水平連蒸管大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉超鋒 閆福豐 范鳳山 尚盼龍 劉應(yīng)凡 白 玉 伊萬(wàn)成

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院過(guò)程裝備系環(huán)境污染治理與生態(tài)修復(fù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州，450066；2.河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州，450066；3.北京翔升科創(chuàng)科技有限公司，北京，100027)

水平連蒸管也叫橫管式連續(xù)蒸煮管、管式連續(xù)蒸煮器或水平蒸煮管。我國(guó)在用的橫管式連續(xù)蒸煮系統(tǒng)達(dá)80套以上[1]，有的已連續(xù)運(yùn)行34年。水平連蒸管(簡(jiǎn)稱蒸煮管)主要是用于堿法蒸煮。蒸煮管是《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSGR 0004—2009[2])管轄的壓力容器。通常，蒸煮管內(nèi)的工作壓力為0.55～1.0 MPa(絕對(duì)壓力)，工作溫度為140～190℃。蒸煮管的運(yùn)行壓力波動(dòng)范圍很小，一般不進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)。在用蒸煮管腐蝕速率低的僅有0.02 mm/a，但由于工作溫度越高，堿液對(duì)蒸煮管材料的腐蝕性越嚴(yán)重，加上其他不利因素，有的蒸煮管的腐蝕速率甚至達(dá)到4.1 mm/a[3]，使得蒸煮管的使用年限大大縮短，不得不提前報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)防范蒸煮管的失效很有意義。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)漿廠已出現(xiàn)單線日生產(chǎn)能力300 t的橫管式蒸煮系統(tǒng)，且規(guī)模越來(lái)越大[4]，對(duì)蒸煮管的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求越來(lái)越苛刻。進(jìn)行蒸煮管大開(kāi)孔處結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化越來(lái)越重要。

1 蒸煮管及其大開(kāi)孔進(jìn)出料管的常見(jiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)于在役蒸煮管，通常的設(shè)計(jì)壓力(表壓)為1.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度180℃；常見(jiàn)的有效長(zhǎng)度有：7700、8900、9000、9150、10000、10500、10900、11000、12000和19000 mm；常見(jiàn)的內(nèi)徑有：1000、1050、1100、1370、1372、1476、1488、1500、1520、1600、1700、1800、1900、2000、2100和2130 mm；常見(jiàn)的名義壁厚有：16、20、21、22、25、26 mm。其圓筒體的常見(jiàn)材質(zhì)有：20G(鍋爐專用鋼管)；20R(對(duì)應(yīng)GB713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》[5]中的Q245R)；SA285GRC(瑞典一般壓力容器用鋼SIS2103)；16MnR(對(duì)應(yīng)GB713—2008中的Q345R)；18- 8系奧氏體不銹鋼；復(fù)合鋼板(基材A3R+2 mm不銹鋼復(fù)合層)。

蒸煮管即使選用相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接接頭，也未必能進(jìn)行100%的無(wú)損檢測(cè)。因此，焊接接頭系數(shù)一般選擇0.85。為了滿足生產(chǎn)需要，蒸煮管的進(jìn)出料口處的開(kāi)孔內(nèi)徑與連續(xù)蒸煮管筒體內(nèi)徑之比達(dá)0.5～0.8。因此，對(duì)于蒸煮管的圓筒體和接管，有必要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)方式。

蒸煮管進(jìn)出料管大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見(jiàn)規(guī)范有：聯(lián)邦德國(guó)AD壓力容器規(guī)范B9(1983)[6]；《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JB4732—1995)[7]；《壓力容器》(GB150—2011)[8]。蒸煮管大開(kāi)孔進(jìn)出料管的常用內(nèi)徑為680、800 mm，名義壁厚為15、17、22 mm。

2 研究方案的設(shè)計(jì)

本研究所選蒸煮管的主要參數(shù)和選材如下：對(duì)圓筒體、接管的內(nèi)表面施加壓力取1 MPa；計(jì)算溫度取

圖1 未補(bǔ)強(qiáng)時(shí)應(yīng)力計(jì)算模型的幾何參數(shù)及網(wǎng)格劃分

圖2 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)應(yīng)力計(jì)算模型的幾何參數(shù)及網(wǎng)格劃分

圖3 補(bǔ)強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)應(yīng)力計(jì)算模型的幾何參數(shù)及網(wǎng)格劃分

