夾套反應(yīng)釜設(shè)計(jì)及疲勞研究

李 翔

（延安大學(xué)，陜西 延安 716000）

1 夾套反應(yīng)釜設(shè)計(jì)的背景及目的

在化工生產(chǎn)過(guò)程中，為化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)空間和反應(yīng)條件的裝置成為反應(yīng)釜或反應(yīng)設(shè)備.夾套反應(yīng)釜為典型的靜設(shè)備.在現(xiàn)代社會(huì)中，化學(xué)、醫(yī)藥、食品等工業(yè)持續(xù)發(fā)展，夾套反應(yīng)釜得到更為廣泛的應(yīng)用[1]，其中的夾套可以使反應(yīng)釜容器內(nèi)的介質(zhì)加熱或制冷，從而達(dá)到更好的工業(yè)目的.夾套反應(yīng)釜具有耐高溫、耐高壓、衛(wèi)生、制冷或加熱迅速的特點(diǎn)，而夾套反應(yīng)釜質(zhì)量的好壞也決定了生產(chǎn)出來(lái)產(chǎn)品的優(yōu)劣！

1 反應(yīng)釜的現(xiàn)狀及種類(lèi)

反應(yīng)釜廣泛意義上的理解即有化學(xué)性或物理性反應(yīng)的不銹鋼容器，通過(guò)對(duì)反應(yīng)容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)配置，從而實(shí)現(xiàn)各種工藝需求.自從1912年反應(yīng)釜被發(fā)明以來(lái)，它在世界各地都取得了不小的發(fā)展，至今在全世界仍有每年3%-5%的速度增長(zhǎng).我國(guó)也不例外，在化工、石油、輕工、制藥等方面更為發(fā)展迅猛有數(shù)據(jù)顯示我國(guó)在九十年代初反應(yīng)釜消費(fèi)量?jī)H有26萬(wàn)噸，而到了2004年我過(guò)反應(yīng)釜的消費(fèi)量已經(jīng)達(dá)到447萬(wàn)噸，穩(wěn)居世界第一位！根據(jù)反應(yīng)釜制造結(jié)構(gòu)可分為開(kāi)式平蓋式反應(yīng)釜、開(kāi)式對(duì)焊法蘭式反應(yīng)釜以及閉式反應(yīng)釜三大類(lèi).這三類(lèi)結(jié)構(gòu)各有各的可適用范圍及優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn).根據(jù)反應(yīng)釜的材質(zhì)和用途可分為不銹鋼反應(yīng)釜、搪玻璃反應(yīng)釜、磁力攪拌反應(yīng)釜、不飽和聚酯樹(shù)脂全套設(shè)備和電加熱反應(yīng)釜.

2 夾套反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)

夾套反應(yīng)釜是與我們生活息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)中最常用也是最常見(jiàn)的反應(yīng)設(shè)備.它是一兩種或多種液體或固體相互混在一定容積、溫度和壓力下的容器中，從而加快其反應(yīng).

其中罐體和夾套、傳動(dòng)裝置、支座、人孔以及一些必要的小構(gòu)件是任何一臺(tái)夾套反應(yīng)釜的主要組成部分，這些部分的設(shè)計(jì)合理和制作精良是反應(yīng)釜工作不發(fā)生疲勞失效的主要因素.

攪拌容器分罐體和夾套兩部分，主要由封頭和筒體組成，多為中、低壓壓力容器；攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成，其形式通常由工藝設(shè)計(jì)而定；傳動(dòng)裝置是為帶動(dòng)攪拌裝置設(shè)置的，主要由電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸等組成；封頭裝置為動(dòng)密封；它們與支座、人孔、工藝接管等附件一起，構(gòu)成完整的夾套反應(yīng)釜[2].

2.1 罐體和夾套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

罐體和夾套是夾套反應(yīng)釜組成的兩大部分.在現(xiàn)規(guī)定的可操控的壓力和溫度下，為在其內(nèi)部物料因需混勻而要求攪拌的過(guò)程提供空間.罐體一般有臥式和立式兩種由鋼板卷成的圓筒形容器，基本是由鋼板壓制而成的頂蓋、筒體和罐底，然后通過(guò)支座安裝在工作臺(tái)上組成.頂蓋和筒體在直徑D1 1200mm時(shí)做成法蘭連接的可拆連接，除之則做成不可拆的.

