熱壓罐罐體設(shè)計(jì)溫度的探討

李升進(jìn)

（中航工程集成設(shè)備有限公司）

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熱壓罐罐體設(shè)計(jì)溫度的探討

李升進(jìn)*

（中航工程集成設(shè)備有限公司）

摘要分析了設(shè)計(jì)溫度對(duì)熱壓罐罐體壁厚的影響。對(duì)某熱壓罐局部結(jié)構(gòu)建立了三維傳熱數(shù)學(xué)模型，利用商業(yè)軟件進(jìn)行傳熱分析，獲得了熱壓罐罐體主要受壓元件的溫度分布。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了常規(guī)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不經(jīng)濟(jì)性。分析結(jié)果指出，選取的設(shè)計(jì)溫度可以降低，從而筒體壁厚也可以減小。

關(guān)鍵詞熱壓罐設(shè)計(jì)溫度傳熱數(shù)值分析工藝接管罐體

*李升進(jìn)，男，1982年生，碩士，工程師。北京市，102206。

設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力是容器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)載荷條件。GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》對(duì)設(shè)計(jì)溫度作了定義：容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。熱壓罐是一種典型的齒嚙式壓力容器，容器的最高工作溫度不高（常規(guī)為250℃），因此在設(shè)計(jì)時(shí)，常常直接采用最高工作溫度作為設(shè)計(jì)溫度。然而，隨著設(shè)備向大型化以及高參數(shù)（壓力、溫度都較高）方向發(fā)展，再繼續(xù)采用最高工作溫度作為設(shè)計(jì)溫度，不符合設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理性以及節(jié)能的要求。例如，容器內(nèi)徑3.5 m，設(shè)計(jì)壓力1.54 MPa，腐蝕裕量取1 mm，焊接接頭系數(shù)取1，36個(gè)齒，殼體材質(zhì)采用Q345R鋼板，由不同設(shè)計(jì)溫度計(jì)算的殼體名義壁厚見(jiàn)表1。

表1　設(shè)計(jì)溫度與殼體壁厚的關(guān)系

由表1可見(jiàn)，殼體壁厚跟設(shè)計(jì)溫度密切相關(guān)。除殼體之外，對(duì)于熱壓罐這種壓力容器，其另一主要受壓元件為卡箍及齒法蘭鍛件（見(jiàn)圖1）。為確定其設(shè)計(jì)溫度，需得到工作時(shí)其詳細(xì)的溫度分布。本文根據(jù)某熱壓罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立三維傳熱模型，獲得了熱壓罐主要受壓元件在工況下的溫度分布，修正了設(shè)計(jì)溫度值，獲得了較經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

1　設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1所示為依據(jù)設(shè)計(jì)壓力1.54 MPa、內(nèi)徑3.5 m和設(shè)計(jì)溫度250℃等主要參數(shù)而設(shè)計(jì)的熱壓罐罐體結(jié)構(gòu)。

圖1　熱壓罐罐體結(jié)構(gòu)尺寸

殼體采用內(nèi)部保溫結(jié)構(gòu)，分為兩大類進(jìn)行傳熱分析：一類是無(wú)工藝接管處的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），主要結(jié)構(gòu)部分為齒嚙式卡箍、法蘭及筒體；一類是有工藝接管處的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），主要為筒體開(kāi)孔處。

圖2　無(wú)工藝接管處傳熱結(jié)構(gòu)

圖3　工藝接管處傳熱結(jié)構(gòu)

2　傳熱分析

2.1無(wú)接管結(jié)構(gòu)的傳熱分析

對(duì)圖2所示結(jié)構(gòu)，按圖1結(jié)構(gòu)尺寸及保溫層厚度尺寸120 mm，建立1/36周的三維實(shí)體模型。實(shí)體采用Solidworks繪制，導(dǎo)入ANSYS軟件，進(jìn)行傳熱數(shù)值分析。模型網(wǎng)格劃分，采用最小網(wǎng)格單元不大于5 mm進(jìn)行約束；考慮到只有導(dǎo)熱分析模型，采用自由網(wǎng)格劃分辦法。計(jì)算獲得相關(guān)部位的溫度分布。主要材料的熱物性參數(shù)見(jiàn)表2及表3。

表2　材料的比熱容

表3　材料的導(dǎo)熱系數(shù)

傳熱邊界條件為：

（1）內(nèi)表面設(shè)置對(duì)流換熱邊界條件，對(duì)流換熱系數(shù)取40 W/（m2·K），來(lái)流溫度250℃；主要材料的物性參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

（2）外表面設(shè)置綜合對(duì)流換熱邊界條件，環(huán)境溫度20℃，換熱系數(shù)隨外表面溫度的關(guān)系見(jiàn)表4，其余溫度時(shí)采用內(nèi)插法計(jì)算。

