立式夾套容器是否采用波形膨脹節的判定

(中昊(大連)化工研究設計院有限公司，遼寧大連 116023)

波形膨脹節[1]是一種良好的撓性元件，能夠自由伸縮，用來補償殼體由于溫差引起的膨脹量，由于其具有結構緊湊、性能良好、工作可靠等優點，已廣泛應用在壓力容器設備中。但對于一般的壓力容器設計人員來說，比較熟悉的應用大多數是在固定管板式換熱器殼程殼體上，用來降低由于換熱管和殼程圓筒間熱膨脹差所引起的管板應力、圓筒和換熱管的軸向應力以及管子與管板的拉脫力，或者是不帶夾套的立式容器的筒體上，很少有人知道帶夾套的立式容器上的夾套有時也需要設置波形膨脹節，那么如何判斷夾套是否需要設置波形膨脹節呢？本文以硫化氫反應器為例，詳細闡述了夾套設置波形膨脹節的計算過程，希望對設計人員在今后的設計中起到一定的指導作用。

1 硫化氫反應器的設計參數

根據工藝專業提供的工藝條件，歸納設計參數見表1。

(續表)

根據設計參數經軟件[4]計算，初步設計出硫化氫反應器的外形尺寸，見圖1。

圖1 初步設計的硫化氫反應器

2 夾套是否需要加波形膨脹節的判定過程

夾套是否加波形膨脹節首先要看下封頭和筒體是否都有夾套，如果都有夾套那是自由膨脹的，根本不用設置膨脹節。如果是只有筒體上有夾套，那么就需要經過計算來判定是否加波形膨脹節。硫化氫反應器只在筒體上有夾套，所以我們要進行計算，才能判定是否需要加波形膨脹節。由于SW6-2011軟件不能計算和判斷夾套是否加波形膨脹節，所以只能根據現有的資料[2]進行手算。

由于夾套與筒體之間存在溫差，所以夾套和筒體會產生不同的膨脹量，硫化氫反應器筒體和夾套的設計溫度的溫差很大，并且又采用了不同的材料，更加劇了膨脹差，從而產生了更大的溫差應力。

2.1 當筒體由環境溫度t0升到T1時，產生的自由伸長量

ΔL1=Lα1(T1-t0) (1)

式中:ΔL1——筒體的自由伸長量，mm；

L——夾套的長度，mm；

α1——筒體材料的平均線膨脹系數，℃-1；

T1——筒體的壁溫，℃；

t0——制造環境溫度，℃。

所以由硫化氫反應器所給條件可以得出：L=2 700 mm，α1=16.486×10-6℃-1(根據文獻[3]采用內插法計算得出)，T1=530 ℃，t0=20 ℃，所以由公式(1)得：ΔL1=2 700×16.486×10-6(530-20)=22.7 mm。

2.2 當夾套由環境溫度t0升到T2時，產生的自由伸長量

ΔL2=Lα2(T2-t0) (2)

式中:ΔL2——夾套的自由伸長量，mm；

L——夾套的長度，mm；

α2——夾套材料的平均線膨脹系數，℃-1；

T2——夾套的壁溫，℃；

t0——制造環境溫度，℃。

所以由硫化氫反應器所給條件可以得出：L=2 700 mm，α2=12.028×10-6℃-1(根據文獻[3]采用內插法計算得出)，T2=170 ℃，t0=20 ℃，所以由公式(2)得：ΔL2=2 700×12.028×10-6(170-20)=4.87 mm。

2.3 筒體的自由伸長量和夾套的自由伸長量相等

因為硫化氫反應器的筒體和夾套焊接后成為一整體，并且是剛性連接，所以筒體的伸長受到夾套的制約，導致筒體和夾套的伸長量相等，當T1>T2時，筒體產生壓縮力F，夾套產生拉伸力F，根據胡克定律，在筒體中產生的變形為

在夾套中產生的變形為

式中:F——筒體產生的壓縮力(夾套產生的拉伸力)，MPa;

E1——筒體材料的彈性模量，MPa;

E2——夾套材料的彈性模量，MPa；

f1——筒體的橫截面積，mm2；

f2——夾套的橫截面積，mm2。

所以有，

把式(1)、(2)、(3)、(4)帶入(5)中得：

從而導出：

2.4 是否設置波形膨脹節的判定條件

夾套不需要設置波形膨脹節應滿足以下的條件(拉應力為正值，壓應力為負值)：

對于筒體：

對于夾套：

對連接焊縫處的剪切力τ應滿足下面的公式：

式中:τ——連接焊縫處的剪切力，MPa;

φ1——筒體的焊接接頭系數；

φ2——夾套的焊接接頭系數；

B——根據文獻[3]外壓圓筒設計選取的；

D0——筒體的外徑，mm；

δ1——筒體壁厚mm；

如果以上條件有一項不合格，都需要設置波形膨脹節來減小或消除溫差應力。

圖2 設計兩個膨脹節的硫化氫反應器

3 結 語

該硫化氫反應器在某生產車間已經安全正常地運行三年了，足以證明了夾套選用的波形膨脹節的正確性與合理性。所以說，我們設計人員在設計立式帶有夾套的壓力容器時，在通過軟件[4]進行強度計算合格后，一定要利用此判定原理及其公式，對夾套進行是否設置波形膨脹節的判定，才能保證設備安全正常地運行。