淺談塔設(shè)備的失效形式及外壓設(shè)計(jì)

楊 勇，侯育德（必維質(zhì)量技術(shù)服務(wù)上海有限公司，上海 200001）

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淺談塔設(shè)備的失效形式及外壓設(shè)計(jì)

楊 勇，侯育德
（必維質(zhì)量技術(shù)服務(wù)上海有限公司，上海 200001）

摘 要：介紹塔設(shè)備的主要失效形式和外壓設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)分析失穩(wěn)失效形式，圓筒外壓設(shè)計(jì)方法，外壓加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)等。通過(guò)增加外壓加強(qiáng)圈，減小圓筒計(jì)算長(zhǎng)度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圓筒壁厚的減薄，在實(shí)際工程中具有重大意義。

關(guān)鍵詞：塔設(shè)備；失效形式；外壓計(jì)算；加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)

0　前言

塔設(shè)備又稱塔式容器，是直立設(shè)備中的一種，它可使氣液或者液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到傳質(zhì)機(jī)傳熱的目的。在石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的重要生產(chǎn)設(shè)備。

塔設(shè)備屬于壓力容器范疇，因此，塔設(shè)備所承受載荷可分為內(nèi)壓力、外壓力、風(fēng)載荷和地震載荷等。在這里我們主要討論受外壓的塔設(shè)備筒體的失效形式及其設(shè)計(jì)方法。

1　失效形式

塔設(shè)備的失效形式分為強(qiáng)度失效、剛度失效、泄露失效和失穩(wěn)失效四大類。

（1）強(qiáng)度失效 - 因材料屈服或斷裂引起的失效，其包括韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂等。

（2）剛度失效 - 因設(shè)備發(fā)生過(guò)大的彈性變形引起的失效。例如，露天立置的塔設(shè)備在風(fēng)載荷作用下，若發(fā)生過(guò)大的彎曲變形，會(huì)破壞塔的正常工作或塔體受到過(guò)大的彎曲應(yīng)力。

（3）泄漏失效 - 因泄漏而引起失效。泄漏不僅有可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，而且會(huì)造成環(huán)境污染。

（4）失穩(wěn)失效 - 在外壓的作用下，設(shè)備還未發(fā)生強(qiáng)度破壞前，突然失去其原有的幾何形狀引起的失效。例如，受均布外壓的圓筒，其薄膜應(yīng)力分布規(guī)律與內(nèi)壓圓筒一樣，不同的只是內(nèi)壓圓筒是拉應(yīng)力，而外壓圓筒為壓應(yīng)力。

當(dāng)薄壁圓筒受外壓力時(shí)，當(dāng)壓力達(dá)到某一臨界值前，筒壁上的任一一處均處于一種平衡狀態(tài)。受外壓力的圓筒在壓應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服點(diǎn)時(shí)，圓筒就被壓癟或發(fā)生褶皺，載荷卸去后，圓筒不能恢復(fù)原狀，即在一瞬間失去自身原來(lái)的形狀，以致使圓筒失穩(wěn)失效。外壓圓筒失穩(wěn)失效的本質(zhì)是由一種平衡狀態(tài)躍變到另一種的平衡狀態(tài)。

圓筒失穩(wěn)后，橫截面的形狀與壓桿失穩(wěn)變形情況類似，呈正弦波形曲線，它的變形波數(shù)可能為2、3、4…，這取決于圓筒的結(jié)構(gòu)尺寸和約束情況。

2　外壓圓筒設(shè)計(jì)

首先，假設(shè)塔設(shè)備名義厚度δn，有效厚度δe，外徑D0，計(jì)算外壓力pc，圓筒計(jì)算長(zhǎng)度L，設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量Et。

對(duì)于塔設(shè)備外徑D0與有效厚度δe的比值D0/δe≥20，按以下步驟進(jìn)行外壓計(jì)算：

（1）確定外壓應(yīng)變系數(shù)A。

如果L/Do值大于50，那么可以根據(jù)L/Do=50來(lái)對(duì)外壓應(yīng)變系數(shù)A值進(jìn)行取證；如果L/Do值小于0.05，那么可以根據(jù)L/Do=0.05來(lái)對(duì)外壓應(yīng)變系數(shù)A值進(jìn)行取證。

