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大型攪拌儲罐的設(shè)計

文檔作者：趙紅喬1 何雨嫌2 文檔來源： 1．中國輕工業(yè)長沙工程有限公司 2．四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月08日
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第38卷第2期
2012年4月
化工設(shè)計通訊
Chemical Engineering Design Communications ·83·
大型攪拌儲罐的設(shè)計
趙紅喬1，何雨嫌2
(1．中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，湖南長沙410004，2．四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065)
摘要：針對大型攪拌儲罐的特點，以大型鹵水反應(yīng)罐為設(shè)計計算實例，討論了罐壁厚度的計算及在
攪拌裝置自重和彎矩作用下支承梁的設(shè)計。為大型攪拌儲罐工程設(shè)計提供有實用價值的參考。
關(guān)鍵詞：大型攪拌儲罐；罐壁設(shè)計；支承梁計算
中圍分類號：TS33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1003—6490(2012)02—0083—04
Design of the Large Storage Tank with Agitator
ZHAO Hong—qiao 1，HE Yu—qian 2
(1．China CEC Engineering Corporation，Changsha Hunan 410004，China；
2．College of Chemical Engineering in Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065。China)
Abstract：According to the characteristics of large storage tank with agitator，take the example of
design calculation for large brine reaction tank。discuss the tank wall thickness calculation and design
for the support beam under the load of agitator unit weight and bending moment，and provide a
practical reference for the large storage tank with agitator design．
Key words：large storage tank with agitator‘9 tank wall design；support beam calculation
0 引言
攪拌儲罐是過程工業(yè)常用的單元操作設(shè)備。
廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、制藥、聚合物、
食品等行業(yè)。近年來，隨著我國制鹽企業(yè)的迅猛
發(fā)展，在鹵水凈化階段采用的反應(yīng)罐越來越大型
化，為了防止罐中儲液分層、沉淀，使反應(yīng)充分
進(jìn)而方便出料及清洗，常在其頂部設(shè)置攪拌裝
置。作為制鹽工藝中凈化鹵水的大型設(shè)備之一，
鹵水反應(yīng)罐的運行情況直接影響到生產(chǎn)時間，因
此，對大型鹵水反應(yīng)罐質(zhì)量的要求也在不斷提
高。受攪拌系統(tǒng)的影響，殼體壁厚及攪拌支承梁
的設(shè)計是設(shè)計的關(guān)鍵。
