鋼制帶水冷夾套容器失去穩(wěn)定性的原因分析

秦 琳

(廣州有色金屬研究院，廣東廣州 510651)

1 引言

外壓容器在化工、石油、冶金、造船、航空、食品、制藥等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如帶有加熱或冷卻夾套反應(yīng)釜、帶水冷的真空罐體等。、外壓薄壁容器在遠(yuǎn)低于其屈服極限時就會產(chǎn)生變形，從而失去原來的形狀，即外壓容器失去其穩(wěn)定性。失去穩(wěn)定性是外壓容器的主要的失效形式。實際工程中，外壓容器失效的例子很多［1－2］，有意外、設(shè)計失誤、壓力試驗不合理、未考慮外壓等多種原因。本單位10年前，發(fā)生一個冶金用鋼制帶水冷夾套容器的失穩(wěn)事故，現(xiàn)對此進(jìn)行分析，為今后的設(shè)計提供借鑒。

2 水冷筒體的失效原因分析

2.1 失效水冷筒體設(shè)備的情況

水冷筒體是一個筒高6000mm、內(nèi)套直徑2000mm(筒體錐體部分半角小于30°可視作直筒)內(nèi)空筒體，內(nèi)套壁厚6mm，材料為304不銹鋼;外套直徑2100mm，壁厚8mm，材料為235#碳鋼，如圖1所示。不銹鋼筒內(nèi)壁使用溫度約為攝氏120℃，使用氣氛為大氣常壓。內(nèi)外套之間為流動的冷卻水，實測水溫約60℃，水壓為0.2MPa。2001年發(fā)現(xiàn)不銹鋼直筒部分與錐體連接焊縫滲水，無法焊補，繼而直筒部分開始出現(xiàn)明顯縱向波浪變形。設(shè)法修復(fù)時，采用直徑200mm、厚6mm的碳鋼管，徑向連接內(nèi)外筒體，以600mm的距離分布焊接鋼管。使用半個月又出現(xiàn)滲水、可見受力之大。后采取先從里面向外頂出變形部分，然后焊接鋼管連接內(nèi)外筒壁的辦法，大大減慢了變形速度，延長了設(shè)備的使用壽命，18個月后，因局部滲水放棄使用。

2.2 計算校核

鋼制帶水冷夾套筒體，由于冷卻水有0.2MPa的壓力，則不銹鋼內(nèi)套為受外壓筒壁，而碳鋼外套則受內(nèi)壓筒壁。根據(jù)GB－150的計算方法［3］，對該筒體進(jìn)行校核。

內(nèi)壓筒壁的壁厚的承受外壓的能力校核:內(nèi)壓容器的壁厚與設(shè)計使用壓力的關(guān)系式［4］:

其中:

Sc－碳鋼外套壁厚，mm;

P －設(shè)計使用壓力，P=0.2MPa;

D－碳鋼外套的直徑，D=2100mm;C－腐蝕裕度，C=2mm;

［σ］－材料的許用應(yīng)力，對235A碳鋼?。郐遥?130MPa;

φ － 焊縫系數(shù):φ=0.8;

在公式(1)中代入以上數(shù)據(jù)得到:Sc=4(mm)，而實際使用鋼板為8mm，內(nèi)壓容器主要考慮外筒壁的強度，從計算數(shù)據(jù)來看強度是足夠的。外筒壁設(shè)計時還要考慮其運輸、吊裝、支撐等功能，通常設(shè)計較厚，往往設(shè)計厚度承受強度余量是較大的。這也常常導(dǎo)致人們有時參照外壁的強度經(jīng)驗，忽略承受外壓內(nèi)壁的仔細(xì)分析校核，直接按經(jīng)驗判斷下結(jié)論，從而造成設(shè)計失誤。

圖1 帶冷卻水套筒體示意圖

不銹鋼外壓筒壁的校核:

GB150中外壓容器直筒的計算方法，主要來源于米賽斯公式，其考慮的失效主要有長圓筒失效和短圓筒失效。長圓筒即剛性圓筒，此類圓筒的失效是由于筒壁上的壓應(yīng)力超過材料的屈服極限而造成塑性屈服失效，這類問題工程上較少出現(xiàn)。短圓筒失效即在屈服極限足夠的情況下出現(xiàn)彈性失穩(wěn)。工程設(shè)計中極大部分是這種情況。其計算式如式(2)、式(3)所示［5－6］。

