鋼制焊接沼氣發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

申祿坤，施國中，羅 濤

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，四川 成都 610041)

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鋼制焊接沼氣發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

申祿坤，施國中，羅 濤

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，四川 成都 610041)

在沼氣工程中，厭氧發(fā)酵罐多采用立式圓筒形鋼制焊接罐，立式圓筒形鋼制焊接沼氣發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計最主要在于鋼板的厚度和焊縫設(shè)計，文章從發(fā)酵罐的底板、罐壁、罐頂3個部分分別給出了設(shè)計計算方法，以期在今后的鋼制沼氣發(fā)酵罐的設(shè)計中起到指導(dǎo)作用，使設(shè)計科學(xué)合理，節(jié)約鋼材。

立式圓筒；鋼制焊接；沼氣；發(fā)酵罐；結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)酵罐是沼氣工程最主要的生產(chǎn)設(shè)備，隨著國家對農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級政策的實施以及國家對生物天然氣項目的實施，沼氣發(fā)酵罐容積不斷增大，目前每個單體發(fā)酵罐的容積一般都在4000 m3以上，然而目前沼氣工程鋼制發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)的設(shè)計還停留在經(jīng)驗值的基礎(chǔ)上，這樣的設(shè)計方法一方面是結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，該加強的地方未加強，該減弱的地方反而加強;另一方面是大大浪費鋼材，設(shè)計人員人為地加厚鋼板加大焊縫等。為此沼氣工程中焊制鋼結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須去除經(jīng)驗值的設(shè)計方法，采用一種科學(xué)可靠經(jīng)濟的設(shè)計方法。筆者結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗，給出采用定設(shè)計點法進行沼氣工程鋼結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐的設(shè)計。

1 發(fā)酵罐設(shè)計參數(shù)的選取

根據(jù)沼氣發(fā)酵工藝條件及要求，參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2012)，《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 700。選取鋼結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐設(shè)計條件：

設(shè)計壓力：P=1～2 MPa，參照《大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范》(GB T 51063-2014)計算；

設(shè)計溫度(中溫發(fā)酵罐)：T=35℃±2℃；

筒體內(nèi)徑：Di；

介質(zhì)：沼氣發(fā)酵液。

2 發(fā)酵罐材料的選取

鋼材選用應(yīng)綜合考慮發(fā)酵罐的設(shè)計溫度、發(fā)酵液的腐蝕特性、材料使用部位、材料的化學(xué)成分及力學(xué)特性、焊接性能等，選取發(fā)酵罐圓筒體及封頭材料為Q235B碳素鋼。對于建罐地區(qū)的最低日平均溫度低于0℃時，不得采用沸騰鋼。

3 罐底板設(shè)計

3.1 底板厚度設(shè)計

目前國內(nèi)沼氣工程發(fā)酵罐的基礎(chǔ)通常采用筏板基礎(chǔ)或者樁筏板基礎(chǔ)，因而罐底板的作用主要是防止發(fā)酵液的滲漏及與罐壁底板連接使罐體成為整體，故鋼底板的強度和剛度一般不做太多要求，只要滿足規(guī)范的規(guī)定即可。參考《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，罐底板的厚度除腐蝕裕量外不應(yīng)小于表1和表2的規(guī)定。

表1 罐底板厚度

表2 環(huán)形邊緣板厚度 (mm)

3.2 底板尺寸設(shè)計

對于內(nèi)徑小于12.5 m的發(fā)酵罐，罐底板可不設(shè)環(huán)形邊緣板，只采用中幅板形式；對于內(nèi)徑大于等于12.5 m的發(fā)酵罐，罐底板應(yīng)設(shè)置環(huán)形邊緣板。環(huán)形邊緣板的尺寸在水平面內(nèi)沿罐半徑方向的大小按下式計算：

式中：Lm為底圈罐壁內(nèi)表面至環(huán)形邊緣板與中幅板連接焊縫的最小徑向距離，mm；且不小于600 mm; tb為罐底環(huán)形邊緣板的名義厚度(不包括腐蝕裕量)，mm; Hw為設(shè)計液位高度，mm;ρ為發(fā)酵液相對密度，底圈罐壁外表面沿徑向至邊緣板外緣的距離不應(yīng)小于50 mm，且不宜大于100 mm。

