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      臥式壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

      2014-01-01 00:00:00曾憲京
      山東工業(yè)技術(shù) 2014年3期

      【摘 要】本文就臥式壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討,結(jié)合了具體的實(shí)例,系統(tǒng)分析了臥式壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并對比了優(yōu)化方案,以期能獲得理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

      【關(guān)鍵詞】臥式壓力容器;殼體厚度;優(yōu)化設(shè)計(jì)

      0 引言

      壓力容器是專用的輕化工設(shè)備,其設(shè)計(jì)除了具有一般通用機(jī)械設(shè)計(jì)的共性之外,更要考慮生產(chǎn)和使用過程的安全性(如易燃、易爆、腐蝕等),使得優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)增加及難度增大。對于臥式壓力容器來說,殼體的厚度并不是決定于內(nèi)壓強(qiáng)度的。本文就臥式壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討,旨在為優(yōu)化臥式壓力容器而提供參考借鑒。

      1 容器概述

      介質(zhì)為油氣、污油、H2S,最高工作壓力為0.2MPa,最高工作溫度為200℃。該容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場自然條件見表1,容器主要受壓元件標(biāo)準(zhǔn)橢圓形左、右封頭,以及圓筒設(shè)計(jì)壓力均為0.38MPa,設(shè)計(jì)溫度為220℃,材料為Q245R(GB 712—2008),腐蝕裕量為3mm,焊接接頭參數(shù)為1。

      2 問題的提出

      查看容器的計(jì)算書可以發(fā)現(xiàn),殼體的內(nèi)壓計(jì)算厚度僅為5.8mm,而原設(shè)計(jì)方案殼體的有效厚度為10.7mm,故殼體的最大允許工作壓力(0.70MPa)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)壓力(0.38MPa),殼體總體應(yīng)力水平很低。很明顯,原設(shè)計(jì)方案中,殼體的厚度不是由內(nèi)壓,而是由容器某些位置(如支座截面處或最大彎矩截面處)的局部應(yīng)力(表2中符號說明見JB/T4731—2005《鋼制臥式容器》)決定的。問題由此產(chǎn)生,能否通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),達(dá)到減薄殼體厚度的目的呢?

      當(dāng)殼體的軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力或剪應(yīng)力不滿足許用值時,通常采用增加殼體厚度;改變鞍座型式;設(shè)置加強(qiáng)圈三種方法來解決:

      原設(shè)計(jì)方案采用的是通過增加殼體厚度,降低殼體總的應(yīng)力水平達(dá)到解決問題的目的,這也是目前大多數(shù)設(shè)計(jì)人員普遍采用的方法。采用這種方法雖然簡單易行,但得到的殼體厚度往往較大,材料的性能得不到有效的發(fā)揮和利用,不是優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

      2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

      1)改變鞍座的型式

      鞍座的型式通常選用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4712.1—2007《容器支座 第1部分:鞍式支座》,其中有輕型和重型兩大類,輕型(A型)為焊制,120°包角,有墊板;重型(B型)按型式(焊制或彎制)、包角(120°或150°)及有無墊板分為BⅠ、BⅡ、BⅢ、BⅣ、BⅤ等五種。一般來說,臥式容器通常選用A型鞍座,換熱器通常選用BⅠ型(焊制,120°包角,有墊板)鞍座。

      可能是考慮到該設(shè)備是大直徑的薄壁容器這一特點(diǎn),原設(shè)計(jì)方案沒有選用A型鞍座,而是選用了BⅠ型鞍座。但計(jì)算結(jié)果表明,選用A型鞍座與選用BⅠ型鞍座所得到的結(jié)果是相同的,即選用BⅠ型鞍座并未達(dá)到降低應(yīng)力、減小殼體厚度的目的。

      查看表3的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),原設(shè)計(jì)方案中該容器最危險(xiǎn)的部位位于鞍座墊板邊緣處,在壓力試驗(yàn)工況下,圓筒周向應(yīng)力σ6′為控制因素(應(yīng)力值為169.03MPa,許用值為220.5MPa)。

      影響σ6′大小的系數(shù)K6與鞍座包角有關(guān),包角越大,K6越小,σ6′也隨之減小。這也解釋了選用A型鞍座與選用BⅠ型鞍座得到的殼體厚度是相同的原因,因?yàn)閮煞N型式鞍座的包角相同。

