實驗爐設計中接管兼作拉撐結構的計算方法

摘要：文章按照GB150-1998、ASME規范及JIS8276-1993的計算方法，對多晶硅實驗爐中拉撐結構的強度分別進行了計算。對比結果表明，JIS8276-1993的計算方法比較合適，并且可以通過實際驗證。

關鍵詞：多晶硅實驗爐；拉撐結構；強度計算

中圖分類號：TQ545 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）25-0069-02

多晶硅實驗爐用于多晶硅生產中觀測晶粒生長情況。其工作原理與目前我國生產多晶硅的原理一致，采用SiHCl3鐘罩法，利用還原反應生成多晶硅。

圖1 多晶硅實驗爐結構簡圖

多晶硅生成條件非常苛刻，在高電壓下需承受瞬間高溫，可達到上千攝氏度。故要求此設備有良好的冷卻系統，結構簡圖見圖1。此實驗爐設計壓力低壓，設計溫度中溫，主體材質為奧氏體不銹鋼，采用夾套結構，夾套內部采用循環冷卻及降低殼體壁溫，底盤空腔部分分布工藝管口，空腔內部走冷卻介質。降低底盤以及接管溫度，為保證水冷效果，需將底盤厚度降至最低。為此，對底盤嘗試按照GB150-1998、ASME規范及JIS8276-1993中相關的強度計算方法分別進行對比，以期找到底盤厚度確定的合適方法。

1 GB150-1998的計算方法

按照GB150-1998，對于此種情況應按照平蓋開孔進行計算。此方法并未考慮接管對平蓋的拉撐作用，相反，卻考慮了開孔對平蓋的削弱作用，故其計算厚度偏大。

2 ASME Ⅷ-1的計算方法

ASME Ⅷ-1中認為壓力容器設置拉撐結構可由拉撐承擔部分或全部壓力載荷，以減少承壓元件的厚度。在此設備中，接管作為拉撐與平蓋同時承受載荷，平蓋發生彎曲變形，拉撐發生拉伸或壓縮變形，因而平蓋的厚度比無拉撐時薄。

根據ASME Ⅷ-1 UG-47到UG-50以及UW-19給出的拉撐設計方法：

t——平封頭所需最小厚度，in

P——內壓（或最大允許工作壓力），psi

S——設計溫度下的許用應力，psi

p——拉撐最大節距，in

C——常數，取決于拉撐的裝備方法

此方法的優點在于考慮了接管對平蓋的拉撐作用，并對對稱布置的拉撐結構提供計算方法，但對于非對稱布置以及管狀拉撐結構并未提出明確的計算方法。

3 JIS8276-1993的計算方法

JIS8276-1993對于此種不規則拉撐結構給出了更為詳細的描述：

t——平封頭或管板的計算厚度（mm）

P——設計壓力（MPa）

δa——設計溫度下材料的基本許用應力（N/mm2）

pc’——不規則拉撐的最大間距（mm）

C——與支點種類有關的常數

平蓋的管群部分，如圖2所示，通過3個支點，內部無拉撐的最大圓直徑為d，則為pc’。

圖2 平蓋的管群部分

圖3 拉撐所支撐的載荷

與支點種類有關的常數C見表1：

表1 與支點種類有關的常數C

支點種類C

封頭開始彎曲的線3.2

管板外周的固定線3.2

管狀支撐2.6

管排中心線1.9

最后，需對拉撐結構所需最小截面積A進行

校核：

A=1.1W/σa

W——拉撐所支撐的載荷（如圖3示）（N）

A——拉撐所需最小截面積（mm2）

σa——設計溫度下材料的基本許用應力（N/mm2），支撐采用焊接型式時應乘以焊接接頭系數

對于接管作為拉撐的結構形式，應采用以下焊接型式：

（a） （b） （c）

圖4 接管作為拉撐結構的焊接型式

對圖（b），平行于拉撐軸的剪切力所作用的焊縫面的面積不得小于拉撐所需最小截面積的1.25倍，由于拉撐在空腔中主要承受拉伸或壓縮，所以拉撐與拉撐之間必須保持一定的平行度，與平蓋及底板保持一定的垂直度。

此計算方法適用于不規則非均布拉撐結構的強度計算，充分考慮了接管作為拉撐對底盤的支撐作用，計算厚度遠小于GB150-1998及ASME Ⅷ-1 UG-47的計算厚度。

4 結語

對實驗爐拉撐結構進行強度設計時，分別按照GB150-1998、ASME規范及JIS8276-1993中的相關設計方法進行強度計算。其中，JIS8276-1993的方法能夠在滿足強度設計條件的前提下，獲得最小計算厚度。按此法設計的實驗爐順利通過水壓試驗驗證，且現場運轉正常，不僅徹底解決了底盤水冷問題，還創造了一定的經濟價值，可為類似結構的設備提供參考。

作者簡介：李曉丹（1986-），女，江蘇南京人，江蘇中圣高科技產業有限公司助理工程師，研究方向：質量控制。

（責任編輯：周瓊）