立式夾套容器是否采用波形膨脹節(jié)的判定

(中昊(大連)化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧大連 116023)

波形膨脹節(jié)[1]是一種良好的撓性元件，能夠自由伸縮，用來補(bǔ)償殼體由于溫差引起的膨脹量，由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在壓力容器設(shè)備中。但對(duì)于一般的壓力容器設(shè)計(jì)人員來說，比較熟悉的應(yīng)用大多數(shù)是在固定管板式換熱器殼程殼體上，用來降低由于換熱管和殼程圓筒間熱膨脹差所引起的管板應(yīng)力、圓筒和換熱管的軸向應(yīng)力以及管子與管板的拉脫力，或者是不帶夾套的立式容器的筒體上，很少有人知道帶夾套的立式容器上的夾套有時(shí)也需要設(shè)置波形膨脹節(jié)，那么如何判斷夾套是否需要設(shè)置波形膨脹節(jié)呢？本文以硫化氫反應(yīng)器為例，詳細(xì)闡述了夾套設(shè)置波形膨脹節(jié)的計(jì)算過程，希望對(duì)設(shè)計(jì)人員在今后的設(shè)計(jì)中起到一定的指導(dǎo)作用。

1 硫化氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)工藝專業(yè)提供的工藝條件，歸納設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

(續(xù)表)

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)軟件[4]計(jì)算，初步設(shè)計(jì)出硫化氫反應(yīng)器的外形尺寸，見圖1。

圖1 初步設(shè)計(jì)的硫化氫反應(yīng)器

2 夾套是否需要加波形膨脹節(jié)的判定過程

夾套是否加波形膨脹節(jié)首先要看下封頭和筒體是否都有夾套，如果都有夾套那是自由膨脹的，根本不用設(shè)置膨脹節(jié)。如果是只有筒體上有夾套，那么就需要經(jīng)過計(jì)算來判定是否加波形膨脹節(jié)。硫化氫反應(yīng)器只在筒體上有夾套，所以我們要進(jìn)行計(jì)算，才能判定是否需要加波形膨脹節(jié)。由于SW6-2011軟件不能計(jì)算和判斷夾套是否加波形膨脹節(jié)，所以只能根據(jù)現(xiàn)有的資料[2]進(jìn)行手算。

由于夾套與筒體之間存在溫差，所以夾套和筒體會(huì)產(chǎn)生不同的膨脹量，硫化氫反應(yīng)器筒體和夾套的設(shè)計(jì)溫度的溫差很大，并且又采用了不同的材料，更加劇了膨脹差，從而產(chǎn)生了更大的溫差應(yīng)力。

2.1 當(dāng)筒體由環(huán)境溫度t0升到T1時(shí)，產(chǎn)生的自由伸長量

ΔL1=Lα1(T1-t0) (1)

式中:ΔL1——筒體的自由伸長量，mm；

L——夾套的長度，mm；

α1——筒體材料的平均線膨脹系數(shù)，℃-1；

T1——筒體的壁溫，℃；

t0——制造環(huán)境溫度，℃。

所以由硫化氫反應(yīng)器所給條件可以得出：L=2 700 mm，α1=16.486×10-6℃-1(根據(jù)文獻(xiàn)[3]采用內(nèi)插法計(jì)算得出)，T1=530 ℃，t0=20 ℃，所以由公式(1)得：ΔL1=2 700×16.486×10-6(530-20)=22.7 mm。

2.2 當(dāng)夾套由環(huán)境溫度t0升到T2時(shí)，產(chǎn)生的自由伸長量

ΔL2=Lα2(T2-t0) (2)

式中:ΔL2——夾套的自由伸長量，mm；

L——夾套的長度，mm；

α2——夾套材料的平均線膨脹系數(shù)，℃-1；

T2——夾套的壁溫，℃；

t0——制造環(huán)境溫度，℃。

所以由硫化氫反應(yīng)器所給條件可以得出：L=2 700 mm，α2=12.028×10-6℃-1(根據(jù)文獻(xiàn)[3]采用內(nèi)插法計(jì)算得出)，T2=170 ℃，t0=20 ℃，所以由公式(2)得：ΔL2=2 700×12.028×10-6(170-20)=4.87 mm。

2.3 筒體的自由伸長量和夾套的自由伸長量相等

因?yàn)榱蚧瘹浞磻?yīng)器的筒體和夾套焊接后成為一整體，并且是剛性連接，所以筒體的伸長受到夾套的制約，導(dǎo)致筒體和夾套的伸長量相等，當(dāng)T1>T2時(shí)，筒體產(chǎn)生壓縮力F，夾套產(chǎn)生拉伸力F，根據(jù)胡克定律，在筒體中產(chǎn)生的變形為

在夾套中產(chǎn)生的變形為

式中:F——筒體產(chǎn)生的壓縮力(夾套產(chǎn)生的拉伸力)，MPa;

E1——筒體材料的彈性模量，MPa;

E2——夾套材料的彈性模量，MPa；

f1——筒體的橫截面積，mm2；

f2——夾套的橫截面積，mm2。

所以有，

把式(1)、(2)、(3)、(4)帶入(5)中得：

從而導(dǎo)出：

2.4 是否設(shè)置波形膨脹節(jié)的判定條件

夾套不需要設(shè)置波形膨脹節(jié)應(yīng)滿足以下的條件(拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值)：

對(duì)于筒體：

對(duì)于夾套：

對(duì)連接焊縫處的剪切力τ應(yīng)滿足下面的公式：

式中:τ——連接焊縫處的剪切力，MPa;

φ1——筒體的焊接接頭系數(shù)；

φ2——夾套的焊接接頭系數(shù)；

B——根據(jù)文獻(xiàn)[3]外壓圓筒設(shè)計(jì)選取的；

D0——筒體的外徑，mm；

δ1——筒體壁厚mm；

如果以上條件有一項(xiàng)不合格，都需要設(shè)置波形膨脹節(jié)來減小或消除溫差應(yīng)力。

圖2 設(shè)計(jì)兩個(gè)膨脹節(jié)的硫化氫反應(yīng)器

3 結(jié) 語

該硫化氫反應(yīng)器在某生產(chǎn)車間已經(jīng)安全正常地運(yùn)行三年了，足以證明了夾套選用的波形膨脹節(jié)的正確性與合理性。所以說，我們設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)立式帶有夾套的壓力容器時(shí)，在通過軟件[4]進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算合格后，一定要利用此判定原理及其公式，對(duì)夾套進(jìn)行是否設(shè)置波形膨脹節(jié)的判定，才能保證設(shè)備安全正常地運(yùn)行。