普通鋼制蒸汽分汽缸的快速設計與實例

摘 要：文章簡述了蒸汽分汽缸的結構與用途，并進行了分汽缸的快速設計，通過實例設計計算，確定了分汽缸最基本的外形尺寸大小及用鋼厚度，從而保證用缸的合理性與安全性。

關鍵詞：蒸汽分汽缸；快速設計；實例

1 概述

蒸汽，由于其具有熱焓值大、效率高等諸多優點，在工業及民用換熱系統中被廣泛作為熱媒使用[1]。分汽缸，作為蒸汽換熱設備系統中的汽體緩沖及用汽的集中管理設備，被廣泛使用[2]。分汽缸的主要作用主要有：（1）緩沖蒸汽。由于供汽設備壓力不穩，故需分汽缸儲汽，并調節氣體壓力。（2）分流汽體。通過分汽缸可使壓力均衡地分出多路支管，供汽給不同用汽設備。（3）濾除雜質。由于蒸汽在管道輸送過程中難免摻雜進一些固體顆粒。（4）汽水分離[3]。

分汽缸屬于壓力容器范疇。本體結構一般包括：筒體、封頭、上排孔管接頭（輸汽管、壓力表管）以及下孔管接頭（疏水）。在用戶選擇成套鍋爐后，對用汽點在兩個以上的鍋爐房都應設置蒸汽分配缸，便于用汽的管理和避免在蒸汽母管上開孔。由于不同用戶需求不同，因此分汽缸很難做為通用設備類的定型產品。文章描述對分汽缸的簡單設計計算及實際實例設計。

2 分汽缸各參數的確定

2.1 缸筒體直徑的確定

除用戶提出要求外，亦可通過熱力計算根據介質流速來確定筒體直徑，其方法如下：

式中：Q-介質的容積流量，m3/h；G-介質的重量流量，即產（用）汽量，t/h；ν-介質的比容，m3/kg（查飽和蒸汽表）；ω-介質的流速，m/s（根據經驗可取ω=2～8m/s較為合適）；D-筒體的內徑，mm。

在確定筒體直徑時，必須考慮鍋爐主蒸汽管管徑（d）大小對分氣缸筒體強度的影響。筒體上最大孔徑d應≤D/2。

2.2 缸長度的確定

分汽缸筒體兩孔之間的中心稱為節距，用l表示，節距（見圖1）應滿足：（1）兩孔間接管法蘭、閥門儀表等操作的最小距離；（2）開孔不需另行補強以及端部孔對筒體邊緣焊接及截面形狀影響的最小距離。因此：

a.當開孔d為Ф57mm及以下排管時，節距l值為：ln=dn-1+dn+120

b.當開孔d為Ф63.5mm及以上排管時，節距l值為：ln=2（dn-1+dn）

這樣確定的l值既不影響管道閥門安裝操作，又使強度減弱系數Ф值小于0.75而過多地增加筒體板厚。另根據GB150-2011中有關規定，以開孔中心為圓心，1.5倍開孔直徑的圓中所包含的焊縫須進行100%射線或超聲波探傷。因此可將端部焊縫之間的距離l0及ln規定為等于2倍的接管外徑。

2.3 缸壁厚的確定

式中：δ-筒體計算壁厚，mm；Pc-計算壓力，MPa；Di-封頭的直徑，mm；[σ]t-設計溫度（即飽和蒸汽或過熱蒸汽溫度）下材料的許用應力，MPa；Ф-焊接接頭系數；開孔減弱系數，取最小值；C-厚度附加值，mm；C=C1+C2，C1為厚度負偏差，取2mm（即滿足GB3087-2013中壁厚乘以偏差系數的要求），C2為腐蝕余量，一般C2=1mm。

2.4 缸封頭厚度的確定

封頭結構一般根據筒體直徑、壓力和制造條件選取，按GB150-2011規定，應首選橢球型封頭。標準橢球型封頭的長短軸之比為2。受內壓的標準橢球形封頭的計算壁厚按下式計算：

3 實例

背景：南方某制藥廠因擴建需要，安裝成套整裝鍋爐2臺，兩臺鍋爐同時運行。分汽缸直徑為400mm，鍋爐設計壓力為1.45MPa，主蒸汽管道為Ф159×4.5，內徑為150mm，鍋爐蒸發量為4t/h，工作介質為飽和蒸汽，設計溫度為200℃。缸上開孔分別為：Ф159，Ф159，Ф159，Ф89，Ф89，Ф57，Ф57。所以：

（1）由上述2.1中公式復核分汽缸中蒸汽的流速為：

（2）由2.2中所述計算分汽缸總長度為：

L總=l0+l1+l2+l3+l4+l5+l6+l7=2×159+2×（159+159）+2×（159+159）+2×（159+89）+2×（89+89）+（89+57+120）+（57+57+120）+2×57=3050mm，將尾數調整為零，最后取缸長度為3100mm。

（3）由2.3中的計算壓力Pc=1.45×1.06（整裝鍋爐安全閥系數）=1.537Mpa。設計溫度下的材料許用應力為134Mpa。Ф取0.75。計算壁厚得：δ=7mm。

（4）由2.4中得：δ封頭=7mm+0.1δ封頭，算的δ封頭=8mm。

4 結束語

分汽缸雖為鍋爐的主要附件之一，但屬于壓力容器，受工作壓力、工作溫度、規格直徑、主體材料、全容積、現場工況等多種條件限制，幾何尺寸、結構均有較大的差異。上述是對缸的基本設計，諸多細節例如：各接管上的接管法蘭應比管壓力高一個等級等未詳述。分汽缸作為非通用設備，但其壓力容器身份，應自設計、制造、監督檢驗均應受重視。

參考文獻

[1]江蘇省機械工業鍋爐科技情報網.工業鍋爐實用手冊[M].機械工業出版社，1991.

[2]徐寧.鋼制蒸汽分汽缸的設計[J].工程建設與設計，2003（8）：28-29.

[3]楊晨，等.分汽缸、分水器、集水器的作用及設計中應注意的問題[A].2010年全國給水排水技術信息網年會論文集[C].191.

[4]GB150-2011.鋼制壓力容器[S].

[5]GB3087-2013.鍋爐用無縫鋼管[S].

作者簡介：唐李琪（1985-），男，工程師，從事工程管理與技術工作。