夾套容器改進(jìn)型圓環(huán)加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)

(武漢江漢化工設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430223)

夾套容器是指在容器殼體外包有完整的密閉腔用來(lái)加熱或冷卻容器內(nèi)物料的一種容器。夾套容器主要由內(nèi)容器和外夾套兩部分構(gòu)成，內(nèi)容器的設(shè)計(jì)壓力要考慮內(nèi)壓、外壓或最大壓差。當(dāng)夾套側(cè)壓力相對(duì)較高時(shí)，內(nèi)筒體的壁厚往往取決于外壓計(jì)算厚度。為提高經(jīng)濟(jì)效益，降低設(shè)備整體造價(jià)，可在內(nèi)筒體設(shè)置加強(qiáng)圈，提高其穩(wěn)定性，有效降低內(nèi)筒體的厚度。

考慮到結(jié)構(gòu)緊湊及合理性的要求，內(nèi)外筒體間的間隙一般較小，加強(qiáng)圈的設(shè)置受到間隙尺寸的約束。當(dāng)加熱或冷卻介質(zhì)采用低壓蒸汽或循環(huán)冷卻水時(shí)，內(nèi)筒的設(shè)計(jì)外壓相對(duì)較低，所需的加強(qiáng)圈截面尺寸較小，內(nèi)外筒體間的間隙可以滿足加強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)尺寸以及換熱介質(zhì)流通面積的要求；當(dāng)夾套內(nèi)介質(zhì)壓力相對(duì)較高(如采用中、高壓蒸汽)時(shí)，內(nèi)筒的設(shè)計(jì)外壓也較高，所需的加強(qiáng)圈截面尺寸更大，常出現(xiàn)加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)尺寸大于內(nèi)外筒體間隙而無(wú)法布置，或者勉強(qiáng)能夠布置下，又沒有足夠的介質(zhì)流通面積的情況，影響工藝操作。本文以某裝置中的一個(gè)儲(chǔ)槽為例，討論在這類情況下圓環(huán)型加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

夾套容器外形示意見圖1，主要參數(shù)見表1。

圖1 夾套容器外形示意

部位設(shè)計(jì)壓力/MPa設(shè)計(jì)溫度/℃內(nèi)徑/mm長(zhǎng)度(切線)/mm材料焊接接頭系數(shù)內(nèi)筒0．811018002600S304080．85夾套0．811020002680S304080．85

如果內(nèi)筒體不進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)置，則內(nèi)筒外壓計(jì)算長(zhǎng)度L=2 600+2×hi/3=2 900mm(hi為內(nèi)筒橢圓封頭曲面深度，下同)，按GB/T 150.3—2011中內(nèi)壓筒體和外壓筒體的計(jì)算方法，在內(nèi)壓和外壓分別作用時(shí)所需名義厚度分別為7mm和22mm，由此可見內(nèi)筒體壁厚主要取決于外壓的計(jì)算厚度。外壓容器的失效形式主要是失穩(wěn)，當(dāng)殼體的結(jié)構(gòu)尺寸(直徑、長(zhǎng)度)一定時(shí)，可通過(guò)設(shè)置加強(qiáng)圈降低外壓計(jì)算長(zhǎng)度，從而降低筒體壁厚。

2 常規(guī)型、改進(jìn)型圓環(huán)型加強(qiáng)圈

(1)在內(nèi)筒外側(cè)設(shè)置圓環(huán)型加強(qiáng)圈可以降低外壓圓筒計(jì)算長(zhǎng)度L，圓環(huán)型加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)見圖2。因內(nèi)外筒體間隙為50mm，加強(qiáng)圈的尺寸應(yīng)小于50mm。

先假設(shè)在筒體中間位置設(shè)置一個(gè)加強(qiáng)圈，則外壓計(jì)算長(zhǎng)度L=2 600/2+hi/3=1 450mm，按GB/T 150.3—2011中外壓容器的計(jì)算方法得到內(nèi)筒所需名義厚度為18mm，加強(qiáng)圈尺寸至少為150mm×12mm以上，同時(shí)夾套水壓試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)筒需充壓0.038MPa，即使換成慣性矩更大的反置等邊角鋼，也至少需要∠100mm×12mm以上；再假設(shè)在內(nèi)筒外側(cè)設(shè)置2個(gè)加強(qiáng)圈，將整個(gè)外壓計(jì)算長(zhǎng)度三等分，即L=2900/3≈967mm，則內(nèi)筒所需名義厚度為18mm，加強(qiáng)圈至少需要120mm×16mm，即使換成慣性矩更大的反置等邊角鋼也至少需要∠100mm×8mm以上。由此可見，無(wú)論是120mm×16mm的扁鋼還是∠100mm×8mm的等邊角鋼，都無(wú)法滿足內(nèi)筒外壁與夾套內(nèi)壁的間隙要求，更無(wú)法保證夾套內(nèi)介質(zhì)的流通要求?？紤]到接管的布置，允許的最小外壓計(jì)算長(zhǎng)度按L=300mm計(jì)算，經(jīng)核算所需加強(qiáng)圈最小為∠90mm×8mm，仍然無(wú)法滿足間隙空間的要求。

