臥式壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

【摘 要】本文就臥式壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，結(jié)合了具體的實(shí)例，系統(tǒng)分析了臥式壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并對比了優(yōu)化方案，以期能獲得理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】臥式壓力容器；殼體厚度；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

壓力容器是專用的輕化工設(shè)備，其設(shè)計(jì)除了具有一般通用機(jī)械設(shè)計(jì)的共性之外，更要考慮生產(chǎn)和使用過程的安全性（如易燃、易爆、腐蝕等），使得優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)增加及難度增大。對于臥式壓力容器來說，殼體的厚度并不是決定于內(nèi)壓強(qiáng)度的。本文就臥式壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，旨在為優(yōu)化臥式壓力容器而提供參考借鑒。

1 容器概述

介質(zhì)為油氣、污油、H2S，最高工作壓力為0.2MPa，最高工作溫度為200℃。該容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場自然條件見表1，容器主要受壓元件標(biāo)準(zhǔn)橢圓形左、右封頭，以及圓筒設(shè)計(jì)壓力均為0.38MPa，設(shè)計(jì)溫度為220℃，材料為Q245R（GB 712—2008），腐蝕裕量為3mm，焊接接頭參數(shù)為1。

2 問題的提出

查看容器的計(jì)算書可以發(fā)現(xiàn)，殼體的內(nèi)壓計(jì)算厚度僅為5.8mm，而原設(shè)計(jì)方案殼體的有效厚度為10.7mm，故殼體的最大允許工作壓力（0.70MPa）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)壓力（0.38MPa），殼體總體應(yīng)力水平很低。很明顯，原設(shè)計(jì)方案中，殼體的厚度不是由內(nèi)壓，而是由容器某些位置（如支座截面處或最大彎矩截面處）的局部應(yīng)力（表2中符號說明見JB/T4731—2005《鋼制臥式容器》）決定的。問題由此產(chǎn)生，能否通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到減薄殼體厚度的目的呢？

當(dāng)殼體的軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力或剪應(yīng)力不滿足許用值時，通常采用增加殼體厚度；改變鞍座型式；設(shè)置加強(qiáng)圈三種方法來解決：

原設(shè)計(jì)方案采用的是通過增加殼體厚度，降低殼體總的應(yīng)力水平達(dá)到解決問題的目的，這也是目前大多數(shù)設(shè)計(jì)人員普遍采用的方法。采用這種方法雖然簡單易行，但得到的殼體厚度往往較大，材料的性能得不到有效的發(fā)揮和利用，不是優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1）改變鞍座的型式

鞍座的型式通常選用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4712.1—2007《容器支座 第1部分：鞍式支座》，其中有輕型和重型兩大類，輕型（A型）為焊制，120°包角，有墊板；重型（B型）按型式（焊制或彎制）、包角（120°或150°）及有無墊板分為BⅠ、BⅡ、BⅢ、BⅣ、BⅤ等五種。一般來說，臥式容器通常選用A型鞍座，換熱器通常選用BⅠ型（焊制，120°包角，有墊板）鞍座。

可能是考慮到該設(shè)備是大直徑的薄壁容器這一特點(diǎn)，原設(shè)計(jì)方案沒有選用A型鞍座，而是選用了BⅠ型鞍座。但計(jì)算結(jié)果表明，選用A型鞍座與選用BⅠ型鞍座所得到的結(jié)果是相同的，即選用BⅠ型鞍座并未達(dá)到降低應(yīng)力、減小殼體厚度的目的。

查看表3的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計(jì)方案中該容器最危險(xiǎn)的部位位于鞍座墊板邊緣處，在壓力試驗(yàn)工況下，圓筒周向應(yīng)力σ6′為控制因素（應(yīng)力值為169.03MPa，許用值為220.5MPa）。

影響σ6′大小的系數(shù)K6與鞍座包角有關(guān)，包角越大，K6越小，σ6′也隨之減小。這也解釋了選用A型鞍座與選用BⅠ型鞍座得到的殼體厚度是相同的原因，因?yàn)閮煞N型式鞍座的包角相同。

