灰鎖斗罐的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計(jì)算

陳曉玲

（山西省化工設(shè)計(jì)院)

灰鎖斗罐的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計(jì)算

陳曉玲*

（山西省化工設(shè)計(jì)院)

灰鎖斗罐是在兩個(gè)壓力不相等的系統(tǒng)之間設(shè)置的、壓力可以間歇性變化的中間系統(tǒng)。因?yàn)槠鋲毫Σ煌５刈兓?，屬于疲勞設(shè)備，所以不能采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要按照分析設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)灰鎖斗罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)主要的構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和校核。

灰鎖斗罐疲勞設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算受壓元件支座

0 前言

灰鎖斗罐是鎖斗系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一。鎖斗系統(tǒng)在煤化工很多行業(yè)中都有應(yīng)用，主要應(yīng)用在一些加壓的粉煤/煤渣氣力輸送系統(tǒng)中，是在兩個(gè)壓力不相等的系統(tǒng)之間設(shè)置的、壓力可以間歇性變化的中間系統(tǒng)。鎖斗系統(tǒng)包含的設(shè)備有灰鎖斗罐、鎖斗沖洗水罐、鎖斗循環(huán)泵、泄壓閥、清洗閥、沖渣閥、充壓閥、收渣閥、排渣閥、渣池溢流閥等?；益i斗罐在整個(gè)系統(tǒng)中起到壓力緩沖容器的作用，一般設(shè)置在常壓容器和加壓容器之間?；益i斗罐的特殊使用環(huán)境決定它是疲勞設(shè)備，因此在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用分析設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

1 灰鎖斗罐的設(shè)計(jì)條件

通常，灰鎖斗罐由接管法蘭、襯筒、錐體、筒體、橢圓封頭及連接組件組成。其主要作用是將氣化爐燃盡的灰渣冷卻，粉碎處理后排出，是一部連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的疲勞設(shè)備。每一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期包括卸壓、清洗、排渣、充壓和集渣等過(guò)程。由于該設(shè)備為承受疲勞載荷的設(shè)備，因此采用JB 4732—1995(2005年確認(rèn))標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本次設(shè)計(jì)的灰鎖斗罐的主要參數(shù)：操作壓力0～2.8 MPa，操作溫度40～100℃，設(shè)備規(guī)格?2000×3000，總高6053 mm，上封頭采用橢圓形封頭，下封頭采用錐形封頭?；益i斗罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 灰鎖斗罐結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中，強(qiáng)度計(jì)算主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù)表[1]，其余數(shù)據(jù)詳見(jiàn)各部件強(qiáng)度計(jì)算。材料數(shù)據(jù)見(jiàn)表2材料特性表[2-3]。

表1 強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù)表

2 各受壓元件強(qiáng)度計(jì)算[4]

對(duì)受內(nèi)壓的筒體、上封頭和下封頭的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，主要計(jì)算各部件的壁厚。

2.1 上封頭的強(qiáng)度計(jì)算

本設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，上封頭的壁厚按照J(rèn)B 4732—1995(2005年確認(rèn))中規(guī)定計(jì)算：

對(duì)于長(zhǎng)短軸之比為2∶1的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，取Ri= 0.9Di=1800 mm。按該標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的相關(guān)圖形可得到：

則封頭的計(jì)算厚度為δj=27 mm。考慮鋼板厚度負(fù)偏差（C1=0.3 mm）、腐蝕裕量（C2=3 mm）、整體補(bǔ)強(qiáng)以及疲勞因素，經(jīng)計(jì)算并圓整后得到名義厚度為δn=36 mm。

2.2 設(shè)備筒體受內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)備筒體受內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算按照J(rèn)B 4732—1995 (2005年確認(rèn))中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行，具體的過(guò)程如下：

則在僅受內(nèi)壓作用且pc＜0.4KSm的情況下：

考慮鋼板厚度負(fù)偏差（C1=0.3 mm）、腐蝕裕量（C2=3 mm）、整體補(bǔ)強(qiáng)以及疲勞因素，經(jīng)計(jì)算并圓整后得名義厚度為δn=36 mm。

2.3 錐形下封頭受內(nèi)壓的強(qiáng)度計(jì)算

（1）錐形下封頭的壁厚計(jì)算

錐形下封頭的壁厚計(jì)算按照J(rèn)B 4732—1995 (2005年確認(rèn))中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，具體過(guò)程如下：

