矩形混合料仓的设计

王新芳 , 程涛涛 ， 邵继东

(惠生工程(中国)有限公司 ， 河南 郑州 450018)

《钢制焊接常压容器》阐述了承装液体的矩形容器的计算方法，《固体料仓》给出储存固体松散物料的圆筒形料仓的计算方法[1-3]。对矩形料仓，无直接设计标准。通过研究两个标准的计算原理，理论分析，简化得到易于工程应用的矩形料仓壁厚及加强筋的计算方法。

1 工程实例简介

某项目中矩形混合料仓，介质为催化剂固体颗粒，松散物料内摩擦角的最小值(ψ)及松散物料与壳体壁面的摩擦角(ψ′)均为45°。其它工艺条件如下：设计压力(表) 0.01/-0.01 MPa，堆密度400～500 kg/m3，设计温度65 ℃，颗粒规格180～1 000μm，材料S30408，规格尺寸5 600 mm×8 00 mm×4 000 mm。

2 设备选材

为保证洁净度，设备主体(包括斜壁板、竖直壁板、顶板、管口等)采用S30408，其余不接触介质的材料为碳钢。考虑到固体物料对料仓的机械磨蚀，本设备磨蚀裕量确定为1 mm。

3 结构方案确定

3.1 总体结构

设备外形结构见图1，在截面为矩形的锥壳下部，设有DN200的圆管(N2a、N2b、N2c)，为减少物料在锥壳内挂料滞留，便于固体颗粒顺利从锥壳流出，需要在锥壳下部设置方变圆过渡段。这样整个设备大致分为上部矩形容器、中部锥壳，下部方变圆过渡段。

图1 设备结构方案

3.2 支撑结构

料仓支撑结构主要是裙座、短裙座、耳式支座和带整体加强环耳式支座。对于此矩形料仓，考虑到设备安装因素，这里采用耳座，设置在上部矩形容器壁板上。

3.2.1耳座设置原则

耳座个数：考虑到设备稳定性，在长度方向壁板上各设置3个，总计6个耳座。耳座位置：耳座位置应尽量保证每个耳座受力合理，故中间耳座位于中间锥壳部分重心正上方，两侧耳座分别位于两侧锥壳部分重心正上方。耳座选用：计算出矩形容器的当量直径，并乘以1.2系数，圆整为3 000 mm，按照等效的DN3000直径，使用NB/T47065.3-2018耳式支座中的C型耳座，并校核壳体局部用力。耳座材料：考虑到环境温度的影响，采用Q345D，垫板为S30408。

3.2.2加强筋设置

参照NB/T47003.1-2009《钢制焊接常压容器》，矩形容器的刚度通常需要横向与竖向的加强筋来满足，结合工程经验，加强筋设置方案，如图2所示。

图2 壁板受力模型

3.2.3防磨板设置

从图1中易知，从管口N1a、N2b进入催化剂颗粒将会直接冲击正下方的相邻锥壳的斜壁板以及之间的连接焊缝，为避免直接冲击磨蚀，需要在此设置防磨板，如图1所示。

4 设计计算

4.1 设计范围

计算为强度、刚度两部分：顶板、竖直壁板、斜壁板的壁厚及相应加强筋设设置。

4.2 计算模型选用

固体料仓是储存固体松散物料的容器，松散的固体物料盛装在容器里，对物料面以下的容器壁，产生垂直压力、水平压力、在物料流动的情况下对壁面还产生摩擦力[4]。对矩形混合料仓的竖直壁板、斜壁板也存在这些力。此设备计算模型，主要参照矩形容器和固体料仓，计算方法参照矩形容器，但对于载荷形式，充分考虑到固体料仓的特殊性，进行重新确定。

4.2.1计算公式选用

由NB/T47003.1-2009《钢制焊接常压容器》中壁板以及顶板壁厚计算模型释义可知，矩形容器壁板、顶板的力学模型均为矩形薄板，四边简支的理论假定，它们的区别在于壁板受到是三角形或梯形的液体静压力，而顶板受到的是均布附加载荷和自重[2]。在壁板模型中，若将三角形或梯形的液体静压力保守转换为液体静压力最大值的均布载荷，则可认为顶板壁厚的计算模型与壁板是一致的，并且壁板计算厚度将会较保守，但能满足工程设计要求。同时壁板加强筋计算(即刚度计算)模型，也采用顶板计算模型，故本文的矩形混合料仓的竖直壁板、斜壁板、顶板的壁厚和加强筋均采用NB/T47003.1-2009《钢制焊接常压容器》中顶板计算公式，见公式(1)～(6)：

