熱壓罐罐體設計溫度的探討

李升進

（中航工程集成設備有限公司）

?

熱壓罐罐體設計溫度的探討

李升進*

（中航工程集成設備有限公司）

摘要分析了設計溫度對熱壓罐罐體壁厚的影響。對某熱壓罐局部結構建立了三維傳熱數學模型，利用商業軟件進行傳熱分析，獲得了熱壓罐罐體主要受壓元件的溫度分布。數值分析發現并驗證了常規經驗設計的不經濟性。分析結果指出，選取的設計溫度可以降低，從而筒體壁厚也可以減小。

關鍵詞熱壓罐設計溫度傳熱數值分析工藝接管罐體

*李升進，男，1982年生，碩士，工程師。北京市，102206。

設計溫度和設計壓力是容器設計的設計載荷條件。GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》對設計溫度作了定義：容器在正常工作情況下，設定的元件金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。熱壓罐是一種典型的齒嚙式壓力容器，容器的最高工作溫度不高（常規為250℃），因此在設計時，常常直接采用最高工作溫度作為設計溫度。然而，隨著設備向大型化以及高參數（壓力、溫度都較高）方向發展，再繼續采用最高工作溫度作為設計溫度，不符合設計經濟合理性以及節能的要求。例如，容器內徑3.5 m，設計壓力1.54 MPa，腐蝕裕量取1 mm，焊接接頭系數取1，36個齒，殼體材質采用Q345R鋼板，由不同設計溫度計算的殼體名義壁厚見表1。

表1　設計溫度與殼體壁厚的關系

由表1可見，殼體壁厚跟設計溫度密切相關。除殼體之外，對于熱壓罐這種壓力容器，其另一主要受壓元件為卡箍及齒法蘭鍛件（見圖1）。為確定其設計溫度，需得到工作時其詳細的溫度分布。本文根據某熱壓罐結構設計，建立三維傳熱模型，獲得了熱壓罐主要受壓元件在工況下的溫度分布，修正了設計溫度值，獲得了較經濟的設計結果。

1　設計參數

圖1所示為依據設計壓力1.54 MPa、內徑3.5 m和設計溫度250℃等主要參數而設計的熱壓罐罐體結構。

圖1　熱壓罐罐體結構尺寸

殼體采用內部保溫結構，分為兩大類進行傳熱分析：一類是無工藝接管處的結構（見圖2），主要結構部分為齒嚙式卡箍、法蘭及筒體；一類是有工藝接管處的結構（見圖3），主要為筒體開孔處。

圖2　無工藝接管處傳熱結構

圖3　工藝接管處傳熱結構

2　傳熱分析

2.1無接管結構的傳熱分析

對圖2所示結構，按圖1結構尺寸及保溫層厚度尺寸120 mm，建立1/36周的三維實體模型。實體采用Solidworks繪制，導入ANSYS軟件，進行傳熱數值分析。模型網格劃分，采用最小網格單元不大于5 mm進行約束；考慮到只有導熱分析模型，采用自由網格劃分辦法。計算獲得相關部位的溫度分布。主要材料的熱物性參數見表2及表3。

表2　材料的比熱容

表3　材料的導熱系數

傳熱邊界條件為：

（1）內表面設置對流換熱邊界條件，對流換熱系數取40 W/（m2·K），來流溫度250℃；主要材料的物性參數見表2、表3。

（2）外表面設置綜合對流換熱邊界條件，環境溫度20℃，換熱系數隨外表面溫度的關系見表4，其余溫度時采用內插法計算。

（3）其余表面為默認邊界條件（絕熱邊界條件）。

圖4為金屬元件溫度分布云圖。由圖4可知，金屬元件最高溫度出現在卡箍、法蘭與熱介質直接接觸處，且最高溫度為122℃；距離與熱介質直接接觸處越遠，鋼材的溫度就越低。圖5、圖6、圖7、圖8分別為卡箍、法蘭、筒體以及密封件的溫度分布云圖。卡箍和法蘭的最高溫度約為122℃，最低溫度約為89℃，按照《壓力容器》對設計溫度的定義，二者金屬截面平均溫度約為105℃。考慮一定的工程裕量，設計溫度設定為150℃即可。筒體的最高溫度約為90℃，因此筒體可以按照設計溫度定義選取，也可取為150℃。密封件的最高溫度為120℃，因此密封件可采用硅橡膠材質。