表2 材料特性表

則在僅受內(nèi)壓作用且pc<0.4 KSm的情況下，板材Q345R部分的厚度為：

其中，Ric為所考慮點(diǎn)在垂直于殼體壁表面方向量得的半徑，由裝配圖量得Ric=1 108.5 mm。

鍛件16Mn部分的厚度：

其中，Ric為所考慮點(diǎn)在垂直于殼體壁表面方向量得的半徑，由裝配圖量得Ric=461.9 mm。

（2）錐殼大端過(guò)渡段計(jì)算厚度

按照J(rèn)B 4732—1995(2005年確認(rèn))中規(guī)定，錐殼大端過(guò)渡段的計(jì)算厚度按橢圓形上封頭過(guò)渡段計(jì)算厚度考慮。

（3）錐殼大端與圓筒連接處的計(jì)算厚度

通過(guò)查相關(guān)圖，其與α=30°的交點(diǎn)位于曲線左上方，則連接處鄰近的錐殼和圓筒不需要整體補(bǔ)強(qiáng)，錐殼和圓筒需分別按各自計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

（4）錐殼小端與圓筒連接處的計(jì)算厚度

通過(guò)查標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)圖，其與α=30°的交點(diǎn)位于曲線右下方，則連接處的錐殼和圓筒必須予以整體補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)體的厚度計(jì)算公式為：

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定需進(jìn)行核算的以下三個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算。

綜上所述，考慮鋼板厚度負(fù)偏差、腐蝕裕量、封頭整體補(bǔ)強(qiáng)以及疲勞分析等因素，取錐殼、錐殼大端過(guò)渡段和錐殼小端的厚度均為δn=36 mm，且要滿足上述②、③條中提出的長(zhǎng)度要求。

3 耳式支座校核計(jì)算[5]

耳式支座是整個(gè)設(shè)備的支撐，是將設(shè)備與土建鋼結(jié)構(gòu)或者混凝土結(jié)構(gòu)連接的橋梁，它將設(shè)備的質(zhì)量、設(shè)備內(nèi)部物料的質(zhì)量、風(fēng)荷載和地震荷載通過(guò)螺栓傳遞給土建結(jié)構(gòu)，因此它的受力非常重要。

3.1 計(jì)算條件

筒體內(nèi)徑：Di=2000 mm；設(shè)備總高度：H0= 6053 mm；支座底板離地面高度：5000 mm；水平力作用點(diǎn)（質(zhì)心）至底板高度：h=470 mm；設(shè)置地區(qū)基本風(fēng)壓：q0=450 N/m2；地震設(shè)防烈度：7度（0.10g）；設(shè)計(jì)壓力：pc=3.2 MPa；筒體名義厚度：δn=36 mm；厚度負(fù)偏差：C1=0.3 mm；腐蝕裕量：C2=3 mm；設(shè)備總質(zhì)量：m0=10 690+1000×12.7= 23 390 kg；偏心載荷：Ge=0 N；偏心距：Se=0 mm。3.2支座校核計(jì)算

本次設(shè)計(jì)選用4個(gè)B7耳式支座，具體參數(shù)如下：墊板厚度δ3=14 mm，墊板材料Q345R；支座材料Q235A，支座本體允許載荷[Q]=230 kN。耳式支座實(shí)際承受載荷按JB/T 4712.3—2007中附錄A（耳式支座實(shí)際承受載荷的近似計(jì)算）校核。3.2.1校核支座承受的載荷Q

地震載荷：

式中α——地震影響系數(shù)，當(dāng)?shù)卣鹪O(shè)防烈度為7度（0.10g）時(shí)，取α=0.08。

風(fēng)載荷：

式中fi——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；按JB/T 4712.3規(guī)定的設(shè)備高度[5]H0=10 m，取fi=1；

式中，對(duì)于B7耳式支座，其尺寸參數(shù)為l2=430 mm，s1=130 mm，b2=270 mm。

支座實(shí)際承受載荷：

式中k——不均勻系數(shù)，4個(gè)支座時(shí)，取k=0.83;

n——支座數(shù)量，n=4。

Q<[Q]=230 kN，滿足支座本體允許載荷的要求。

3.2.2 校核支座處圓筒所受的支座彎矩ML

通過(guò)SW6-2011軟件中的零部件局部應(yīng)力模塊，即可校核支座處圓筒所受的支座彎矩。具體輸入?yún)?shù)為：墊板（矩形附件）橫截面邊長(zhǎng)C1=600 mm，墊板（矩形附件）橫截面邊寬C2=480 mm，附件中心距離封頭切線的距離l=1900 mm，支座處最大彎矩Mmax=ML=21 780 N·m。由Mmax可計(jì)算出最大表面應(yīng)力Smax和最大膜應(yīng)力Sm。經(jīng)過(guò)SW6軟件校核，結(jié)果合格，計(jì)算結(jié)果列于表3中。

