夾 套 容 器 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計

吳加福，胡孫達

（1. 溫州聯(lián)宏設(shè)備有限公司， 浙江 溫州 325025； 2. 浙江章達輕工機械廠，浙江 溫州 325025）

在石油、化工等行業(yè)中，夾套容器因其傳熱面積大，傳熱媒介在容器與夾套間傳熱的效果顯著，而被廣泛使用。根據(jù)夾套結(jié)構(gòu)的情況夾套容器分為：整體夾套容器即夾套型式為U型或圓筒型；通道式夾套容器即夾套型式為型鋼夾套；蜂窩夾套容器即夾套為短管支撐式或折邊錐體式：半管夾套容器即夾套是由半管或弓形管組成的。

1 容器夾套設(shè)計

夾套容器一般由三部分組成，即筒體、封頭及封閉件。在化工生產(chǎn)上帶有夾套的設(shè)備較多，夾套的型式可根據(jù)操作工藝要求確定，常用的為整體夾套，概況的可以分以下幾種，如圖1所示。

圖1 整體夾套容器的型式Fig.1 Overall jacketed vessel type

a型僅圓筒部分有夾套，一般在換熱面積要求不大時使用；b型僅圓筒一部分和底部部分有夾套，此種型式較為普遍；c型是在圓筒部分的夾套采用了分段結(jié)構(gòu)或帶有加強圈；d型為全包式夾套，換熱面積較大。

夾套直徑Dj可按罐體內(nèi)徑D進行選取。

一般D=500~600時，Dj=D+50；D=700~1 800時，

1.1 夾套強度設(shè)計

夾套強度設(shè)計可按GB 150.1~4—2011 《壓力容器》第3部分[1]：設(shè)計中的內(nèi)壓圓筒部分進行計算。

1.2 夾套與筒體的連接

夾套與筒體的連接大部分采用封閉件進行焊接，常見封閉件結(jié)構(gòu)有同軸心變徑結(jié)構(gòu)和環(huán)板結(jié)構(gòu)兩種。

a. 同軸心變徑結(jié)構(gòu)

在考慮錐體形封閉件時，當(dāng)α≤30°時，在夾套介質(zhì)溫度波動小、壓力低的條件下，可采用無折邊對接的形式見圖2（a），因為筒形封口件與夾套體角接焊縫受力狀態(tài)差且焊接質(zhì)量不容易保證，所以焊縫必須采用全焊透結(jié)構(gòu)，壁厚按無折邊受內(nèi)壓錐形封頭進行強度計算。當(dāng)30°＜α≤60°時，采用有折邊錐體形式，如圖2（b）一般在厚度δ≤12 mm 的情況下，結(jié)構(gòu)簡單且容易成形，當(dāng)厚度δ＞12 mm 時，由于筒體翻邊困難無法保證成形質(zhì)量而采用封口件結(jié)構(gòu)。

圖2 錐體形封閉件的結(jié)構(gòu)Fig.2 Conical sealing structure

b. 環(huán)板結(jié)構(gòu)

環(huán)形板封閉件，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，由于屬于環(huán)板受力，一般環(huán)板較厚。環(huán)形板封口件可按HG/T20569—94 《機械攪拌設(shè)備》[2]進行強度計算，對焊縫結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，可用于較苛刻工況。

1.3 夾套擋板設(shè)計

當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)和夾套內(nèi)介質(zhì)的溫度差較大時，并減少介質(zhì)對內(nèi)筒的的沖力而導(dǎo)致的侵蝕，一般在夾套內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板，避免內(nèi)容器的外壁產(chǎn)生局部過熱或過冷而影響傳熱效果，如圖3所示，其中媒介出口應(yīng)大于接管的內(nèi)截面積。

圖3 擋板結(jié)構(gòu)Fig.3 Baffle structure

1.4 夾套排放孔設(shè)計

為全部排出夾套內(nèi)空氣或惰性氣體，使換熱介質(zhì)充滿夾套空間，提高傳熱效率，在夾套頂部開設(shè)排氣孔，排氣孔可設(shè)置為螺塞結(jié)構(gòu)且直徑不應(yīng)小于10 mm。

2 通道式夾套容器設(shè)計

當(dāng)筒體直徑較大或換熱介質(zhì)壓力較高情況下，一般采用半圓管式夾套如圖4（a）、型鋼夾套如圖4（b）、蜂窩夾套如圖4（c）。以上 3種夾套型式均能加快傳熱介質(zhì)流速，提高傳熱效率，且半管式夾套或型鋼夾套可大大提高筒體的剛度。

圖4 半圓管夾套、型鋼夾套、蜂窩夾套Fig.4 Semicircle pipe jacketed, steel jacketed, dimple Jacket

型鋼夾套較整體夾套制造工藝相對復(fù)雜，是通過特定的工裝胎具制造出與圓筒體相吻合的型鋼夾套，再經(jīng)過與容器筒體一環(huán)一環(huán)的組對、焊接而成的結(jié)構(gòu)，型鋼夾套一般沿筒體圓周方向螺旋布置，也可按筒體軸線方向直線布置。

型鋼夾套的強度計算按HG/T20569—94 《機械攪拌設(shè)備》[2]進行計算。

半管夾套按GB150-2011進行強度和穩(wěn)定性計算。半管直徑一般在φ89 ~ 133 mm之間，半管夾套分為半圓管如圖5(a)和弓形管如圖5（b）結(jié)構(gòu)。半管夾套內(nèi)流體的速度一般比整體夾套快2~4倍左右，傳熱效果好，縮短了換熱時間，但半管的焊接量大，且對焊縫質(zhì)量要求較高，相對成本也會上升。

圖5 半圓管夾套容器結(jié)構(gòu)Fig.5 Semicircle pipe jacket vessel structure

蜂窩夾套是夾套殼上有許多按一定規(guī)則形狀排列的，經(jīng)過沖壓成型的圓臺狀凹坑。凹坑底部沖有圓孔，在圓孔處采用填角焊與筒體連接。蜂窩夾套特殊的蜂窩結(jié)構(gòu)加強了罐體的外壓穩(wěn)定性,既節(jié)省材料,又能夠提高夾套與內(nèi)筒體的承壓能力。蜂窩夾套在介質(zhì)供給工況不變的情況下使流體在腔內(nèi)流速增加,比整體夾套快3~10倍左右。使介質(zhì)與蜂窩點多次相撞形成局部小渦流,從而使整個腔內(nèi)形成紊流,加快熱交換速度。

蜂窩夾套強度或穩(wěn)定性計算按GB150-2011進行計算。常用的蜂窩夾套有折邊式，即把夾套向內(nèi)折邊，與筒體進行焊接。還有一種是拉撐式，用沖壓的小錐體做拉撐體。

4 結(jié) 論

隨著化工、石油、機械行業(yè)的發(fā)展，夾套容器使用越來越廣，合理地設(shè)計夾套結(jié)構(gòu)，滿足容器使用的工藝要求和現(xiàn)場施工要求，降低設(shè)備材料成本和制造工期，具有重要的意義。

［1］中華人民共和國國家標準GB150.1 ~4 — 2011 , 壓力容器[S]．北京：2012.

［2］HG/T 20569 — 94 , 機械攪拌設(shè)備[S]．中華人民共和國化學(xué)工業(yè)部，1995.

［3］卓震．化工容器及設(shè)備[M].北京：中國石化出版社，2008.

［4］特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范，TSG R0004 — 2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京： 2009.

［5］中華人民共和國化工行業(yè)標準 HG/ T 20582 — 2011 , 鋼制化工容器強度計算規(guī)定[S].北京：.