夾套制熱或制冷是是反應(yīng)釜一種最常見(jiàn)的傳導(dǎo)方式，它在罐體外表面形成密封的空間容器.

2.2 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 釜體的結(jié)構(gòu)計(jì)算

反應(yīng)釜的容積為10.5m3，根據(jù)物料由表1可知反應(yīng)釜釜體的長(zhǎng)徑比i=H/Di=1.2可計(jì)算：

對(duì)計(jì)算結(jié)果圓整到公稱(chēng)直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，則反應(yīng)釜釜體直徑為Di=2200mm

幾種攪拌釜的長(zhǎng)徑比i值[3]

封頭選用橢圓封頭，其內(nèi)徑與釜體直徑相同，由文獻(xiàn)2可知其數(shù)據(jù)為：

若Dg=2200mm

則曲面高度h1=550mm

直邊高度h2=40mm

表面積Fh=5.5m2

容積Vh=1.54m3

釜體高度為

其中V1為每立方米釜體的容積，其計(jì)算公式為

則H1=2.35圓整后為2400mm

2.2.2 夾套的結(jié)構(gòu)計(jì)算

夾套的直徑根據(jù)下表和釜體直徑Di=2200mm，可得

夾套直徑D2mm[4]

D2=Di+200=2400mm，其封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭并與夾套筒體直徑相同為2400mm

夾套的高度H2由反應(yīng)釜釜體裝料高度決定，設(shè)裝量系數(shù)為0.8，則操作容積Vg=V×0.8=8.4m3

則

圓整反應(yīng)釜夾套高度為

釜體和夾套材料選擇相對(duì)應(yīng)國(guó)家規(guī)定的

2.3 反應(yīng)釜的攪拌裝置和傳動(dòng)裝置

本文中的反應(yīng)釜的攪拌裝置選擇渦輪式攪拌器.反應(yīng)釜中的物體在這種攪拌裝置的攪拌下比一般攪拌裝置混合的效果更佳明顯,尤其是針對(duì)幾種不同比例的液體所混合而成的乳濁液體效果更加好.這種攪拌器是將渦輪用螺絲等固定在反應(yīng)釜的中心軸上組成.在反應(yīng)釜攪拌器工作的時(shí)候，渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)物體在中心被吸入，高速旋轉(zhuǎn)的渦輪產(chǎn)生離心效果，從而使反應(yīng)物向四面八方揮灑.由于攪拌裝置放在反應(yīng)釜釜內(nèi)，所以渦輪的直徑要小于反應(yīng)釜的釜體直徑渦輪的直徑，一般是反應(yīng)釜直徑的三分之一左右，這樣便于安裝和修理，轉(zhuǎn)動(dòng)速度一般為4—15轉(zhuǎn)/秒.本文設(shè)計(jì)的夾套反應(yīng)釜的傳動(dòng)裝置選擇小型電動(dòng)機(jī)在齒輪或蝸桿的連接下使反應(yīng)釜的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)攪拌裝置.

2.4 反應(yīng)釜其他附件

支座

支座選擇標(biāo)準(zhǔn)耳式支座B型，因該反應(yīng)釜需要加熱和保溫.通常用4個(gè)支座，在計(jì)算支座壓力時(shí)一般按照2個(gè)計(jì)算，以防特殊情況出現(xiàn).

人孔和手孔

人孔和手孔是為了便于被觀(guān)察物料和檢修反應(yīng)釜作用的.因本反應(yīng)釜直徑大于900mm時(shí)，需設(shè)置人孔.人孔的大小要考慮攪拌器直徑和方便人進(jìn)出.手孔的直徑一般為150～250mm，方便操作人手戴上手套后出入方便.