180℃；圓筒體和接管的內(nèi)徑分別取1100、800 mm；圓筒體、接管及補(bǔ)強(qiáng)元件所用材料為GB713—2008中的材料Q345R；殼體、接管及補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度取值相同；根據(jù)圓筒體長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)大于其邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度的原則，筒體計(jì)算長(zhǎng)度Ls分別取1600、1900、2400 mm。

對(duì)于大開(kāi)孔接管的設(shè)計(jì)問(wèn)題，雖然GB150—2011設(shè)計(jì)篇第6.6節(jié)圓筒徑向接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的分析法(簡(jiǎn)稱分析法，該分析法源于JB4732—1995的附錄J)，將補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的開(kāi)孔適用范圍擴(kuò)大至開(kāi)孔率0.9，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中這樣的應(yīng)用工程例子并不多。因?yàn)閳A筒體和接管的材料未必能達(dá)到分析法的規(guī)定。此外，在運(yùn)用分析法時(shí)，接管厚度太薄或太厚都不合適[9]；當(dāng)接管直徑較小、設(shè)計(jì)壓力較大時(shí)，更難得到滿意的結(jié)果。因此，需要考慮不同的方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本研究選擇以下3種方案：①改變接管厚度；②改變補(bǔ)強(qiáng)圈厚度；③改變補(bǔ)強(qiáng)管情況下接管的厚度。不管采用哪種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，都要給出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。

對(duì)于蒸煮管的大開(kāi)孔進(jìn)出料管的承壓結(jié)構(gòu)，建立實(shí)物模型進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定時(shí)所得到的結(jié)果比較準(zhǔn)確。可是，殼體內(nèi)表面的應(yīng)力并不容易測(cè)定。有限元法是一種應(yīng)用范圍特別廣泛的開(kāi)孔計(jì)算方法，幾乎不受幾何尺寸的限制。有限元法分析軟件FEA-Nozzle[10]含有GB150—2011和JB4732—1995標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的壓力容器材料性能數(shù)據(jù)，提供了8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，可以對(duì)蒸煮管大開(kāi)孔未補(bǔ)強(qiáng)、加補(bǔ)強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析。劃分后的典型網(wǎng)格如圖1～圖3所示。

最后，根據(jù)FEA-Nozzle軟件應(yīng)力分析的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出“應(yīng)力的許用極限與應(yīng)力計(jì)算值的比值”(簡(jiǎn)稱相對(duì)應(yīng)力系數(shù))。基于相對(duì)應(yīng)力系數(shù)大于1以確保安全性、接近1以確保經(jīng)濟(jì)性的原則，確定優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸。

3 開(kāi)孔處結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化結(jié)果

3.1 未補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)果

對(duì)于未補(bǔ)強(qiáng)情況，根據(jù)HG20583—2011《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》[11]，計(jì)算所需參數(shù)取值如下：CHs=33.21 mm、CHt=7.33 mm、ts=tt=24 mm、Ls=1600 mm、Dot=848 mm、Prjt=1624 mm。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，利用FEA-Nozzle軟件計(jì)算縱向平面接管肩部的環(huán)向應(yīng)力、橫向平面接管腹部的法向應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果分別為93.47 MPa和114.21 MPa。相同情況下，文獻(xiàn)[12]的實(shí)測(cè)值分別是93.7 MPa、117.5 MPa (外壁最高應(yīng)力)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值非常接近。

對(duì)于改變接管厚度的方案，根據(jù)HG20583—2011，隨接管厚度ts的變化，計(jì)算所需要的CHs、CHt、Dot和Prjt的變化情況見(jiàn)表1。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，利用FEA-Nozzle軟件計(jì)算最大的局部薄膜應(yīng)力、最大的局部薄膜加彎曲應(yīng)力、最大的一次加二次應(yīng)力。未補(bǔ)強(qiáng)情況下，接管厚度對(duì)相對(duì)應(yīng)力系數(shù)的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，相對(duì)應(yīng)力系數(shù)隨接管厚度的增大而增大。在滿足JB4732—1995規(guī)定的強(qiáng)度要求下，較佳的接管厚度為13 mm。