目前，國內(nèi)對于立式儲罐的設(shè)計所采用的規(guī)
范有SH3046--1992((石油化工立式圓筒形鋼制
焊接儲罐設(shè)計規(guī)范》、GB50341--2003((立式圓筒
形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》和SY／T0608--2006
《大型焊接低壓儲罐的設(shè)計與建造》。其中，
SH3046--1992和GB50341—2003的適用壓力范
圍是設(shè)計內(nèi)壓不大于6 kPa，對于設(shè)計內(nèi)壓大于
6kPa且小于100 kPa的儲罐，只能按照SY／
T0608--2006《大型焊接低壓儲罐的設(shè)計與建造》
標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確對大型攪拌儲罐的設(shè)計
作出說明，所以，應(yīng)結(jié)合立式儲罐的設(shè)計所采用的
規(guī)范及攪拌裝置的特點對大型攪拌儲罐進(jìn)行設(shè)計。
大型攪拌儲罐設(shè)計分成三部分，儲罐殼體的
設(shè)計，攪拌支承梁的設(shè)計及攪拌裝置的設(shè)計，其
中，攪拌裝置通常由攪拌機(jī)制造專業(yè)廠家設(shè)計。
現(xiàn)以制鹽行監(jiān)某工程中鹵水反應(yīng)罐設(shè)計為例。對
大型儲罐設(shè)計中遇到的罐體壁厚及攪拌支承梁的
計算等設(shè)計問題進(jìn)行探討。
l工藝條件及設(shè)計參數(shù)
某工程中鹵水反應(yīng)罐幾何尺寸如圖1所示，罐
體為圓筒形，內(nèi)徑20 000iTdTi．總高約22 000mm。
收稿日期：2012—02—16
作者簡介：趙紅喬(1969一)，男，湖南邵陽人，工程師，主要從事化工設(shè)備及機(jī)械的設(shè)計工作。
萬方數(shù)據(jù)
· 84 - 化工設(shè)計通訊第38卷
反應(yīng)罐的設(shè)計參數(shù)見表1。
攪拌裝置J
筒體
底板
量
^
圖1 鹵水反應(yīng)罐結(jié)構(gòu)簡圖
表1 鹵水反應(yīng)罐設(shè)計參數(shù)
名稱數(shù)值
工作壓力／Pa
工作溫度／℃
全容積／m3
裝量系數(shù)
殼體材料
儲罐直徑／ram
設(shè)計風(fēng)壓／Pa
地震烈度
攪拌器功率／kW
攪拌器轉(zhuǎn)速／r／min
攪拌器層數(shù)
鹵水密度／kg／m3
攪拌機(jī)軸向力(含重量)／N
攪拌機(jī)彎矩／N·m
攪拌機(jī)扭矩／N·m
——500～2000
50
6 900
O．95
Q345R
20000
450
7
30
10
3
1 200
105 350
88000
71 830
2 罐壁設(shè)計
大型攪拌儲罐的罐壁設(shè)計，與一般儲罐相比
需有更高的要求，主要應(yīng)考慮以下因素。
(1)罐內(nèi)儲存介質(zhì)的液柱靜壓對罐壁不同高
度造成的影響。
(2)大型立式儲罐多建于室外空曠場地上，
罐壁的抗風(fēng)能力是罐壁計算的一個主要方面。
(3)地震是不可抗拒的自然災(zāi)害，由于大型
立式儲罐所儲存介質(zhì)的特殊性，在設(shè)計制造時必
須盡可能多地考慮地震的影響。
(4)攪拌裝置的質(zhì)量和攪拌裝置的動載荷也
是設(shè)計攪拌儲罐的考慮因素。
壁厚設(shè)計考慮儲液靜壓，由上至下應(yīng)逐漸增
厚。一般常壓或微內(nèi)壓儲罐罐壁設(shè)計可依據(jù)
GB50341采用定點法進(jìn)行設(shè)計，即以高出每圈
罐壁板底面0．3 121處的液體壓力來確定每圈壁板
厚度，風(fēng)彎矩M0和地震彎矩M￡按JB4710計
算。其實，載荷分為基本載荷和選擇性載荷，標(biāo)
準(zhǔn)中未列入選擇性載荷設(shè)計計算方法，當(dāng)計及此
類載荷時，可以參考其他標(biāo)準(zhǔn)如JB4710、
