有關(guān)外壓石墨圓筒計(jì)算的思考

摘 要：本文對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)中外壓石墨圓筒強(qiáng)度的計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)外壓石墨圓筒壁厚計(jì)算公式進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：石墨;外壓;計(jì)算方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.009

石墨具有良好的耐腐蝕性和傳熱性能，由石墨材料加工而成的設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于石油化工、農(nóng)藥以及冶金等行業(yè)。因設(shè)備的使用工況不同，石墨筒體有承受內(nèi)壓力的情況，也有承受外壓的情況，比如氯化氫氣體合成爐中的石墨爐筒。不同國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)中外壓圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式有所不同，在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)存在爭(zhēng)議，本文對(duì)不同的計(jì)算方法進(jìn)行了比較，提出了優(yōu)化方案。

1.5 TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》

TSG 21-2016[4]《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱“容規(guī)”）規(guī)定“用于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力值為石墨材料工藝評(píng)定報(bào)告（CMQ）中指定設(shè)計(jì)溫度下抗拉或者壓縮試驗(yàn)平均值的80%除以安全系數(shù)6.0（毒性危害程度為極度或者高度危害介質(zhì)時(shí)，安全系數(shù)選7.0）”。容規(guī)中石墨材料的力學(xué)性能也進(jìn)行了修訂，容規(guī)中規(guī)定“合成樹脂浸漬石墨塊的室溫下最低抗拉強(qiáng)度為14MPa;205℃下最低抗拉強(qiáng)度為11MPa，最低抗壓強(qiáng)度為45MPa”。此容規(guī)和ASME標(biāo)準(zhǔn)中的表述基本一致。

因容規(guī)對(duì)許用應(yīng)力的計(jì)算方法及材料的力學(xué)性能做了修訂，因此GB /T 21432也需要進(jìn)行修訂和完善，外壓石墨圓筒的計(jì)算公式也需進(jìn)一步完善，國(guó)家在2015年8月已經(jīng)下達(dá)了修訂計(jì)劃。因材料力學(xué)性能各個(gè)廠家存在差異性，為了方便對(duì)比，本文以下采用ASME中規(guī)定的最低應(yīng)力值作為計(jì)算依據(jù)。

2 ASME公式分析

（1）假設(shè)不圓度小于0.5%，在相同設(shè)計(jì)壓力0.4MPa下，對(duì)不同內(nèi)徑相同長(zhǎng)度的石墨管用公式（1-7）計(jì)算壁厚，其中許用拉伸應(yīng)力為13.8MPa×0.8/6.0=1.84MPa。

（2）假設(shè)不圓度大于0.5%，在相同設(shè)計(jì)壓力0.4MPa下，對(duì)不同內(nèi)徑相同長(zhǎng)度的石墨管用公式（1-8）計(jì)算壁厚，其中許用壓縮應(yīng)力為2.5倍許用拉伸應(yīng)力，即許用壓縮應(yīng)力為4.6MPa。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算公式結(jié)果比較接近，式（1-8）的計(jì)算結(jié)果略高于式（1-7）的結(jié)果。對(duì)于內(nèi)徑1500mm的圓筒，計(jì)算厚度僅相差3.45mm，而實(shí)際加工中偏差要求是低于±4mm的，大直徑筒體不圓度可以控制在0.6%以內(nèi)，也就是說不圓度小于0.5%也可以采用公式（1-8）計(jì)算。

假設(shè)不圓度大于0.5%，改變筒體的長(zhǎng)度，在不同壓力下用公式（1-8）計(jì)算壁厚，其中許用壓縮應(yīng)力為2.5倍許用拉伸應(yīng)力，即許用壓縮應(yīng)力為4.6MPa，發(fā)現(xiàn)在1000mm～5000mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)壁厚的變化值不大。

3 計(jì)算方法對(duì)比

3.1 計(jì)算方法

設(shè)計(jì)參數(shù)：圓筒內(nèi)徑400mm，長(zhǎng)度4000mm，外壓設(shè)計(jì)壓力0.4MPa。

（1）依據(jù)ASME-UIG-2015假設(shè)加工的偏差為±0.5mm，即不圓度小于0.5%，采用方法1計(jì)算。

方法1：以最低拉伸強(qiáng)度13.8MPa，安全系數(shù)取6.0，許用拉伸應(yīng)力為1.84MPa作為計(jì)算值，采用公式（1-7）計(jì)算壁厚。

（2）以浸漬石墨材料最低拉伸強(qiáng)度13.8MPa，安全系數(shù)取6.0，許用壓縮應(yīng)力值為2.5倍的許用拉伸應(yīng)力，即許用壓縮應(yīng)力為4.6MPa，采用以下方法計(jì)算。

方法2：假設(shè)加工的偏差為±1.5mm，即不圓度大于0.5%。采用公式（1-8）計(jì)算壁厚。

方法3：采用公式（1-1）計(jì)算壁厚。

方法4：許用壓縮應(yīng)力取負(fù)值，采用公式（1-3）計(jì)算壁厚。

方法5：許用壓縮應(yīng)力取負(fù)值，采用公式（1-4）計(jì)算壁厚。

（3）采用TSG 21-2016中最低壓縮強(qiáng)度45MPa作為計(jì)算值，用此值的80%，除以安全系數(shù)6.0，即6.0MPa作為許用壓縮應(yīng)力，分別采用以下方法計(jì)算。