表1 CHs、CHt、Dot、Prjt和ts的對(duì)應(yīng)關(guān)系 mm

圖4 接管厚度對(duì)相對(duì)應(yīng)力系數(shù)的影響

3.2 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)果

對(duì)于改變補(bǔ)強(qiáng)圈厚度方案，根據(jù)HG20583—2011，計(jì)算所需參數(shù)取值如下：Dis=1100 mm、Ls=1900 mm、Dot=844 mm、Prjt=731 mm。隨補(bǔ)強(qiáng)圈厚度tp的變化，補(bǔ)強(qiáng)圈與圓筒體的角焊縫高度CHp的變化見(jiàn)表2。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，利用FEA-Nozzle軟件計(jì)算出最大的局部薄膜應(yīng)力、最大的局部薄膜加彎曲應(yīng)力、最大的一次加二次應(yīng)力。補(bǔ)強(qiáng)圈厚度對(duì)相對(duì)應(yīng)力系數(shù)的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知，相對(duì)應(yīng)力系數(shù)隨補(bǔ)強(qiáng)圈厚度的增大而增大。在滿足JB4732—1995規(guī)定的強(qiáng)度要求下，較佳的補(bǔ)強(qiáng)圈厚度為5 mm。

表2 CHp和tp的對(duì)應(yīng)關(guān)系 mm

圖5 補(bǔ)強(qiáng)圈厚度對(duì)相對(duì)應(yīng)力系數(shù)的影響

3.3 補(bǔ)強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)果

對(duì)于改變補(bǔ)強(qiáng)管情況下接管厚度方案，根據(jù)HG20583—2011，計(jì)算所需參數(shù)取值如下：CHs=16.7 mm、CHt=70 mm、Dis=1100 mm、Ls=2400 mm、Dor=900 mm、Prjt=1250 mm、hnt=6mm、ht=372 mm。在接管內(nèi)徑(800 mm)維持不變的情況下，接管外徑隨接管厚度的變化而變化，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，利用FEA-Nozzle軟件計(jì)算最大的局部薄膜應(yīng)力、最大的局部薄膜加彎曲應(yīng)力、最大的一次加二次應(yīng)力。補(bǔ)強(qiáng)管厚度對(duì)相對(duì)應(yīng)力系數(shù)的影響見(jiàn)圖6。由圖6可知，相對(duì)應(yīng)力系數(shù)隨補(bǔ)強(qiáng)管厚度的增大而增大。在滿足JB4732—1995規(guī)定的強(qiáng)度要求下，補(bǔ)強(qiáng)管情況下較佳的接管厚度為3.0 mm。

表3 接管外徑與接管厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系 mm

圖6 補(bǔ)強(qiáng)管情況下接管厚度對(duì)相對(duì)應(yīng)力系數(shù)的影響

由圖4～圖6可知，無(wú)論選擇哪種方案，都有如下規(guī)律：與一次加二次應(yīng)力和局部薄膜應(yīng)力分別對(duì)應(yīng)的相對(duì)應(yīng)力系數(shù)相比，局部薄膜加彎曲應(yīng)力對(duì)應(yīng)的相對(duì)應(yīng)力系數(shù)更接近于1。因此，相對(duì)于一次加二次應(yīng)力和局部薄膜應(yīng)力，局部薄膜加彎曲應(yīng)力更值得關(guān)注。

4 結(jié) 論

在對(duì)制漿系統(tǒng)水平連蒸管調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對(duì)筒體內(nèi)徑1100 mm、開(kāi)孔內(nèi)徑800 mm、計(jì)算溫度180℃、計(jì)算壓力1 MPa的蒸煮管，在未補(bǔ)強(qiáng)的情況下，運(yùn)用三維有限元法軟件FEA-Nozzle對(duì)開(kāi)孔處結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果很吻合，證明該方法可行。

采用改變接管厚度、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度、補(bǔ)強(qiáng)管情況下接管的厚度3種結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方案，利用三維有限元法軟件FEA-Nozzle計(jì)算并確定了水平連蒸管大開(kāi)孔進(jìn)出料管的最佳結(jié)構(gòu)尺寸。在滿足JB4732—1995規(guī)定的強(qiáng)度要求下，由于降低了蒸煮管壁厚，選用補(bǔ)強(qiáng)圈和補(bǔ)強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)，從而使蒸煮管造價(jià)降低。

參 考 文 獻(xiàn)

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