折邊錐體形夾套封閉件的受力計算和探討

陽國紅

（東富龍科技集團股份有限公司，上海 201108）

在化工、食品和制藥等行業(yè)中，為了達到某種工藝要求，物料在反應過程中常常伴有熱效應，于是需要對內(nèi)筒的介質(zhì)進行加熱或冷卻，從而在容器外壁加上一層夾套。夾套壓力容器是一種普遍應用的多腔類壓力容器，其適用范圍非常廣泛[1]。

夾套的形式也有多種多樣，其中整體型夾套是應用最多的夾套形式。整體型夾套一般由筒體、封頭和封閉件三部分組成，夾套焊接在罐體外側(cè)，使其與罐體的外表面形成密閉的空間，在此空間內(nèi)通入載熱流體以加熱或冷卻物料，維持物料的溫度在預定的范圍內(nèi)，從而達到工藝所需的要求。

在整體型夾套容器中，封閉件的結(jié)構(gòu)主要有環(huán)板形、錐體形和部分球形等，其中錐體形封閉件是比較普遍的結(jié)構(gòu)，當錐體半頂角30°＜θ≤60°時，采用有折邊的錐體形式。在整體型夾套容器的設計時，對于夾套筒體和封頭的設計，在很多標準以及專業(yè)書籍中都有詳細的介紹，且都會作為主要受壓元件進行強度計算，但封閉件的受力計算卻常常被忽視，夾套容器的封閉件是連接容器和夾套的主要受壓元件，對于壓力容器來說，其重要程度不言而喻，如果忽視了其強度校核計算，往往會埋下很大的安全隱患。在夾套容器正常運行的過程中，各種受壓或受力工況是比較復雜的，這些工況有的是單獨作用，有的是同時作用。以下以折邊錐體形夾套封閉件為例，分別對夾套在受內(nèi)壓工況、溫差工況以及重力載荷工況下進行受力計算和分析探討。

1 夾套在受內(nèi)壓工況時折邊錐體形封閉件的受力計算

夾套在受內(nèi)壓工況時，對錐體形封閉件的強度校核有兩種計算方法，一種可以參照GB/T150.1 ～ 150.4—2011《壓力容器》[2]中錐形封頭受內(nèi)壓時的計算方法，另一種可以參照HG/T 20569—1994《機械攪拌設備》[3]中帶夾套容器的計算方法，但是在2013版的《機械攪拌設備》標準中考慮到原計算方法過于繁瑣，于是將帶夾套容器的計算方法刪除了。另外，在有些標準資料中還引入了夾套連接處局部應力的概念，并且也有相應的計算方法參考。以下分別參照這些計算方法對封口錐進行強度校核計算和分析探討。表1 為某工程案例已知的設計參數(shù)，折邊錐體形夾套封閉件的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1 所示。

圖1 折邊錐體形夾套封閉件的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the toriconical jacket closure

1.1 折邊錐體形封閉件壁厚的校核計算

根據(jù)表1 已知的設計參數(shù)對其進行內(nèi)壓受力計算，該封閉件可按受內(nèi)壓大端有折邊的錐殼核算，以下是詳細的計算過程[2]：

表1 設計參數(shù)Tab.1 Design parameters

（1）過渡區(qū)相接處的錐體壁厚為：

（2）折邊處的壁厚為：

1.2 折邊錐體形封閉件壁厚的校核計算

根據(jù)已知條件和相關的圖表，可以計算并查詢出相關的輔助系數(shù)和輔助參數(shù)ε、ρ、λ、χ、μ、X1、X2、X3等，這里就不詳細展開進行計算，以下是夾套封口錐許用內(nèi)壓力和壁厚的詳細計算過程[3]：

（1）軸向力系數(shù)A和連接系數(shù)B分別為：

（2）折邊錐體形封閉件的許用內(nèi)壓力為：

（3）折邊錐體形封閉件的壁厚為：

1.3 夾套與內(nèi)筒體連接處局部應力的校核計算

夾套與內(nèi)筒體連接的地方在夾套內(nèi)壓的作用下，會在封閉件過渡圓弧處產(chǎn)生局部應力，為控制該處的局部應力，夾套內(nèi)的允許工作壓力應低于下式計算的數(shù)值，以下是計算過程：

