大型快開(kāi)門式壓力容器齒嚙式卡箍連接件的設(shè)計(jì)與分析

張婧婧

（上海華誼集團(tuán)裝備工程有限公司）

設(shè)計(jì)與計(jì)算

大型快開(kāi)門式壓力容器齒嚙式卡箍連接件的設(shè)計(jì)與分析

張婧婧*

（上海華誼集團(tuán)裝備工程有限公司）

快開(kāi)門式壓力容器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。對(duì)于壓力高、尺寸規(guī)格大的大型齒嚙式卡箍連接件，掌握其應(yīng)力分布情況，正確合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為重要。采用公式計(jì)算和有限元分析兩種方法進(jìn)行了分析對(duì)比，提出了適用于大型快開(kāi)門式壓力容器卡箍連接件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

快開(kāi)門 齒嚙式 卡箍 法蘭 設(shè)計(jì)計(jì)算 有限元分析 壓力容器

0 引言

齒嚙式卡箍連接的快開(kāi)門式壓力容器采用齒嚙式法蘭和卡箍等結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。其具有不需要采用螺栓緊固、開(kāi)啟方便快捷、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于需要經(jīng)常開(kāi)啟的各種壓力容器中，并取得了非常良好的應(yīng)用效果。例如，在輕工、食品、醫(yī)藥、建筑、化工及能源等行業(yè)的蒸煮罐、殺菌罐、木材浸注罐、防爆試驗(yàn)罐等設(shè)備上都采用了這種結(jié)構(gòu)。由于在GB 150—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中尚未對(duì)齒嚙式卡箍連接件的設(shè)計(jì)方法作出規(guī)定，在HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中僅給出了平蓋封頭的齒嚙式卡箍連接件的設(shè)計(jì)方法，采用凸形封頭的大型齒嚙式卡箍連接快開(kāi)門式壓力容器應(yīng)如何正確設(shè)計(jì)值得探討。

本文以公稱直徑（DN）3450 mm的防爆試驗(yàn)罐為例，重點(diǎn)介紹參照HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》，并結(jié)合有限元分析的方法對(duì)采用凸形封頭的大型齒嚙式卡箍連接的快開(kāi)門式壓力容器的主要零部件——齒嚙式法蘭和卡箍進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和分析討論，并提出相關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

DN3450防爆試驗(yàn)罐的設(shè)備簡(jiǎn)圖及基本參數(shù)分別如圖1、表1所示。

圖1 DN3450防爆試驗(yàn)罐結(jié)構(gòu)

表1 設(shè)備基本參數(shù)表

2 齒嚙式卡箍連接件設(shè)計(jì)與分析

如圖2所示，該設(shè)備中的齒嚙式卡箍連接件主要包括封頭法蘭、筒體法蘭和卡箍。由于該設(shè)備的尺寸比較大，設(shè)計(jì)壓力也比較高，為了確保設(shè)備的安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)該設(shè)備的齒嚙式卡箍連接件采用了兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。方法1，參照HG/T 20582—2011進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，初步確定各個(gè)連接件的主要尺寸；方法2，使用有限元分析的方法進(jìn)行核算，適當(dāng)調(diào)整尺寸，以達(dá)到最終的滿意效果。

2.1 根據(jù)方法1的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)HG/T 20582—2011的設(shè)計(jì)方法，齒嚙式法蘭主要是校核法蘭頸部的軸向總應(yīng)力、法蘭齒根的軸向剪切應(yīng)力、法蘭齒根的彎曲應(yīng)力、法蘭環(huán)的徑向剪切應(yīng)力、法蘭齒根處的高峰應(yīng)力等五個(gè)應(yīng)力；齒嚙式卡箍體主要是校核卡箍體的軸向總應(yīng)力、卡箍齒根的軸向剪切應(yīng)力、卡箍齒根的彎曲應(yīng)力、卡箍齒和法蘭齒接觸面上的擠壓應(yīng)力、卡箍齒根處的高峰應(yīng)力等五個(gè)應(yīng)力，每個(gè)計(jì)算應(yīng)力值都滿足許用值即為合格。表2是該設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果。

