低壓粉料脫氣倉(cāng)的倉(cāng)殼圓筒設(shè)計(jì)計(jì)算

譚可昕

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司設(shè)備室，廣東 廣州 510655)

生產(chǎn)與應(yīng)用

低壓粉料脫氣倉(cāng)的倉(cāng)殼圓筒設(shè)計(jì)計(jì)算

譚可昕

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司設(shè)備室，廣東 廣州 510655)

本文以浙江某項(xiàng)目的PP粉料脫氣倉(cāng)設(shè)計(jì)為實(shí)例，綜合運(yùn)用NB/T47041-2014《塔式容器》、NB/T47003.2-2009《固體料倉(cāng)》等規(guī)范，討論了帶低壓的固體料倉(cāng)倉(cāng)殼圓筒的計(jì)算方法，主要闡述了脫氣倉(cāng)軸向組合應(yīng)力的計(jì)算。

脫氣倉(cāng)；賴姆伯特理論；摩擦力；軸向應(yīng)力；周向應(yīng)力

隨著生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，科學(xué)、技術(shù)的進(jìn)一步提高，固體料倉(cāng)除了儲(chǔ)存糧食類物料外，還對(duì)建筑材料中的沙石、水泥，及各種工業(yè)原料和產(chǎn)品等進(jìn)行儲(chǔ)存、配用，需要儲(chǔ)存的松散固體物料的種類越來(lái)越多，倉(cāng)體的形狀更多樣化，設(shè)計(jì)工況也越來(lái)越苛刻。在浙江某聚丙烯裝置項(xiàng)目中，本人負(fù)責(zé)一臺(tái)脫氣倉(cāng)的設(shè)計(jì)工作，該脫氣倉(cāng)的設(shè)計(jì)壓力為0.35/-0.04MPa，其設(shè)計(jì)正壓已經(jīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47003.2-2009《固體料倉(cāng)》[1]設(shè)計(jì)壓力大于-500Pa小于0.1MPa的適用范圍，不能按單一的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。本文主要介紹倉(cāng)殼圓筒的一種設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

設(shè)備主體材質(zhì)為S30403，第一段直徑為4500 mm，第二段直徑為6000 mm，總高約48 m，設(shè)備的外形結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖1所示。倉(cāng)體主要的儲(chǔ)存介質(zhì)為塑料粉料，堆積密度為575 kg/m3，設(shè)備運(yùn)行后，氮?dú)鈴拿摎鈧}(cāng)底部進(jìn)入，穿過(guò)粉料層，從脫氣倉(cāng)頂部出來(lái)，通過(guò)和粉料的逆向接觸，將粉料中的烴類吹出來(lái)，實(shí)現(xiàn)回收烴類的作用。吹出來(lái)的氮?dú)夂蛫A帶的烴類進(jìn)入回收系統(tǒng)，回收系統(tǒng)分離氮?dú)庋h(huán)使用。脫氣倉(cāng)底部?jī)?nèi)設(shè)氣體分布器，確保氮?dú)膺M(jìn)入后均勻擴(kuò)散穿過(guò)整個(gè)粉料層，同時(shí)也保證粉料能均勻下料。

圖1 脫氣倉(cāng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Drawing of degassing silo

脫氣倉(cāng)的設(shè)計(jì)壓力為0.35/-0.04MPa(考慮氮?dú)膺M(jìn)入倉(cāng)內(nèi)的壓力0.69MPa)，設(shè)計(jì)溫度為100/-6.7℃；設(shè)置地區(qū)的基本風(fēng)壓值為854N/m2，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1 g，地震分組為第一組；場(chǎng)地土類型為III類；地面粗糙度A類；倉(cāng)體采用短裙座式支座進(jìn)行支撐。

2 設(shè)計(jì)方法的探討

通過(guò)對(duì)料倉(cāng)的受力分析，可知料倉(cāng)所承受的載荷分為靜載荷和動(dòng)載荷，靜載荷包括設(shè)計(jì)壓力(氣相壓力)、料倉(cāng)儲(chǔ)存物料引起的壓力、料倉(cāng)殼體自重、梯子平臺(tái)、人孔、接管、儀表、安全閥、過(guò)濾器、內(nèi)件等附件的重量、多雪地區(qū)的雪載荷等。動(dòng)載荷包括地震載荷、風(fēng)載荷和料倉(cāng)在加料卸料時(shí)所產(chǎn)生的沖擊載荷等。

