搪玻璃容器夾套封閉件強度分析和設(shè)計優(yōu)化

史建濤 蔡 偉 楊學(xué)鋒 宋亞強

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院蘇州分院 蘇州 215031）

搪玻璃容器是在石化行業(yè)應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一類特殊壓力容器，因其在金屬基層表面搪燒了一層玻璃釉而使得搪玻璃設(shè)備具有極強的抗腐蝕性能，并且由于搪玻璃內(nèi)筒體表面光滑、潔凈，便于清洗，近年來逐步被食品、醫(yī)藥等行業(yè)大量使用。但是搪玻璃設(shè)備的廣泛應(yīng)用也帶來一系列問題，那就是搪玻璃容器的介質(zhì)大都具有強腐蝕性，甚至較高的毒性，一旦在使用過程中發(fā)生失效，后果將不堪設(shè)想，這對于搪玻璃壓力容器的設(shè)計和制造都提出了較高的要求。GB 25025—2010《搪玻璃設(shè)備技術(shù)條件》詳細規(guī)定了搪玻璃壓力容器建造環(huán)節(jié)的詳細要求，其中還規(guī)定了搪玻璃容器受壓元件的強度計算應(yīng)符合GB／T 150《壓力容器》[1]，但是 GB／T 150—2011《壓力容器》（以下簡稱GB／T 150）在其適用范圍中明確規(guī)定不適用于搪玻璃容器[2]，這就使得搪玻璃容器的強度計算缺少明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本項目針對搪玻璃設(shè)備壓力容器的關(guān)鍵承壓部位夾套封閉件，即上接環(huán)和下接環(huán)的典型結(jié)構(gòu)，提出有效的強度計算方法，供相關(guān)使用者參考。

1 帶夾套的搪玻璃容器典型結(jié)構(gòu)

1.1 封閉件結(jié)構(gòu)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

GB／T 150在D10中規(guī)定了帶夾套容器的結(jié)構(gòu)要求，如圖1～圖3所示，分別為球面結(jié)構(gòu)、斜邊加過渡段圓弧結(jié)構(gòu)以及簡單斜邊結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了采用3種不同連接結(jié)構(gòu)時，封閉件的壁厚要求，即不小于夾套壁厚。對于帶夾套的搪玻璃容器而言，夾套封閉件主要有上接環(huán)、下接環(huán)等零部件，與夾套相連接的結(jié)構(gòu)形式也因搪玻璃容器的結(jié)構(gòu)不同而差異巨大。ASME-VIII-1卷2019版強制性附錄9中詳細介紹了可適用于搪玻璃容器夾套封閉件的連接結(jié)構(gòu)[3]，按封閉件相對厚度大體分為2種：第1種結(jié)構(gòu)中夾套封閉件與夾套壁厚相當(dāng)，第2種結(jié)構(gòu)中夾套封閉件厚度遠大于夾套壁厚。然后按照夾套封閉件與內(nèi)筒體以及夾套筒體是否為全焊透結(jié)構(gòu)的焊接型式，第1種結(jié)構(gòu)又細分為3類，第1類為夾套封閉件與內(nèi)筒體采用角接接頭、角焊縫連接，與夾套筒體采用對接接頭、對接焊縫連接（如圖4所示）；第2類為夾套封閉件與內(nèi)筒體采用角接接頭、對接焊縫連接，與夾套筒體采用對接接頭、對接焊縫連接（如圖1、圖2、圖5所示）；第3類為夾套封閉件與內(nèi)筒體采用角接接頭、角焊縫連接，與夾套筒體采用角接接頭、角焊縫連接（如圖3所示）。第2種結(jié)構(gòu)采用厚度較大的封閉板，封閉板與內(nèi)筒體、夾套筒體可采用對接焊縫或角焊縫連接。由于隨著封閉板厚度的增加，材料成本隨之增加，并且在溫度較高時，在壁厚方向會產(chǎn)生較大的溫度梯度和熱應(yīng)力[4]，此外由于封閉板壁厚與內(nèi)筒體以及夾套壁厚的差異，使焊接連接處產(chǎn)生較大的不連續(xù)應(yīng)力[5]，因此在搪玻璃壓力容器行業(yè)，該結(jié)構(gòu)使用較為少見。