圖2 齒嚙式卡箍連接件的結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 采用方法2的分析計(jì)算

2.2.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)設(shè)備的實(shí)際尺寸，在扣除腐蝕裕度和壁厚負(fù)偏差等因素后進(jìn)行實(shí)體建模，模型中包含封頭、封頭法蘭、卡箍、筒體法蘭和筒體等零部件。

由于該設(shè)備屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型僅截取設(shè)備整個(gè)圓周中的1/28，兩個(gè)縱向剖面分別位于兩個(gè)齒的中間部位，模型包含一個(gè)齒的完整嚙合段。

筒體法蘭和筒體連接處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生邊緣應(yīng)力。為了避免邊緣應(yīng)力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，取筒體長(zhǎng)度大于。計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

2.2.2 邊界條件和載荷

根據(jù)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)計(jì)算模型的兩個(gè)縱向剖面作為對(duì)稱面分別進(jìn)行約束，以限制其周向位移。對(duì)筒體的下端面進(jìn)行軸向約束，以防止整個(gè)計(jì)算模型的軸向剛性位移。

表2 方法1的計(jì)算結(jié)果匯總

圖3 齒嚙式卡箍連接的計(jì)算模型

由于封頭法蘭和筒體法蘭的齒嚙合面與卡箍的齒嚙合面之間是相互接觸的，在計(jì)算模型中采用了面-面接觸模型進(jìn)行計(jì)算。

在封頭、封頭法蘭、筒體法蘭、筒體等零部件的內(nèi)表面施加內(nèi)壓力，在封頭法蘭和筒體法蘭的端面也分別施加內(nèi)壓力。

2.2.3 分析計(jì)算結(jié)果

（1）總體的應(yīng)力分布情況

①卡箍連接件的應(yīng)力分布情況，見(jiàn)圖4。

②封頭和封頭法蘭的應(yīng)力分布情況，見(jiàn)圖5。

③筒體法蘭和筒體的應(yīng)力分布情況，見(jiàn)圖6。

④卡箍的應(yīng)力分布情況，見(jiàn)圖7。

（2）根據(jù)HG/T 20582—2011進(jìn)行應(yīng)力分析

①法蘭頸部的軸向總應(yīng)力S1

由圖8可見(jiàn)，法蘭頸部的軸向應(yīng)力分布是不均勻的，靠近法蘭齒根部的應(yīng)力變化較大，遠(yuǎn)離法蘭齒根部后應(yīng)力分布逐步趨于均勻，在法蘭齒根部存在較高的局部應(yīng)力。在不考慮局部應(yīng)力的情況下，法蘭頸部的軸向總應(yīng)力S1為98.5 MPa。

②法蘭齒根的軸向剪切應(yīng)力S2

由圖9可見(jiàn)，法蘭齒根的軸向剪切應(yīng)力S2為12.0 MPa。

圖4 卡箍連接件的Von Mises應(yīng)力

圖5 封頭與封頭法蘭Von Mises應(yīng)力

圖6 筒體法蘭與筒體Von Mises應(yīng)力

圖7 卡箍Von Mises應(yīng)力

圖8 法蘭頸部的軸向總應(yīng)力S1

圖9 法蘭齒根的軸向剪切應(yīng)力S2

③法蘭齒根的彎曲應(yīng)力S3

圖10 法蘭齒根的彎曲應(yīng)力S3

由圖10可見(jiàn)，法蘭齒根嚙合面處存在著很高的局部應(yīng)力，從齒根嚙合面向齒根的另外一個(gè)面，彎曲應(yīng)力逐步降低。通過(guò)線性化處理，可得法蘭齒根的彎曲應(yīng)力S3最大值為67.9 MPa。

