大型鈦-鋼復(fù)合板塔的設(shè)計研究

曾 紅 劉 清

(寶鈦集團有限公司,陜西寶雞 721014)

大型鈦-鋼復(fù)合板塔的設(shè)計研究

曾 紅 劉 清

(寶鈦集團有限公司,陜西寶雞 721014)

從FY-301鈦鋼復(fù)合板塔的結(jié)構(gòu)出發(fā),對鈦復(fù)層影響設(shè)備安全的可靠性進行了初步的探索,并對大型塔器設(shè)計方面應(yīng)注意的問題作了討論。

FY-301塔;鈦復(fù)層;可靠性;設(shè)計

0 引 言

鈦鋼復(fù)合板由于復(fù)層和基層貼合緊密,具有良好的導(dǎo)熱性,剪切強度高等優(yōu)點,在大型塔器中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于塔器的一些特殊性,使其應(yīng)用有別于其他壓力容器,本文結(jié)合我們給江蘇正丹設(shè)計制造的大型FY-301偏三甲苯塔,對復(fù)合板在塔器應(yīng)用的特殊性及大型塔器的設(shè)計應(yīng)注意的方面作一介紹,供大家借鑒。

1 FY301塔的技術(shù)特性和結(jié)構(gòu)特點

1.1 技術(shù)特性

表1

1.2 結(jié)構(gòu)特點

FY-301塔是制造偏三甲苯的核心設(shè)備,介質(zhì)有較強的腐蝕性,直徑大,高度高。分上下兩段,直徑為φ2600/φ2000mm,總長約26399mm,上下封頭為橢圓形,上下內(nèi)部各有一套盤管加熱,兩套盤管重量約1000kg/600kg,不同部位設(shè)置有八個回流分布器,進料管、回流管為環(huán)管,空氣入口管為水平引入管排管式。設(shè)備空重約80t,充液重量約為210t。在設(shè)計中不僅要滿足強度、穩(wěn)定性要求,而且要復(fù)層持久,耐用,不剝離,內(nèi)件不泄漏,以確保生產(chǎn)能持續(xù)正常進行。

2 結(jié)構(gòu)剖析

本設(shè)備是鈦-鋼復(fù)合板的二類設(shè)備,在實際工況下,鈦復(fù)層不可避免的需要承受一定載荷,如介質(zhì)壓力及復(fù)層與基層膨脹量不同形成的溫差應(yīng)力等。但按JB4745-2002,鈦-鋼復(fù)合板設(shè)備的整體計算和校核僅僅考慮鋼基層承受載荷,鈦復(fù)層僅起耐蝕作用,不考慮其承受載荷,但塔器與其他壓力容器不同,塔內(nèi)件較多且較重,全部要焊接在鈦復(fù)層上,因此鈦復(fù)層可靠性設(shè)計至關(guān)重要。

2.1 復(fù)層可靠性分析

2.1.1 復(fù)層結(jié)構(gòu)

由于鈦鋼的不可焊性,焊接前,對接接頭處鈦復(fù)層剃掉15～20mm寬邊,基板焊接后,設(shè)備內(nèi)部留下一條鈦的狹縫,該處難以消除鐵離子污染,耐蝕性下降,設(shè)計時采用墊板加蓋板的方式將不耐蝕的焊縫蓋住,為了檢查鈦蓋板焊縫是否完好,及早發(fā)現(xiàn)泄漏點,避免發(fā)生大面積腐蝕穿孔,在蓋板背面設(shè)置檢漏孔,為設(shè)備的安全提供一定的保障。在這種情況下,蓋板下的縱環(huán)焊縫是相通的,對于大型塔器壓力試驗檢漏時,長達幾百米的焊縫,檢驗工作量非常大,檢測難度非常高。因此在每一條縱環(huán)焊縫上,設(shè)置兩個檢漏孔,為保證縱環(huán)焊縫內(nèi)襯板的獨立性,在縱焊縫內(nèi)襯板兩端一定距離用銀釬焊封焊,這樣就保證了縱環(huán)焊縫斷開,便于壓力試驗檢查時,較快、較準(zhǔn)的發(fā)現(xiàn)漏點。具體結(jié)構(gòu)見下圖1。

圖1 復(fù)層結(jié)構(gòu)圖

2.2 內(nèi)件與復(fù)合板復(fù)層的連接方式

在設(shè)計中,我們從介質(zhì)特性、操作條件,內(nèi)件形式、成本等因素綜合考慮,合理選材,在一定的設(shè)計條件下,充分發(fā)揮材料的性能,做到設(shè)計最優(yōu)。選取塔體復(fù)合板級別為BI級,結(jié)合率98%,剪切強度為144MPa。