      故通過增大鞍座包角,采用BⅡ型(重型焊制,150°包角,有墊板)支座重新計(jì)算,殼體的名義厚度可以從14mm降至12mm,此時支座截面處或最大彎矩截面處的應(yīng)力見表3。

      通過對比可以看出,雖然殼體的厚度減小了,但最危險(xiǎn)的部位(仍位于鞍座墊板邊緣處)在壓力試驗(yàn)工況下,圓筒周向應(yīng)力σ6′卻降到了153.07MPa。表明采用增大鞍座包角這一措施可有效地減小殼體厚度,并改善容器的受力情況。

      2)設(shè)置加強(qiáng)圈

      雖然采用增大鞍座包角這一措施可有效地減小殼體厚度,并改善容器的受力情況,但此時殼體的有效厚度仍有8.7mm,故殼體最大允許工作壓力(0.57MPa)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)壓力,優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果并不太理想。如采用設(shè)置加強(qiáng)圈,能否有效改變這種情形呢?

      加強(qiáng)圈的設(shè)置有三種不同型式,即在圓筒內(nèi)鞍座平面上或靠近鞍座兩側(cè)設(shè)內(nèi)部加強(qiáng)圈,或在圓筒外靠近鞍座兩側(cè)設(shè)外部加強(qiáng)圈。

      通過計(jì)算,即使采用A型鞍座,如在圓筒內(nèi)鞍座平面上設(shè)1個L180mm×14mm的內(nèi)部加強(qiáng)圈,或在圓筒內(nèi)靠近鞍座兩側(cè)各設(shè)1個L110mm×14mm的內(nèi)部加強(qiáng)圈,或在圓筒外靠近鞍座兩側(cè)各設(shè)1個L125mm×8mm的外部加強(qiáng)圈,殼體的名義厚度均可降至10mm,相應(yīng)的支座截面處或最大彎矩截面處的應(yīng)力。

      此時,殼體的有效厚度僅為6.7mm,屬于正常的規(guī)格圓整,沒有其他額外的裕量。殼體的厚度可同時滿足結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力和局部應(yīng)力的需要,材料的性能得到了有效的發(fā)揮和利用。

      數(shù)據(jù)表明,無論是在圓筒內(nèi)鞍座平面上或靠近鞍座兩側(cè)設(shè)內(nèi)部加強(qiáng)圈,或在圓筒外靠近鞍座兩側(cè)設(shè)外部加強(qiáng)圈,壓力試驗(yàn)工況均為危險(xiǎn)工況,對應(yīng)于三種不同的型式,最危險(xiǎn)的部位分別位于鞍座邊角處圓筒(應(yīng)力值σ7為209.7MPa,許用值為220.5MPa),加強(qiáng)圈橫截面上靠近水平中心線處加強(qiáng)圈內(nèi)緣表面(應(yīng)力值σ8為204.71MPa,許用值為211.5MPa),加強(qiáng)圈橫截面上靠近水平中心線處圓筒(應(yīng)力值σ7為212.46MPa,許用值為220.5MPa)。

      3 方案對比

      從表4中的數(shù)據(jù)可以看出,無論是采用增大鞍座包角或設(shè)置加強(qiáng)圈中任一方法,與原方案相比,工程量都有明顯的降低。尤其是采用設(shè)置加強(qiáng)圈,不僅工程量能降低20%以上,更重要的是大大減薄了殼體厚度(從原方案的14mm降低至10mm),減少了壓力容器用鋼的重量,減少了焊接工作量,有效地降低了設(shè)備成本,大大地提高了經(jīng)濟(jì)性。

      4 結(jié)語

      目前,臥式壓力容器廣泛應(yīng)用在石油化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)領(lǐng)域。綜上所述,臥式壓力容器殼體的厚度并不決定于內(nèi)壓的強(qiáng)度,因此我們可以根據(jù)這一要點(diǎn)對容器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以明顯減薄殼體厚度,從而達(dá)到降低設(shè)備成本,提高經(jīng)濟(jì)性的目的。

      【參考文獻(xiàn)】

      [1]劉金純.壓力容器分析設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[J].當(dāng)代化工,2006(06).

      [2]高峰.淺析壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技與企業(yè),2013(13).

      [責(zé)任編輯:劉帥]

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