脫氣倉(cāng)儲(chǔ)存的物料為固體物料，固體物料所引起的作用力是粉料料倉(cāng)與其它介質(zhì)為氣體或液體的設(shè)備不同的特別之處，此作用力取決于固體物料的特性參數(shù)。在NB/T47003.2-2009《固體料倉(cāng)》標(biāo)準(zhǔn)中，倉(cāng)殼圓筒部分的載荷計(jì)算，采用了以賴姆伯特理論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。該理論利用料倉(cāng)殼體壁面摩擦平衡載荷的函數(shù)關(guān)聯(lián)來(lái)計(jì)算垂直壓力和水平壓力，并確認(rèn)垂直壓力和水平壓力的比值是隨著料倉(cāng)的深度和料倉(cāng)的形狀而變化的。

在倉(cāng)殼橫截面上的垂直載荷就是該段壁面的垂直壓力(倉(cāng)底上的載荷即為總的垂直壓力)，它等于該斷面以上物料的總重量與其產(chǎn)生的作用于倉(cāng)殼的摩擦力所平衡的總載荷之差。在完成測(cè)定同一筒倉(cāng)不同深度料倉(cāng)錐底垂直壓力的試驗(yàn)后，可以看到壓力隨深度增加而增加，但由于只有一小部分重量的松散物料對(duì)殼體壁面有摩擦作用，以致在一定深度上的壓力變?yōu)槌?shù)，而達(dá)到最大值。以深度為縱坐標(biāo)、壓力為橫坐標(biāo)繪圖，所得的壓力曲線如圖2(a)所示。該曲線存在一條平行于縱坐標(biāo)軸的漸近線，該漸近線對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)就是垂直壓力的最大值。同理，對(duì)于代表殼體壁面?zhèn)葔毫Φ那€作了相同的考察，該曲線也存在一條平行于縱坐標(biāo)軸的漸近線，該漸近線對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)就是側(cè)壓力的最大值，見(jiàn)圖2(b)所示。

圖2 壓力-深度關(guān)系圖Fig.2 Graph of pressure and depth

故可利用殼體壁面摩擦平衡函數(shù)關(guān)系，計(jì)算側(cè)壓力和垂直壓力。函數(shù)式為(所有公式中的符號(hào)說(shuō)明詳見(jiàn)規(guī)范)：

這也是在深度h處，摩擦載荷在筒體單位長(zhǎng)度上的載荷計(jì)算公式。

經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，殼體壁面上側(cè)壓力的表達(dá)式為：

松散物料在計(jì)算斷面以上的倉(cāng)殼圓筒上引起的摩擦力為：

由物料的水平壓應(yīng)力ph在倉(cāng)殼圓筒處產(chǎn)生的周向應(yīng)力為：

由摩擦力引起的軸向應(yīng)力

由于脫氣倉(cāng)的設(shè)計(jì)壓力超過(guò)0.1MPa且高徑比大，整體設(shè)備應(yīng)按照NB/T47041-2014《塔式容器》[2]進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但由于脫氣倉(cāng)儲(chǔ)存的是固體物料，倉(cāng)殼圓筒的應(yīng)力校核應(yīng)考慮由水平壓應(yīng)力引起的周向應(yīng)力和由摩擦力引起的軸向應(yīng)力。具體的計(jì)算思路如下：

(1)根據(jù)計(jì)算壓力(設(shè)計(jì)壓力、固體物料對(duì)倉(cāng)殼圓筒任意截面引起的水平壓應(yīng)力ph)確定倉(cāng)殼圓筒、錐殼及封頭的有效厚度；

(2)根據(jù)地震載荷或風(fēng)載荷計(jì)算的需要，選取若干計(jì)算截面(包括所有危險(xiǎn)截面)，并考慮制造、運(yùn)輸、安裝的要求，設(shè)定各計(jì)算截面處的有效厚度；

3 脫氣倉(cāng)軸向組合應(yīng)力的計(jì)算

沿脫氣倉(cāng)高度取3個(gè)截面進(jìn)行操作工況下的計(jì)算，分段如圖1所示。以I-I截面為例，說(shuō)明其軸向組合應(yīng)力的校核過(guò)程，公式中的符號(hào)說(shuō)明詳見(jiàn)規(guī)范。