（1）判定范圍：

（2）極限壓力為：

（3）最高允許工作壓力（內(nèi)壓）為：

通過對以上幾種計算方法所得的結(jié)果進行分析和比對，GB/T 150.1 ～ 150.4—2011《壓力容器》中的計算方法比較簡潔且方便，容易被設計技術人員所接受，適用范圍也較為廣泛。在很多實際的設計案例中，對于封口錐通常忽視其內(nèi)壓的計算，按照經(jīng)驗和習慣選取與夾套筒體相等的壁厚，在有些壓力工況下可能是安全的，但有時按如上方法計算所得的封口錐壁厚可能大于夾套筒體的壁厚，這樣就非常危險了，所以封口錐作為主要受壓元件必須單獨進行強度校核計算。

2 在溫差工況時折邊錐體形封閉件的受力問題

夾套容器在實際使用過程中，除承受壓力載荷外，還有由溫差產(chǎn)生的應力也是不可忽視的。當容器長徑比很大時，由溫差引起的軸向應力很容易造成設備的軸向失穩(wěn)。在以上的工程案例中，當設備進行SIP（在線滅菌）時，內(nèi)筒體溫度大約在121 ℃左右，在線滅菌完成后，此時需要在很短的時間內(nèi)將內(nèi)筒體溫度降下來，于是往夾套內(nèi)通入冷卻水，溫度大約在50 ℃左右，在夾套通入冷卻水后的一段時間里，內(nèi)筒體和夾套會產(chǎn)生很大的溫差應力。但是這種溫差操作工況的循環(huán)頻率按照JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》[4]中的3.10.2 條判別，可免作疲勞分析。以下是詳細的計算過程，表2 中為以上工程案例已知的設計補充參數(shù)。

表2 設計補充參數(shù)Tab.2 Supplementary design parameters

設備整體結(jié)構(gòu)尺寸如圖2 所示。

（1）內(nèi)筒體和夾套因溫升引起的自由伸長量分別為：

（2）內(nèi)筒體和夾套的橫截面積分別為：

（3）內(nèi)筒體和夾套溫差力為：

（4）由于溫差產(chǎn)生在內(nèi)筒體上的軸向壓應力和夾套上的軸向拉應力分別為：

通過以上計算結(jié)果可以看出，在溫差工況時，內(nèi)筒體上的軸向壓應力和夾套上的軸向拉應力是非常大的，雖然計算中采用的是一些理論的近似模型，但是從整個計算結(jié)果來看，由于溫差產(chǎn)生的軸向應力是千萬不可以忽視的。如上只是單純考慮了溫差工況，在實際使用過程中，溫差工況和夾套內(nèi)壓工況往往同時存在，這種組合工況的情況下更加危險，內(nèi)筒體極其容易失穩(wěn)。在壓力容器設計中，必須嚴格防止設備失穩(wěn)的發(fā)生。

為了降低由于溫差引起的軸向應力，所以就不得不限制設備的工藝使用條件，比如在設備在線滅菌完成后，夾套內(nèi)通入溫度較高的冷卻水，使內(nèi)筒體和夾套的溫差縮小，再慢慢降低冷卻水的溫度，這樣雖然能夠降低溫差引起的軸向應力，但卻使得冷卻時間大大加長，從而嚴重影響工藝生產(chǎn)的效率和產(chǎn)量，因此該方法不推薦使用。

