螺栓連接加筋平蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

沈 樂

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

化工設(shè)計(jì)

螺栓連接加筋平蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

沈 樂

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

對(duì)某臺(tái)設(shè)備的螺栓連接平蓋的在充氮保護(hù)工況下密封失效的問題進(jìn)行分析，將其平蓋進(jìn)行優(yōu)化為加筋平蓋，以螺栓連接加筋平蓋為討論對(duì)象，在參考標(biāo)準(zhǔn)中和其它已投入的類似結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從強(qiáng)度以及剛度兩方面進(jìn)行分析，對(duì)平蓋以及加強(qiáng)筋的形式和尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終取得了較好的效果。

加筋平蓋; 螺栓連接 ; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

平蓋是壓力容器中常用的一種封頭形式。目前平蓋厚度一般是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]中的厚度公式進(jìn)行計(jì)算得出的。經(jīng)過前人的實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果證明按此公式計(jì)算出的平蓋厚度具有很大的保守性[2]。在某些特定的工況下(如水壓試驗(yàn)、充氮保護(hù))，平蓋存在以下特殊性：(1)平蓋僅是短時(shí)間承載，無疲勞、蠕變等問題；(2)操作溫度一般為常溫，工作條件優(yōu)越；(3)操作過程中為穩(wěn)步加壓后保壓，無沖擊、震蕩載荷，工況穩(wěn)定；(4)操作工況下平蓋只要求保證密封不泄露，而允許出現(xiàn)局部塑性變形[3]。因此，當(dāng)結(jié)果或者設(shè)備直徑較大的時(shí)候，按標(biāo)準(zhǔn)[1]計(jì)算出的平蓋厚度就顯得保守且不經(jīng)濟(jì)，所以此時(shí)采用加強(qiáng)筋加固平蓋不失為一個(gè)有效的辦法。

1 問題分析

本公司設(shè)計(jì)某臺(tái)的壓力容器，出廠時(shí)要求進(jìn)行充氮保護(hù)，充氮保護(hù)工況設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，制造廠采用18mm的Q245R鋼板制作密封平蓋，在充氮后發(fā)現(xiàn)該法蘭處發(fā)生泄露，無法保壓。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致該管口密封失效的因素由以下幾點(diǎn)：

1.1 平蓋剛度不足

在充氮保護(hù)工況下，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]中的公式進(jìn)行計(jì)算，滿足設(shè)計(jì)條件的平蓋厚度約為34mm，顯然制造廠采用的18mm平蓋不滿足該工況下所需的強(qiáng)度及剛度。

平蓋剛度不足會(huì)導(dǎo)致平蓋在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生過大的翹曲變形，從而無法將螺栓預(yù)緊力均勻地傳遞給墊片導(dǎo)致密封性能下降或失效。由于平蓋產(chǎn)生過大變形導(dǎo)致密封失效往往發(fā)生在平蓋強(qiáng)度破壞之前，因此平蓋的剛度不足是導(dǎo)致密封失效的主要問題。

1.2 螺栓間距過大

標(biāo)準(zhǔn)[1]中對(duì)螺栓最大間距Lmax做出了規(guī)定

(1)

對(duì)螺栓間距做出限制的原因是，在法蘭蓋厚度確定時(shí)，當(dāng)螺栓間距過大時(shí)，螺柱間易產(chǎn)生附加的法蘭彎矩，導(dǎo)致預(yù)緊力分布不均，使靠近螺栓的墊片被壓緊，遠(yuǎn)離螺栓的墊片預(yù)緊力又不足，使墊片承壓不均而導(dǎo)致密封性下降。

本法蘭螺栓孔間距約為144mm，而制造廠制作的平蓋經(jīng)計(jì)算其允許的最大螺栓間距約為90.5mm，遠(yuǎn)小于實(shí)際法蘭螺栓間距，因此過大的螺栓間距也是導(dǎo)致此次法蘭密封失效的原因之一。

綜合以上兩點(diǎn)原因，可以得出導(dǎo)致充氮密封失效的主要原因是平蓋的剛度不足。

2 解決方法

有研究表明，平蓋的剛度與平蓋自身材料的物理性能(E、μ)、直徑以及厚度有關(guān)。當(dāng)平蓋的尺寸與載荷確定時(shí)，提高材料等級(jí)(較高的E、μ)可以提高平蓋的剛度，但實(shí)際上材料的E、μ變化范圍較小，采用提高材料等級(jí)改善平蓋剛度的往往達(dá)不到效果，所以更多時(shí)候是通過增加平蓋厚度以及采用加強(qiáng)筋加固平蓋等方法來提高平蓋的剛度。