（2）確定外壓應(yīng)力系數(shù)B。

根據(jù)（1）所查得的外壓應(yīng)變系數(shù)A值，按照GB 150.3-2011對(duì)外壓應(yīng)力系數(shù)B進(jìn)行取證；

如果外壓應(yīng)變系數(shù)A值超出設(shè)計(jì)溫度曲線的最大值，取對(duì)應(yīng)溫度曲線右端點(diǎn)的縱坐標(biāo)為B值；

如果外壓應(yīng)變系數(shù)A值小于設(shè)計(jì)溫度曲線的最小值，則按以下公式計(jì)算B值：

（3） 確定許用外壓力［p］。根據(jù)（2）所得的外壓應(yīng)力系數(shù)B值，按以下公式計(jì)算許用外壓力［p］：

如果算得許用外壓力［p］≥pc，合格。如果算得許用外壓力［p］＜pc，則須重新假設(shè)有效厚度，按照上述步驟重新計(jì)算，直到滿足要求。

3　外壓加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)

3.1計(jì)算長(zhǎng)度的確定

外壓圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度是指圓筒外部或內(nèi)部?jī)上噜弰傂詷?gòu)件之間的最大距離，通常封頭、法蘭、加強(qiáng)圈等均可視為剛性構(gòu)件。對(duì)于凸形封頭，應(yīng)計(jì)入直邊段以及封頭曲面深度的1/3。當(dāng)圓筒部分有多個(gè)加強(qiáng)圈時(shí)，取相鄰加強(qiáng)圈中心線間的最大距離；凸形封頭也可以看作是加強(qiáng)圈。對(duì)于帶無(wú)折邊錐殼的設(shè)備，則應(yīng)視錐殼與圓筒連接處的慣性矩大小區(qū)別對(duì)待：若連接處的截面有足夠的慣性矩，不致在圓筒失穩(wěn)時(shí)也出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，則取到錐殼與筒體間的焊縫為止，否則應(yīng)取到加強(qiáng)圈為止；對(duì)于帶有折邊錐殼的設(shè)備，還應(yīng)計(jì)入直邊段和折邊部分的深度。

3.2加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)

要提高外壓圓筒的操作外壓力，就必須提高許用外壓力［p］。提高許用外壓力［p］可通過(guò)增加筒體有效厚度δe或減小外壓圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度L來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，從經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)看，減小外壓圓筒計(jì)算長(zhǎng)度L比增加筒體有效厚度δe更為合理。

加強(qiáng)圈應(yīng)具有足夠的剛性，常用扁鋼、角鋼、工字鋼或其他型鋼制成，可以設(shè)置在圓筒內(nèi)部或外部，其材料多為碳鋼。

加強(qiáng)圈與圓筒焊接可采用連續(xù)的或間斷的，當(dāng)在圓筒外設(shè)置時(shí)加強(qiáng)圈，加強(qiáng)圈每側(cè)間斷焊接的總長(zhǎng)，應(yīng)不小于圓筒外圓周長(zhǎng)的1/2；當(dāng)在圓筒內(nèi)設(shè)置時(shí)加強(qiáng)圈，焊接總長(zhǎng)應(yīng)不小于圓筒內(nèi)圓周長(zhǎng)的1/3。加強(qiáng)圈兩側(cè)的間斷焊縫孔錯(cuò)開(kāi)或并排布置，但焊縫之間的最大間隙對(duì)外加強(qiáng)圈為8δn，對(duì)內(nèi)加強(qiáng)圈為2δn。

為保證圓筒與加強(qiáng)圈的加強(qiáng)作用，加強(qiáng)圈應(yīng)整圈繞在圓筒的圓周上，而不許任意削弱或隔斷。

外壓圓筒加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算，請(qǐng)參照GB 150.3-2011 4.5章要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算這里就不作詳細(xì)的介紹。

綜上所述，對(duì)于受外壓的塔設(shè)備，可以通過(guò)增加外壓加強(qiáng)圈的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圓筒壁厚的減薄。在實(shí)際工程中，特別是對(duì)不銹鋼或其他貴重金屬制造的外壓設(shè)備，可在外部設(shè)置加強(qiáng)圈，以減少貴重金屬的消耗量，在減少設(shè)備重量，節(jié)省成本上具有重大意義。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.248