在固定管板式換熱器中，通常設置膨脹節(jié)來降低由于換熱管和殼程圓筒間熱膨脹差所引起的管板應力、圓筒和換熱管的軸向應力以及管子與管板之間的拉脫力。膨脹節(jié)是能夠軸向自由伸縮的彈性補償元件，如果溫差應力非常大，也會在夾套上設置必要的膨脹節(jié)，此時封口錐的內(nèi)壓計算稍微有些不同，這里就不詳細展開介紹了。當然，折邊錐體形夾套封閉件也是具有一定自由伸縮量的彈性補償元件，該結(jié)構(gòu)能夠大大降低筒體的軸向應力，因此這方面錐體形結(jié)構(gòu)要優(yōu)于環(huán)板形結(jié)構(gòu)。另外，U 形夾套也比圓筒形夾套在降低溫差軸向應力方面效果要好。

3 在重力載荷作用下折邊錐體形封閉件的強度校核

有些大型的夾套容器，內(nèi)部容器的自重以及內(nèi)部物料的重量是非常大的，支腿或者耳座通常支撐在夾套上，這樣重力載荷就通過夾套封口錐傳遞到支座上，此時重力載荷對封口錐處產(chǎn)生的剪切應力也是很大的[5]。對于U 形夾套，底封頭處的封閉件也可以分攤掉一部分重力載荷。但是當夾套上設置膨脹節(jié)時，原則上不推薦將支座設置在夾套上。所以在條件允許的情況下，對于大型的夾套容器來說，盡量將支座設置在內(nèi)部容器上[6]。

以下以某大型夾套容器的設計參數(shù)為例，就重力載荷對封口錐的承載能力進行校核分析，表3 為其設計參數(shù)。

表3 大型夾套容器的設計參數(shù)Tab.3 Design parameters of large jacketed vessel

重力載荷作用示意圖如圖3 所示。

圖3 重力載荷作用Fig.3 Schematic diagram of gravity load

（1） 重力載荷在封口錐中引起的軸向力為：

（2） 按照1.2 中的計算方法算出軸向力系數(shù)A 和夾套的許用內(nèi)壓分別為：

（3） 在軸向載荷力作用時，封口錐的承載能力校核為：

通過以上計算結(jié)果可以看出，對于大型夾套容器來說，重力載荷對封口錐處的受力影響不可忽視。容器體積偏大時內(nèi)筒體直徑就會比較大，如果仍然選用整體夾套，內(nèi)筒體承受同樣的外壓載荷時所需的壁厚會很厚，所以此時更趨向于選擇其他型式的夾套，如半管夾套、蜂窩夾套等等，這樣支座設置在內(nèi)部容器上就比較安全了。

4 結(jié)束語

對于夾套類壓力容器，整體型夾套由于其結(jié)構(gòu)相對比較簡單且使用方便，基本上不需要維修，所以在很多行業(yè)中都被廣泛應用。但是由于換熱面積經(jīng)常受到罐體幾何形狀的限制而不能做得太大，并且當罐體直徑較大時，考慮到內(nèi)筒體的外壓校核影響，也不推薦使用整體夾套。整體夾套與罐體的連接基本都是采用不可拆卸的焊接方式，這樣不但受力較好而且密封性也比較可靠。封口錐是整體夾套常用的封閉件，作為主要的受壓元件，封口錐的強度校核必不可少。通過對以上各種受壓或受力工況下封口錐的強度校核計算和分析探討，可以看出夾套封口錐的受力情況是比較復雜的，尤其是各種工況同時作用時。有些夾套容器外壁還會增加一層保溫，保溫外包直接與筒體焊接，這樣夾套就被隱藏在保溫層里，正常操作時如果夾套存在缺陷就很難被發(fā)現(xiàn)，安全隱患就更大。

相關的法規(guī)和標準中也明確要求壓力容器在設計時應該考慮如下載荷：內(nèi)壓載荷、溫度梯度或者熱膨脹量不同引起的作用力載荷以及重力載荷等等。以上只是選取了一些典型的受壓和受力工況進行計算分析，夾套容器作為多腔類壓力容器，在實際工程應用中會有很多復雜的工況同時疊加存在，對于專業(yè)技術人員來說，更不能麻痹大意，工程經(jīng)驗固然重要，但是切不可單憑經(jīng)驗和習慣取代必要的強度校核，計算數(shù)據(jù)才是最可靠最有力的依據(jù)。