JB4731等的計算方法。
選擇性載荷主要指自重、風(fēng)載、地震力、管
道推力，及其他附加力等。圓筒中軸向薄膜力F
可取下列兩式中的較大值：
F一+型墮+竺堡‘ 一丌D；一7rDf
F一+4(ME+0．25M,。)．+m—o—g ‘ 一
丌Di —zrDf
式中：
Di一圓筒的內(nèi)徑，mm；
F一軸向薄膜力，N／ram,
mog一作用于計算截面上的軸向載荷，N；
A磊一作用于計算截面上的地震彎矩，N·mm；
M。一作用于計算截面上的風(fēng)彎矩，N·mm。
當(dāng)F為正值時，則可由儲液靜壓引起的軸
向應(yīng)力和附加軸向應(yīng)力之和的組合軸向應(yīng)力強(qiáng)度
校核條件計算罐壁的厚度，此時，壁厚計算厚度
取操作工況與水壓工況的最大值。
操作工況壁厚計算公式為：
。4．9·羆·(高_(dá)o．3h．F ” M‘驢K。[口]‘驢
水壓工況壁厚計算公式為：
。4．9·焉·(志_o．3)。F 魄一———氣面■一十麗式中：
H一計算液位的高度，從計算的那圈罐壁壁
板底端到罐壁包邊角鋼頂部的高度，或到溢流口
下沿(有溢流口時)的高度，mm；
廠儲液相對密度(取儲液與水密度之比)；
K，一載荷組合系數(shù)；
萬方數(shù)據(jù)
第2期趙紅喬等：大型攪拌儲罐的設(shè)計·85 ·
∞一焊接接頭系數(shù)。
風(fēng)彎矩帆和地震彎矩ME計算按JB4710
計算，本工程實例中風(fēng)彎矩帆和地震彎矩ME
計算結(jié)果如下：
眠=1．906X109 N·mm
ME=3．68×109 N·mm
考慮了附加載荷得到的計算厚度見表2。
表2 考慮附加載荷的計算厚度
在實際工程中確定壁板的名義厚度時，不能
單純地按計算結(jié)果考慮，因為計算公式只從滿足
罐體強(qiáng)度方面考慮了作用在罐壁上的液柱靜壓
力、材料的許用應(yīng)力以及焊接接頭系數(shù)。確定罐
體壁厚還要考慮以下幾個方面的問題。
(1)防腐蝕。由于計算公式中所考慮的腐蝕
裕度只涉及到了介質(zhì)的均勻腐蝕，沒有考慮實際
情況鹵水內(nèi)含有其他雜質(zhì)大部分積存于儲罐底
部，會造成底圈壁板局部嚴(yán)重腐蝕，因而要適當(dāng)
增加底圈壁板的厚度。
(2)罐體受力。在罐壁底圈壁板和罐底邊緣
板上，除了承受液體的靜壓力外，還承受著較大
的邊緣應(yīng)力。而為了便于操作和管理，通常儲罐
大部分開孔都集中在底圈壁板上，因此，應(yīng)適當(dāng)
增加罐體最底圈壁板的厚度。工藝上考慮閥室空
間的限制，要求閥門布置盡可能緊湊，因而經(jīng)常
會存在密集開孔補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域。增加底圈壁板厚度，
實際上也同時對開孔起了整體補(bǔ)強(qiáng)的作用。
(3)罐體剛度。罐體上部的幾圈壁板應(yīng)適當(dāng)
增厚，因為上部的液柱壓力很小，滿足強(qiáng)度要求
計算所得的厚度很小，按規(guī)范所要求的最小壁厚
實際上就是從剛度角度考慮的。另外，尤其要注
意考慮底圈壁板的剛度問題，操作過程中攪拌器
的振動等因素而易引起罐體局部失穩(wěn)。
考慮上文所述因素，最后取各層罐體壁板名
義厚度從下到上分別為24 mm、20 mm、16 mm、
12mm。
從實際使用的情況來看，攪拌裝置運行平
穩(wěn)，使用效果良好。
3攪拌支承梁的設(shè)計
攪拌支承梁要支承攪拌系統(tǒng)的重量，又要承
受攪拌系統(tǒng)的動載荷，以及流體作用在槳葉上的
軸向力。設(shè)計攪拌支承梁時，應(yīng)考慮攪拌機(jī)本身
重力載荷的作用以及傳動裝置產(chǎn)生的震動等動力
載荷的影響，除要求攪拌支承梁有足夠的強(qiáng)度
外，還要求支架梁有足夠的剛度，否則會引起攪
拌設(shè)備的強(qiáng)烈振動，造成嚴(yán)重后果。