④法蘭環(huán)的徑向剪切應(yīng)力S4

由圖11可見(jiàn)，在法蘭齒根處存在著較高的局部應(yīng)力，法蘭環(huán)的徑向剪切應(yīng)力S4為0.11 MPa。

圖11 法蘭環(huán)的徑向剪切應(yīng)力S4

⑤法蘭齒根處的高峰應(yīng)力S5

由圖12可見(jiàn)，法蘭齒根處的應(yīng)力最高，可達(dá)343 MPa。對(duì)此處應(yīng)力進(jìn)行線性化處理后，可求得峰值應(yīng)力S5為152 MPa。

圖12 法蘭齒根處的高峰應(yīng)力S5

⑥卡箍體的軸向總應(yīng)力S6

由圖13可見(jiàn)，卡箍體的軸向應(yīng)力分布是不均勻的，外壁最小，向內(nèi)壁逐步增大，在卡箍齒根部存在較高的局部應(yīng)力。在不考慮局部應(yīng)力的情況下，卡箍體的軸向總應(yīng)力S6為143 MPa。

⑦卡箍齒根的軸向剪切應(yīng)力S7

由圖14可見(jiàn)，卡箍齒根的軸向剪切應(yīng)力S7為13.5 MPa。

⑧卡箍齒根的彎曲應(yīng)力S8

由圖15可見(jiàn)，卡箍齒根嚙合面處存在著很高的局部應(yīng)力，從齒根嚙合面向齒根的另外一個(gè)面，彎曲應(yīng)力逐步降低。通過(guò)應(yīng)力的線性化處理，卡箍齒根的彎曲應(yīng)力S8最大值為75.7 MPa。

圖13 卡箍體的軸向總應(yīng)力S6

圖14 卡箍齒根的軸向剪切應(yīng)力S7

圖15 卡箍齒根的彎曲應(yīng)力S8

⑨卡箍齒和法蘭齒接觸面上的擠壓應(yīng)力S9

由圖16可見(jiàn)，在卡箍齒和法蘭齒的嚙合面上存在著較高的擠壓應(yīng)力，齒尖部位的應(yīng)力較低，齒根部位的應(yīng)力較高，存在峰值應(yīng)力；整個(gè)嚙合面的擠壓應(yīng)力比較均勻，S9為86.0 MPa。

⑩卡箍齒根處的高峰應(yīng)力S10

由圖17可見(jiàn)，卡箍齒根處的應(yīng)力最高，可達(dá)348 MPa。對(duì)此處應(yīng)力進(jìn)行線性化處理后，可求得其峰值應(yīng)力S10為163 MPa。

圖16 卡箍齒和法蘭齒接觸面上的擠壓應(yīng)力S9

2.3 兩種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表3是采用兩種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

3 分析和結(jié)論

（1）通過(guò)比較可以看到，對(duì)于本文中的卡箍連接件，方法1和方法2計(jì)算出來(lái)的各個(gè)應(yīng)力值基本上還是比較一致的，僅在計(jì)算S10時(shí)兩種方法計(jì)算的數(shù)值偏差較大。

圖17 卡箍齒根處的高峰應(yīng)力S10

（2）采用方法1計(jì)算各個(gè)應(yīng)力值比較簡(jiǎn)便，但是只能反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的一個(gè)粗略情況，而采用方法2計(jì)算各個(gè)應(yīng)力值比較復(fù)雜，但是能比較精確地反映各個(gè)零部件應(yīng)力水平的真實(shí)情況。

（3）由于應(yīng)力分布情況的復(fù)雜性和不均勻性，不能僅用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值就確定某一零部件的應(yīng)力值。例如，法蘭頸部?jī)?nèi)外壁的應(yīng)力水平是不同的，卡箍體的內(nèi)外壁的應(yīng)力水平也是不一樣的，法蘭頸部和卡箍體沿著軸向其應(yīng)力值都是變化的，在法蘭齒和卡箍齒的根部還存在很高的局部應(yīng)力等。

表3 兩種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

（4）由于齒嚙式連接件的應(yīng)力分布情況的復(fù)雜性，為了確保設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性，需要針對(duì)每一個(gè)零部件不同部位的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，并合理地確定各相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸。

