大型鈦設(shè)備局部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化探析

賀旭明，孫萬倉

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西 西安 710201）

1 前言

鈦在地殼中的儲量很豐富，在地殼外層16km的范圍內(nèi)鈦約占0.6%，居各種元素的第9位。而在結(jié)構(gòu)金屬中僅次于鋁、鐵和鎂，占第4位。鈦礦多為鈦鐵礦，其冶煉提純需要消耗大量的能量，且鈦的活性高，熔煉時需在真空爐中進行，造成了實際成品鈦材價格相對較高，約為鋼材的20多倍。但鈦材資源豐富，且具有優(yōu)良的耐蝕性、較高的屈強比和穩(wěn)定的材料加工特性，在石油化工領(lǐng)域越來越多地被采用。隨著化工裝置發(fā)展得大型化，鈦制化工設(shè)備的大型化發(fā)展趨勢也越來越明顯。

鈦材加工成設(shè)備，一般采用純鈦材、鈦鋼復(fù)合板和鋼殼體襯鈦材三種方式。具體采用哪種方式，一般根據(jù)使用工況和設(shè)備造價來決定。對于一些低壓或真空工況下的大型容器，因采用鈦鋼復(fù)合板制備，一方面可靠性較低，另一方面，設(shè)備造價也較高，而鈦松襯大型容器可靠性差，易發(fā)生泄漏，所以，純鈦制造的大型儲罐類容器也較多地被應(yīng)用。

對于大型的鈦制容器，在設(shè)計時其設(shè)備壁厚往往不再是由內(nèi)部的操作壓力決定，而更多地是滿足其承受的外壓和局部壓應(yīng)力引起的剛度失穩(wěn)。如果僅通過增加殼體壁厚來解決，其經(jīng)濟性就是一個非常值得考慮的問題。分析此類鈦制容器的特點，會發(fā)現(xiàn)一方面由于鈦材較貴，為經(jīng)濟、合理使用鈦材，在不與腐蝕介質(zhì)接觸的部位，應(yīng)盡量不用鈦制零件，另一方面，除爆炸焊接和釬焊外，鈦不能直接熔焊在鋼上，因此，與鈦殼體直接焊接的支撐件、加強件等不得不采用純鈦材來制作。設(shè)備較小時，其對設(shè)備整體的造價影響不大，但隨著設(shè)備的增大，該部分的制造成本就對整臺設(shè)備的造價有著明顯地影響。因此，要在保證設(shè)備質(zhì)量的前提下，如何降低設(shè)備造價，就需要對大型鈦設(shè)備的局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。因主體結(jié)構(gòu)厚度往往由設(shè)備操作參數(shù)、材質(zhì)、規(guī)格等確定，很難再進行優(yōu)化，因此本文將重點從常用的外壓加強圈和設(shè)備支座進行分析，從而確定一個相對優(yōu)化的結(jié)構(gòu)供大家參考。

為了便于說明，本文結(jié)合一個實際項目進行。該項目外形尺寸簡化如圖1，上下為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，中間為設(shè)備筒體，其部分操作參數(shù)如表1。

圖1

表1

2 加強圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

外壓容器（包含真空容器）在設(shè)計時，往往通過縮短外壓計算長度，即在殼體內(nèi)部或外部沿圓周方向設(shè)置加強圈來對殼體起到支撐作用，從而降低殼體壁厚。為了便于加工、減少對流體的阻擋和防止物料積聚，加強圈更多地被設(shè)置在殼體外部，這樣加強圈不與物料直接接觸，可選用一些價格低廉的材料來加工。

本項目通過計算，在殼體壁厚選用12mm時，加強圈需要設(shè)置9個，間距為1000mm，加強圈型式為“T”型，規(guī)格為120mm×16mm，通過比較，該計算結(jié)果為相對優(yōu)化的一種方案。因殼體材料為TA2，因此加強圈要與殼體達到強度連接，加強圈的材料也需為鈦材。經(jīng)過計算，9個加強圈用鈦材凈重2748kg，造價比較高，不僅不利于競爭，也不夠經(jīng)濟合理。考慮到加強圈不與設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)接觸，僅起強度作用，依據(jù)GB 150.3-2011的規(guī)定，加強圈與圓筒之間可以采用連續(xù)或間斷的焊接，以此為契機，我們對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如圖2所示。優(yōu)化前結(jié)構(gòu)為鈦材加強T型結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)為與設(shè)備連接部分采用鈦材過渡，外圈T型采用了成本較低的鋼材，通過螺栓將鋼材和鈦材進行連接，可大大降低鈦材使用量，經(jīng)計算單臺減少鈦材2190kg。

