加壓過濾機加壓倉補強設計的探討

張傳順　宋宇

【摘 要】加壓過濾機加壓倉的工作環(huán)境具有濕度大、振動大、氣壓波動等特點。本文首先分析了造成加壓過濾機加壓倉工作環(huán)境復雜的原因以及對加壓倉性能的影響，然后著重對加壓倉開孔處進行了補強設計和焊接設計。實踐表明，其采用的設計方法使加壓倉具有很強的耐腐蝕、抗振動和氣壓波動的能力，保證了加壓倉穩(wěn)定的工作。

【關鍵詞】加壓過濾機；加壓倉；補強設計

0.引言

加壓過濾機是將壓濾機、刮板運輸機裝入特制的高壓容器中，利用壓縮空氣作為過濾動力的煤泥脫水設備。加壓倉是為加壓過濾機提供過濾推動力的基礎設備，其能承受的壓力大小直接影響到加壓過濾機的工作效率。加壓倉倉體上要設計高壓空氣的入口、過濾后高壓空氣的出口、煤泥水入口、煤泥的出口；以及供工作人員檢修的檢修口、觀察的視鏡等。這些開孔不僅會削弱加壓倉整體的強度，還會引起應力集中造成開孔邊緣局部出現較大的彎曲應力，當壓力容器工作時存在振動、沖擊時，這種現象更加嚴重。因此，在設計加壓過濾機加壓倉時，不僅要應用高壓容器的一般設計方法，還必須對加壓倉工作環(huán)境進行分析，并在此基礎上充分考慮開孔補強的問題。

1.加壓倉工作環(huán)境分析

加壓倉內部環(huán)境是氣、水共存的狀態(tài)，高壓空氣的含水量很大，特別是在夏季，環(huán)境溫度很高，加壓倉內部過濾機和刮板機工作產生的熱量聚集在加壓倉內，煤泥水中的水蒸發(fā)加快，高壓空氣中水分壓力已達到飽和蒸汽壓。經過浮選的煤泥水含有浮選藥劑，在高溫作用下，一部分浮選藥劑如煤油也會揮發(fā)到高壓空氣中。經過長時間浸泡的煤泥，其本身在水中也會發(fā)生化學反應，產生的氣體也會蒸發(fā)到高壓空氣中。這些物質都會加快對加壓倉的腐蝕作用，特別是在焊縫處，嚴重時會產生電化學反應。

刮板機的運動會造成加壓倉在水平方向上的振動；經過脫水后的煤泥從過濾機上脫落，造成加壓倉在垂直方向上的振動。根據材料力學可知，當存在振動時，材料的強度會存在不同程度的降低，在縫隙處會存在嚴重的應力集中。振動的存在會使與加壓倉相連的接管部分產生交變的彎矩，加快材料的變形。

加壓倉的工作壓力一般在0.45MP左右。根據加壓過濾機的工作原理以及現場應用可知，煤泥水的特性對加壓倉內的壓力有很大的影響。當煤泥水濃度大、粘度大、煤泥顆粒細時，加壓倉內壓力偏大；當煤泥水濃度小、粘度小、煤泥顆粒細時，加壓倉內的壓力偏小。高壓容器內部氣壓變化頻率大時，容器局部應力波動頻率大，容器開孔縫隙處會受到嚴重的疲勞損傷。

2.加壓倉整體結構設計

根據對加壓倉工作環(huán)境的分析，加壓倉在設計時選取的設計壓力為0.8～0.9MP，腐蝕裕量為2mm，加壓倉的工作溫度為130℃；選取鋼材為16MnR；焊接系數取0.8。