4 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)按照分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB 4732—1995 (2005年確認(rèn))中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)灰鎖斗罐的主要構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，確定了受內(nèi)壓的橢圓形上封頭厚度、筒體厚度和錐形下封頭厚度，并對(duì)耳式支座的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，支座校核結(jié)果合格。這些理論計(jì)算為使用ANSYS建模進(jìn)行各主要構(gòu)件的強(qiáng)度校核和疲勞校核奠定了基礎(chǔ)。

表3 耳座承載校核結(jié)果

[1]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.HG/T 20580—2011鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011：14-21.

[2]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.HG/T 20581—2011鋼制化工容器材料選用規(guī)定[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011：53-60.

[3]潘家禎．壓力容器材料實(shí)用手冊(cè)——碳鋼及合金鋼[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：55-58.

[4]中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部.JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：新華出版社，2007.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).JB/T 4712.3—2007容器支座第3部分：耳式支座[S].北京：新華出版社，2007：78-80.

神寧爐煤氣化技術(shù)進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)

2016年9月23日，神華寧煤集團(tuán)在美國(guó)德克薩斯州，與美國(guó)頂峰集團(tuán)簽署了“神寧爐”氣化技術(shù)許可合同，標(biāo)志著神華寧煤集團(tuán)從技術(shù)引入向技術(shù)輸出邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，為中國(guó)制造走向中國(guó)創(chuàng)造樹立了典范。神寧爐是神華寧煤化工分公司神氣創(chuàng)新工作室吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣化裝置。這一裝置是煤制油項(xiàng)目中的核心裝置，過(guò)去核心技術(shù)一直掌握在國(guó)外幾家大公司手中。神氣創(chuàng)新工作室聯(lián)合中國(guó)五環(huán)工程公司等科研院所，自主開(kāi)發(fā)出了日耗煤2200 t干煤粉的加壓氣化爐，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均處于國(guó)際領(lǐng)先水平，不僅打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，而且其一“出生”就十分搶手，每臺(tái)僅專利轉(zhuǎn)讓費(fèi)就高達(dá)1560萬(wàn)元。2015年神寧爐已向內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)煤制油等項(xiàng)目轉(zhuǎn)讓了14臺(tái)，僅專利轉(zhuǎn)讓費(fèi)就高達(dá)2億多元。截至目前，神華寧煤有28臺(tái)神寧爐即將建成投產(chǎn)，是當(dāng)今世界上規(guī)模最大的煤氣化裝置。美國(guó)頂峰集團(tuán)的德克薩斯州清潔能源項(xiàng)目以合成氨、尿素為主要產(chǎn)品，以二氧化碳為副產(chǎn)品，是一個(gè)為當(dāng)?shù)赜吞镩_(kāi)采提供驅(qū)油劑的清潔能源項(xiàng)目。為尋求最先進(jìn)的氣化技術(shù)，美國(guó)頂峰集團(tuán)聘請(qǐng)美國(guó)著名的化工評(píng)估公司CH2M為第三方公司，進(jìn)行了為期4年的考察準(zhǔn)備，最終選定了神華寧煤的神寧爐。(錢伯章)

The Structure and Strength Calculation of Ash Lock Hopper Tank

Chen Xiaoling

Set between two systems of unequal pressure,the ash lock hopper tank is an intermediate system with intermittent pressure.Because of the constantly changing pressure,the ash lock hopper tank belongs to fatigue equipment.Conventional design method can not be used in the design of the ash lock hopper tank,which needs to be designed by analysis.The structure of the ash lock hopper tank is analyzed,and the strength calculation and check of main components are carried out.

Ash lock hopper tank;Fatigue design;Analysis design;Strength calculation;Pressure part; Bearing

TQ 052.4

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.002

2016-03-09）

*陳曉玲，女，1984年生，碩士，工程師。太原市，030024。