大型機械攪拌槽槽體的結構設計

蔡燕妮

(中國恩菲工程技術有限公司 冶金事業二部，北京 100038)

大型機械攪拌槽槽體的結構設計

蔡燕妮

(中國恩菲工程技術有限公司 冶金事業二部，北京 100038)

以Φ14 m×20 m大型機械攪拌槽為例，結合設計實踐,介紹了大型攪拌槽槽體的結構和計算方法，分析了其設計要點,提供了一些必要的經驗數據和焊接結構型式。

攪拌槽； 結構設計； 焊接

隨著工業加工能力的不斷提高，大型機械攪拌槽在冶金、化工等行業的應用日益廣泛。大型攪拌槽由于攪拌器的葉輪直徑大、扭矩和彎矩大，并且受介質性質、攪拌槳型、施工質量和攪拌效果的影響,其結構設計尤為重要。在設計過程中，應力求合理化和規范化，并滿足可靠性、合理性及經濟性的要求。下面就以中國恩菲工程技術有限公司承擔的某項目中Φ14 m×20 m機械攪拌槽為例，結合設計實踐，介紹該種類型大型攪拌槽的結構設計。

1 Φ14 m×20 m機械攪拌槽的工藝參數

幾何容積 3000 m3

工作溫度 80～90 ℃

工作壓力 常壓

介質密度 1500～1600 kg/m3

2 槽壁設計

2.1 壁厚及材料

機械攪拌槽的槽壁承受內裝物料的靜壓力，表現為自上而下逐漸增大，它的理論最大值在槽壁最底部，但由于槽底部的約束，應力的最大值位置可隨槽體直徑和槽壁厚度的增加而略微上移，為了制造時節省材料及備料方便，采用從上到下逐段增加鋼板厚度的方法。每段鋼板的計算厚度可以按照公式(1)[1]來進行計算

(1)

式中 Pc—計算壓力，MPa； Di—筒體內直徑，mm； [σ]t—設計溫度下筒體材料的許用應力，mm；

φ—焊接接頭系數；

δ—筒體的計算厚度，mm。

以最下邊一圈的鋼板為例，其計算厚度為：

其中，許用應力按鋼材Q345R取為189MPa，焊縫系數取0.7，由該公式可以得出最底圈鋼板的計算厚度，鋼板的腐蝕裕量根據工藝操作要求及所處環境條件取為2mm，再考慮鋼板的負偏差，得出鋼板厚度為19mm，按照此種計算方法，再以工程經驗數據加以限制，取鋼板的厚度δ為22mm。

經過計算，并結合鋼板的標準寬度，槽壁以2.5m間距分為8段，從下往上壁厚遞減，下面4段選用Q345R，上面四段選用Q235-B，考慮到大型攪拌槽都是現場進行安裝，這樣選材可以減少壁厚，節省材料，便于卷板、焊接操作。

2.2 結構

槽壁各不等厚鋼板之間的環焊縫采用內層壁面對齊的形式，相對之薄板開單邊V形坡口進行焊接，等厚段鋼板之間的環焊縫采用單面焊形式(見圖1)，各段板之間的縱焊縫全部采用對接全焊透形式，且各段縱焊縫應相互錯開。安裝時以槽底為基準平面，先安裝槽蓋和最上段槽壁筒節，然后從上而下，逐圈槽壁筒節組裝焊接與頂起，交替進行，依次直到底圈筒節安裝完畢。

圖1 槽壁筒節間的對接焊縫型式

3 槽底設計

槽底板受力情況較為復雜，會受到內部礦漿的壓力、基礎的支撐力以及槽壁附近的邊緣力等因素的影響，因此槽壁與槽底板之間的角焊縫控制非常重要，焊縫尺寸過小會導致接頭強度不夠，如果尺寸過大會造成焊縫接頭處的應力加大，此外，焊縫處所受的應力是變化的，因此在焊接過程中應盡量減少缺陷和提高焊縫金屬的韌性[2]。槽壁與槽底板之間采用雙面連續角焊T型接頭，由于壁板與罐底的連接是T型角焊縫，且兩側不對稱，溫度分布也不均勻，熔化金屬沿板兩側，收縮量不一致，易引起角變形，外側角焊縫的尺寸按槽壁與槽底板兩者中的較薄者，并與表1[3]中所列的數值比較，取其較大的數值作為焊縫直邊尺寸：

表1 角焊縫的直邊尺寸

查表1可知，外側采用的焊腳尺寸等于底板的厚度。由于內側應力較大，應適當增大焊腳尺寸，除了采用焊高等于邊緣板厚度的連續角焊縫之外，還需堆焊成斷面呈三角形形狀，以減少應力集中。其中焊腳延長的長度應不小于2倍槽底板厚度。槽底和槽壁連接處的焊接形式見圖2。

