真空大口徑管道扁鋼加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算

王龍（中建安裝工程有限公司，江蘇南京210049）

真空大口徑管道扁鋼加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算

王龍（中建安裝工程有限公司，江蘇南京210049）

當(dāng)真空管道直徑大于1000mm時(shí)，計(jì)算管道壁厚時(shí)，可考慮用加強(qiáng)圈來(lái)縮短管道有效長(zhǎng)度，從而降低管道壁厚。本文闡述了某大型聯(lián)合裝置項(xiàng)目中塔頂大口徑真空氣相管道壁厚的計(jì)算、液壓試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度校核以及加強(qiáng)圈的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)中，在選好型鋼的類(lèi)型后，根據(jù)壓力容器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011的公式進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)所選的型鋼進(jìn)行校核，以滿(mǎn)足加強(qiáng)圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is大于所需慣性矩I。

真空；扁鋼；加強(qiáng)圈

真空管道直徑大于1000mm時(shí)，計(jì)算管道壁厚時(shí)，可考慮用加強(qiáng)圈來(lái)縮短管道有效長(zhǎng)度（直管段上兩個(gè)起加強(qiáng)作用的管件或加強(qiáng)圈中心線(xiàn)間最長(zhǎng)的距離），從而降低管道壁厚。在真空管道上增設(shè)加強(qiáng)圈往往比用加大管道壁厚的方法來(lái)增大剛度更為經(jīng)濟(jì)合理［1］。真空管道材料的選取根據(jù)介質(zhì)溫度及腐蝕情況而定，根據(jù)GB/T12771-2000，大直徑管道可考慮使用鋼板卷管。當(dāng)選取不銹鋼材質(zhì)時(shí)，為節(jié)省投資可考慮用不銹鋼復(fù)合鋼管。在我們考察的項(xiàng)目中，由于造價(jià)、加工周期等眾多因素，我們采用的是不銹鋼的鋼板卷焊直縫管。

加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：選好合適的鋼材，確定加強(qiáng)圈之間的間距和其截面的尺寸。根據(jù)壓力容器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011的公式［2］進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)所選的型鋼進(jìn)行校核，若滿(mǎn)足加強(qiáng)圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is大于所需慣性矩I，則表明所選用的扁鋼可用，校核通過(guò)。

1.加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 真空管線(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)

表1 真空管線(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)

該真空管線(xiàn)為裝置某反應(yīng)精餾塔塔頂氣相組分去空冷器，管道的內(nèi)徑為1600mm，其設(shè)計(jì)詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1

1.2 加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算

該裝置的大直徑真空管道我們按照GB150.3-2011壓力容器外壓筒模型進(jìn)行校核，組合截面圖如圖1所示。

圖1 組合截面圖

按式（1）加強(qiáng)圈與圓筒組合段所需的慣性矩I值：

式中：D0----圓筒或球殼的外直徑（D0=Di+2δn），mm；

Ls----加強(qiáng)圈之間的間距，mm；

δe----筒體的有效厚度，mm；

As----加強(qiáng)圈的橫截面積，mm2；

A----外壓應(yīng)變系數(shù)；

其中外壓應(yīng)變系數(shù)A可通過(guò)外壓應(yīng)力系數(shù)B由A=1.5B/E求得，外壓應(yīng)力系數(shù)B的求法如（2）式：

根據(jù)壓力容器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011，選定加強(qiáng)圈材料與橫截面積，計(jì)算其橫截面積As和加強(qiáng)圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is，圓筒有效段系指在加強(qiáng)圈中心線(xiàn)兩側(cè)有效寬度各為的殼體。

筒體有效段的橫截面積A2值按式（3）計(jì)算：

筒體有效段對(duì)其中性軸x-x的慣性矩I2值按式（4）計(jì)算：

組合截面形心離x-x的距離a值按式（5）計(jì)算：

加強(qiáng)圈截面對(duì)其中性軸xi-xi的慣性矩

根據(jù)壓力容器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011，設(shè)計(jì)的加強(qiáng)圈應(yīng)滿(mǎn)足Is≥I，方可使用。

2.計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 管道壁厚的選取

根據(jù)GB150.3-2011壓力容器外壓圓筒的穩(wěn)定性校核，根據(jù)試差法假定計(jì)算厚度δ=5.00mm，圓整后得到的名義厚度δn= 7.00mm，則有效厚度δe=δn-C1-C2=6.7mm，根據(jù)L/D0和D0/δe由GB150.3-2011的表4-2查取外壓應(yīng)變系數(shù)A=4.1×10-4，然后根據(jù)所用材料由A值查圖4-10得B=48.5。則許用外壓力為：