表4　外表面傳熱系數

圖4　受壓元件溫度總體分布

圖5　卡箍溫度分布云圖

圖6　齒法蘭溫度分布云圖

圖7　筒體溫度分布云圖

圖8　密封件溫度分布云圖

2.2有接管結構的傳熱分析

對接管處建立三維實體模型，外表面邊界條件同上述2.1節。內表面根據工藝接管處原理不同，設置兩種類型：一是接管內部氣體沒有流動，此時接管在熱壓罐內未被保溫層覆蓋之處，外徑表面設為對流換熱邊界條件；二是接管內部有工藝介質（空氣或氮氣）流動，與容器內部介質接觸處為對流換熱邊界條件。圖9為接管內部有介質流動的殼體溫度云圖；圖10為接管內部無介質流動的殼體溫度云圖。由圖9可知，殼體最高溫度為147℃，最低溫度為52℃，金屬平均溫度為100℃；由圖10可知，殼體最高溫度62℃，最低溫度37℃，金屬截面平均溫度50℃。兩圖最高溫度都出現在接管位置處。從國標《壓力容器》對設計溫度的定義可知，考慮一定的工程余量，筒體設計溫度可取為150℃。

2.3小結

從上述兩節可知，在本文所示的結構下，卡箍及法蘭的最高溫度出現在與介質直接接觸處；而筒體的最高溫度則出現在與接管連接處，且接管內部有介質流動。但在本文的設計條件下，設計溫度取250℃是較為保守的。筆者建議，卡箍、法蘭及筒體設計溫度可以取150℃，這樣既可以滿足工程要求，又能降低成本。

圖9　管道內部有介質流動時殼體溫度分布

圖10　管道內部無介質流動時殼體溫度分布

3　結論

本文借助于商業軟件CFD，驗證分析了熱壓罐罐體較復雜結構的傳熱情況，根據傳熱計算結果，驗算了原設計的金屬溫度場分布。結果表明，原設計是偏于安全的。但原設計余量較大，根據傳熱計算結果，結構設計時設計溫度取150℃即可滿足要求。本文根據計算結果，降低了熱壓罐罐體的設計溫度，獲得了較為經濟的結果。

詳細的溫度分布，也揭示了文中結構在傳熱條件下的溫度極值。對于卡箍、法蘭溫度極值出現在其與工作介質直接接觸處；對于筒體則出現在接管與筒體連接處，且最高值出現在接管內部有介質流動時。若要進一步降低結構件工作時的溫度，對卡箍和法蘭而言，可在結構設計時采取隔絕措施，不讓其直接與介質接觸，不參與對流換熱；對于更高的工作溫度條件，還可以進行相關的設計改進。對筒體而言，主要的關注點應放在接管內有工藝介質流動處，同時要采取措施減少接管處介質的泄漏；如果工作溫度進一步提高，可采用局部結構進行處理，使所設計的部件不直接與工藝接管連接。

Discussion on Design Temperature of Autoclave Body

Li Shengjin

Abstract：The influence of the design temperature on the wall thickness of the autoclave body is analyzed.A three-dimensional heat transfer mathematical model of the partial structure of a autoclave is established and the heat transfer analysis is carried out through the commercial software so that the temperature distribution of the main pressure element of the autoclave body is obtained.The diseconomy of the conventional experience design is discovered and verified by the numerical analysis.Meanwhile,the analysis results indicate that the wall thickness of the tank can be reduced with lower design temperature.

Key words：Autoclave; Design temperature; Heat transfer; Numerical analysis; Technological pipe; Tank body

收稿日期：（2015-07-30）

中圖分類號TQ 050.2

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.011