本文案例中，由于工期以及材料利用率等方面考慮，采取增加平蓋厚度的方法并不經(jīng)濟(jì)，因此采用加強(qiáng)筋加固平蓋不失為一個(gè)有效可行的辦法。

2.1 加筋平蓋的基本結(jié)構(gòu)

加筋平蓋的形式有很多，常見結(jié)構(gòu)的有以下幾種。

圖1 加筋平蓋

根據(jù)加筋結(jié)構(gòu)不同，加筋平蓋大致可分為：一字形(圖1)，工字形(圖2)，井字形(圖3～圖5)，輻射形(圖6)。

文獻(xiàn)[4]經(jīng)過有限元分析對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明輻射形結(jié)構(gòu)(圖6)受力情況最好。因此本文采用輻射形加筋平蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)方法

輻射形加筋平蓋由加強(qiáng)筋和平蓋兩部分組成，平蓋部分主要用于密封、連接緊固件并提供足夠的強(qiáng)度，加強(qiáng)筋部分主要使平蓋在承受壓力時(shí)不至于因變形過大而導(dǎo)致密封不嚴(yán)，也就是提高整體的剛性，同時(shí)也一定程度上提高了整體強(qiáng)度[3]。因此加筋平蓋的計(jì)算分為平蓋厚度計(jì)算及加強(qiáng)筋剛度校核計(jì)算兩部分。

圖2 輻射形加筋平蓋力學(xué)模型示意圖

注：圖中筋板數(shù)n≥6；d1≈d2；b取相鄰徑向筋板間的最小間距。

2.2.1 平蓋部分計(jì)算參照文獻(xiàn)[1]進(jìn)行。

(2)

式中：δP——平蓋計(jì)算厚度，mm;d——量直徑，d1和d2中大者,mm；K——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)。

需要說明的是文獻(xiàn)[1]中的計(jì)算模型中平蓋與殼體為焊接連接，而案例中平蓋為螺栓連接，螺栓墊片對(duì)于平蓋施加彎矩在平蓋內(nèi)部產(chǎn)生處處均勻的彎曲應(yīng)力，疊加內(nèi)壓引起的應(yīng)力后得到一個(gè)組合應(yīng)力，對(duì)該組合應(yīng)力以1倍的許用應(yīng)力進(jìn)行限制，同時(shí)考慮平蓋可能采用拼接而計(jì)及焊接接頭系數(shù)，得到螺栓連接平蓋的接頭特征系數(shù)K：

(4)

(5)

式中：W——預(yù)緊或操作工況下螺栓設(shè)計(jì)載荷，N；LG——螺栓中心至墊片壓緊力作用中心線的徑向距離，mm；Dc——平蓋的計(jì)算直徑，mm。δp——取預(yù)緊和操作工況下計(jì)算值中較大者。

2.2.2 加筋平蓋抗彎截面模量校核
2.2.2.1如圖2所示，加筋平蓋加強(qiáng)筋校核計(jì)算的模型是假設(shè)平蓋所承受的壓力以及由螺栓墊片施加在平蓋上的彎曲應(yīng)力由輻射狀筋板和寬度為b的平板所組成的組合梁承擔(dān)，每個(gè)組合梁承擔(dān)的載荷為圖2所示扇形面積上對(duì)應(yīng)的壓力以及彎曲應(yīng)力；進(jìn)一步將均布在扇形面積上的壓力等效為作用在扇形形心C上的力F，該力由一端簡(jiǎn)支(B端)，一端固支(A端)的組合梁承擔(dān)，固定端由F作用產(chǎn)生的彎矩為MA1，由螺栓墊片施加在固定端的彎矩為MA2，最終固定端承受的組合彎矩為MA。

(6)

(7)

(8)

式中：

W——預(yù)緊或操作工況下螺栓設(shè)計(jì)載荷，N。

操作工況下固定端組合彎矩：

MA操=MA1+MA2

預(yù)緊工況下固支端組合彎矩：

MA預(yù)=MA2

MA取操作或預(yù)緊工況下組合彎矩中較大值。
2.2.2.2 組合梁的抗彎截面模數(shù)WZ

(9)