（3）其余表面為默認(rèn)邊界條件（絕熱邊界條件）。

圖4為金屬元件溫度分布云圖。由圖4可知，金屬元件最高溫度出現(xiàn)在卡箍、法蘭與熱介質(zhì)直接接觸處，且最高溫度為122℃；距離與熱介質(zhì)直接接觸處越遠(yuǎn)，鋼材的溫度就越低。圖5、圖6、圖7、圖8分別為卡箍、法蘭、筒體以及密封件的溫度分布云圖?？ü亢头ㄌm的最高溫度約為122℃，最低溫度約為89℃，按照《壓力容器》對(duì)設(shè)計(jì)溫度的定義，二者金屬截面平均溫度約為105℃?？紤]一定的工程裕量，設(shè)計(jì)溫度設(shè)定為150℃即可。筒體的最高溫度約為90℃，因此筒體可以按照設(shè)計(jì)溫度定義選取，也可取為150℃。密封件的最高溫度為120℃，因此密封件可采用硅橡膠材質(zhì)。

表4　外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

圖4　受壓元件溫度總體分布

圖5　卡箍溫度分布云圖

圖6　齒法蘭溫度分布云圖

圖7　筒體溫度分布云圖

圖8　密封件溫度分布云圖

2.2有接管結(jié)構(gòu)的傳熱分析

對(duì)接管處建立三維實(shí)體模型，外表面邊界條件同上述2.1節(jié)。內(nèi)表面根據(jù)工藝接管處原理不同，設(shè)置兩種類型：一是接管內(nèi)部氣體沒(méi)有流動(dòng)，此時(shí)接管在熱壓罐內(nèi)未被保溫層覆蓋之處，外徑表面設(shè)為對(duì)流換熱邊界條件；二是接管內(nèi)部有工藝介質(zhì)（空氣或氮?dú)猓┝鲃?dòng)，與容器內(nèi)部介質(zhì)接觸處為對(duì)流換熱邊界條件。圖9為接管內(nèi)部有介質(zhì)流動(dòng)的殼體溫度云圖；圖10為接管內(nèi)部無(wú)介質(zhì)流動(dòng)的殼體溫度云圖。由圖9可知，殼體最高溫度為147℃，最低溫度為52℃，金屬平均溫度為100℃；由圖10可知，殼體最高溫度62℃，最低溫度37℃，金屬截面平均溫度50℃。兩圖最高溫度都出現(xiàn)在接管位置處。從國(guó)標(biāo)《壓力容器》對(duì)設(shè)計(jì)溫度的定義可知，考慮一定的工程余量，筒體設(shè)計(jì)溫度可取為150℃。

2.3小結(jié)

從上述兩節(jié)可知，在本文所示的結(jié)構(gòu)下，卡箍及法蘭的最高溫度出現(xiàn)在與介質(zhì)直接接觸處；而筒體的最高溫度則出現(xiàn)在與接管連接處，且接管內(nèi)部有介質(zhì)流動(dòng)。但在本文的設(shè)計(jì)條件下，設(shè)計(jì)溫度取250℃是較為保守的。筆者建議，卡箍、法蘭及筒體設(shè)計(jì)溫度可以取150℃，這樣既可以滿足工程要求，又能降低成本。

圖9　管道內(nèi)部有介質(zhì)流動(dòng)時(shí)殼體溫度分布

圖10　管道內(nèi)部無(wú)介質(zhì)流動(dòng)時(shí)殼體溫度分布

3　結(jié)論

本文借助于商業(yè)軟件CFD，驗(yàn)證分析了熱壓罐罐體較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的傳熱情況，根據(jù)傳熱計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)算了原設(shè)計(jì)的金屬溫度場(chǎng)分布。結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)是偏于安全的。但原設(shè)計(jì)余量較大，根據(jù)傳熱計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)溫度取150℃即可滿足要求。本文根據(jù)計(jì)算結(jié)果，降低了熱壓罐罐體的設(shè)計(jì)溫度，獲得了較為經(jīng)濟(jì)的結(jié)果。

詳細(xì)的溫度分布，也揭示了文中結(jié)構(gòu)在傳熱條件下的溫度極值。對(duì)于卡箍、法蘭溫度極值出現(xiàn)在其與工作介質(zhì)直接接觸處；對(duì)于筒體則出現(xiàn)在接管與筒體連接處，且最高值出現(xiàn)在接管內(nèi)部有介質(zhì)流動(dòng)時(shí)。若要進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)件工作時(shí)的溫度，對(duì)卡箍和法蘭而言，可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取隔絕措施，不讓其直接與介質(zhì)接觸，不參與對(duì)流換熱；對(duì)于更高的工作溫度條件，還可以進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)改進(jìn)。對(duì)筒體而言，主要的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)放在接管內(nèi)有工藝介質(zhì)流動(dòng)處，同時(shí)要采取措施減少接管處介質(zhì)的泄漏；如果工作溫度進(jìn)一步提高，可采用局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，使所設(shè)計(jì)的部件不直接與工藝接管連接。

Discussion on Design Temperature of Autoclave Body

Li Shengjin

Abstract：The influence of the design temperature on the wall thickness of the autoclave body is analyzed.A three-dimensional heat transfer mathematical model of the partial structure of a autoclave is established and the heat transfer analysis is carried out through the commercial software so that the temperature distribution of the main pressure element of the autoclave body is obtained.The diseconomy of the conventional experience design is discovered and verified by the numerical analysis.Meanwhile,the analysis results indicate that the wall thickness of the tank can be reduced with lower design temperature.

Key words：Autoclave; Design temperature; Heat transfer; Numerical analysis; Technological pipe; Tank body

收稿日期：（2015-07-30）

中圖分類號(hào)TQ 050.2

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.011