由此可見(jiàn)，［P］＞P合格。有關(guān)壁厚計(jì)算具體數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2。由于是真空管道，還需考慮到管道剛度的因素，根據(jù)壓力容器外壓圓筒的穩(wěn)定性校核，需在一定間隔焊接加強(qiáng)圈作為補(bǔ)強(qiáng)。

表2 壁厚計(jì)算數(shù)據(jù)匯總表

2.2 壓力試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度校核

在管道進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力值PT=1.25Pc=1.25×0.1= 0.1250（MPa），壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平［σ］T≤0.90σs=0.90×180=162（MPa）。

而試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力σT的計(jì)算如下式：

由此可見(jiàn)：σT≤［σ］T，校核合格。

2.3 加強(qiáng)圈的計(jì)算校核

2.3.1 加強(qiáng)圈截面尺寸的確定及加強(qiáng)圈間距Ls的確定

已知pc=0.1MPa，Ls=1400mm，D0=Di+2δn=1600+2×7= 1614mm，加強(qiáng)圈的材質(zhì)為304L，E值由GB150.2-2011表B.13鋼材彈性模量查得：在設(shè)計(jì)溫度150℃時(shí)E=1.86×105MPa。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的估算公式（4）得：

選加強(qiáng)圈的截面尺寸為扁鋼80mm×8mm，則其h=80mm，b= 8mm。加強(qiáng)圈的橫截面積As：

加強(qiáng)圈截面對(duì)其中性軸xi-xi的慣性矩I1：

根據(jù)《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》2001版第Ⅷ卷第一冊(cè)的外壓圓筒形殼體上的加強(qiáng)圈，最長(zhǎng)的有效長(zhǎng)度為2000mm，又要考慮避開(kāi)支架的位置，因此我們選用加強(qiáng)圈的間距Ls=1400mm。

2.3.2 加強(qiáng)圈與圓筒組合段所需慣性矩I的計(jì)算

外壓應(yīng)力系數(shù)B按式（2）計(jì)算：

那么，外壓應(yīng)變系數(shù)A=1.5B/E=1.5×22.55/1.86×105=1.82×10-4。

加強(qiáng)圈與圓筒組合段所需的慣性矩I值按式（1）計(jì)算：

2.3.3 加強(qiáng)圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is的計(jì)算

圓筒有效段系指在加強(qiáng)圈中心線(xiàn)兩側(cè)有效寬度b1的值（見(jiàn)圖1）為：

組合截面形心離x-x的距離a值按式（5）計(jì)算：

3.結(jié)語(yǔ)

本文闡述了某大型聯(lián)合裝置項(xiàng)目中塔頂大口徑氣相管道加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)。在加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)中，在選好型鋼的類(lèi)型后，根據(jù)壓力容器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011的公式進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)所選的型鋼進(jìn)行校核，得出加強(qiáng)圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is大于所需慣性矩I，所選用的扁鋼可用。

［1］余國(guó)琮.化工容器及設(shè)備［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1980.

［2］GB150.3-2011.壓力容器第3部分：設(shè)計(jì)［S］.2011.

［3］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［4］孫訓(xùn)方，方孝淑.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［5］邱東華等.外壓容器扁鋼加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)方法探討［J］.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（2）：89-91.

When the diameter of the vacuum pipe exceeds 1000mm，the flatsteel for stiffening ring can be considered during the calculation of pipewall thickness，it can reduce the wall thickness effectively.This paper is about the calculation of pipe wall thickness，the strength checking for hydraulic test and the detailed design of stiffening ring in the project of an integrated industrial unit.After the steel typewas selected，the calculation formulaswere provided according to Pressure vessels-Part 3：Design.The actual inertiamomentofeffective compound section of flatsteel for stiffening ring Isisgreater than theneeded，the flatsteelwaswellchecked.

vacuum；pipe flatsteel；stiffening ring

王龍（1983-），男，江蘇建湖縣人，助理工程師，學(xué)士，畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)?，F(xiàn)就職于中建安裝工程有限公司石化設(shè)計(jì)院，主要從事石油化工設(shè)計(jì)工作。