對攪拌支承梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常是直接應(yīng)用規(guī)
則截面型材，如H型鋼和槽鋼，制作成等截面
的梁結(jié)構(gòu)，但在較大跨度情況下，直接應(yīng)用規(guī)則
截面型材，制作成等截面的梁結(jié)構(gòu)。下面討論其
設(shè)計計算。
3．1攪拌裝置的受力分析
攪拌器在流體中旋轉(zhuǎn)的受力分析見圖2。
弋
一巳區(qū)
一
-●●一—、7
k ／
一} n Ff
圖2作用在攪拌器上的力及力矩
攪拌器在運動過程中受四個力、一個彎矩和
一個扭矩的作用。
四個力為：
(1)攪拌器自重產(chǎn)生的重力Q；
(2)攪拌器旋轉(zhuǎn)在流體中心引起的軸向推力
F口；
(3)攪拌器旋轉(zhuǎn)在儲罐內(nèi)所產(chǎn)生的水力橫向
推力F，；
(4)內(nèi)壓作用于軸上的推力F。(此項力由軸
承承擔(dān))。
一個扭矩為：攪拌克服流體阻力引起的扭矩T
一個彎矩為：水力橫向推力引起的彎矩M
萬方數(shù)據(jù)
· 86 · 化工設(shè)計通訊第38豢
攪拌儲罐支架梁設(shè)計應(yīng)考慮以下設(shè)計載荷：
(1)攪拌機(jī)的重力引起的集中載荷Q；
(2)流體作用在攪拌器上的軸向推力引起的
集中載荷F口；
(3)支架梁自身質(zhì)量均布載荷q。
(4)水力橫向推力引起的彎矩M
3．2攪拌支承梁布置方法
攪拌支承梁的布置，大多為如圖3所示的兩
種型式。
攪拌支架梁攪拌支架梁
、
筒壁j 釜、、． —y 生
攪拌支架梁三
j 八二
]}廿什t】忖一刊十什十}f【
＼
=
／‘ =
±
!
b
攪拌支承梁布置型式
HG／T20569--1994標(biāo)準(zhǔn)提出，計算型鋼的
強(qiáng)度和剛度時，不論型鋼在平蓋上用何種方法布
置，允許視為僅兩根最長的型鋼承受軸向力(包
括攪拌機(jī)的重力和流體作用在漿葉上的軸向力)。
但日本某工程公司資料表明，對于圖3(a)的布
置型式，可按2根梁承受載荷計算；對于圖3
(b)的布置型式，可以按3根梁支承載荷計算。
該工程實例中采用圖3(b)的布置型式。
3．3動載荷的確定
動載荷應(yīng)簡化為相當(dāng)靜載荷，若無計算資
料，可按下式進(jìn)行簡化：
No=“Wo
式中；N。一相當(dāng)靜載荷，kg；
Ⅳ一動力系數(shù)；
W。一運動部分的質(zhì)量，kg。
對有攪拌的設(shè)備，動力系數(shù)盧取1．2，N。
為方便計算，將Q近似認(rèn)為全是運動部分的質(zhì)
量。
3．4攪拌支承梁的應(yīng)力計算
對橫跨至罐頂邊緣的攪拌支承梁，可按簡支
梁計算，則單根支架梁所承受的彎曲應(yīng)力為[5]；
盯(ma一x)M一(m可)
式中：M0，一單根梁承受的最大彎矩，N·mm；
W一型鋼抗彎模量，mm3。
該工程實例中攪拌機(jī)的重量引起的集中載荷
Q及流體作用在攪拌器上的軸向推力引起的集中
載荷F。，一共為105 350N，所以集中載荷為：
P：巡姿墜：垡銎：墮塑：42 140(N)
集中載荷產(chǎn)生的彎矩： M。=TPL一坐半
=210 700 000fN·ram)
擬選用WIlll00×400×12×20焊接H型
鋼，則H型鋼梁自身質(zhì)量：
q=225 kg／m=225×9．8／1 000
=2．205 N／ram
H型鋼梁截面抗彎模量：
W=i0 649 000mm3
H型鋼梁截面慣性矩：
j=5 857140000mm4
所以，均布載荷q產(chǎn)生的彎矩為： M2=警一型半
=1．102 5×108(N·ram)
最大彎矩：
M。。=MI+M2+M
=210 700000+1．102 5×108+88000000
=408 950 000(N·ram)
單根支架梁所承受的彎曲應(yīng)力校核： ?=學(xué)=器-ss．4

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