式中：δe平蓋的有效厚度，mm；b——平蓋與筋板組合后承載的有效寬度，mm；y——組合梁截面總幾何形心至平蓋板面之距離，mm。

2.2.2 .3 抗彎截面模數(shù)校核

3 實(shí)例分析及驗(yàn)證

以本案例中的平蓋進(jìn)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.1。

假設(shè)平蓋設(shè)置12塊筋板，平蓋及加強(qiáng)筋板采用制造廠現(xiàn)有的18mm Q245R鋼板制作。

3.1 平蓋部分計(jì)算

平蓋設(shè)置12塊筋板時(shí)，經(jīng)計(jì)算：

當(dāng)量直徑：d= 420 mm，預(yù)緊工況平蓋特征系數(shù)：K=0.37，作工況平蓋特征系數(shù)：K=0.55，取K=0.55。

將以上數(shù)據(jù)代入公式(2)，經(jīng)計(jì)算：

當(dāng)量平蓋計(jì)算厚度：δP=6.21mm，δn=18mm>δP+C=9.51mm，合格。

3.2 組合梁抗彎截面模數(shù)校核

3.2.1 組合梁截面抗彎模數(shù)WZ計(jì)算

經(jīng)計(jì)算：

加強(qiáng)筋厚度δ1=18mm，加強(qiáng)筋寬高比一般為5～8，取加強(qiáng)筋高度h=140mm，平蓋有效厚度：δe=14.7 mm，組合梁的有效寬度：b=110 mm，組合梁截面總幾何形心至平蓋板面之距離：y=39.77 mm，組合梁截面抗彎模數(shù)：WZ=100152.1 N。

3.2.2 組合梁彎矩MA計(jì)算

(1)操作工況，經(jīng)計(jì)算：

內(nèi)壓作用等效作用在組合梁質(zhì)心C點(diǎn)的力：F=12512.7 N，

y2=316.9 mm，y1=473.1 mm，F(xiàn)作用在固定端A點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩：MA1=1663605.8 N，螺栓墊片載荷產(chǎn)生的彎矩：MA2=1392772.8 N，組合彎矩MA操=3056378.6 N。

(2)預(yù)緊工況，經(jīng)計(jì)算

MA預(yù)=MA2=10286020.7 N

MA取MA操，MA預(yù)中較大值，MA=10286020.7 N

(3)抗彎截面模量校核

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采用Q245R鋼板制作加筋平蓋，設(shè)置12塊徑向筋板，平蓋及筋板厚度為18mm，環(huán)向筋板外徑為420mm，徑向及環(huán)向筋板高度為140mm時(shí)，加筋平蓋滿足設(shè)計(jì)及操作工況下的強(qiáng)度及剛度要求。

4 加筋平蓋設(shè)計(jì)時(shí)需注意問題

(1)為了改善加筋平蓋受力的均衡性，同時(shí)也為防止徑向筋板間的焊縫交叉，建議在平蓋中心設(shè)置環(huán)向加強(qiáng)筋，并且要求該環(huán)向加強(qiáng)筋的抗彎截面模量不小于加強(qiáng)筋板的抗彎截面模量；

(2)為保證平蓋的強(qiáng)度，筋板與平蓋之間的焊縫應(yīng)采用雙面連續(xù)焊；

(3)本文中的案例只是一種常見的結(jié)構(gòu)，對(duì)于大直徑的加筋平蓋，除在中心設(shè)置環(huán)向筋板外，還可以在徑向筋板組成的扇形區(qū)域內(nèi)再設(shè)置環(huán)向以及徑向加強(qiáng)筋。

5 結(jié)論

由上述可知，在本案例中改進(jìn)的加筋平蓋滿足設(shè)計(jì)及操作工況下的強(qiáng)度及剛度要求。采用加筋平蓋時(shí)，平蓋質(zhì)量為860kg，而采用平蓋時(shí)，平蓋質(zhì)量為1160kg，加筋平蓋相比純平蓋節(jié)省了將近25%的材料，且采用了較薄的鋼板，在材料選用及重量上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)制造廠的驗(yàn)證，該加筋平蓋在實(shí)際使用過程中具有較高的安全可靠性。

[1] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB150.1～150.4-2011,壓力容器[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2] 張紅晨.試論傳統(tǒng)高(中)壓平端蓋設(shè)計(jì)的保守性[C]. 全國化工機(jī)械及壓力容器青年科技協(xié)會(huì).第二屆全國青年化工機(jī)械及壓力容器青年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.南京:[出版社不祥],1989.

[3] 張 偉，曲玉禪.水壓封蓋設(shè)計(jì)新方法[J].鍋爐制造,2012(1)：58-60.

[4] 帥勃列.基于ANSYS對(duì)異形封頭進(jìn)行強(qiáng)度分析及比較(學(xué)士學(xué)位論文)[D].南昌:南昌大學(xué),2005.

[5] 壽比南.GB150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義[M].北京：新華出版社，2012.

2017-05-07

沈 樂(1983—)，浙江寧波人，工程師，主要從事壓力容器及工業(yè)爐的設(shè)計(jì)工作。

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1008-021X(2017)18-0150-03

(本文文獻(xiàn)格式沈樂.螺栓連接加筋平蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].山東化工，2017，46(18)：150-152.)