圖1 封閉件結(jié)構(gòu)A

圖2 封閉件結(jié)構(gòu)B

圖3 封閉件結(jié)構(gòu)C

圖4 封閉件結(jié)構(gòu)D

圖5 封閉件結(jié)構(gòu)E

ASME規(guī)范還將夾套容器分類，典型結(jié)構(gòu)如圖6～圖10所示，其中：1型為圓筒形殼體范圍內(nèi)的夾套；2型為覆蓋一部分圓筒形殼體和一個封頭的夾套；3型為覆蓋一部分封頭的夾套；4型為圓筒形殼體上附加支撐或平衡環(huán)以減小有效長度的夾套；5型為夾套覆蓋全部筒體，并且覆蓋一個封頭加另一個封頭的部分區(qū)域。

圖6 夾套結(jié)構(gòu)I

圖7 夾套結(jié)構(gòu)II

圖8 夾套結(jié)構(gòu)III

圖9 夾套結(jié)構(gòu)IV

圖10 夾套結(jié)構(gòu)V

1.2 搪玻璃容器封閉件的制造工藝特點

與普通的壓力容器制造過程不同，搪玻璃壓力容器在制造過程中有一個特殊的搪燒制造工序，將硼硅酸鹽玻璃質(zhì)的底釉和面釉依次燒成在內(nèi)筒金屬基體上[6]，并且在制造工序的安排上，為了避免焊接時局部過熱造成搪瓷爆瓷一般會先焊接內(nèi)筒，然后焊接夾套封閉件，最后進行搪燒，搪燒完成后再裝配夾套筒體。由于搪燒過程對于金屬壁厚有一定程度的燒損，并且會導(dǎo)致夾套封閉件局部變形，甚至?xí)绊懞罄m(xù)夾套筒體的裝配，因此在強度計算時，需根據(jù)經(jīng)驗值附加相關(guān)承壓部件的計算厚度。

1.3 搪玻璃容器封閉件的結(jié)構(gòu)

搪玻璃壓力容器夾套封閉件常用的焊接結(jié)構(gòu)中，主要有全焊透和非全焊透結(jié)構(gòu)2種。其中圖1、圖2、圖3、圖5的封閉件結(jié)構(gòu)都采用了全焊透的連接型式，其中結(jié)構(gòu)A為簡化的球面封頭結(jié)構(gòu)，在相同載荷條件下，所需設(shè)計壁厚最薄，但是半球形封頭在成型過程中變形量較大，而且直徑越大，厚度越薄，成型難度越大，因此半球形封頭多用于高壓、厚壁容器[7]；將結(jié)構(gòu)B簡化為帶折邊的錐形封頭結(jié)構(gòu)，GB／T 150中詳細規(guī)定了過渡段以及折邊厚度的強度計算方法，但是由于過渡段的圓弧結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不連續(xù)應(yīng)力的存在[8]，一定程度上增加了封閉件的加工難度；結(jié)構(gòu)C中由于封閉件與夾套筒體采用了角接結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致殼體形狀不連續(xù)以及曲率半徑突變，使得連接焊縫存在較高的邊緣應(yīng)力[9]，因而在實際生產(chǎn)過程中較少采用；結(jié)構(gòu)E封閉件與內(nèi)筒體垂直布置，非常便于焊接操作，但是該結(jié)構(gòu)由于彎曲應(yīng)力的影響，使得壁厚較其他結(jié)構(gòu)大很多，常用于壓力不高、直徑較小的容器中[10]；結(jié)構(gòu)D則采用了非全焊透的連接型式，并且參照ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)封閉件結(jié)構(gòu)D用于1、2、4型帶夾套的容器時，最大設(shè)計厚度為16 mm，最小設(shè)計厚度不小于夾套壁厚。這是由于封閉件結(jié)構(gòu)D盡管采用了2段圓弧作為錐形封閉件的中間段，使得封閉件整體具有良好的抗變形能力，但是錐形封閉件的上端部平直部分與內(nèi)筒體采用了非全焊透的焊接結(jié)構(gòu)，這就大大降低了整個封閉件的承壓能力，因此該封閉件的使用有一定的限制條件。