（5）對(duì)于一些尺寸較小或者壓力較低的快開(kāi)門式壓力容器，由于根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定的尺寸通常遠(yuǎn)大于其承受壓力載荷所需要的尺寸，所以其強(qiáng)度和剛度具有較大的富余量，應(yīng)力水平也較低，比較適合采用方法1進(jìn)行計(jì)算，這樣既簡(jiǎn)捷方便，也有一定的安全余量。

（6）對(duì)于尺寸較大、壓力較高的大型快開(kāi)門式壓力容器，因?yàn)槠涑惺軌毫d荷所需的尺寸比較大，而結(jié)構(gòu)要求的尺寸所占的比例較小，所以其強(qiáng)度和剛度的富余量就相對(duì)比較小，其應(yīng)力水平也會(huì)比較高。這時(shí)就需要采用方法2進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，以便能更真實(shí)地反映各零部件的應(yīng)力分布情況，使設(shè)計(jì)更安全可靠、更經(jīng)濟(jì)合理。

（7）通常，在法蘭齒和卡箍齒的根部位置應(yīng)力水平是最高的，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分關(guān)注到這個(gè)部位，以防零部件失效。

（8）在法蘭齒面與卡箍齒面的嚙合處，會(huì)產(chǎn)生較高的擠壓應(yīng)力，在設(shè)計(jì)時(shí)也要予以關(guān)注，防止零部件失效。

（9）由于結(jié)構(gòu)的原因，在法蘭齒和卡箍齒的根部及附近，其應(yīng)力分布情況非常復(fù)雜，并伴隨局部的高應(yīng)力，對(duì)于承受循環(huán)載荷工況的快開(kāi)門設(shè)備，還需要進(jìn)行疲勞分析設(shè)計(jì)。

（10）適當(dāng)增加法蘭大端頸部的厚度、法蘭齒和卡箍齒的高度、卡箍體的厚度等，可顯著提高整個(gè)連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，降低應(yīng)力水平、減小結(jié)構(gòu)變形、提高密封可靠性。

[1]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器：GB 150—2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2]中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì).鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定：HG/T 20582—2011[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

[3]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]丁伯民.齒嚙式快開(kāi)封頭設(shè)計(jì) [J].化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1994（1）： 1－7.

煤氣化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展

我國(guó)煤化工龍頭技術(shù)，即煤氣化技術(shù)取得了重大突破，國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的煤氣化技術(shù)已開(kāi)始在示范裝置和其他裝置上大面積推廣應(yīng)用。

基于中國(guó)煤炭資源稟賦特點(diǎn)和能源利用現(xiàn)狀，新奧集團(tuán)公司自主開(kāi)發(fā)了催化氣化、加氫氣化、地下氣化、超臨界氣化四種適用于不同煤質(zhì)特點(diǎn)的煤制天然氣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔轉(zhuǎn)化、全價(jià)開(kāi)發(fā)。

新奧煤氣化技術(shù)指標(biāo)相對(duì)于煤制天然氣現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了先進(jìn)水平；但仍存在進(jìn)步空間，尤其在比煤耗方面，需持續(xù)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)及新技術(shù)開(kāi)發(fā)。下一步，新奧將對(duì)煤氣化技術(shù)迭代升級(jí)，提升系統(tǒng)效率與經(jīng)濟(jì)性。煤催化氣化2.0技術(shù)方面，氣化爐出口甲烷含量由20%提高至30%以上；極大降低氧耗至無(wú)氧，碳排放明顯降低，能源熱效率進(jìn)一步提高；進(jìn)一步縮短工藝流程，降低設(shè)備投資。煤加氫氣化2.0技術(shù)方面，油產(chǎn)率更高，收率達(dá)到葛金指數(shù)120%以上；半焦大規(guī)模高效綜合利用，技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)。未來(lái)，新奧將持續(xù)創(chuàng)新，探索漿粉耦合氣化技術(shù)、高低溫耦合煤分級(jí)轉(zhuǎn)化技術(shù)和化學(xué)鏈氣化技術(shù)等新方向。