式中:

S:塔體不銹鋼內(nèi)筒圓筒的計算壁厚L:塔體圓筒的計算長度

Lcr:圓筒的臨界長度

P:設(shè)計外壓力或?qū)嶋H承受的最大壓力

Pcr:塔體失穩(wěn)的臨界壓

Do:塔體圓筒壁的外徑

Di:塔體圓筒壁的內(nèi)徑

［P］:許用外壓力

E:塔體材料在設(shè)計溫度下的彈性模數(shù)

對長圓筒:

對短圓筒:

受外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定條件是:［P］≥P而［P］=Pcr/m，通常穩(wěn)定系數(shù)取m=3

則外壓筒壁穩(wěn)定條件為:Pcr≥3P，把這個條件代入(1)式及(2)式得到:

對長圓筒(屈服變形)

對短圓筒(失穩(wěn)變形):

在臨界點時(3)、(4)兩式相等，(3)代入(4)式得到:

計算長度L＜Lcr為短圓筒，即可用(5)式計算。

在本文中案例D0=2000mm，S0=6mm.代入(6)式得到:

L=6000mm ＜ Lcr=1.17 ×2000 × (2000/6)0.5=1.17 ×2000 ×100 ÷5.47722=42800mm

由計算可見該筒體為短筒體，可進(jìn)一步用式(5)進(jìn)行外壓校核:

式(5)中后面一項 0.45(S0/D0)0.5與前一項比較小，通常省略引起的誤差小于5%，可省略，得到(7)式:

把不銹鋼內(nèi)筒的數(shù)據(jù)代入簡化的米賽斯公式(7)式，E=1.8 ×105MPa，D0=2000mm，S0=6mm

［P］ =(2.6EDo/3L)(So/D0)2.5=0.02563(MPa)

實際設(shè)計使用壓力為P=0.2MPa，為實際板厚6mm計算的出的許用應(yīng)力的七倍。由此校驗計算得出結(jié)論:該筒體失穩(wěn)失效是筒體壁厚設(shè)計尺度不夠所造成的。

2.3 外壓筒體出現(xiàn)失穩(wěn)時的補救措施

具有一定強度和剛度的外壓筒體，不是突然超大負(fù)荷使用時，往往其失穩(wěn)是一個漸進(jìn)過程，不是突然大幅度失穩(wěn)。本文討論的筒體就是這樣，開始慢慢地變形，后漸漸加快。使用者在變形多處焊接直徑200毫米的鋼管與外筒體連接，大大減緩了局部失穩(wěn)速度。但其它部分仍然失穩(wěn)變形，同時加強鋼管焊接處出現(xiàn)滲水。失穩(wěn)筒體使用半年后，最終因為失穩(wěn)變形、焊縫漏水而放棄使用。

回顧總結(jié)補救措施，可以認(rèn)為，開始的補救措施是有一定效果的，在一定程度上減緩了失穩(wěn)進(jìn)度。但是不夠合理，完全有效。后來對初期失穩(wěn)的筒體變形處先用筒體等徑模板擠壓向外，整形，然后再用鋼管連接內(nèi)外筒壁。失穩(wěn)變形大大減慢，取得了明顯的補強效果。因為由式(7)可見:

許用應(yīng)力［P］與筒體直徑Do的1.5次方成反比關(guān)系。當(dāng)失穩(wěn)變形時，筒體不銹鋼內(nèi)壁在水外壓的作用下，向筒體圓心向心移動，變形處的曲率半徑漸漸變大。為了討論方便，我們設(shè)曲率半徑Ro=Do時為加速失穩(wěn)半徑，超過這個直徑2Ro=2Do，代入(8)式，得到:

［Pr］≈ 1/3［P］

許用應(yīng)力大約只有未失穩(wěn)時的三分之一了。超過加速半徑可以認(rèn)為失穩(wěn)加速，設(shè)稱之為失穩(wěn)加速階段。當(dāng)筒體圓周變形處為一直線時，曲率半徑為無窮大Ro=∞ ，代入式(8)得到:［P］=0