2 搪玻璃夾套封閉件的強度計算

現(xiàn)有公稱容積5 000 L的搪玻璃反應(yīng)釜，內(nèi)筒設(shè)計壓力為0.4 MPa，設(shè)計溫度為20～200 ℃，介質(zhì)為苯乙烯（毒性中度），內(nèi)筒內(nèi)直徑為1 750 mm，焊接接頭系數(shù)為0.85，腐蝕余量為1 mm；夾套設(shè)計壓力為0.6 MPa，設(shè)計溫度為20～200 ℃，介質(zhì)為蒸氣，夾套內(nèi)直徑為1 900 mm，焊接接頭系數(shù)為0.85，腐蝕余量為1 mm，內(nèi)筒及夾套材質(zhì)均為Q235B。

根據(jù)設(shè)備的使用工況及工藝要求選擇2型帶夾套結(jié)構(gòu)，由于批量制造容器，全焊透結(jié)構(gòu)的焊材填充量大，且此類全焊透工藝一般都要選用手工電弧焊或者鎢極氬弧焊打底，會導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。加之夾套設(shè)計壓力較低，從制造成本以及生產(chǎn)效率的角度考慮，最終上接環(huán)設(shè)計選用圖4中的封閉件結(jié)構(gòu)D。由于GB／T 150中未詳細規(guī)定下接環(huán)的連接結(jié)構(gòu)，在滿足用戶需求的前提下，參考ASME規(guī)范，選用帶U型環(huán)的連接結(jié)構(gòu)，該U型環(huán)可降低夾套封頭與下接圈直接焊接的約束應(yīng)力，并且U型環(huán)底部設(shè)置排污孔，可有效減少雜質(zhì)堆積以及間隙發(fā)生腐蝕的可能性。搪玻璃容器夾套結(jié)構(gòu)以及上、下接環(huán)連接情況如圖11～圖13所示。

圖11 搪玻璃容器夾套結(jié)構(gòu)簡圖

圖12 上接環(huán)連接詳圖

圖13 下接環(huán)連接詳圖

參照GB／T 150中相關(guān)規(guī)定，計算夾套筒體和封頭壁厚分別見式（1）、式（2）：

式中：

δj，δf——夾套筒體、封頭的計算厚度；

pc——計算壓力；

Di——夾套筒體內(nèi)徑；

[σ]t——設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力；

φ——焊接接頭系數(shù)。

考慮腐蝕余量以及鋼板負(fù)偏差，取夾套筒體公稱厚度為10 mm，考慮封頭成型時的拉伸減薄量損失以及腐蝕余量和下料方便，取封頭公稱厚度同樣為10 mm。

對于封閉件的厚度要求，GB／T 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》附錄D中給出了3種典型的夾套結(jié)構(gòu)以及夾套封閉件的厚度要求，即上接環(huán)厚度不小于夾套筒體壁厚。參考ASME-VIII-1卷2019版強制性附錄9的規(guī)定，夾套筒體和封頭按照規(guī)則設(shè)計計算壁厚，封閉件上接環(huán)壁厚tc應(yīng)至少等于tj且轉(zhuǎn)角半徑r不應(yīng)小于3tc，這種封閉件的設(shè)計壁厚的上限厚度為16 mm，見圖12中焊縫尺寸Y不應(yīng)小于0.7tc，最終選取上接環(huán)壁厚為10 mm。但是圖13中下接環(huán)的連接結(jié)構(gòu)以及強度要求，GB／T 150則未做出相關(guān)規(guī)定。同樣參考ASME標(biāo)準(zhǔn)，下接環(huán)處的封閉件為撓性件，其所需的最小厚度tc應(yīng)按式（3）確定：

式（3）中RP為撓性件內(nèi)壁距離容器中心的最遠徑向距離，a不小于2tj，b不小于tj，c不小于1.25tc?？紤]腐蝕余量以及鋼板負(fù)偏差，取U型下接環(huán)公稱厚度為6 mm。