(2)改進(jìn)型圓環(huán)型加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)見圖3。該結(jié)構(gòu)將加強(qiáng)圈與夾套筒體相焊，使內(nèi)筒、加強(qiáng)圈和夾套形成一個(gè)整體。由于它是整體結(jié)構(gòu)，外壓圓筒軸向剖面的單位長(zhǎng)度上內(nèi)筒受壓應(yīng)力，夾套受更大拉應(yīng)力，可通過(guò)加強(qiáng)圈阻止內(nèi)筒的收縮，從而阻止其失穩(wěn)，改善了筒體的整體穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[2]對(duì)該加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力和穩(wěn)定性計(jì)算分析，認(rèn)為該整體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生總體失穩(wěn)，GB/T 150—2011對(duì)加強(qiáng)圈應(yīng)有慣性矩的要求不適合于整體雙層殼體結(jié)構(gòu)，作為加強(qiáng)圈本身，與夾套焊成一體，提高了加強(qiáng)圈失穩(wěn)的臨界應(yīng)力值。因此，在設(shè)計(jì)中內(nèi)筒受內(nèi)壓和外壓的計(jì)算按GB/T -2011的規(guī)定，但是加強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)尺寸可按文獻(xiàn)[2]的方法取定：加強(qiáng)圈的軸向厚度取等于或大于內(nèi)筒厚度及夾套厚度中較大者，加強(qiáng)圈與內(nèi)筒體及夾套的焊接結(jié)構(gòu)須按受壓元件焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)本文中提到的夾套容器，在筒體中間位置設(shè)置一個(gè)加強(qiáng)圈即可將內(nèi)筒體厚度由22mm減為18mm，加強(qiáng)圈的厚度略大于內(nèi)筒和夾套厚度中較大者即可，這樣的設(shè)計(jì)在降低設(shè)備用材的同時(shí)，還簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一舉兩得。如需進(jìn)一步降低筒體壁厚，可增加加強(qiáng)圈的數(shù)量。

圖2 圓環(huán)型加強(qiáng)圈

圖3 改進(jìn)型圓環(huán)型加強(qiáng)圈

文獻(xiàn)[3]中UG-29條(f)規(guī)定，當(dāng)容器的內(nèi)殼與外夾套由若干拉緊棒或者其他一些圓環(huán)連接，在夾套與內(nèi)殼間有壓力存在時(shí)，這種結(jié)構(gòu)本身具有足夠的剛度，因此，可不遵循UG-29條中關(guān)于禁止開孔等條款的要求，可以在加強(qiáng)圈上開孔。為保證介質(zhì)的正常流通，加強(qiáng)圈開孔面積之和應(yīng)大于入口管的橫截面積。

該型結(jié)構(gòu)有效解決了狹小間隙間加強(qiáng)圈的布置問題，降低了設(shè)備造價(jià)。但設(shè)計(jì)時(shí)有幾點(diǎn)需要注意：①該結(jié)構(gòu)總體不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的前提是加強(qiáng)圈、內(nèi)筒和夾套形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，因此焊接結(jié)構(gòu)必須按照受壓元件的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)(全焊透、無(wú)損檢測(cè)等)，使其保持一個(gè)整體；②該結(jié)構(gòu)通過(guò)在加強(qiáng)圈上開孔使介質(zhì)進(jìn)行流動(dòng)，通道減小，增加了流體阻力，壓降增大，增加了不流動(dòng)區(qū)，不利于冷凝液排出。因此，不適用于對(duì)壓降等有較高要求的工況。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在夾套容器的設(shè)計(jì)中，當(dāng)常規(guī)的圓環(huán)型加強(qiáng)圈不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以采用改進(jìn)型的圓環(huán)型加強(qiáng)圈，將加強(qiáng)圈與夾套相焊接，夾套筒體通過(guò)加強(qiáng)圈對(duì)內(nèi)筒起到加強(qiáng)的作用，提高了總體穩(wěn)定性。尤其當(dāng)夾套內(nèi)采用高壓蒸汽或其他壓力較高介質(zhì)時(shí)，該結(jié)構(gòu)能明顯地降低設(shè)備用材和制造運(yùn)輸成本，節(jié)約了設(shè)備投資和費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 150.1—150.4—2011，壓力容器[S].

[2]林代貴，岳國(guó)印，陳渝.雙層殼結(jié)構(gòu)的容器受外壓穩(wěn)定性計(jì)算[C].第四屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.

[3]ASME BOILER & PRESSURE VESSEL CODE，SECTION Ⅷ，Div 1，2010[S].