趙　鵬

浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司　杭州　310012

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SW6夾套容器計(jì)算中若干問題的討論

趙鵬*

浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司杭州310012

摘要夾套容器是石油化工行業(yè)中常見的化工設(shè)備。對(duì)比GB 150和SW6軟件中關(guān)于夾套容器計(jì)算方面的主要內(nèi)容，根據(jù)工程設(shè)計(jì)實(shí)際需要提出了SW6軟件中尚缺少和需修改的計(jì)算內(nèi)容，并對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行分析和討論。

關(guān)鍵詞壓力容器夾套容器強(qiáng)度計(jì)算穩(wěn)定性校核

夾套容器是石油化工行業(yè)中比較常見的化工設(shè)備，多應(yīng)用于反應(yīng)裝置，利用夾套內(nèi)介質(zhì)與設(shè)備本體內(nèi)工藝介質(zhì)進(jìn)行傳熱[1]。由于工藝需要，夾套容器多為壓力容器，其主要的計(jì)算內(nèi)容包括內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算和外壓穩(wěn)定性校核。筆者通過對(duì)比GB150[2]和SW6軟件中關(guān)于夾套容器計(jì)算方面的主要內(nèi)容，根據(jù)工程設(shè)計(jì)實(shí)際提出了SW6軟件中尚缺少和需要修改完善的內(nèi)容，并進(jìn)行討論。

1夾套容器計(jì)算的主要內(nèi)容

在化工設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算中，夾套容器分為兩個(gè)或者兩個(gè)以上的壓力腔，其計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，需要分為多種工況進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)以圖1的某夾套容器為例對(duì)其計(jì)算方面的主要內(nèi)容進(jìn)行說明。

圖1　夾套容器

圖1中的夾套容器由上封頭、內(nèi)筒體、下封頭、夾套筒體、夾套封頭、接管和耳式支座等構(gòu)成。其中考慮到熱量傳遞的效果，夾套筒體采用分段式結(jié)構(gòu)，整個(gè)設(shè)備共分為4個(gè)壓力腔。設(shè)備由耳式支座支撐在鋼平臺(tái)上。該夾套容器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

計(jì)算的主要內(nèi)容：上封頭在-0.1MPa時(shí)的外壓穩(wěn)定性校核和0.33MPa時(shí)的內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算；內(nèi)筒體在-0.43MPa(內(nèi)外壓差)時(shí)的外壓穩(wěn)定性校核(此時(shí)的外壓計(jì)算長(zhǎng)度由分段式夾套長(zhǎng)度決定，取外壓長(zhǎng)度較大者)和0.33MPa時(shí)的內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算；下封頭在-0.43MPa時(shí)的外壓穩(wěn)定性校核和0.33MPa時(shí)的內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算；分段式夾套筒體在0.33MPa時(shí)的內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算；夾套封頭在0.33MPa時(shí)的內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算；接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算(包括接管和套管)；耳式支座處夾套筒體局部應(yīng)力計(jì)算等等。

表1　夾套容器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2SW6夾套容器計(jì)算尚缺少的內(nèi)容

前述的夾套容器的主要計(jì)算內(nèi)容SW6軟件中均有相關(guān)計(jì)算，但是還有一種計(jì)算工況沒有考慮,特別是對(duì)于分段式夾套容器來說，夾套筒體分段后每段的筒體長(zhǎng)度均小于內(nèi)筒體長(zhǎng)度，此時(shí)在內(nèi)外壓差作用下校核內(nèi)筒體的外壓穩(wěn)定性時(shí)可能出現(xiàn)工況考慮不全而導(dǎo)致內(nèi)筒壁厚取值偏小的情況發(fā)生。

SW6是計(jì)算軟件，而非繪圖式的設(shè)計(jì)軟件，軟件未要求設(shè)計(jì)者輸入設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒的外壓計(jì)算長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，因此，設(shè)計(jì)需要考慮齊全可能的各種組合工況。目前，SW6軟件計(jì)算分段式夾套容器時(shí)缺少的工況是內(nèi)筒體全真空-0.1MPa和相應(yīng)外壓計(jì)算長(zhǎng)度下的外壓穩(wěn)定性校核。外壓雖小，但是外壓計(jì)算長(zhǎng)度可能較大，結(jié)果就有可能會(huì)影響內(nèi)筒的壁厚。如果夾套各段封閉結(jié)構(gòu)滿足內(nèi)筒外壓加強(qiáng)圈慣性矩的計(jì)算要求，可以將其作為內(nèi)筒外壓加強(qiáng)圈考慮來確定內(nèi)筒的外壓計(jì)算長(zhǎng)度。所以，設(shè)計(jì)計(jì)算該類分段式夾套容器時(shí)應(yīng)格外注意，需另建SW6程序考慮內(nèi)筒全真空和相應(yīng)外壓計(jì)算長(zhǎng)度的工況。同時(shí)，建議對(duì)SW6軟件進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充和完善。