搪玻璃容器的下接環(huán)典型連接結(jié)構(gòu)除見圖13外，常用的連接方式還有如圖14所示的結(jié)構(gòu)，由于GB／T 150中缺少此類結(jié)構(gòu)的強度計算方法，故參考夾套筒體厚度計算方法，該下接環(huán)計算厚度見式（4）：

圖14 下接環(huán)其他連接結(jié)構(gòu)圖

這種形似倒置的碗形下接環(huán)采用鋼板卷制，然后對焊連接，經(jīng)無損檢測合格后，在特殊的成型模具上壓制成2個左右對稱的碗形下接環(huán)，然后在徑向?qū)ΨQ軸位置切割，最終制作出2只符合設(shè)計要求的下接環(huán)，容器制造過程中需先與內(nèi)筒體焊接，然后搪燒，最后再裝配夾套封頭。因此考慮腐蝕余量以及鋼板負(fù)偏差，并且按經(jīng)驗值附加搪燒厚度損失量，取該下接環(huán)公稱厚度為6 mm。而圖13中的U型下接環(huán)則是在鋼板上直接切割出圓環(huán)，然后將圓環(huán)在設(shè)定的模具工裝上直接壓制成型，成型后的U型下接環(huán)上沒有對接焊縫，無須探傷檢測，與碗形下接環(huán)相比，減少了無損探傷工序，一定程度上降低了制造成本，因此U型下接環(huán)結(jié)構(gòu)成為眾多搪玻璃壓力容器制造單位的優(yōu)先選項。

3 搪玻璃夾套封閉件的應(yīng)力分析

3.1 上接環(huán)的應(yīng)力分析

針對上述典型的上接環(huán)連接結(jié)構(gòu)，使用有限元分析軟件WORKBENCH，設(shè)置Q235B材料的彈性模量為 2.06×105MPa[11]，密度為7 850 kg／m3，泊松比 0.3[12]，邊界條件以及搪玻璃壓力容器設(shè)計參數(shù)[13]，并作如下假設(shè)：1）不考慮容器自重及內(nèi)裝物料重量，不考慮設(shè)備及外部配件重力載荷；2）不考慮風(fēng)載荷、地震載荷；3）不考慮外部支撐及裝配載荷；4）不考慮溫差變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力和變形；5）不考慮疲勞計算與壽命評估。應(yīng)力分析過程中涉及的載荷包括夾套設(shè)計內(nèi)壓（不含液柱靜壓力）、夾套自重、工況溫度下的熱載荷。典型的夾套封閉件上接環(huán)局部結(jié)構(gòu)變形以及應(yīng)力強度分布情況如圖15、圖16所示。

圖15 夾套封閉件上接環(huán)局部結(jié)構(gòu)變形圖

圖16 夾套封閉件上接環(huán)局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖

圖15中當(dāng)采用封閉件結(jié)構(gòu)D時，局部變形最大值發(fā)生在夾套筒體部位而非封閉件位置，變形量最小值位于夾套封閉件圓弧過渡段。從圖16應(yīng)力分布情況可知，最大應(yīng)力強度位于夾套筒體部位，最小值位于夾套封閉件與夾套筒體連接部位。由于夾套封閉件一端與內(nèi)筒體采用對接接頭焊接固定，另一端與夾套筒體也采用對接接頭焊接連接，因此夾套封閉件主要承受的應(yīng)力類型為一次局部薄膜應(yīng)力和二次應(yīng)力（彎曲應(yīng)力），圓弧過渡段在內(nèi)壓力的作用下，同樣承受一次局部薄膜應(yīng)力和二次彎曲應(yīng)力[14]。而遠離封閉件與夾套筒體不連續(xù)處的最大應(yīng)力強度位置，其所承受的是一次總體薄膜應(yīng)力和沿壁厚的應(yīng)力梯度（二次應(yīng)力），該應(yīng)力強度數(shù)值較一次局部薄膜應(yīng)力大，并且由于邊界條件固定的設(shè)置導(dǎo)致變形量較夾套封閉件處變形量大。

幾種常見結(jié)構(gòu)的夾套封閉件的應(yīng)力分析結(jié)果對比情況見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)夾套封閉件應(yīng)力分析結(jié)果對比