方法6：采用公式（1-1）計(jì)算壁厚。

方法7：許用壓縮應(yīng)力取負(fù)值，采用公式（1-3）計(jì)算壁厚。

方法8：許用壓縮應(yīng)力取負(fù)值，采用公式（1-4）計(jì)算壁厚。

3.2 計(jì)算結(jié)果

以上8種計(jì)算方法結(jié)果見表3-1。

從表中可以看出采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的厚度為19.05mm和21.04mm，方法3、方法4和方法7計(jì)算的結(jié)果和方法2偏差都較大;方法5或方法6的結(jié)果取絕對(duì)值和方法2較為接近。

3.3 不同壓力下比較方法2和方法5

石墨圓筒高度4000mm，許用壓縮應(yīng)力為4.60MPa，采用方法2及方法5對(duì)不同壓力、不同內(nèi)徑尺寸的石墨圓筒進(jìn)行計(jì)算，其中方法5許用壓縮應(yīng)力以負(fù)值代入。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)在壓力低于0.35MPa時(shí)，式（1-4）計(jì)算值低于式（1-8），壓力越低，負(fù)偏差越大。在壓力為0.1MPa時(shí)，用式（1-4）計(jì)算內(nèi)徑1500mm的圓筒壁厚為16.86mm，而式（1-8）計(jì)算出的厚度為23.88mm，負(fù)偏差7.02mm;壓力介于0.35MPa～0.50MPa時(shí)兩種方法計(jì)算的結(jié)果比較接近;0.50MPa

3.4 不同壓力下比較方法2和方法6

在不同設(shè)計(jì)壓力下，采用方法2（式1-8）和方法6（式1-1）分別對(duì)不同內(nèi)徑尺寸的石墨圓筒進(jìn)行壁厚計(jì)算，其中方法6的結(jié)果取絕對(duì)值后作為計(jì)算壁厚。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)在壓力較低（P≤0.35MPa）的情況下，采用方法6計(jì)算后取絕對(duì)值的結(jié)果與方法2的結(jié)果較為接近（內(nèi)徑1500mm的圓筒在0.35MPa下的使用方法6的計(jì)算厚度比方法2僅高11.78mm），壓力越低吻合性越好;在壓力較高（0.35MPa

4 結(jié)論

因?yàn)門SG 21-2016中對(duì)許用應(yīng)力的取值及材料力學(xué)性能要求基本和ASME基本一致，外壓圓筒計(jì)算公式可采用ASME的轉(zhuǎn)換公式（1-8）來計(jì)算，其中許用壓縮應(yīng)力為2.5乘以許用拉伸應(yīng)力。

鑒于ASME公式計(jì)算量過大，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力不高于1.4MPa時(shí)，建議采用以下方法進(jìn)行石墨外壓圓筒壁厚的計(jì)算。

（1）在0.35MPa

（4-1）

式中為材料的許用壓縮應(yīng)力，其數(shù)值為2.5乘以許用拉伸應(yīng)力/MPa，以負(fù)值計(jì);為圓筒內(nèi)半徑/mm;為計(jì)算壓力/ MPa;為計(jì)算壁厚/mm。

（2）在p≤0.35MPa或0.70MPa≤p≤1.40MPa時(shí)采用以下公式計(jì)算：

（4-2）

式中為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用壓縮應(yīng)力/MPa，以正值代入，其余符號(hào)同式（4-1）。

以上公式計(jì)算后需加以圓整。

例如設(shè)計(jì)壓力0.4MPa，內(nèi)徑1000mm的氯化氫石墨合成爐筒，材料許用抗壓強(qiáng)度選4.6MPa，用公式4-1計(jì)算壁厚50.12mm（ASME的計(jì)算結(jié)果50.80mm），圓整厚度60mm。

設(shè)計(jì)壓力0.7MPa，內(nèi)徑1000mm的氯化氫石墨合成爐筒，材料許用抗壓強(qiáng)度6.0MPa，用公式4-2計(jì)算壁厚94.59mm（ASME的計(jì)算結(jié)果83.85mm），圓整厚度100mm。

本文通過對(duì)比了不同外壓石墨筒體壁厚的計(jì)算方法，提出了優(yōu)化方案，希望能對(duì)設(shè)計(jì)人員有所幫助，不足的地方還請(qǐng)?zhí)岢鲆庖姾徒ㄗh。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 21432-2008，石墨制壓力容器[S].

[2]許志遠(yuǎn).石墨制化工設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：213.

[3]ASME BPVC.VIII.1-2015，PART UIGREQUIREMENTS FOR PRESSURE VESSELS CONSTRUCTED OF IMPREGNATED GRAPHITE[S].

[4] TSG 21-2016，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

作者簡(jiǎn)介：趙桂花（1982-），女，山東滕州人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：工程化學(xué)教學(xué)及化工設(shè)計(jì)。