3.1 質(zhì)量計(jì)算

設(shè)備操作質(zhì)量 m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me=573973 kg

設(shè)備最小質(zhì)量 mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me=166842 kg

設(shè)備壓力試驗(yàn)時(shí)的質(zhì)量 m氣=mmin=166842 kg

綜上所述，果農(nóng)要想實(shí)現(xiàn)果樹(shù)健康的成長(zhǎng)，提高果實(shí)的質(zhì)量。果樹(shù)管理人員需要根據(jù)不同種類果樹(shù)的實(shí)際情況，采取科學(xué)的修剪方式，加強(qiáng)對(duì)果樹(shù)病蟲(chóng)害的防治工作。此外，在果樹(shù)病蟲(chóng)害的防治工作當(dāng)中，要積極的將綠色防治方式融入到實(shí)際的防治工作當(dāng)中。不但可以有效的對(duì)病蟲(chóng)害進(jìn)行防治，而且還有助于環(huán)保，進(jìn)而提高果實(shí)的數(shù)量及產(chǎn)量。

3.2 地震彎矩計(jì)算

3.3 風(fēng)彎矩計(jì)算

由于設(shè)備H>30m，但H/D<15，故不考慮橫風(fēng)向風(fēng)振。I-I截面風(fēng)彎矩：

= 1.139×1010N·mm

故組合風(fēng)彎矩

=1.139×1010N·mm

3.4 最大彎矩

=1.139×1010N·mm

3.5 軸向應(yīng)力的校核

查GB150.3圖4-8得B=62.54

故允許軸向壓應(yīng)力

取其中較小值

(1)操作時(shí)引起的軸向應(yīng)力：

(2)m0引起的軸向應(yīng)力：

(5)設(shè)計(jì)壓力p和水平壓應(yīng)力ph引起的周向應(yīng)力：

軸向壓應(yīng)力σc=σ2+σ3+σZ=59.98 MPa ≤ [σ]cr=

75.05 MPa；

組合軸向應(yīng)力σt=σ1-σ2+σ3-σZ=41.81 MPa；

同理，各倉(cāng)殼計(jì)算截面的穩(wěn)定和強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果列于表1。

表1 任意截面軸向應(yīng)力Table 1 Axial stress for arbitrary cross-section

由此可見(jiàn)，脫氣倉(cāng)筒體所取截面的軸向應(yīng)力校核合格。本文只選取了三個(gè)典型的截面進(jìn)行分析，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，須選取更多截面進(jìn)行計(jì)算，使計(jì)算壁厚更合理。

4 結(jié)論

對(duì)于低壓、高徑比較大的固體料倉(cāng)，可綜合運(yùn)用《塔式容器》和《固體料倉(cāng)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)料倉(cāng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。按《塔式容器》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)料倉(cāng)進(jìn)行整體校核計(jì)算，并在倉(cāng)殼應(yīng)力計(jì)算時(shí)按《固體料倉(cāng)》標(biāo)準(zhǔn)考慮固體物料對(duì)倉(cāng)體產(chǎn)生的水平壓應(yīng)力及摩擦載荷，綜合計(jì)算料倉(cāng)的軸向組合應(yīng)力，以保證倉(cāng)體的安全運(yùn)行。

[1] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).NB/T 47003.2-2009 固體料倉(cāng)[S]. 北京: 新華出版社,2009.

[2] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). NB/T 47041-2014 塔式容器[S]. 北京: 新華出版社,2014.

(本文文獻(xiàn)格式：譚可昕.低壓粉料脫氣倉(cāng)的倉(cāng)殼圓筒設(shè)計(jì)計(jì)算[J].山東化工,2017,46(15):100-102.)

The Design and Calculation of Cylinder for Low-Pressure Powder Degassing Silo

TanKexin

(HQC(GD)Co.,Ltd.,Guangzhou 510655,China)

By taking PP powder degassing silo in Zhejiang project as an example,and applying comprehensively NB/T47041-2014“Vertical vessels supported by skirt”，NB/T47003.2-2009“Silos for solid materials”,the paper discusses the design methods of silo with low design pressure and elaborates on the calculation of axial stress for degassing silo.

degassing silo; Reimebert theory; friction force; axial stress; circumferential stress

2017-05-27

譚可昕(1985—)，女，廣東廣州人，本科生，主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

TQ015

B

1008-021X(2017)15-0100-03