计算厚度：

(1)

最大挠度：

(2)

许用挠度：

(3)

加强筋L方向截面系数：

(4)

加强筋W方向截面系数：

(5)

加强筋最大截面系数：

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

(6)

式中：A、B，矩形板计算公式与图表中矩形边，mm；应用时视具体问题以L、LP、LT代替A，以H、Hi、W、WT代替B；α、β,系数，见标准中图8-5、8-7、8-15；Et，设计温度下材料的弹性模量，MPa；[f]，壁板或顶板的许用挠度，mm；fT,max，顶板最大挠度，mm；g，重力加速度，g=9.81 m/s2；Pa，顶板附加载荷，Pa=1.2×10-3MPa；ZT，顶板加强筋所需截面系数，mm3；ZT,L，顶板加强筋L方向截面系数，mm3；ZT,W，顶板加强筋W方向截面系数，mm3；LT、WT，顶板加强筋沿L、W方向的间距，mm；[σ]b，常温下型钢结构件材料的许用应力，MPa；[σ]t，设计温度下矩形板材料的许用应力，MPa；δT,e，顶板有效厚度，mm；δT，顶板计算厚度，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，各符号与标准中含义相同。

4.2.2计算载荷确定

在公式(1)～(6)中附加载荷Pa，这里为内压Pi和壁板侧向压力之和。

参照固体料仓(NB/T47003.2-2009)可知：①对于圆筒形的竖直壁板I-I截面将受到水平压力Ph，垂直压力Pv，摩擦力Ff，内压Pi，如图2a所示；②而斜壁板I-I截面将受到水平压力Ph，垂直压力Pv，法向压力Pn，内压Pi，如图2b所示。而这些矩形设备的竖直壁板以及斜壁板受力将是一样的，其中侧向压力，对于竖直壁板将是水平压力Ph，而斜壁板为法向压力Pn。对于Ph和Pn可以按照NB/T47003.2-2009中计算公式，利用前文的物性参数进行计算得出。

对于竖直壁板和斜壁板，重点是根据内外压和物料的重力载荷来调整公式中的附加载荷Pa值。通过分析此设备，竖直壁板的Pa可取距顶部包边角钢上表面以下3 m处水平压力Ph与内压0.01 MPa之和为0.012 MPa(这里不考虑外压)；而斜壁板的Pa为顶部包边角钢上表面以下3 m法向压力Pn与内压0.01 MPa之和为0.014 MPa。而顶板Pa为外压0.01 MPa与活动载荷0.001 2 MPa之和，这里取Pa=0.012 MPa。

4.2.3计算结果

公式中矩形板的应力计算系数α和挠度计算系数β，需按照图2不同部位中最大矩形板的长度A与宽度B查标准中图表来确定，表2给出矩形混合料仓主要计算结果。

表2 矩形混合料仓主要计算结果

4.3 设备参数确定

根据表2计算数据，竖直壁板、斜壁板、顶板壁板取8 mm，而加强筋选∠63×6，其截面系数为6 000 mm3，能满足刚度要求，整个设备主体设计参数已确定。

5 结论

结合工程经验，确定矩形混合料仓的支撑结构、加强筋、防磨板的设置方案。通过研究《钢制焊接常压容器》(NB/T47003.1-2009)中壁板以及顶板壁厚计算模型释义，最终确定矩形混合料仓的竖直壁板、斜壁板、顶板的壁厚和加强筋均采用《钢制焊接常压容器》中计算公式。通过研究《固体料仓》(NB/T47003.2-2009)，可知壁板的侧向压力，对于竖直壁板将是水平压力Ph，而斜壁板为法向压力Pn。对于Ph和Pn可以按照NB/T47003.2-2009中计算公式，利用前文的物性参数进行计算得出。通过对竖直壁板、斜壁板、顶板确定各自附加载荷Pa，从而利用这些计算公式得到计算厚度和截面系数，从而确定设备壁板取8 mm，加强筋为∠63×6。本文矩形混合料仓的设计方法，操作简单，可靠性高，可以为此类设备设计提供参考。