槽体与混凝土基础的连接方式

对于搭接接头，用公式(4)进行验算：

(4)

式中τ′p—角焊缝的许用剪切应力，取τ′p=98 MPa；

P—焊缝受力，N；

α—角焊缝的计算厚度，α=14 mm；

∑l—焊缝的总长度，∑l=560 mm；

τ—角焊缝的剪切应力，MPa。

槽底与槽壁间的结构除满足工艺的要求和连接强度外，还必须便于清理。由于该搅拌槽内的矿浆密度较大，搅拌桨在搅拌过程中，槽底与槽壁的交接处矿浆流速很低，易造成矿浆颗粒的沉积。如果采用增大搅拌轴功率的方法来清除死区，功率消耗增大，经济性上考虑不合理。因此，在搅拌槽底板和槽壁连接处增加斜面挡圈，来消除颗粒沉积的死角，见图5，另外，为了使矿浆能够完全排出和便于清理，挡圈在设计过程中要避开出料口和清理孔的位置。

图5 槽底挡圈结构示意图

4 槽顶设计

大型机械搅拌槽一般采用固定式平面槽顶，槽壁顶部有一圈包边角钢，与槽顶盖相连接，用来增强槽壁上口的刚性。由于槽盖的跨度较大，顶部采用型钢加强的形式，中间支撑搅拌装置处采用HN800×300H型钢，其余位置布以其它型钢，且均为井字形布置，以满足槽顶盖的刚度要求。

5 结语

在Φ14 m×20 m大型搅拌槽的设计过程中，以可靠性、经济型原则合理的控制了槽体壁厚；采用与土建基础连接的底轴承与搅拌轴相联，保证了搅拌轴的强度；采用预埋垫板使槽体和土建基础连接为一体,使机械搅拌槽的搅拌装置能够平稳运行；在槽底设置斜面挡圈可有效减少矿浆颗粒的沉积死区。在工程使用中，大型机械搅拌槽除了槽底、槽壁、槽顶需要精心设计外，根据不同工艺条件的需要，还有人孔、扶梯、走道、桥架、液位计、补强圈等必要附件，均可按照化工容器最常用的零部件设计或选用。另外，对于大型的搅拌槽，必须在现场进行焊接施工，所以施工条件、施工水平及质量验收在搅拌槽运行的安全性、可靠性方面也起着及其重要的作用。

[1] NB/T47003.1—2009，钢制焊接常压容器[S].

[2] 潘家华.圆柱形金属油罐设计[M].北京：石油工业出版社，1984.

[3] GB50341—2003，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].

[4] 成大先.机械设计手册(第1卷)[M].北京：化学工业出版社，2007.

Structure Design of Large Mechanical Stirred Tank Shell

CAI Yan-ni

(Metallurgy Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

For example of Ф14 m×20 m large mechanical stirred tank, combined design practice, the paper introduces its structure and calculation method, analyses design elements, and provides necessary empirical data and welded structure types.

stirred tank； structure design； welding

2013-09-16

蔡燕妮(1981-)，女，湖北襄阳人，工程师，研究生，主要从事湿法冶炼设备设计工作。

TQ051.7

B

1003-8884(2014)01-0026-03