發(fā)球筒的設(shè)計

徐智明(中石化勝利油建工程有限公司 山東 東營 257000)

壓力容器的失效往往使國家和人民的生命財產(chǎn)遭受巨大損失，而壓力容器的失效除了制造和使用方面的因素外，設(shè)計質(zhì)量起著決定性的作用。差之毫厘，謬之千里。設(shè)計文件中任何微小的錯誤都可能導(dǎo)致壓力容器發(fā)生災(zāi)難性的事故。壓力容器結(jié)構(gòu)形式比較多，壓力容器的設(shè)計涉及材料、焊接、無損檢測、熱處理等多學(xué)科、多專業(yè)的知識；計算方法包括理論計算（材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等）、數(shù)值分析、實驗應(yīng)力分析等。

清管器收、發(fā)球筒是油氣集輸管線清管掃線作業(yè)時發(fā)送和接收清管設(shè)備的重要工藝裝備，對于提高集輸能力，確保安全生產(chǎn)起到重要作用。清管器收、發(fā)球筒主要由：快開盲板、筒體、錐體大小頭、鞍式支座等部分組成。下面介紹一下發(fā)球筒的設(shè)計過程。

管口名稱a b c d用途進氣口壓力表口放空口發(fā)球口規(guī)格尺寸80 15 80 800

技術(shù)特性表的確定。

一、首先，我們根據(jù)用戶提出的、在壓力容器規(guī)范范圍內(nèi)雙方簽署的具有法律約束力的設(shè)計技術(shù)協(xié)議書（該協(xié)議書也可以經(jīng)雙方同意共同修改、完善，以期達到產(chǎn)品使用最優(yōu)化）中提出的這些基本設(shè)計要求，分析容器的工作條件，確定設(shè)計參數(shù)，結(jié)構(gòu)分析，初步選材確定容器的技術(shù)特性。一般容器的技術(shù)特性包括：容器類別、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、介質(zhì)、幾何容積、腐蝕裕度、焊縫系數(shù)、主要受壓元件材質(zhì)等項。

二、確定設(shè)計壓力

我們知道該容器的最高工作壓力為2.3MPa，設(shè)計壓力一般取值為最高工作壓力的1.05～1.10倍。至于是取1.05還是取1.10，就取決于介質(zhì)的危害性和容器所附帶的安全裝置。介質(zhì)無害或裝有安全閥等就可以取下限1.05，否則就取上限1.10。本例介質(zhì)為無害的壓縮空氣，符合取下限的條件，則得到設(shè)計壓力為

1.05 x2.3=2.415Mpa，取設(shè)計壓力為2.5 Mpa。

三、確定設(shè)計溫度

一般是在用戶提供的工作溫度的基礎(chǔ)上，再考慮容器環(huán)境溫度而得。本例取設(shè)計溫度為50℃即可。

四、確定幾何容積

按結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后的實際容積填寫即可。

五、確定腐蝕裕量

由所選定受壓元件的材質(zhì)、工作介質(zhì)對受壓元件的腐蝕率、容器使用環(huán)境和用戶期待的使用壽命來確定，實際上應(yīng)先選定受壓元件的材質(zhì)，再確定腐蝕裕量。

六、確定焊接接頭系數(shù)

焊接接頭系數(shù)，GB150的3.7節(jié)（p6）對其取值與焊縫檢測百分比進行了規(guī)定。新《容規(guī)》第3.15條（p15）也有所規(guī)定。其焊縫系數(shù)取1，即焊接接頭應(yīng)進行100%的無損檢測，其他情況一般選焊縫系數(shù)為0.85。本例選焊縫系數(shù)為0.85。

七、主要受壓元件材質(zhì)的確定

材質(zhì)的確定在滿足安全和使用條件的前提下，還要考慮工藝性和經(jīng)濟性。必須考慮設(shè)備的操作條件、材料的焊接性能、冷熱加工性能、熱處理以及容器的結(jié)構(gòu)等。GB150第8頁材料的使用有嚴格的規(guī)定，對這些規(guī)定的掌握是非常必要的。比較常用的材料有Q235-B（Q235-C）、Q245R、Q345R這幾種材料。一般情況下，所需鋼板厚度小于8時，應(yīng)盡量采用碳素鋼鋼板。在剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計為主的場合，應(yīng)盡量選用普通碳素鋼。在強度設(shè)計為主的場合，應(yīng)根據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)等使用限制，依次選用Q235-B、Q245R、Q345R等鋼板。Q235-B使用最廣也最經(jīng)濟，GB150第9頁對其使用條件作了詳細規(guī)定：

● 規(guī)定設(shè)計壓力≤1.6MPa；

● 鋼板使用溫度0℃～350℃；

● 用于殼體時厚度不得大于20mm，且不得用于毒性程度為高度或極度危害的介質(zhì)。

就本例來說，其設(shè)計壓力為2.5Mpa，不符合Q235-B的使用條件，因此選用Q245R。

完成了技術(shù)特性表，下一步就是容器計算了。

一、首先是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、盲板的選用，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、盲板直接關(guān)系到產(chǎn)品的性能和安全。收發(fā)球筒

的端蓋采用插扣式快開盲板，具有結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)迅速、密封性好、操作輕便、耐腐蝕性好、安全可靠等優(yōu)點。用于油氣管線，可提高清管作業(yè)的工作效率。快開盲板選用KSH-1000/2.5。

錐體大小頭的計算。

=8.94，確定筒體的名義厚度為dn=12.00mm。

三、按用戶要求和《容規(guī)》的規(guī)定配置各管口的法蘭和接管。容器上開孔要符合GB150第8.2節(jié)（p75）的規(guī)定，一般都要進行補強計算，除非滿足GB150第8.3節(jié)（p75）的條件，則可不必再計算補強。選擇接管時應(yīng)盡量滿足GB150第8.3節(jié)的條件，其安全性和經(jīng)濟性都最好，避免增加補強圈。本例要求的管口直徑都不在GB150第8.3節(jié)的范圍內(nèi)，因此進氣口接管選擇φ114x5的無縫鋼管，放空口接管選擇φ159x6的無縫鋼管，都必須增加補強圈，進行補強計算。補強的計算按GB150 8.5節(jié)。

法蘭按HG/T20592進行選擇。法蘭及其密封面型式一般由設(shè)計委托書中要求，其壓力等級應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計條件，可高于容器設(shè)計壓力或適當(dāng)提高壓力等級。在本例法蘭選用2.5MPa的突面(RF)對焊法蘭(WN)。其材質(zhì)一般與筒體相同；確定管口在殼體上的位置時，在空間較為緊張的情況下，一般也應(yīng)保持焊縫與焊縫間的距離不小于50mm，以避免焊接熱影響區(qū)的相互疊加。

總之，壓力容器設(shè)計的基本要求為安全、經(jīng)濟，設(shè)計過程中要綜合考慮各方面的因素，要做到合理選取結(jié)構(gòu)、材料、參數(shù)、設(shè)計方法等，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正確地進行強度計算，從設(shè)計方面保證壓力容器的本質(zhì)安全，確保壓力容器的安全使用。