外压容器扁钢加强圈设计方法研究

刘明

（广东省中山市南方空气分离设备有限公司 528441）

外压容器扁钢加强圈设计方法研究

刘明

（广东省中山市南方空气分离设备有限公司 528441）

外压容器的设计重点是要提高容器刚度和临界压力，一般采用增加加强圈和容器壁厚的方法，其中在外压容器筒体上安装加强圈是一种被广泛应用的方法。在加强圈设计过程中，需要确定出正确的选型和尺寸，选择科学的扁钢估选公式进行简化计算。本文重点对估选公式进行了分析，结合实例对加强圈的尺寸进行了确定，探究了惯性矩和组合界面实际惯性矩的计算方法。

外压容器；惯性矩；加强圈；设计探究

与增大外压容器壁厚的方法相比，增设加强圈的方法更加经济，将扁钢、角钢等加强圈安装在外压容器的筒体上的方法应用较为广泛，因此必须加强对加强圈设计的研究。外压容器加强圈设计过程中，必须先选择合适的型材，保证不同加强圈的间距和界面尺寸满足要求[1]。全国压力容器标准化技术委员会对钢材选用都进行了相应的规定，在选择钢型之后，需要对加强圈和组合截面需要的惯性矩进行计算，同时也需要明确有效段组合截面积的实际惯性矩，如果组合截面的理论惯性矩小于实际惯性矩，说明钢型可用，否则必须重新选择，指导满足要求为止。为了进一步简化计算方法，本文对估选公式进行了探究，利用公式实现快速准确计算。

1 概述

应用加强圈的目的是增强外压容器的稳定定和刚性，一般将加强圈安装与容器的内侧或者外侧。加强圈设计过程中，需要保证实际惯性矩大于计算的最小惯性矩。实际应用中一般选用扁钢、角钢和工字钢等加工制作，可以将加强圈焊接在容器外部和内部。如果加强圈焊接在外压容器筒体的外部，加强圈不同侧的间断焊缝的总长度必须在容器外周长度的1/2以上，如果加强圈焊接在外压容器筒体的内侧，不同侧的间断焊缝总长度在内圆周长度的1/3以上。

针对外压容器加强圈设计工作而言，一般将最小质量作为设计目标，但是在实际设计过程中必须充分考虑到制造、安装和应用方面的问题。为了得出更加周密的设计方法，必须选用科学的结构和尺寸，需要应用现代计算方法和数值分析方法，通过计算的方式优选设计方案，弥补传统经验型设计过程中不足，因此对估选公式的确定十分重要。

2 估选公式

2.1 理论惯性矩I

实际应用中需要保障加强圈稳定可靠，壳体和加强圈之间应用连续焊接方法固定，不得出现任何消弱和割断情况[2-3]。从结构上看，加强圈和外压容器筒体焊接为一个统一的整体，筒体受到压力时，加强圈也会受到压力，为了保证外压容器壳体的稳定性，全国压力容器标准化技术委员会对加强圈和设备壳体截面之间的组合惯性矩进行了明确的规定，即：

式中：I表示理论惯性矩，单位mm4；qer表示加强圈和筒体单位长度所承受的负荷，单位MN/mm；D0表示加强圈中性截面的直径，计算过程中一般应用外压容器的壳体外径代替，单位mm；E表示在设计温度下的加强圈弹性模量，单位MPa。

以Ls表示加强圈之间的间距，不同加强圈和筒体承受的外载荷范围为Ls/2，所以此时的外载荷为qer=perLs。

其中per表示临界压力，单位MPa。

由于per/m≥p，所以per≥mp。

式中：p表示设计外压，单位MPa；m表示稳定安全系数，我国的设备稳定安全系数取为3。

实际应用中，per=mp=3p，由于加工过程中会受到外界因素的影响，为了提高设备的安全性，一般将载荷量在原有的基础上增大10%后进行计算，因此有：

qer=3×（1+10%）pLs

所以理论惯性矩I=3.3pLsD03/（24E）。

2.2 组合截面实际惯性矩Is计算

图1是组合截面图。

图1 组合截面图

全国压力容器标准化技术委员会提出组合截面实际惯性矩的计算方法为：

式中：I1表示加强圈截面对中性轴的惯性矩，单位mm4；As表示加强圈的横截面积，单位mm2；h表示扁钢的实际高度，单位mm；δe表示外压容器筒体的有效厚度，单位mm；a表示组合截面与x-x轴距离，单位mm；I2表示外压容器筒体有效段对中性轴的惯性矩，单位mm4；A2表示外压容器筒体有效段的横截面积，单位mm2。

因为I2≥I1，h≥δe，所以在计算过程中可以将I2忽略不计，有h+δe≈h，As≈A2，此时有Is=I1+Ash2/8，同时I1=bh3/12，As=bh，其中b表示所用扁钢的宽度，单位为mm，因此有Is=bh3/12+bh3/8=2.5I1。

结合实际应用，一般在设计时必须保证实际惯性矩与理论惯性矩的惯性为Is≥I，此时将上述公式代入，得出最终的估选公式为I1≥pLsD03/（18.18E）。

3 实际应用案例

应用最终的估选公式I1≥pLsD03/（18.18E）选择扁钢加强圈的截面尺寸，之后借助全国压力容器标准技术委员会给出的方法进行计算。

以某催化剂罐应用为例，开展加强圈的设计工作，以下为已知条件：

设计外压p=0.1MPa，外压容器筒体的外径D0=3836mm，外压容器筒体的有效厚度δe=15.2mm，加强圈间距Ls=3000mm，实际设计温度控制在450℃。

3.1 确定加强圈截面尺寸

由于最终的估选公式为：

其中的E值在《石油化工压力容器设计表》中查询，在450℃环境下，对应的E值为1.58×106kg/cm2=1.58×9.8×104MPa。

应用过程中将加强圈的截面尺寸选为180mm/18mm，确定出扁钢的

实际高度h为180mm，宽度b为18mm，所以实际惯性矩

实际选用的加强圈的横截面积As=bh=3240mm2。

3.2 计算惯性矩I

惯性矩I=D02Ls（δe+As/Ls）A/10.9=1.50328×107（mm4）

3.3 计算组合截面的实际惯性矩

外压容器筒体的有效段横截面积为A2=2b1δe=4037.12mm。

可见实际惯性矩的值大于计算的惯性矩值，所以选用的扁钢是合理的。

4 结束语

在外压容器设计过程中，加强圈的设计和计算一直是重点关注的内容，如果只遵循国家标准计算方法进行计算，实际设计过程中必须要计算3～5次，计算过程十分繁琐。本文提出的估选公式，在计算过程中可以将外压容器筒体有效段对中性轴的惯性矩I2忽略不计，可以保证扁钢加强圈设计计算方便简洁，且具有较高的准确性，值得推广应用。

[1]邱东华，格宁，鲍旭东，等.外压容器扁钢加强圈设计方法探讨[J].辽宁石油化工大学学报，2013，24（2）：89.

[2]丁满福，王碧玲.外压容器环向加强圈快速计算[J].石油化工设备，2014，26（3）：38.

[3]张俊峰.外压容器环向加强圈设计计算的优化[J].湖北化工，2012，18（2）：39.

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1004-7344（2016）15-0231-02

2016-5-11