故通過增大鞍座包角，采用BⅡ型（重型焊制，150°包角，有墊板）支座重新計(jì)算，殼體的名義厚度可以從14mm降至12mm，此時支座截面處或最大彎矩截面處的應(yīng)力見表3。

通過對比可以看出，雖然殼體的厚度減小了，但最危險(xiǎn)的部位（仍位于鞍座墊板邊緣處）在壓力試驗(yàn)工況下，圓筒周向應(yīng)力σ6′卻降到了153.07MPa。表明采用增大鞍座包角這一措施可有效地減小殼體厚度，并改善容器的受力情況。

2）設(shè)置加強(qiáng)圈

雖然采用增大鞍座包角這一措施可有效地減小殼體厚度，并改善容器的受力情況，但此時殼體的有效厚度仍有8.7mm，故殼體最大允許工作壓力（0.57MPa）仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)壓力，優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果并不太理想。如采用設(shè)置加強(qiáng)圈，能否有效改變這種情形呢？

加強(qiáng)圈的設(shè)置有三種不同型式，即在圓筒內(nèi)鞍座平面上或靠近鞍座兩側(cè)設(shè)內(nèi)部加強(qiáng)圈，或在圓筒外靠近鞍座兩側(cè)設(shè)外部加強(qiáng)圈。

通過計(jì)算，即使采用A型鞍座，如在圓筒內(nèi)鞍座平面上設(shè)1個L180mm×14mm的內(nèi)部加強(qiáng)圈，或在圓筒內(nèi)靠近鞍座兩側(cè)各設(shè)1個L110mm×14mm的內(nèi)部加強(qiáng)圈，或在圓筒外靠近鞍座兩側(cè)各設(shè)1個L125mm×8mm的外部加強(qiáng)圈，殼體的名義厚度均可降至10mm，相應(yīng)的支座截面處或最大彎矩截面處的應(yīng)力。

此時，殼體的有效厚度僅為6.7mm，屬于正常的規(guī)格圓整，沒有其他額外的裕量。殼體的厚度可同時滿足結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力和局部應(yīng)力的需要，材料的性能得到了有效的發(fā)揮和利用。

數(shù)據(jù)表明，無論是在圓筒內(nèi)鞍座平面上或靠近鞍座兩側(cè)設(shè)內(nèi)部加強(qiáng)圈，或在圓筒外靠近鞍座兩側(cè)設(shè)外部加強(qiáng)圈，壓力試驗(yàn)工況均為危險(xiǎn)工況，對應(yīng)于三種不同的型式，最危險(xiǎn)的部位分別位于鞍座邊角處圓筒（應(yīng)力值σ7為209.7MPa，許用值為220.5MPa），加強(qiáng)圈橫截面上靠近水平中心線處加強(qiáng)圈內(nèi)緣表面（應(yīng)力值σ8為204.71MPa，許用值為211.5MPa），加強(qiáng)圈橫截面上靠近水平中心線處圓筒（應(yīng)力值σ7為212.46MPa，許用值為220.5MPa）。

3 方案對比

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，無論是采用增大鞍座包角或設(shè)置加強(qiáng)圈中任一方法，與原方案相比，工程量都有明顯的降低。尤其是采用設(shè)置加強(qiáng)圈，不僅工程量能降低20%以上，更重要的是大大減薄了殼體厚度（從原方案的14mm降低至10mm），減少了壓力容器用鋼的重量，減少了焊接工作量，有效地降低了設(shè)備成本，大大地提高了經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

目前，臥式壓力容器廣泛應(yīng)用在石油化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)領(lǐng)域。綜上所述，臥式壓力容器殼體的厚度并不決定于內(nèi)壓的強(qiáng)度，因此我們可以根據(jù)這一要點(diǎn)對容器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以明顯減薄殼體厚度，從而達(dá)到降低設(shè)備成本，提高經(jīng)濟(jì)性的目的。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]高峰.淺析壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技與企業(yè)，2013（13）.

[責(zé)任編輯：劉帥]