我們設(shè)稱為無限失穩(wěn)曲率半徑，此時許用應(yīng)力為零。超過這個曲率半徑的失穩(wěn)變形稱之為無限失穩(wěn)階段。此階段失穩(wěn)變形極易進(jìn)行。所以要把變形部位，擠壓整形接近原來的筒體直徑。然后焊接補強。實踐表明，這樣補強的效果較好。

3 改進(jìn)的設(shè)計方案

為了達(dá)到水冷外壓穩(wěn)定要求，要綜合考慮增加筒壁厚度及減小外壓筒體計算長度。

當(dāng)整個筒體除了兩端外，中間沒有加強板，即L/D0=3，這種情況下，試用常見的商用不銹鋼板尺寸，代入簡化的(5)式，得到表1:

由表1數(shù)據(jù)，要使不銹鋼內(nèi)壁承受0.2MPa的水外壓，不銹鋼板厚度要達(dá)到14mm。厚度要比原來使用的同壁厚一倍以上，不銹鋼含有大量的鎳、鉻等高價金屬，材料成本要增加一倍，其次，水冷夾套還要有較好的冷卻效果，板厚增加一倍以上，顯然對冷卻內(nèi)壁是不利的。

表1 L/D=3時，不同板厚所對應(yīng)的許用應(yīng)力

從熱工學(xué)資料可知道，傳熱速度與傳熱距離是正相關(guān)的。單獨增加板厚是無法得到令人滿意工程設(shè)計。

另一方面，由式(7)計算得到表2，要使P ＜［P］，可變的參數(shù)除了厚度So還可考慮改變計算長度L，當(dāng)［P］不變時，計算長度越短，需要的筒壁厚度就越小。

表2 不同計算長度所對應(yīng)的許用應(yīng)力

通過表2計算可以看出:縮小外壓筒體的計算長度以及增加筒體的壁厚都可以增加筒體的許用應(yīng)力，也即增加筒體的穩(wěn)定性。外壓筒體計算長度縮短一倍，許用應(yīng)力也即增加一倍;而增加筒體壁厚三分之一，也可以使許用應(yīng)力也即增加一倍。這是因為在式(7)中，許用應(yīng)力與計算長度L成一次方的反比，而與壁厚So的2.5次方成正比。增加壁厚的效果較大是顯而易見的，但從經(jīng)濟角度考慮，增加壁厚就會顯著增加不銹鋼內(nèi)壁的重量，材料成本增加較大。因為不銹鋼價格是普通碳鋼的四倍，筒體壁厚從6mm增加到8mm，不銹鋼內(nèi)壁要增加重量33%，通常設(shè)備采購廠家傾向于增加加強板層數(shù)，即減少計算長度，來滿足設(shè)計要求。過于減小壁厚，增加加強板層數(shù)，也是不可取的，這會增加切割、焊接等工作量。還要考慮焊接變形、以及焊縫強度等因素。在本文的設(shè)備例子中，壁厚10mm時，筒體中間只要一層加強圈，8mm壁厚要三層加強板，而6mm壁厚就要八層加強板。材料及工作量大幅度增加。所以，筒體的壁厚以及計算長度要綜合優(yōu)化考慮。實際失穩(wěn)筒體夾層中間沒有一層加強板，這樣的設(shè)計顯然是不合理的。

根據(jù)筒體失穩(wěn)變形的經(jīng)驗教訓(xùn)以及計算分析的數(shù)據(jù)可以得到表3數(shù)據(jù)。

表3 三種板厚承受0.2MPa水外壓的加強版層數(shù)

6mm板的加強板層數(shù)較多，再考慮焊縫強度系數(shù)等因素，7層加強板仍然略嫌不夠。再增加筒體外套鋼板的切割不太合理。故選8mm不銹鋼板，加強板層數(shù)3層以上。依據(jù)修改壁厚及加強板層數(shù)的設(shè)計制造的筒體，經(jīng)過6年的使用，設(shè)備完好無變形。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)GB150校驗計算結(jié)果分析表明:

失穩(wěn)報廢筒體的失效原因是設(shè)計壁厚不足或加強板層數(shù)不夠。

(2)對于緩慢變形的外壓容器，合理的補救措施可以延緩變形、延長失穩(wěn)變形筒體的使用壽命。

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