3SW6夾套容器計(jì)算需修改的內(nèi)容

3.1各工況內(nèi)筒和下封頭設(shè)計(jì)溫度的選取

夾套容器(圖1)內(nèi)筒內(nèi)介質(zhì)為甲醇，其設(shè)計(jì)溫度為80℃，夾套內(nèi)介質(zhì)為飽和水蒸氣，其設(shè)計(jì)溫度為146℃。內(nèi)筒和下封頭的金屬殼體內(nèi)表面溫度接近80℃，金屬殼體外表面溫度接近146℃。而同一種金屬材料在不同溫度下的許用應(yīng)力不同，即使在同一設(shè)計(jì)壓力下，計(jì)算出來的殼體壁厚也會(huì)不同。尤其是對(duì)于碳鋼來講，隨著溫度的升高，其許用應(yīng)力明顯降低。

分析該臺(tái)夾套容器計(jì)算后生成的SW6設(shè)備計(jì)算書可以發(fā)現(xiàn)，在-0.43MPa(內(nèi)外壓差)時(shí)的內(nèi)筒體和下封頭強(qiáng)度計(jì)算時(shí)取的設(shè)計(jì)溫度為146℃(內(nèi)筒和夾套內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)溫度較大值)，而0.33MPa正壓計(jì)算時(shí)內(nèi)筒體和下封頭的設(shè)計(jì)溫度仍為80℃，此種情形將會(huì)導(dǎo)致正壓作用下，內(nèi)筒和下封頭殼體厚度計(jì)算值偏小，尤其是碳鋼材質(zhì)。對(duì)于由正壓計(jì)算決定的殼體厚度工況，此種計(jì)算方法將導(dǎo)致殼體壁厚取值不夠而埋下安全隱患。

夾套容器計(jì)算時(shí)，在所有組合工況下內(nèi)筒和下封頭的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)取相鄰兩個(gè)壓力腔中介質(zhì)設(shè)計(jì)溫度較大值，上封頭(沒有被夾套包裹)的設(shè)計(jì)溫度仍然取內(nèi)筒內(nèi)介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度。因此，設(shè)計(jì)計(jì)算夾套容器時(shí)應(yīng)格外注意，生成SW6計(jì)算書后應(yīng)手動(dòng)去調(diào)整正壓工況時(shí)內(nèi)筒和下封頭的設(shè)計(jì)溫度以及相應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力，重新對(duì)該工況的殼體強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。同時(shí)，建議對(duì)SW6軟件進(jìn)行相應(yīng)的修改和完善。

3.2內(nèi)筒體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的殼體計(jì)算厚度

夾套容器的內(nèi)筒體被夾套筒體包裹，內(nèi)筒體上的接管須經(jīng)過夾套筒體引出至工藝管線，該接管有兩種常見的結(jié)構(gòu)形式，見圖2。

圖2(a)結(jié)構(gòu)為夾套筒體在內(nèi)筒接管周圍進(jìn)行翻邊彎制后與內(nèi)筒焊接；圖2(b)結(jié)構(gòu)為內(nèi)筒接管外圍焊接一個(gè)套管，該套管穿過夾套筒體與夾套筒體外表面焊接，并與內(nèi)筒焊接(內(nèi)筒不開孔)。無論采用圖2中哪種穿過夾套的管口結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)筒接管附近的夾套筒體完整性均遭到破壞，夾套空缺處內(nèi)筒體和接管僅承受內(nèi)筒內(nèi)的設(shè)計(jì)壓力。

圖2　穿過夾套的管口結(jié)構(gòu)

查看該臺(tái)夾套容器在-0.43MPa(內(nèi)外壓差)工況計(jì)算后生成的SW6設(shè)備計(jì)算書開孔補(bǔ)強(qiáng)部分可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)筒上接管計(jì)算時(shí)殼體的計(jì)算厚度程序中取的是-0.43MPa(內(nèi)外壓差)的計(jì)算結(jié)果，而工況-0.43MPa(內(nèi)外壓差)下殼體的計(jì)算厚度較大，內(nèi)筒接管開孔補(bǔ)強(qiáng)不容易滿足，可能要采取增加接管壁厚或者貼補(bǔ)強(qiáng)圈的措施，造成材料浪費(fèi)。