圖2 槽底與槽壁之間的連接型式

攪拌槽工作時,由于物料特性的原因，物料與攪拌軸、葉片之間的作用力很大，再加上攪拌槽進、出物料產生的液位波動等因素,攪拌軸會產生晃動和振動，甚至在槽頂部連接攪拌裝置的機架位置,能感覺到明顯的顫動或振動。經過分析,為了使攪拌軸具有足夠的強度，采用與土建基礎連接的底軸承與攪拌軸相聯，以及增強槽底板整體剛性的方式，見圖3。

圖3 槽底墊板安裝結構示意圖

對于大型的機械攪拌槽，地震作用的破壞性，往往首先表現為槽壁下部出現失穩變形，當局部變形超過一定量時，就會引起焊縫開裂，從而導致礦漿泄漏，因此有必要對槽壁進行抗震驗算。

底周邊單位長度上的提離力按以下公式進行計算：

(2)

式中Ft—罐底周邊單位長度上的提離力，N/mm；Kz—綜合影響系數，取Kz=0.4；α1—相應于儲罐與儲液耦合振動基本周期的水平地震影響系數，取α1=0.45；

me—儲液的等效質量，me=3928969.2 kg；

g—重力加速度，取g=9.81m/s；

Hw—罐內儲液的高度，Hw=19000 mm；

Dis—底層罐壁的平均直徑，Dis=14000 mm。

槽底周邊單位長度上的提升反抗力

Fr=0.25×10-9ρsHwDis=106.4 MPa

(3)

式中ρs—儲液的密度，ρs=1600 kg/m3。

由于Ft>2Fr，攪拌槽底部需與槽基礎進行固定，現采取以下方式，見圖4。

圖4 槽體與混凝土基礎的連接方式

對于搭接接頭，用公式(4)進行驗算：

(4)

式中τ′p—角焊縫的許用剪切應力，取τ′p=98 MPa；

P—焊縫受力，N；

α—角焊縫的計算厚度，α=14 mm；

∑l—焊縫的總長度，∑l=560 mm；

τ—角焊縫的剪切應力，MPa。

槽底與槽壁間的結構除滿足工藝的要求和連接強度外，還必須便于清理。由于該攪拌槽內的礦漿密度較大，攪拌槳在攪拌過程中，槽底與槽壁的交接處礦漿流速很低，易造成礦漿顆粒的沉積。如果采用增大攪拌軸功率的方法來清除死區，功率消耗增大，經濟性上考慮不合理。因此，在攪拌槽底板和槽壁連接處增加斜面擋圈，來消除顆粒沉積的死角，見圖5，另外，為了使礦漿能夠完全排出和便于清理，擋圈在設計過程中要避開出料口和清理孔的位置。

圖5 槽底擋圈結構示意圖

4 槽頂設計

大型機械攪拌槽一般采用固定式平面槽頂，槽壁頂部有一圈包邊角鋼，與槽頂蓋相連接，用來增強槽壁上口的剛性。由于槽蓋的跨度較大，頂部采用型鋼加強的形式，中間支撐攪拌裝置處采用HN800×300H型鋼，其余位置布以其它型鋼，且均為井字形布置，以滿足槽頂蓋的剛度要求。

5 結語

在Φ14 m×20 m大型攪拌槽的設計過程中，以可靠性、經濟型原則合理的控制了槽體壁厚；采用與土建基礎連接的底軸承與攪拌軸相聯，保證了攪拌軸的強度；采用預埋墊板使槽體和土建基礎連接為一體,使機械攪拌槽的攪拌裝置能夠平穩運行；在槽底設置斜面擋圈可有效減少礦漿顆粒的沉積死區。在工程使用中，大型機械攪拌槽除了槽底、槽壁、槽頂需要精心設計外，根據不同工藝條件的需要，還有人孔、扶梯、走道、橋架、液位計、補強圈等必要附件，均可按照化工容器最常用的零部件設計或選用。另外，對于大型的攪拌槽，必須在現場進行焊接施工，所以施工條件、施工水平及質量驗收在攪拌槽運行的安全性、可靠性方面也起著及其重要的作用。

[1] NB/T47003.1—2009，鋼制焊接常壓容器[S].

[2] 潘家華.圓柱形金屬油罐設計[M].北京：石油工業出版社，1984.

[3] GB50341—2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范[S].

[4] 成大先.機械設計手冊(第1卷)[M].北京：化學工業出版社，2007.

Structure Design of Large Mechanical Stirred Tank Shell

CAI Yan-ni

(Metallurgy Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

For example of Ф14 m×20 m large mechanical stirred tank, combined design practice, the paper introduces its structure and calculation method, analyses design elements, and provides necessary empirical data and welded structure types.

stirred tank； structure design； welding

2013-09-16

蔡燕妮(1981-)，女，湖北襄陽人，工程師，研究生，主要從事濕法冶煉設備設計工作。

TQ051.7

B

1003-8884(2014)01-0026-03