4 罐壁設(shè)計

4.1 壁板厚度設(shè)計

4.1.1 壁板計算厚度

目前國內(nèi)幾乎所有的沼氣發(fā)酵罐的直徑都小于60 m，因而在計算時選用定設(shè)計點法進行計算，其計算公式：

對于沼氣發(fā)酵罐而言，發(fā)酵液一般取水的密度：1×103kg·m-3，故設(shè)計條件下與試水條件下計算所得壁板厚度相同。

4.1.2 壁板厚度附加量

考慮到鋼板的負(fù)偏差、加工減薄量以及生產(chǎn)過程中各種介質(zhì)對鋼板的腐蝕，引進壁厚附加量C：

C=C1+C2+C3

式中：C1為鋼板負(fù)偏差，查鋼板負(fù)偏差表得; C2為腐蝕裕量，當(dāng)材料被介質(zhì)的腐蝕速度V>0.1 mm·(年時)-1，C2=腐蝕速度×發(fā)酵罐的使用年限; C3為圓筒體加工過程中拉伸減薄量，對于冷卷成型C3=0,熱加工、沖壓減薄成型C3=1.5 mm。

由上述可知，發(fā)酵罐的設(shè)計壁厚T=t+C,根據(jù)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，不論計算公式算出的壁板厚度多大，必須同時滿足容器的最小壁厚要求：T≥Tmin。容器的最小壁厚計算：

式中：Di為發(fā)酵罐內(nèi)徑; C2為腐蝕裕量。

4.1.3 壁板強度校核

內(nèi)壓圓筒體強度校核公式：

4.2 壁板尺寸設(shè)計

罐壁板的尺寸根據(jù)事先確定的發(fā)酵罐直徑及高度確定，確定的原則應(yīng)盡量不浪費鋼材為宜。沿罐體高度方向罐體壁板圈數(shù)確定由鋼板尺寸規(guī)格而定，相鄰兩圈壁板的縱向接頭應(yīng)相互錯開，距離不應(yīng)小于300 mm。

5 頂板設(shè)計

5.1 頂板厚度設(shè)計

目前國內(nèi)鋼制焊接沼氣發(fā)酵罐多采用自支撐式錐頂，在設(shè)計時，罐頂坡度不應(yīng)小于1/6且不應(yīng)大于3/4，罐頂板的計算厚度按下式計算：

式中：tcr為罐頂板的計算厚度，mm; F為荷載組合，kPa，組合時，頂板上的活荷載在水平方向的投影值與雪荷載比較取大者，且取值不應(yīng)小于1.0 kPa; Di為發(fā)酵罐內(nèi)徑，m; θ為罐頂與罐壁連接處罐頂與水平面之間的夾角，°。

同時罐頂板的名義厚度不應(yīng)小于5 mm,且不應(yīng)大于12 mm。罐頂板的最終設(shè)計厚度T=tcr+C，C為頂板腐蝕裕量。

5.2 頂板強度校核

內(nèi)壓開孔錐形封頭強度校核公式：

頂板間的連接采用搭接搭接寬度不應(yīng)小于5倍板厚，且不應(yīng)小于25 mm。

6 結(jié)語

立式圓筒形鋼制焊接沼氣發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計最主要的就在于鋼板的厚度設(shè)計及結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，文章從發(fā)酵罐的底板、罐壁、罐頂這3個部分分別給出了發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法，這在今后的鋼制焊接沼氣發(fā)酵罐設(shè)計中能夠起到指導(dǎo)作用，使設(shè)計科學(xué)合理，節(jié)約鋼材。

[1] GB/T51063-2014，大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB50017-2012,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB50341-2014,立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB50661-2011,鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].

Calculation in Design of Steel Biogas Tank/

SHEN Lu-kun,SHI Guo-Zhong,LUO Tao/

(Biogas Institute of Ministry of Agriculture,Chengdu 610041,China)

In biogas engineering,the fermentation tank are usually vertical,cylindrical,and welded steel tank.Its main design work are the thickness of the steel plate and welding seams.The design calculation method for the bottom of tank,the wall and the top,were given in this paper,so that to make the designing more scientific and reasonable.

vertical cylinder; steel welding; biogas; fermentation tank; structure design

2016-01-20

項目來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(CAAS-ASTIP-2016-BIOMA)

申祿坤(1976-)，男，陜西西鄉(xiāng)人，助理研究員，主要從事沼氣工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作，E-mail:446096448@qq.com

S216.4

B

1000-1166(2016)03-0063-03