淺談塔設備的失效形式及外壓設計

楊 勇，侯育德（必維質量技術服務上海有限公司，上海 200001）

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淺談塔設備的失效形式及外壓設計

楊 勇，侯育德
（必維質量技術服務上海有限公司，上海 200001）

摘 要：介紹塔設備的主要失效形式和外壓設計方法，重點分析失穩失效形式，圓筒外壓設計方法，外壓加強圈設計等。通過增加外壓加強圈，減小圓筒計算長度的方法來實現圓筒壁厚的減薄，在實際工程中具有重大意義。

關鍵詞：塔設備；失效形式；外壓計算；加強圈設計

0　前言

塔設備又稱塔式容器，是直立設備中的一種，它可使氣液或者液液兩相之間進行緊密接觸，達到傳質機傳熱的目的。在石油、化工、醫藥等行業中得到廣泛應用的重要生產設備。

塔設備屬于壓力容器范疇，因此，塔設備所承受載荷可分為內壓力、外壓力、風載荷和地震載荷等。在這里我們主要討論受外壓的塔設備筒體的失效形式及其設計方法。

1　失效形式

塔設備的失效形式分為強度失效、剛度失效、泄露失效和失穩失效四大類。

（1）強度失效 - 因材料屈服或斷裂引起的失效，其包括韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂等。

（2）剛度失效 - 因設備發生過大的彈性變形引起的失效。例如，露天立置的塔設備在風載荷作用下，若發生過大的彎曲變形，會破壞塔的正常工作或塔體受到過大的彎曲應力。

（3）泄漏失效 - 因泄漏而引起失效。泄漏不僅有可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，而且會造成環境污染。

（4）失穩失效 - 在外壓的作用下，設備還未發生強度破壞前，突然失去其原有的幾何形狀引起的失效。例如，受均布外壓的圓筒，其薄膜應力分布規律與內壓圓筒一樣，不同的只是內壓圓筒是拉應力，而外壓圓筒為壓應力。

當薄壁圓筒受外壓力時，當壓力達到某一臨界值前，筒壁上的任一一處均處于一種平衡狀態。受外壓力的圓筒在壓應力遠低于材料屈服點時，圓筒就被壓癟或發生褶皺，載荷卸去后，圓筒不能恢復原狀，即在一瞬間失去自身原來的形狀，以致使圓筒失穩失效。外壓圓筒失穩失效的本質是由一種平衡狀態躍變到另一種的平衡狀態。

圓筒失穩后，橫截面的形狀與壓桿失穩變形情況類似，呈正弦波形曲線，它的變形波數可能為2、3、4…，這取決于圓筒的結構尺寸和約束情況。

2　外壓圓筒設計

首先，假設塔設備名義厚度δn，有效厚度δe，外徑D0，計算外壓力pc，圓筒計算長度L，設計溫度下材料的彈性模量Et。

對于塔設備外徑D0與有效厚度δe的比值D0/δe≥20，按以下步驟進行外壓計算：

（1）確定外壓應變系數A。

如果L/Do值大于50，那么可以根據L/Do=50來對外壓應變系數A值進行取證；如果L/Do值小于0.05，那么可以根據L/Do=0.05來對外壓應變系數A值進行取證。

（2）確定外壓應力系數B。

根據（1）所查得的外壓應變系數A值，按照GB 150.3-2011對外壓應力系數B進行取證；

如果外壓應變系數A值超出設計溫度曲線的最大值，取對應溫度曲線右端點的縱坐標為B值；

如果外壓應變系數A值小于設計溫度曲線的最小值，則按以下公式計算B值：

（3） 確定許用外壓力［p］。根據（2）所得的外壓應力系數B值，按以下公式計算許用外壓力［p］：

如果算得許用外壓力［p］≥pc，合格。如果算得許用外壓力［p］＜pc，則須重新假設有效厚度，按照上述步驟重新計算，直到滿足要求。

3　外壓加強圈的設計

3.1計算長度的確定

外壓圓筒的計算長度是指圓筒外部或內部兩相鄰剛性構件之間的最大距離，通常封頭、法蘭、加強圈等均可視為剛性構件。對于凸形封頭，應計入直邊段以及封頭曲面深度的1/3。當圓筒部分有多個加強圈時，取相鄰加強圈中心線間的最大距離；凸形封頭也可以看作是加強圈。對于帶無折邊錐殼的設備，則應視錐殼與圓筒連接處的慣性矩大小區別對待：若連接處的截面有足夠的慣性矩，不致在圓筒失穩時也出現失穩現象，則取到錐殼與筒體間的焊縫為止，否則應取到加強圈為止；對于帶有折邊錐殼的設備，還應計入直邊段和折邊部分的深度。

3.2加強圈的設計

要提高外壓圓筒的操作外壓力，就必須提高許用外壓力［p］。提高許用外壓力［p］可通過增加筒體有效厚度δe或減小外壓圓筒的計算長度L來實現。然而，從經濟性和優化設計來看，減小外壓圓筒計算長度L比增加筒體有效厚度δe更為合理。

加強圈應具有足夠的剛性，常用扁鋼、角鋼、工字鋼或其他型鋼制成，可以設置在圓筒內部或外部，其材料多為碳鋼。

加強圈與圓筒焊接可采用連續的或間斷的，當在圓筒外設置時加強圈，加強圈每側間斷焊接的總長，應不小于圓筒外圓周長的1/2；當在圓筒內設置時加強圈，焊接總長應不小于圓筒內圓周長的1/3。加強圈兩側的間斷焊縫孔錯開或并排布置，但焊縫之間的最大間隙對外加強圈為8δn，對內加強圈為2δn。

為保證圓筒與加強圈的加強作用，加強圈應整圈繞在圓筒的圓周上，而不許任意削弱或隔斷。

外壓圓筒加強圈的設計計算，請參照GB 150.3-2011 4.5章要求進行設計計算這里就不作詳細的介紹。

綜上所述，對于受外壓的塔設備，可以通過增加外壓加強圈的方法來實現圓筒壁厚的減薄。在實際工程中，特別是對不銹鋼或其他貴重金屬制造的外壓設備，可在外部設置加強圈，以減少貴重金屬的消耗量，在減少設備重量，節省成本上具有重大意義。

參考文獻：

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.248