內(nèi)筒開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)接管和殼體焊接區(qū)域存在著有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍，有效補(bǔ)強(qiáng)寬度B按下式取兩者中的較大值：

式中，dOP為開孔直徑，mm；δn為殼體開孔處的名義厚度，mm；δnt為接管名義厚度，mm。

事實(shí)上，夾套容器內(nèi)筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)校核時(shí)殼體計(jì)算厚度的選擇應(yīng)取決于夾套筒體斷開處的結(jié)構(gòu)尺寸(考慮工藝傳熱面積參數(shù)的需要)。按圖2的結(jié)構(gòu)，當(dāng)內(nèi)筒上夾套結(jié)構(gòu)斷開區(qū)域的寬度大于有效補(bǔ)強(qiáng)寬度B時(shí)，開孔處內(nèi)筒的殼體計(jì)算厚度應(yīng)取決于內(nèi)筒自身的壓力工況，而非最苛刻的工況(即-0.43MPa)，否則導(dǎo)致材料浪費(fèi)；當(dāng)內(nèi)筒上夾套結(jié)構(gòu)斷開區(qū)域的寬度小于有效補(bǔ)強(qiáng)寬度B時(shí)，開孔處內(nèi)筒的殼體計(jì)算厚度應(yīng)取決于最苛刻的工況(即-0.43MPa)，而非內(nèi)筒自身的壓力工況，否則埋下安全隱患。

因此，夾套容器內(nèi)筒接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)自身設(shè)置的夾套筒體斷開處的結(jié)構(gòu)尺寸選取內(nèi)筒殼體的計(jì)算厚度。如果內(nèi)筒上夾套結(jié)構(gòu)斷開區(qū)域的寬度小于有效補(bǔ)強(qiáng)寬度，可以按照SW6軟件的結(jié)果繼續(xù)計(jì)算；當(dāng)內(nèi)筒上夾套結(jié)構(gòu)斷開區(qū)域的寬度大于有效補(bǔ)強(qiáng)寬度時(shí)，需另建SW6程序?qū)?nèi)筒上接管開孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整計(jì)算。同時(shí)，建議對(duì)SW6軟件進(jìn)行相應(yīng)的修改和完善。

4結(jié)語

通過對(duì)比GB150和SW6關(guān)于夾套容器計(jì)算方面的主要內(nèi)容，根據(jù)工程設(shè)計(jì)實(shí)際指出了SW6中尚缺少和需要修改完善的內(nèi)容，并進(jìn)行了討論。

(1)計(jì)算存在全真空工況的分段式夾套容器時(shí)，需要考慮齊全可能的各種組合工況。SW6軟件缺少內(nèi)筒體全真空-0.1MPa和相應(yīng)外壓計(jì)算長(zhǎng)度下的外壓穩(wěn)定性校核。此時(shí)的外壓計(jì)算長(zhǎng)度選擇時(shí)應(yīng)注意，如果夾套各段封閉結(jié)構(gòu)滿足內(nèi)筒外壓加強(qiáng)圈慣性矩的計(jì)算要求，可以將其作為內(nèi)筒外壓加強(qiáng)圈考慮來確定內(nèi)筒的外壓計(jì)算長(zhǎng)度。

(2)內(nèi)筒和下封頭設(shè)計(jì)溫度的選取有誤。在所有工況下內(nèi)筒和下封頭的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)取相鄰兩個(gè)壓力腔中介質(zhì)設(shè)計(jì)溫度較大值，上封頭(沒有被夾套包裹)的設(shè)計(jì)溫度仍然取內(nèi)筒介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度。

(3)穿過夾套的內(nèi)筒體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的殼體計(jì)算厚度選取過于保守。當(dāng)內(nèi)筒上夾套結(jié)構(gòu)斷開區(qū)域的寬度大于有效補(bǔ)強(qiáng)寬度時(shí)，開孔處內(nèi)筒的殼體計(jì)算厚度應(yīng)取決于內(nèi)筒自身的壓力工況；當(dāng)內(nèi)筒上夾套結(jié)構(gòu)斷開區(qū)域的寬度小于有效補(bǔ)強(qiáng)寬度時(shí)，開孔處內(nèi)筒的殼體計(jì)算厚度應(yīng)取決于最苛刻的工況，即內(nèi)外最大壓差。

參考文獻(xiàn)

1王凱,虞軍.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書-攪拌設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

2GB 150.1～GB150,4-2011.壓力容器[S].

(收稿日期2015-11-17)

*趙鵬：工程師。2012年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事化工機(jī)械與設(shè)備設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(0571)88365948，E-mail:zhaopeng@zpcdi.com。