化工生產(chǎn)中夾套容器內(nèi)筒加強結(jié)構(gòu)的設(shè)計

吳迎春，王蓓蓓

（天津市化工設(shè)計院，天津 300193）

在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常用蒸汽和水給容器內(nèi)的介質(zhì)加熱，夾套壓力容器就是可以滿足這種工藝要求的設(shè)備。夾套容器的內(nèi)筒體壁厚通常取決于夾套內(nèi)壓力的大小，也就是承受的外壓。外壓計算長度越短，內(nèi)筒體的壁厚越薄。因此給內(nèi)筒體外部設(shè)置一些加強結(jié)構(gòu)，可有效地降低內(nèi)筒的壁厚。節(jié)約設(shè)備成本。

夾套內(nèi)介質(zhì)若壓力不高，內(nèi)筒所受設(shè)計外壓值較低，加強圈的截面尺寸不需要很大，內(nèi)筒與夾套的間隙足以滿足加強圈的結(jié)構(gòu)尺寸要求，以及夾套內(nèi)介質(zhì)流通面積的要求，但對于夾套內(nèi)介質(zhì)壓力較高，內(nèi)筒所受設(shè)計外壓值較大。為達到加強圈和圓筒所需的組合慣性矩，加強圈的截面尺寸又需要很大，導致內(nèi)筒與夾套的間隙不足以布置滿足設(shè)計要求的加強圈，或即使能夠布置的下，數(shù)量又太多，又無法保證夾套內(nèi)介質(zhì)的流通順暢，影響生產(chǎn)操作。因此下面就以我院某化工項目中的一臺甲醇蒸餾釜（表1）為例，探討在此種情況下加強結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

經(jīng)Sw6計算軟件計算得到內(nèi)筒名義厚度為32mm，內(nèi)筒下封頭名義厚度為24mm，此時內(nèi)筒外壁與夾套內(nèi)壁的間隙為68mm，選用反置等邊角鋼加強圈L63×63×6，加強圈間距為100mm才能使內(nèi)筒體壁厚降到24mm[1]。加強圈的間距過小使得筒體與夾套的接管根本無法布置，而且內(nèi)筒體與內(nèi)筒封頭的厚度較厚，增加了設(shè)備材料的費用，并且也相應(yīng)增加了設(shè)備的制造和質(zhì)量檢驗的費用，所以這種設(shè)計方法不是最合理的。以下所探討的兩種設(shè)計方案，可以更合理地在設(shè)計中解決以上這種情況。

表1 甲醇蒸餾釜的設(shè)計參數(shù)

1 螺旋扁鋼加強圈

螺旋扁鋼加強圈結(jié)構(gòu)見圖1所示。此種結(jié)構(gòu)下的加強圈需要與夾套筒體進行焊接，所以夾套筒體在設(shè)計計算中將成為加強圈結(jié)構(gòu)的一部分，此時在設(shè)計中加強圈的橫截面形狀被看成是一個T型鋼結(jié)構(gòu)，這樣加強圈自身的慣性矩就會因此變的很大。對于螺旋型的加強結(jié)構(gòu)，其既有加強作用又有導流作用，當其螺距不大于0.3Di時，可將其看作圓環(huán)扁鋼加強圈進行計算，其計算長度為螺旋扁鋼加強圈的螺距。容器內(nèi)筒體的厚度先定為16mm，夾套筒體和螺旋扁鋼加強圈的厚度先定為14mm，加強圈螺距為500mm，經(jīng)計算所得：加強圈與容器內(nèi)筒體所需的組合截面慣性矩小于起加強作用的有效段的組合截面慣性矩，所以這種加強結(jié)構(gòu)既保證了夾套內(nèi)介質(zhì)流體的流動順暢，滿足工藝要求，不影響生產(chǎn)操作，又滿足了容器內(nèi)筒體的強度和穩(wěn)定性的要求。但是這種設(shè)計方法的不足在于它不適用于內(nèi)筒下封頭的加強，設(shè)計計算很困難，而且加工制造起來很困難。制造加工的費用成本也相應(yīng)的增加了很多，所以這種結(jié)構(gòu)形式僅適用于加強內(nèi)圓體的強度。