2.1筒體壁厚的設計

筒體壁選擇材料為16MnR，倉體計算壁厚δ為：

δ= （1）

式中：δ為筒體計算壁厚，mm；P為設計壓力，MP；σ設計溫度下材料的許用應力，MPa；?為焊縫系數；D為倉體直徑，mm。

筒體計算壁厚加上倉體的腐蝕裕量2mm；然后取選取大于δ+2最小的標準鋼板。

2.2封頭壁厚的設計

封頭的材料采用16MnR，封頭的計算厚度δt

δ=（2）

式中：δ為倉體計算壁厚，mm；P為設計壓力，MP；D為倉體直徑，mm；σ設計溫度下材料的許用應力，MPa；?為焊縫系數。

封頭計算壁厚加上封頭的腐蝕裕量2mm；然后取選取大于 最小的標準鋼板。

3.加壓倉補強方法

根據壓力容器開孔情況不同，開孔補強方法分為壓力面積補強法、等面積補強法和分析設計補強法。壓力面積補強法和等面積補強法是常規(guī)壓力容器開孔補強的重要設計方法，等面積補強法的適用范圍是：內徑D≤1500mm時，開孔最大直徑d≤D且d≤520mm；當內徑D≤1500mm時，開孔最大直徑d≤D且d≤1000mm；壓力面積補強法適用于等面積補強法使用范圍之外。分析設計補強法是針對于特定壓力容器進行研究、設計時采用的方法，隨著計算機軟件技術的發(fā)展，利用有限元分析法對開孔處應力進行可視化分析，對補強方法進行優(yōu)化設計成為壓力容器設計的發(fā)展趨勢。

3.1等面積補強法

等面積補強法以開孔的大平面為計算模型，殼體截面因開孔削弱了承載面積，需要在有效補強區(qū)域內需要有補強材料進行等面積補償。其實質是殼體因開孔失去的強度需要由補強材料予以補強。因為等面積補強是以大平板為計算模型，所以隨著殼體開孔直徑的增大，開孔邊緣要受很大的薄膜應力，甚至會產生彎曲應力，所以當開孔很大時，等面積法不適應。

根據壓力容器的分類，加壓倉屬于一類壓力容器。根據加壓倉開孔的大小和壓力容器補強規(guī)范，其補強設計采用等面積補強。

3.2壓力面積補強法

壓力面積是西德AD規(guī)范中采用的開孔補強方法，其適用范圍較等面積補強大。壓力面積補強法的實質是：

P≤σ （3）

式中，A：有效補強范圍內壓力作用面積；A：有效補強范圍內殼體、接管、補強材料的截面積；P：設計壓力；σ：材料許用應力。

在壓力面積補強方法中，要注意結構的合理布局，避免截面積突然改變，過渡處要使用圓角過度，避免使用尖角過度。接管和殼體應用要采用全焊透結構，避免過高的焊接應力，接管的壁厚不宜超過殼體的壁厚的2倍。

4.加壓倉補強結構設計

補強的結構直接影響開孔處應力的分布情況，合適的結構設計不僅能夠保證高壓容器穩(wěn)定工作，還能節(jié)約材料，減少生產成本。現在普遍的補強結構設計有：補強圈補強、厚壁接管補強、整鍛件補強。

4.1補強圈補強

補強圈補強是補強圈貼焊在殼體和接管連接處，見圖（1）a；其具有結構簡單，制造方便，使用經驗豐富等優(yōu)點。但是補強圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，存在較大熱膨脹差，在補強局部區(qū)域產生較大的熱應力。與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，抗疲勞性能差。一般使用在靜載、常溫、中低壓、材料的標準抗拉強度低于540MPa、補強圈厚度小于或等于1.5tn、殼體名義厚度不大38mm的場合。

加壓倉的高壓空氣入口，過濾后高壓空氣出口，視鏡孔，檢修孔，加壓倉支座的補強均采用此種補強方法。經過實際使用證實此方法能夠在保證加壓倉穩(wěn)定工作的前提下，減少設備的制造成本，縮短設備的制造時間。

4.2厚壁接管補強

厚壁接管補強是在開孔處焊上一個后壁接管見圖（1）b，補強處于最大應力區(qū)域，能更有效地降低應力集中系數。接管補強結構簡單，焊縫少，焊接質量容易檢驗，補強效果較好。

圖1 補強結構形式

4.3整鍛件補強

整鍛件補強將接管和部分殼體連同補強部分做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接，見圖（1）c圖。其優(yōu)點是補強金屬集中于開孔應力最大部位，能最有效地降低應力集中系數；可采用對接焊縫，易探傷，質量易保證，抗疲勞性能好，疲勞壽命降低10～15%。

加壓倉與密封排料倉的連接采用整體鍛件補強的方法。由于排料倉閘板在打開與關閉的時候，會對加壓倉與排料倉的連接處產生較大的交變的橫向作用力，這樣不僅在連接處產生彎矩，而且彎矩是周期性交變的。整鍛件補強法很有效降低應力系數，提高了疲勞強度。

5.總結

加壓倉的工作環(huán)境使加壓倉縫隙、開孔處長期處于易腐蝕，易應力集中的狀態(tài)。要確保加壓倉安全、可靠的工作，不僅要在設計的時候對開孔處進行合適的補強設計，還應該平常對易出現損壞的焊縫、接頭等進行檢測，出現異常情況時必須進行全面的維修，避免發(fā)生不必要的安全事故。

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