圖2

優(yōu)化前，按照GB 150.3-2011的規(guī)定，當(dāng)加強圈設(shè)置在容器外面時，加強圈每側(cè)間斷焊接的總長，應(yīng)不少于圓筒外圓周長的1/2。間斷最大間隙為8倍的設(shè)備名義厚度。因此，根據(jù)殼體壁厚12mm，則加強圈與殼體間斷焊縫的間隙最大不超過96mm，理論上講，每段焊接長度不超過96mm，兩段焊接之間間隙不超過96mm即可，但考慮到與殼體連接的鈦焊縫、鈦板與鋼板連接的螺栓及鋼板“T”型處的鋼焊縫在殼體承受外壓時受力的一致性，同時螺栓連接圓周受力的不均勻性，因此設(shè)計時，需綜合考慮，為了得到一個較好地承載能力，最好是將焊縫段數(shù)與螺栓個數(shù)設(shè)計一致。為此，本項目優(yōu)化后，鈦焊縫段數(shù)、螺栓個數(shù)和鋼焊縫段數(shù)均為120，螺栓選用M16，材質(zhì)為8.8級。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)是否可靠？畢竟該加強圈在設(shè)備處于真空狀態(tài)時，要起到足夠的剛性和強度作用，在使用過程中，一旦外壓失穩(wěn)，將會造成非常大地?fù)p失。為此，我們采用有限元分析的方法對其進行校核。

如圖3所示為應(yīng)力分析模型圖，圖4為該模型變形云圖，圖5為該模型應(yīng)力云圖。從圖5可以看出，加強圈強度滿足要求。此計算條件下許用外壓載荷為0.45MPa，通過查詢TSG 21-2016鈦設(shè)備的抗拉強度安全系數(shù)為2.7，則許用外壓載荷為0.17MPa,大于設(shè)計壓力0.1MPa，滿足要求。

圖3

圖4

圖5

優(yōu)化后的強度和剛度雖然能夠滿足要求，但還應(yīng)注意以下幾點：（1）鈦加強圈部分材質(zhì)與殼體材質(zhì)應(yīng)一致，或與殼體材質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)強度焊接；（2）加強圈的圓度應(yīng)與殼體圓度要求一致；（3）每段鈦焊縫與鋼焊縫中心應(yīng)與螺栓設(shè)置在同一方位；（4）鈦焊接接頭應(yīng)進行100%PT檢測，合格級別為NB/T 47013.5-2015中Ⅰ級，鋼焊接接頭應(yīng)進行100%MT檢測，合格級別為NB/T 47013.4-2015中Ⅰ級。

3 設(shè)備支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

設(shè)備大型化后，其支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)計中往往成為很重要的因素。對于大型立式容器，一般有裙座式、支撐式和耳式支撐三種形式，考慮到用材、壁厚和安裝位置等因素，本設(shè)備支撐型式選用耳式支座。設(shè)計時國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4712.3-2007的適用范圍最大為公稱直徑DN4000，對于本項目，經(jīng)過計算若采JB/T 4712.3-2007上最大規(guī)格，即公稱直徑DN4000的C型支座號8的標(biāo)準(zhǔn)支座需設(shè)置10件純鈦支座，每件凈重106kg，僅支座造價就超過10萬元。為此，我們參考JB/T 4745-2002附錄G中支座型式進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6

耳座主體材料選用價格低廉的鋼材，耳座墊板采用整圈鋼板制作，墊板分成兩個抱箍式結(jié)構(gòu)，通過螺栓連接，在其上、下分別采用10小塊鈦板止動，本結(jié)構(gòu)鈦材僅用70kg，而且，加工難度也大大降低。

雖然，耳座支撐是成熟的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，我們可以用JB/T 4712.3-2007中的計算方法對耳座進行校核，但擋塊的受力情況卻不易計算。為此，為了保證支撐的可靠性，在確定完結(jié)構(gòu)后，我們同樣采用有限元分析方法對擋塊進行受力分析。

通過核算，在圓周方向共設(shè)置10個450×40×16（mm）擋塊時，單個擋塊需要承力約210kN。

如圖7所示為應(yīng)力分析模型圖，建立1/2擋塊結(jié)構(gòu)，擋塊底部施加載荷210kN。圖8為該模型的變形云圖，圖9為該模型的應(yīng)力云圖。最終結(jié)果為最大應(yīng)力118.7MPa，而允許的最大應(yīng)力為148MPa，滿足要求。

圖7

圖8

圖9

同樣，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在設(shè)計時還應(yīng)注意以下問題：（1）上、下?lián)鯄K應(yīng)采用與殼體相同或與殼體材質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)強度焊接的材料；（2）上擋塊的下端面與下?lián)鯄K的上端面應(yīng)與殼體成90°；（3）上、下?lián)鯄K與殼體采用連續(xù)焊接，底部可留20mm不焊作為透氣孔；（4）擋塊與殼體焊接接頭應(yīng)進行100%PT檢測，合格級別為NB/T 47013.5-2015中Ⅰ級；（5）擋塊與殼體表面應(yīng)貼合緊密，最大間隙不宜超過1mm；（6）支座應(yīng)按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計、制造、檢驗與驗收。

4 結(jié)語

對于大型設(shè)備設(shè)計，特別是材料比較貴重的有色金屬制設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等往往很難能滿足設(shè)計需求，這時設(shè)計過程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化往往顯得尤其重要，通過有限元分析地應(yīng)用，能給結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有力支持。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，設(shè)計者要充分考慮不同金屬的特點，特別是其各自的優(yōu)勢特性，并充分進行應(yīng)用，往往能得到很好的效果。上述設(shè)備前后共建造不少于5臺，并已全部投入使用3年以上，使用效果非常好。