大型塔器由于工藝過程的不同,塔內(nèi)件不但多而且很多都是承載件,需要焊接在鈦復(fù)層上。把內(nèi)件直接焊在復(fù)層上,焊接熱量大,面積小,鈦鋼交界面處熱應(yīng)力較大,在焊接熱應(yīng)力和載荷的共同作用下,易引起復(fù)層的剝離及區(qū)域的擴大。為了解決這個問題,我們要求,塔內(nèi)件一般不準(zhǔn)直接焊在復(fù)層上(除非較輕或間斷焊的內(nèi)件),焊接處要設(shè)置墊板。墊板與塔體焊縫進行100%滲透檢測,由墊板焊縫承受內(nèi)件產(chǎn)生的剪應(yīng)力和拉力。至于墊板尺寸的大小,根據(jù)內(nèi)件重量,預(yù)選墊板大小厚度,校核焊縫剪應(yīng)力,只要τ<[τ]即可。

對于盤管等較重的內(nèi)件,除了在此處加墊板外,用鈦螺釘將此處的墊板與復(fù)層固定在碳鋼殼體上,然后密封焊或加罩封焊,這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是增強效果好,其載荷由碳鋼殼體承擔(dān)。缺點是在殼體上鉆孔增加了工作量,同時殼體強度有一些削弱。

另一種方法是把內(nèi)件的支撐裝置焊在穿過碳鋼殼體的鈦螺釘上,螺釘?shù)囊欢伺c鈦復(fù)層密封焊,另一端由螺帽固定在碳鋼外殼上,該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是其載荷由碳鋼殼體承擔(dān)。缺點是在復(fù)層受局部應(yīng)力較大,鈦螺釘數(shù)量較多,圓周均布,鈦螺釘上的支撐塊要有一定的寬度。通過分析及以前的設(shè)計經(jīng)驗,我們采用了前一種方法。支撐件與復(fù)層的連接焊縫為連續(xù)全焊透,焊縫表面進行著色檢查。具體結(jié)構(gòu)見下圖2。

圖2 支撐件與復(fù)層的結(jié)構(gòu)

2.3 復(fù)層的檢驗

復(fù)層的檢驗一般采用綜合檢驗方法,焊前和焊后,具體包括:

(1)宏觀檢驗:通過肉眼和放大鏡對設(shè)備內(nèi)壁光滑程度、表面色澤、是否有裂紋等進行宏觀檢視。

(2)RT、UT檢驗:鈦復(fù)層是否剝離或存在腐蝕空洞。塔內(nèi)件在焊接前在焊接區(qū)域和焊縫每側(cè)500mm范圍內(nèi)對筒體進行超聲檢測,100%貼合,如不貼合,此段塔體進行調(diào)換。焊后,對此處進行超聲檢測, 100%貼合。

(3)測厚:塔器一般都進行氣液交換,對于易沖刷部位和積液部位采用超聲波測厚儀對復(fù)層的厚度進行檢測。

(4)滲透探傷:為了鑒別復(fù)層在運行一段以后是否有腐蝕開裂、延遲裂紋等,對焊縫區(qū)域進行滲透探傷。

通過以上措施,在一定程度上保證鈦復(fù)層的可靠性,保證了設(shè)備的安全。

3 塔內(nèi)件的設(shè)計

塔內(nèi)件一般指塔板、填料及其支承裝置,它的制造安裝誤差將影響氣液或液液交換的質(zhì)量,但不會引起塔體的燃燒或爆炸。但此塔器內(nèi)件為盤管,介質(zhì)為高溫導(dǎo)熱油,通過它加熱塔內(nèi)液體,一旦泄漏進入塔內(nèi),就引起燃燒爆炸。通過分析知道,盤管最危險的漏點有兩處,一是盤管對接接頭處,由于振動、沖擊、檢驗的認(rèn)知,即使100%RT,也有可能產(chǎn)生缺陷漏點;二是常規(guī)U形螺栓與盤管把緊固定時,是線接觸,當(dāng)盤管受氣流產(chǎn)生振動時,U形螺栓與管子發(fā)生劇烈磨擦,鈦管本身壁厚減薄,同時鈦材表面具有敏感特性,使腐蝕加劇,兩種情況疊加在一起,使鈦管磨損,造成泄漏。此次設(shè)計,我們進行了技術(shù)改進,TA2管按GB/T3624-94要求提供,附加100%超聲,我們在盤管對接接頭處不但要求100%射線檢驗,彎制成形后100%超聲,同時在接頭處外加40mm長的保護套管,預(yù)彎成兩半焊在接頭處,所有焊縫進行PT檢驗,I級合格。具體結(jié)構(gòu)見下圖3。

圖3 盤管對接焊縫處焊接詳圖

U形螺栓結(jié)構(gòu)由線接觸改為面接觸形式,與盤管接觸面由圓形變成扁方形,加寬與盤管的接觸面積,加大穩(wěn)定性和緊固性。同時在裝U形螺栓盤管外加保護套管,磨損,沖擊全部由保護套管承擔(dān),避免了盤管的磨損,具體結(jié)構(gòu)形式見下圖4。