神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司研發(fā)中心神寧爐具有煤種適應(yīng)性廣，氣化裝置整體投資低，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，氣化效率高，產(chǎn)氣量大，渣濾餅中殘?zhí)嫉停铣蓺庀礈煜到y(tǒng)高效，運(yùn)行周期長(zhǎng)，主燒嘴運(yùn)行壽命在2年以上，氣化爐水冷壁可長(zhǎng)周期運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。目前，神寧爐擁有3項(xiàng)發(fā)明專利、9項(xiàng)實(shí)用新型專利，已經(jīng)大規(guī)模推廣。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所對(duì)循環(huán)流化床技術(shù)在煤及多種燃料和廢棄物的燃燒、熱解、氣化等轉(zhuǎn)化和利用方面的應(yīng)用進(jìn)行了30年系統(tǒng)研究，循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組等級(jí)全面覆蓋12 MW、25 MW、50 MW、150 MW、200/300 MW。其開(kāi)發(fā)的循環(huán)流化床壓煤氣化技術(shù)，可以以數(shù)十種不同性質(zhì)的煤為原料，目前有17臺(tái)裝置在運(yùn)行，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

晉華爐是清華大學(xué)、山西陽(yáng)煤化工機(jī)械 （集團(tuán)）有限公司和陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司3家單位在2011年8月共同開(kāi)發(fā)出世界首套水冷壁水煤漿氣化爐（臨猗4#爐）之后，又研發(fā)出的一種更簡(jiǎn)潔的內(nèi)置廢鍋水冷壁水煤漿氣化爐技術(shù)。據(jù)介紹，2016年4月1日，世界首臺(tái)晉華爐一次投料、并氣成功，并連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。到2017年3月31日，該氣化爐已累計(jì)運(yùn)行345天。

由于煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨向于高參數(shù)、大型化的特點(diǎn)，清華大學(xué)山西清潔能源研究院與陽(yáng)煤化機(jī)開(kāi)展了放大與爐型系列化的工作，研制出氣化壓力4.0 MPa、6.5 MPa，日投煤量 1000 t、1500 t、2000 t、2500 t， 廢鍋直徑 2800 mm、3200 mm、3400 mm 系列的新?tīng)t型，并在5家企業(yè)開(kāi)始應(yīng)用。 (錢伯章)

浙江石化簽約乙烯裂解爐合同

浙江石化公司（ZPC）于2017年6月5日宣布，已與惠生工程服務(wù)有限公司的子公司簽訂合同，為其在浙江省舟山新建的4000萬(wàn)t/a煉油化工一體化聯(lián)合體第一期提供9臺(tái)乙烯裂解爐。惠生工程（中國(guó)）有限公司將為該聯(lián)合體生產(chǎn)140萬(wàn)t/a乙烯的第一期9臺(tái)乙烯裂解爐提供工程、采購(gòu)和施工服務(wù)。由于時(shí)間安排和場(chǎng)地限制，該項(xiàng)目的設(shè)備部件將以模塊化的形式建造，在生產(chǎn)能力上將使其成為最大的單一裂解爐。惠生表示，裂解爐設(shè)備預(yù)計(jì)將在2018年初交貨。浙江石化公司聯(lián)合體的第一期將于2018年12月啟用，而第二期（即該生產(chǎn)基地加工和生產(chǎn)能力增加近一倍）將于2022年第一季度投入運(yùn)行。(秋實(shí))

Design and Analysis of Tooth Typical Clamp Connections for Large Quick Actuating Pressure Vessel

Zhang Jingjing

The application of quick actuating pressure vessel is more and more extensive.It is very important to grasp the stress distribution of the large tooth typical clamp connections with high pressure and large dimension,and to design the structural of the connections properly and reasonably.Two methods of formula calculation and finite element analysis are used to analyze and compare,and the design points for large open door pressure vessel clamps are put forward.

Quick actuating;Tooth typical;Clamp;Flange;Design calculation;Finite element analysis;Pressure vessel

TQ 050.2

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.001

2017-07-05）

*張婧婧，女，1986年生，工程師。上海市，200030。