3 反應(yīng)釜疲勞分析

3.1 疲勞分析的意義

隨著化工、食品、和制藥等工業(yè)的迅速發(fā)展，反應(yīng)釜應(yīng)用越來(lái)越多！相應(yīng)的，近年來(lái)，反應(yīng)釜因疲勞失效而事故頻發(fā).疲勞問(wèn)題首先產(chǎn)生于19世紀(jì)初蒸汽機(jī)車(chē)的運(yùn)動(dòng)部件破壞[5].

大部反應(yīng)釜是壓力反應(yīng)釜，其內(nèi)部物料一般都具有腐蝕性，更甚至有些物料具有強(qiáng)腐蝕性.在反應(yīng)釜疲勞情況下，一個(gè)細(xì)微的裂縫也將導(dǎo)致一場(chǎng)無(wú)法挽回的災(zāi)難.所以對(duì)反應(yīng)釜的疲勞分析是為了讓反應(yīng)釜在其有效使用期內(nèi)不發(fā)生因疲勞而導(dǎo)致儀器損壞，是為了防患于未然，保護(hù)國(guó)家和人民，其意義深遠(yuǎn)！

3.2 疲勞分析的定義

夾套反應(yīng)釜在周期性載荷工作下，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和工作原件產(chǎn)生不可恢復(fù)性損壞即疲勞疲勞.當(dāng)疲勞產(chǎn)生時(shí)，我們一般用肉眼或機(jī)器是看不到的，這是由于反應(yīng)釜在疲勞時(shí)，沒(méi)有清晰的變形，在反應(yīng)釜產(chǎn)生應(yīng)力較強(qiáng)的部分是疲勞主要產(chǎn)生的區(qū)域.因?yàn)楫?dāng)局部高應(yīng)力區(qū)的中的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，在載荷的反復(fù)作用下，微裂紋于滑移帶或是晶界處形成，這種微裂紋不斷擴(kuò)展，形成宏觀(guān)疲勞裂紋，從而導(dǎo)致容器發(fā)生疲勞失效[6].在對(duì)反應(yīng)釜的疲勞失效事故分析的研究從而使反應(yīng)釜在它所規(guī)定的使用期限內(nèi)不發(fā)生因疲勞而出現(xiàn)失效和跟嚴(yán)重的事故！反應(yīng)釜產(chǎn)生疲勞失效的原因有很多，其中每個(gè)循環(huán)的應(yīng)力幅值、每個(gè)循環(huán)的平均應(yīng)力、載荷的循環(huán)次數(shù)和存在局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象四個(gè)因素是引起疲勞產(chǎn)生的主要因素.

3.3 疲勞種類(lèi)

根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)，疲勞的分類(lèi)也不同.具體有：

（1）根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)物混合程度以及不同情況下溫度的變化可分為:一般性疲勞、低溫性疲勞、腐蝕性疲勞等.

（2）材料在突法性熱冷情況下而產(chǎn)生的疲勞稱(chēng)之為熱疲勞.

（3）根據(jù)反應(yīng)釜工作時(shí)間和是否超出額定功率運(yùn)行的關(guān)系分為:隨機(jī)疲勞和定常疲勞.

（4）根據(jù)反應(yīng)釜不同位置不同構(gòu)件受力方式和情況的不同可分為:扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞以及彎曲疲勞.

（5）在反應(yīng)釜周期性工作時(shí)，按破壞循環(huán)次數(shù)的高低將疲勞分為:高周疲勞和低周疲勞.其中，當(dāng)破循環(huán)次數(shù)高于104～105的疲勞被認(rèn)為是高周疲勞，而低于該數(shù)值的是低周疲勞.

高循環(huán)疲勞是以材料的強(qiáng)度為主導(dǎo),幾乎不顯示塑性;而低循環(huán)疲勞則以材料的塑性為主導(dǎo),當(dāng)應(yīng)變超過(guò)屈服應(yīng)變,經(jīng)數(shù)千次循環(huán)后能引起破壞.這也是低循環(huán)疲勞和高循環(huán)疲勞本質(zhì)上的重大區(qū)別[7].有超高壓設(shè)備和帶接管壓力容器是關(guān)于特殊結(jié)構(gòu)的壓力容器研究的較多的.