由表1結(jié)果可知，當(dāng)夾套封閉件與內(nèi)筒體采用對接接頭的焊接結(jié)構(gòu)時，夾套封閉件最大應(yīng)力強度數(shù)值都較小，相比而言采用角接接頭時，應(yīng)力強度數(shù)值普遍較大，尤其采用結(jié)構(gòu)C時，由于峰值應(yīng)力的存在，其最大應(yīng)力強度數(shù)值較其他結(jié)構(gòu)大很多，結(jié)構(gòu)變形的最大值也呈現(xiàn)同樣的趨勢。盡管應(yīng)力強度數(shù)值高于采用結(jié)構(gòu)D時，但是采用結(jié)構(gòu)E時的夾套封閉件結(jié)構(gòu)變形數(shù)值最小，尤其適用于搪玻璃設(shè)備有頻繁攪拌和機械振動工況，因此在滿足強度設(shè)計的前提下，結(jié)構(gòu)E被廣泛應(yīng)用于搪玻璃壓力容器的上接環(huán)連接。

3.2 下接環(huán)的應(yīng)力分析

由于GB／T 150中無下接環(huán)的強度計算方法，本項目使用有限元分析軟件，在相同的設(shè)計參數(shù)及邊界條件下，比較2種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，如圖17、圖18所示。

圖17 碗形下接環(huán)應(yīng)力分布圖

圖18 U型下接環(huán)應(yīng)力分布圖

對比2種不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖可知，碗形結(jié)構(gòu)的下接環(huán)最大應(yīng)力數(shù)值遠小于U型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力最大值分別位于碗形下接環(huán)的下轉(zhuǎn)角部位以及U型下接環(huán)的長邊圓弧過渡段。由此可知，下接環(huán)結(jié)構(gòu)的強度風(fēng)險部位主要位于結(jié)構(gòu)變形的不連續(xù)部位，但是僅就應(yīng)力水平而言，數(shù)值整體較低。應(yīng)力強度評定結(jié)果見表2。

表2 應(yīng)力強度評定結(jié)果 MPa

根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果進行強度評定，取安全系數(shù)1.5，則設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力限制為235／1.5=156.7 MPa，局部薄膜應(yīng)力限制為1.5×156.7=235 MPa，本項目中下接環(huán)局部彎曲應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的限制為3×156.7=470 MPa，因項目不考慮疲勞計算與壽命評估，故對于峰值應(yīng)力不做判定，由表2中計算結(jié)果表明強度滿足要求。

4 耐壓試驗強度校核

針對該搪玻璃反應(yīng)釜，按照規(guī)則設(shè)計進行耐壓試驗強度校核，其中試驗溫度為20 ℃以及設(shè)計溫度為200 ℃時，Q235B材料的許用應(yīng)力按照GB／T 150中附錄D的規(guī)定分別取116 MPa和99 MPa，夾套水壓試驗壓力為 1.25×0.6×116／99 MPa=0.88 MPa。試驗結(jié)果表明，搪玻璃壓力容器在水壓試驗過程中，無滲漏，容器表面無可見變形和異常聲響，耐壓試驗結(jié)論合格。需要注意的是，耐壓試驗的作用是驗證設(shè)備的強度和嚴(yán)密性，耐壓試驗的強度校核并不能替代計算模型正確性的驗證。

5 結(jié)論

1）搪玻璃壓力容器在強度計算時需考慮搪燒工藝對于厚度的影響，尤其是與內(nèi)筒體直接相焊，并且先搪燒后裝配夾套的封閉件應(yīng)在設(shè)計時附加燒損厚度。

2）上接環(huán)的設(shè)計需從結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工序以及加工成本等方面考慮，在夾套設(shè)計壓力不高的情況下，建議優(yōu)先選用有直邊加雙曲面結(jié)構(gòu)，壁厚選取與夾套筒體相同厚度。

3）下接環(huán)從減少探傷工序，降低成本，減少搪燒厚度損失方面考慮，建議優(yōu)先選擇U型下接圈結(jié)構(gòu)，壁厚選取參考文中計算方法。

4）由于搪玻璃壓力容器夾套封閉件無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強度計算方法，需采用有限元分析等方法對承壓部件進行強度校核。