鋼制焊接常壓容器圓形平蓋加平行角鋼加強筋的設計計算

馮永利

(克拉瑪依石化公司)

NB/T 47003.1-2009[1]標準中第6.4節(jié)的表6-5給出了當容器公稱直徑不大于2 200mm時圓形平蓋厚度和角鋼加強筋規(guī)格的推薦值；當容器公稱直徑大于2 200mm時，圓形平蓋厚度可依據(jù)該標準進行計算，但平蓋上角鋼加強筋規(guī)格需通過計算或按經驗值確定。由于按經驗值確定存在一定的局限性，而該標準中又未提供其規(guī)格的計算過程，因此，筆者以設計工作中的對象為具體實例，進行了圓形平蓋加平行角鋼加強筋的設計計算，為平蓋角鋼加強筋的規(guī)格選擇提供依據(jù)。

1 平蓋厚度計算

平蓋的計算厚度是依據(jù)文獻[1]中第6.4節(jié)式6-38圓形平蓋厚度計算公式進行計算的。筆者所用算例的參數(shù)為：平蓋直徑Dc=3000mm；結構特征系數(shù)(查表6-4)Kp=0.032；計算壓力pc=0.02MPa；設計溫度80℃；設計溫度下材料許用應力(按第5章)[σ]t=129.5MPa；焊接接頭系數(shù)φ=0.85；平蓋初步選擇井字形角鋼加強筋，角鋼規(guī)格選擇∠110×110×12。平蓋結構尺寸如圖1所示。

圖1 平蓋結構尺寸圖

2 平蓋加平行角鋼加強筋的設計計算

NB/T 47003.1-2009標準規(guī)定，加強筋與平蓋組合截面系數(shù)Zs應不小于按表6-4規(guī)定計算出的所需截面系數(shù)Zx，加強筋與平蓋組合截面包括加強筋兩側各10δp范圍。本算例中，角鋼加強筋與平蓋的組合截面如圖2所示。

圖2 角鋼加強筋與平蓋的組合截面

2.1 組合截面形心位置[2]

角鋼Ⅰ的邊長δ1=110mm，面積A1=2520mm2，重心距z0=32.6mm。角鋼Ⅰ的形心縱坐標y1=δ+z0=12+32.6=44.6mm。

矩形Ⅱ的面積A2=20δp×δ=20×7.23×12=1735.2mm2；形心縱坐標y2=δ/2=6mm；組合截面形心C的縱坐標yc=(A1y1+A2y2)/(A1+A2)=(2520×44.6+1735.2×6)/(2520+1735.2)=28.86mm。

2.2 組合截面對形心軸x的慣性矩

角鋼Ⅰ對其自身形心軸的慣性矩I1=2830000mm4。角鋼Ⅰ對形心軸x的慣性矩I1,x=I1+A1(y1-yc)2=2830000+2520×(44.6-28.86)2=3454324.0mm4。矩形Ⅱ對其自身的形心軸的慣性矩I2=20δp×δ3/12=20×7.23×123/12=20822.4mm4。矩形Ⅱ對形心軸x的慣性矩I2，x=I2+A2(yc-y2)2=20822.4+1735.2×(28.86-6)2=927602.5mm4。組合截面對形心軸x的慣性矩Ix=I1,x+I2,x=4381926.5mm4。

本算例中的平蓋與加強筋組合截面對形心軸x的慣性矩為Ix′=2Ix=8763853mm4。

2.3 組合截面的截面系數(shù)及其校核

形心至組合截面下緣的距離ya=28.86mm，形心至組合截面上緣的距離yb=93.14mm。組合截面的截面系數(shù)最小值，即危險截面的組合截面系數(shù)Zs=Ix′/yb(ymax)=8763853/93.14=94093.3mm3。

依據(jù)NB/T 47003.1-2009標準中表6-4，本算例所選角鋼加強筋與平蓋的所需截面系數(shù)為：

得出Zs>Zx，因此本設計所選加強筋的規(guī)格合格。

3 結束語

在NB/T 47003.1-2009標準中要求加強筋與平蓋組合截面系數(shù)Zs應不小于表6-4中規(guī)定計算出的所需截面系數(shù)Zx，計算時取Zs為加強筋與平蓋組合截面系數(shù)的最小值，即危險截面的組合截面系數(shù)，平行角鋼加強筋的危險截面位置在角鋼的最上緣，當危險截面的組合截面系數(shù)大于所需截面系數(shù)時，則組合截面的任意截面都是安全合格的。筆者給出的關于圓形平蓋上所用平行角鋼加強筋的規(guī)格的計算方法簡單易學、過程清晰，為廣大從事設計工作的人員提供了角鋼加強筋的選擇依據(jù)。

[1] NB/T 47003.1-2009，鋼制焊接常壓容器[S].北京：中國標準出版社，2009.

[2] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1992.