相關(guān)的國(guó)內(nèi)外壓力容器典型事故分析結(jié)果能夠說(shuō)明，壓力容器的失效，大部分發(fā)生在容器和接管的相貫區(qū)[8]，出現(xiàn)這種情況的原因是在反應(yīng)釜上進(jìn)行了開(kāi)孔，然后再其上接上符合其規(guī)格的接管之后，在反應(yīng)釜孔的邊緣會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得孔附近的應(yīng)力值很高.而且在工作過(guò)程中受到大小、方向隨時(shí)間呈周期性變化載荷的作用下，應(yīng)力幅也會(huì)變的更大，這時(shí)候反應(yīng)釜孔和其接管對(duì)反應(yīng)釜的疲勞壽命的影響就將更為明顯和厲害.

3.4 疲勞設(shè)計(jì)的方向

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外疲勞分析文獻(xiàn)的研讀，筆者發(fā)現(xiàn)在其發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在來(lái)看,各國(guó)一方面對(duì)疲勞設(shè)計(jì)進(jìn)行非?？茖W(xué)合理的理論性研究,從而研究并發(fā)現(xiàn)更加符合現(xiàn)今工業(yè)疲勞設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，從而對(duì)實(shí)際操作進(jìn)行理論上的指導(dǎo)和指明方向.另一方面在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,不斷積累數(shù)據(jù),考慮實(shí)際各種復(fù)雜條件,如各種結(jié)構(gòu)相互影響,應(yīng)力集中系數(shù)綜合考慮,載荷模型的影響及材料在各種應(yīng)力狀態(tài)下的性能參數(shù)等,以便于可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)用及仿真模擬[9].

反應(yīng)釜作為經(jīng)常高壓力性容器，最容易引發(fā)工業(yè)事故的地方是反應(yīng)釜罐體用電焊焊接的位置部分的裂紋上,這一部分的裂紋是因?yàn)楹附庸ぷ魅藛T對(duì)焊接接頭沒(méi)有光滑處理和深層次加工,這樣就導(dǎo)致了在該部位因疲勞強(qiáng)度不同而引起的反應(yīng)釜疲勞失效！當(dāng)然在實(shí)際工業(yè)的反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜的疲勞失效不僅與焊接接頭部位在焊接時(shí)留下的形狀有關(guān)，更和該部位所受溫度、壓力等集中程度有關(guān).周昌玉和沈士明等[10]的試驗(yàn)表明,當(dāng)循環(huán)周期為以上,14Mnbq鋼焊接頭的疲勞設(shè)計(jì)曲線(xiàn)才開(kāi)始高于BS5500針對(duì)疲勞現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的曲線(xiàn)圖像,當(dāng)工作周期次數(shù)達(dá)到108左右時(shí),14Mnbq鋼焊接頭的疲勞設(shè)計(jì)曲線(xiàn)開(kāi)始高于A(yíng)SME規(guī)范中的疲勞設(shè)計(jì)曲線(xiàn);但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)圖像會(huì)發(fā)現(xiàn)在比較低的周期性壽命區(qū)在整體上是比那兩個(gè)曲線(xiàn)低的.

〔1〕朱有庭，曲文梅，于浦義.化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)（上，下卷）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

〔2〕蔡紀(jì)宇，張秋翔.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)-課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

〔3〕王凱，虞軍.攪拌設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

〔4〕鄭津洋，董其武，桑芝富.過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

〔5〕李舜酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社，2006.

〔6〕曹占飛.用殼單元進(jìn)行30斜開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的可行性研究[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2007，28(3):1.

〔7〕田國(guó)廣,郭祥云.壓力容器的疲勞強(qiáng)度[J].化工與通用機(jī)械，1974，4(21):58～69.

〔8〕薛明德.國(guó)外關(guān)于圓柱殼開(kāi)孔接管問(wèn)題的研究狀況[J].壓力容器，1991，8(2):9-15.

〔9〕王寧峰.壓力容器疲勞設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀及展望[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004.

〔10〕周昌玉,沈士明,李榮鋒,等.橋梁用鋼 14MnNbq焊接接頭的疲勞設(shè)計(jì) [J].南京化工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,23(2):49-52.