圖4 U形螺栓結(jié)構(gòu)圖

4 設(shè)備懸掛式支座的設(shè)計

大型塔設(shè)備一般為裙座式支撐結(jié)構(gòu),但本設(shè)備要求采用懸掛式支座,由于設(shè)備直徑較大,重量也較大,完全超出計算標(biāo)準(zhǔn)要求,只能設(shè)計成非標(biāo)支座。設(shè)計中我們采用帶剛性支撐圈的圈座形式。我們知道根據(jù)HG20580-98《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》,在假設(shè)剛性環(huán)和支座墊板尺寸,支座個數(shù)后,只對剛性環(huán)組合斷面上的應(yīng)力和內(nèi)力值進行了校核,并沒有給出圈座的計算方法,對耳座的尺寸如何選取并沒有規(guī)定。我們在設(shè)計中先后查閱了多種書籍、資料,德國AD標(biāo)準(zhǔn),最后確定了圈座的計算方式。首先按JB/ T4712.3-2007《容器支座》計算各種載荷,預(yù)取支座個數(shù)和尺寸,對筋板、底板厚度進行校核,使筋板和底板所受載荷小于允許載荷。之后按照《化工容器設(shè)計》中懸掛式支座對焊縫、支撐面、螺栓進行校核,合格后假設(shè)剛性環(huán)的尺寸,結(jié)合支座墊板,按照《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》進行校核,最后帶入SW6-98軟件零部件中進行支座處殼體局部應(yīng)力的校核,使支座處容器圓筒內(nèi)存在的一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力分別小于等于1倍和1.5倍的筒體的許用應(yīng)力,保證筒體的安全可靠性。

5 設(shè)備吊耳安裝位置的設(shè)計

吊耳一般位于塔的整體重心以上,我們知道,塔的吊點越高,則吊力越小,但塔體承受的最大彎矩將增大,對塔體不利。吊點低,則起吊力大,但塔體承受的最大彎矩降低,對塔體有利,但穩(wěn)定性差,易引起傾覆。因此分析塔器在整個吊裝過程中的受力情況,對可能的危險界面進行校核,確定最佳的吊裝位置,對保證設(shè)備安全穩(wěn)定至關(guān)重要。

對于吊耳來說,吊耳與筒體墊板的截面為危險截面,首先對其進行校核,對于塔器來說,水平狀態(tài)和垂直狀態(tài)是塔器吊裝中的兩種主要的受力狀態(tài)。垂直狀態(tài)的吊耳的受力情況類似耳式支座,局部應(yīng)力校核按SW6-3.5軟件中零部件進行計算。水平狀態(tài)的吊耳,在整個吊裝過程中,塔體的受力狀態(tài)是不同的,在最初的水平放置狀態(tài)吊至剛剛脫離地面時,設(shè)備的總重量由吊耳和地面共同承擔(dān),其受力情況相當(dāng)于吊點外側(cè)外伸的簡支梁,他的危險截面一是吊耳所在截面,二是吊耳與地面間的最大彎矩所在截面,分別計算出危險截面處的彎矩,再求出危險截面對應(yīng)的抗彎模量,計算各截面的最大應(yīng)力值,小于許用即可,當(dāng)?shù)醵诮孛娴淖畲髴?yīng)力值與吊耳與地面間的最大彎矩所在截面的應(yīng)力值相等時,即為吊耳的最佳吊裝位置。

6 結(jié) 論

通過以上分析,對于大型鈦-鋼復(fù)合板結(jié)構(gòu)的塔器存在以下共性:

1)復(fù)層的可靠性對設(shè)備的安全至關(guān)重要,絕不亞于基層鋼板,要從設(shè)計、工藝、檢驗等各個方面進行分析,采取相應(yīng)方法,防止復(fù)層剝離,損壞。

2)對于塔內(nèi)件的設(shè)計要高度重視。很多人認(rèn)為內(nèi)件不承壓,泄漏一點,制造安裝檢驗差一點沒有關(guān)系,疏忽將產(chǎn)生大禍。

3)大型塔器最佳吊裝位置的確定對塔器吊裝至關(guān)重要。

4)對于設(shè)備耳座超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時,要按以上步驟進行計算校核,取較大的承載余量,因為耳座的成本與其因不夠堅固而造成的事故損失相比,微不足道。

[1] 陳偕中.化工容器設(shè)計[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社,1987:324 -329.

[2] 魏兆燦,李寬宏.塔設(shè)備設(shè)計[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社, 1988:228.

[3] HG20580-98.鋼制化工容器強度計算規(guī)定[S].

[4] GB150-98.鋼制壓力容器[S].

[5] GB/T4745-2002.鈦制焊接容器[S].

TQ050.4+3

A

1003-6490(2010)02-0038-04

2010-02-25

曾 紅(1968-),女,陜西寶雞人,工程師,1990年畢業(yè)于寶雞大學(xué)機械設(shè)計專業(yè),現(xiàn)主要從事壓力容器設(shè)計工作。聯(lián)系電話:0917 -3382170。