圖1 螺旋扁鋼加強圈結(jié)構(gòu)示意

2 蜂窩短管加強結(jié)構(gòu)

蜂窩短管夾套如圖2所示，是從圓筒型夾套的基礎(chǔ)上，通過采用加強結(jié)構(gòu)形式來加強內(nèi)圓筒的外壓穩(wěn)定性，避免外壓失穩(wěn)。圓筒型夾套的內(nèi)圓筒在夾套內(nèi)介質(zhì)的壓力作用下，有外壓失穩(wěn)的可能性，所以從設(shè)備制造成本和結(jié)構(gòu)可靠性的方面來看，夾套內(nèi)介質(zhì)的設(shè)計壓力都不能過高。蜂窩短管夾套相比就更有優(yōu)勢，其內(nèi)圓筒的壁厚可以比圓筒型夾套的內(nèi)圓筒壁厚更薄，既節(jié)約了設(shè)備的制造費用，又可以承受更大的夾套壓力。

蜂窩短管加強結(jié)構(gòu)可同時讓內(nèi)圓筒和內(nèi)筒體下封頭強度和穩(wěn)定性都得到加強作用，蜂窩短管夾套在圓筒體上可按正三角形或正方形布置，在封頭上按同心圓布置?，F(xiàn)選用Q345R為內(nèi)圓筒體與蜂窩短管夾套筒體的材料，選用20號鋼為短管的材料，經(jīng)詳細計算[2]得出的結(jié)果見（表2），蜂窩短管夾套的形式同時讓內(nèi)圓筒和內(nèi)筒體下封頭強度和穩(wěn)定性得到了加強，同時也降低了內(nèi)圓筒和內(nèi)筒體下封頭的厚度，同時夾套內(nèi)介質(zhì)流體的流動順暢，不受結(jié)構(gòu)形式影響。

蜂窩短管夾套也是有缺點的，就是夾套筒體的直徑不能取標準直徑尺寸，這使得夾套封頭的加工受限制，而且蜂窩短管夾套制造也相對復雜。

圖2 蜂窩短管加強結(jié)構(gòu)示意

表2 蜂窩短管加強結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果

3 總結(jié)

和常規(guī)的圓環(huán)扁鋼加強圈結(jié)構(gòu)相比，以上兩種方案都可以使內(nèi)圓筒和內(nèi)筒體下封頭的厚度有效地減薄，這主要是因為螺旋扁鋼加強圈和蜂窩短管夾套都對內(nèi)圓筒和內(nèi)筒體下封頭強度和穩(wěn)定性起到了很大的加強作用，并大大增加了內(nèi)圓筒和內(nèi)筒體下封頭的組合截面慣性矩，既降低了材料的用量，節(jié)約成本，當壁厚降低后相關(guān)檢驗和驗收的要求和費用也減少了，而且總重減小后，也給設(shè)備運輸帶來方便。

綜上所述，日后在進行夾套壓力容器設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮夾套壓力容器其自身的具體情況后，選擇最適合其自身特性的方案，也可將這幾種夾套加強結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，可把螺旋扁鋼加強圈和蜂窩短管夾套結(jié)合使用，內(nèi)圓筒上可用螺旋扁鋼加強圈結(jié)構(gòu)，而內(nèi)筒體下封頭上可用蜂窩短管加強結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足殼體強度和穩(wěn)定性要求，又能滿足工藝要求，滿足生產(chǎn)需要，又能節(jié)省成本。

［1］壓力容器［P］.GB150.1～150.4-2011.

［2］機械攪拌設(shè)備[P].HG／T 20569—1994.