鋼制焊接沼氣發酵罐結構設計計算

申祿坤，施國中，羅 濤

(農業部沼氣科學研究所，四川 成都 610041)

?

鋼制焊接沼氣發酵罐結構設計計算

申祿坤，施國中，羅 濤

(農業部沼氣科學研究所，四川 成都 610041)

在沼氣工程中，厭氧發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酵罐結構設計最主要在于鋼板的厚度和焊縫設計，文章從發酵罐的底板、罐壁、罐頂3個部分分別給出了設計計算方法，以期在今后的鋼制沼氣發酵罐的設計中起到指導作用，使設計科學合理，節約鋼材。

立式圓筒；鋼制焊接；沼氣；發酵罐；結構設計

發酵罐是沼氣工程最主要的生產設備，隨著國家對農村沼氣工程轉型升級政策的實施以及國家對生物天然氣項目的實施，沼氣發酵罐容積不斷增大，目前每個單體發酵罐的容積一般都在4000 m3以上，然而目前沼氣工程鋼制發酵罐結構的設計還停留在經驗值的基礎上，這樣的設計方法一方面是結構設計不合理，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構發酵罐的結構設計必須去除經驗值的設計方法，采用一種科學可靠經濟的設計方法。筆者結合以往的設計經驗，給出采用定設計點法進行沼氣工程鋼結構發酵罐的設計。

1 發酵罐設計參數的選取

根據沼氣發酵工藝條件及要求，參照《鋼結構設計規范》(GB50017-2012)，《碳素結構鋼》GB/T 700。選取鋼結構發酵罐設計條件：

設計壓力：P=1～2 MPa，參照《大中型沼氣工程技術規范》(GB T 51063-2014)計算；

設計溫度(中溫發酵罐)：T=35℃±2℃；

筒體內徑：Di；

介質：沼氣發酵液。

2 發酵罐材料的選取

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

3 罐底板設計

3.1 底板厚度設計

目前國內沼氣工程發酵罐的基礎通常采用筏板基礎或者樁筏板基礎，因而罐底板的作用主要是防止發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，只要滿足規范的規定即可。參考《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》規定，罐底板的厚度除腐蝕裕量外不應小于表1和表2的規定。

表1 罐底板厚度

表2 環形邊緣板厚度 (mm)

3.2 底板尺寸設計

對于內徑小于12.5 m的發酵罐，罐底板可不設環形邊緣板，只采用中幅板形式；對于內徑大于等于12.5 m的發酵罐，罐底板應設置環形邊緣板。環形邊緣板的尺寸在水平面內沿罐半徑方向的大小按下式計算：

式中：Lm為底圈罐壁內表面至環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為罐底環形邊緣板的名義厚度(不包括腐蝕裕量)，mm; Hw為設計液位高度，mm;ρ為發酵液相對密度，底圈罐壁外表面沿徑向至邊緣板外緣的距離不應小于50 mm，且不宜大于100 mm。

4 罐壁設計

4.1 壁板厚度設計

4.1.1 壁板計算厚度

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

對于沼氣發酵罐而言，發酵液一般取水的密度：1×103kg·m-3，故設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

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

C=C1+C2+C3

式中：C1為鋼板負偏差，查鋼板負偏差表得; C2為腐蝕裕量，當材料被介質的腐蝕速度V>0.1 mm·(年時)-1，C2=腐蝕速度×發酵罐的使用年限; 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，發酵罐的設計壁厚T=t+C,根據設計規范規定，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為發酵罐內徑; C2為腐蝕裕量。

4.1.3 壁板強度校核

內壓圓筒體強度校核公式：

4.2 壁板尺寸設計

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

5 頂板設計

5.1 頂板厚度設計

目前國內鋼制焊接沼氣發酵罐多采用自支撐式錐頂，在設計時，罐頂坡度不應小于1/6且不應大于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，且取值不應小于1.0 kPa; Di為發酵罐內徑，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小于5 mm,且不應大于12 mm。罐頂板的最終設計厚度T=tcr+C，C為頂板腐蝕裕量。

5.2 頂板強度校核

內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小于5倍板厚，且不應小于25 mm。

6 結語

立式圓筒形鋼制焊接沼氣發酵罐結構設計最主要的就在于鋼板的厚度設計及結構尺寸設計，文章從發酵罐的底板、罐壁、罐頂這3個部分分別給出了發酵罐的結構設計計算方法，這在今后的鋼制焊接沼氣發酵罐設計中能夠起到指導作用，使設計科學合理，節約鋼材。

[1] GB/T51063-2014，大中型沼氣工程技術規范[S].

[2] GB50017-2012,鋼結構設計規范[S].

[3] GB50341-2014,立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范[S].

[4] GB50661-2011,鋼結構焊接規范[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：中國農業科學院科技創新工程(CAAS-ASTIP-2016-BIOMA)

申祿坤(1976-)，男，陜西西鄉人，助理研究員，主要從事沼氣工程結構設計與研究工作，E-mail:446096448@qq.com

S216.4

B

1000-1166(2016)03-0063-03