臥式壓力容器優化設計方法

【摘 要】本文就臥式壓力容器優化設計方法進行了探討，結合了具體的實例，系統分析了臥式壓力容器的優化設計方法，并對比了優化方案，以期能獲得理想的結構設計方案。

【關鍵詞】臥式壓力容器；殼體厚度；優化設計

0 引言

壓力容器是專用的輕化工設備，其設計除了具有一般通用機械設計的共性之外，更要考慮生產和使用過程的安全性（如易燃、易爆、腐蝕等），使得優化設計參數增加及難度增大。對于臥式壓力容器來說，殼體的厚度并不是決定于內壓強度的。本文就臥式壓力容器優化設計方法進行了探討，旨在為優化臥式壓力容器而提供參考借鑒。

1 容器概述

介質為油氣、污油、H2S，最高工作壓力為0.2MPa，最高工作溫度為200℃。該容器的設計標準和現場自然條件見表1，容器主要受壓元件標準橢圓形左、右封頭，以及圓筒設計壓力均為0.38MPa，設計溫度為220℃，材料為Q245R（GB 712—2008），腐蝕裕量為3mm，焊接接頭參數為1。

2 問題的提出

查看容器的計算書可以發現，殼體的內壓計算厚度僅為5.8mm，而原設計方案殼體的有效厚度為10.7mm，故殼體的最大允許工作壓力（0.70MPa）遠遠高于設計壓力（0.38MPa），殼體總體應力水平很低。很明顯，原設計方案中，殼體的厚度不是由內壓，而是由容器某些位置（如支座截面處或最大彎矩截面處）的局部應力（表2中符號說明見JB/T4731—2005《鋼制臥式容器》）決定的。問題由此產生，能否通過優化結構設計，達到減薄殼體厚度的目的呢？

當殼體的軸向應力、周向應力或剪應力不滿足許用值時，通常采用增加殼體厚度；改變鞍座型式；設置加強圈三種方法來解決：

原設計方案采用的是通過增加殼體厚度，降低殼體總的應力水平達到解決問題的目的，這也是目前大多數設計人員普遍采用的方法。采用這種方法雖然簡單易行，但得到的殼體厚度往往較大，材料的性能得不到有效的發揮和利用，不是優化的設計方案。

2.1 結構設計優化

1）改變鞍座的型式

鞍座的型式通常選用行業標準JB/T4712.1—2007《容器支座 第1部分：鞍式支座》，其中有輕型和重型兩大類，輕型（A型）為焊制，120°包角，有墊板；重型（B型）按型式（焊制或彎制）、包角（120°或150°）及有無墊板分為BⅠ、BⅡ、BⅢ、BⅣ、BⅤ等五種。一般來說，臥式容器通常選用A型鞍座，換熱器通常選用BⅠ型（焊制，120°包角，有墊板）鞍座。

可能是考慮到該設備是大直徑的薄壁容器這一特點，原設計方案沒有選用A型鞍座，而是選用了BⅠ型鞍座。但計算結果表明，選用A型鞍座與選用BⅠ型鞍座所得到的結果是相同的，即選用BⅠ型鞍座并未達到降低應力、減小殼體厚度的目的。

查看表3的數據可以發現，原設計方案中該容器最危險的部位位于鞍座墊板邊緣處，在壓力試驗工況下，圓筒周向應力σ6′為控制因素（應力值為169.03MPa，許用值為220.5MPa）。

影響σ6′大小的系數K6與鞍座包角有關，包角越大，K6越小，σ6′也隨之減小。這也解釋了選用A型鞍座與選用BⅠ型鞍座得到的殼體厚度是相同的原因，因為兩種型式鞍座的包角相同。

故通過增大鞍座包角，采用BⅡ型（重型焊制，150°包角，有墊板）支座重新計算，殼體的名義厚度可以從14mm降至12mm，此時支座截面處或最大彎矩截面處的應力見表3。

通過對比可以看出，雖然殼體的厚度減小了，但最危險的部位（仍位于鞍座墊板邊緣處）在壓力試驗工況下，圓筒周向應力σ6′卻降到了153.07MPa。表明采用增大鞍座包角這一措施可有效地減小殼體厚度，并改善容器的受力情況。

2）設置加強圈

雖然采用增大鞍座包角這一措施可有效地減小殼體厚度，并改善容器的受力情況，但此時殼體的有效厚度仍有8.7mm，故殼體最大允許工作壓力（0.57MPa）仍遠遠高于設計壓力，優化設計的效果并不太理想。如采用設置加強圈，能否有效改變這種情形呢？

加強圈的設置有三種不同型式，即在圓筒內鞍座平面上或靠近鞍座兩側設內部加強圈，或在圓筒外靠近鞍座兩側設外部加強圈。

通過計算，即使采用A型鞍座，如在圓筒內鞍座平面上設1個L180mm×14mm的內部加強圈，或在圓筒內靠近鞍座兩側各設1個L110mm×14mm的內部加強圈，或在圓筒外靠近鞍座兩側各設1個L125mm×8mm的外部加強圈，殼體的名義厚度均可降至10mm，相應的支座截面處或最大彎矩截面處的應力。

此時，殼體的有效厚度僅為6.7mm，屬于正常的規格圓整，沒有其他額外的裕量。殼體的厚度可同時滿足結構總體應力和局部應力的需要，材料的性能得到了有效的發揮和利用。

數據表明，無論是在圓筒內鞍座平面上或靠近鞍座兩側設內部加強圈，或在圓筒外靠近鞍座兩側設外部加強圈，壓力試驗工況均為危險工況，對應于三種不同的型式，最危險的部位分別位于鞍座邊角處圓筒（應力值σ7為209.7MPa，許用值為220.5MPa），加強圈橫截面上靠近水平中心線處加強圈內緣表面（應力值σ8為204.71MPa，許用值為211.5MPa），加強圈橫截面上靠近水平中心線處圓筒（應力值σ7為212.46MPa，許用值為220.5MPa）。

3 方案對比

從表4中的數據可以看出，無論是采用增大鞍座包角或設置加強圈中任一方法，與原方案相比，工程量都有明顯的降低。尤其是采用設置加強圈，不僅工程量能降低20%以上，更重要的是大大減薄了殼體厚度（從原方案的14mm降低至10mm），減少了壓力容器用鋼的重量，減少了焊接工作量，有效地降低了設備成本，大大地提高了經濟性。

4 結語

目前，臥式壓力容器廣泛應用在石油化工、醫藥、食品等工業領域。綜上所述，臥式壓力容器殼體的厚度并不決定于內壓的強度，因此我們可以根據這一要點對容器進行優化調整。通過優化結構設計，可以明顯減薄殼體厚度，從而達到降低設備成本，提高經濟性的目的。

【參考文獻】

[1]劉金純.壓力容器分析設計的結構優化方法[J].當代化工，2006（06）.

[2]高峰.淺析壓力容器的優化設計[J].科技與企業，2013（13）.

[責任編輯：劉帥]