淺析內(nèi)河船用水泥槽罐的設(shè)計安全性

張曉峰

(無錫市地方海事局，江蘇無錫214043)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及降低營運成本及環(huán)境保護(hù)的需要，市場對散裝水泥的需求量越來越大。因此近幾年來，內(nèi)河散裝水泥槽罐運輸船舶發(fā)展迅猛，水泥槽罐的裝載量也由開始的100 t/只發(fā)展到現(xiàn)在的1 000 t/只。然而散裝水泥槽罐在卸貨時，時有罐體爆裂或人孔爆裂的事故發(fā)生。針對這情況，有人提出必須提高設(shè)計壓力以增加罐體板厚。內(nèi)河船用壓力容器進(jìn)行了綜合介紹，分析了散裝水泥罐槽設(shè)計中罐體板厚的安全性以及罐體裂開原因。

1 常用壓力容器主要參數(shù)和工況

常用壓力容器主要參數(shù)和工況見表1。

表1 常用壓力容器主要參數(shù)和工況

從表1可以看出，啟動空氣瓶或氣笛及雜用空氣瓶的工況較散裝水泥槽罐惡劣。

2 散裝水泥槽罐的安全性

某化工設(shè)備廠生產(chǎn)的經(jīng)認(rèn)可的船用啟動空氣瓶的工作壓力為30 kgf/cm2，按當(dāng)時規(guī)范計算公式的瓶體壁厚取值為8 mm。認(rèn)可時，為了驗證安全性，對空氣瓶進(jìn)行破壞性試驗并檢測主應(yīng)力大小及方向。當(dāng)空氣瓶內(nèi)壓力(水壓試驗)加至60 kgf/cm2(2倍的額定工作壓力)時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力且主應(yīng)力的方向在封頭。

由此可見，空氣瓶用按規(guī)范中提供的公式計算所得的筒體板厚進(jìn)行制造，是合理及安全的。

由于散裝水泥槽罐的工況遠(yuǎn)好于空氣瓶，因此其罐體按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)中壓力容器殼板最小厚度計算公式計算所得板厚(按設(shè)計壓力為0.33 MPa)進(jìn)行制造也是合理及安全的。即使承受0.6 MPa壓力(配套空壓機(jī)的額定工作壓力)也不至于出現(xiàn)罐體裂開的事故。

在散裝水泥槽罐的設(shè)計中，其罐體板厚只要按規(guī)范進(jìn)行計算，結(jié)果是安全的，沒有必要提高設(shè)計壓力以增加罐體板厚。

3 散裝水泥槽罐罐體裂開原因

散裝水泥槽罐罐體按規(guī)范計算所得的板厚進(jìn)行制造是安全的，因此罐體的對接焊縫質(zhì)量好壞是造成散裝水泥槽罐罐體受壓時開裂的主要原因。

壓力容器要求對接焊縫為全焊透型，并在《焊接與材料規(guī)范》(2009)中提供了坡口的形式。如果焊縫按要求開坡口，選用適用的焊材，并采用合理的焊接工藝，則焊縫的強(qiáng)度應(yīng)該不低于母材的強(qiáng)度。作者在某水泥廠碼頭檢驗散裝水泥槽罐船時，發(fā)現(xiàn)其罐體因開裂正在人工清理罐內(nèi)殘存水泥。該水泥槽罐罐體正好裂開在焊縫處，且該槽罐罐體的對接焊縫幾乎沒有開焊接坡口。

罐體和罐體、罐體和封頭之間對接時的錯位太大，嚴(yán)重影響了對接焊縫的質(zhì)量和焊接強(qiáng)度。壓力容器對接焊縫的錯位量應(yīng)不大于板厚的10%。如果錯位量很大，則對接焊縫形同搭接焊縫，嚴(yán)重影響焊接強(qiáng)度。

因此對接焊縫的形式，裝配時的錯位量大小以及是否選用低氫焊條及采用合理的焊接工藝等都會直接影響到罐體的強(qiáng)度。焊縫質(zhì)量問題是散裝水泥槽罐罐體發(fā)生裂開的主要原因。

4 安全閥的重要性及合理選用

合理的選用安全閥是十分重要的。安全閥是壓力容器上的重要部件，用于保護(hù)壓力容器，使壓力容器內(nèi)的壓力不因外部條件的影響而劇烈升高。

按《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009年)計算安全閥的通徑:

式中:d為安全閥的通徑，mm;D為空壓機(jī)1 h最大輸送空氣量，D=1 552 kg/h;P為設(shè)計壓力，P= 0.33 MPa;n為安全閥個數(shù)，n=1;A為系數(shù)，依據(jù)升程選取。

若選用全啟式安全閥，A=6.6，則d=48.4 mm。

因此，選用d=50 mm的全啟式安全閥符合要求。

若選用微啟式安全閥，A=14，則d=70.5 mm。

在審圖或檢驗時必須首先明確安全閥選用的形式，然后再檢查安全閥直徑是否符合要求。

由于裝在散裝水泥槽罐上的安全閥工作條件較差，容易堵塞，因此建議在進(jìn)氣總管上安裝一個相同的安全閥，并且每年對安全閥進(jìn)行一次檢測，以確保安全閥工作的可靠性。

5 散裝水泥槽罐的人孔設(shè)置

散裝水泥槽罐屬低壓容器，可選用供低壓容器使用的標(biāo)準(zhǔn)人孔。如果自行設(shè)計，應(yīng)按規(guī)范要求計算人孔的最小壁厚，并按相關(guān)的設(shè)計手冊對螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

6 結(jié)語

要做到散裝水泥槽罐的設(shè)計和建造既合理又安全，應(yīng)注意以下幾點:

(1)對接焊縫必須按《材料與焊接規(guī)范》(2009)開好坡口，選擇合適的焊材及焊接工藝。

(2)制訂正確的裝配工藝，特別是嚴(yán)格控制對接焊縫的錯邊量。

(3)正確選用安全閥和人孔。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)[M].北京:人民交通出版社，2009.

[2] 中國船級社.材料與焊接規(guī)范(2009)[M].北京:人民交通出版社，2009.