5m3中試罐筒體和封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算

程艷艷，張興隆

（吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 132022）

壓力容器廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金和機(jī)械等行業(yè)[1]。中試罐反應(yīng)裝置是壓力容器的一種。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的生命周期不斷縮短，中試罐的投入量逐步增加。但中試罐的制造中存在生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長等問題，嚴(yán)重制約了中試罐行業(yè)的發(fā)展，降低了行業(yè)的核心競爭力。本文中試罐的設(shè)計(jì)能夠?qū)?shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)，節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間。

1 中試罐筒體和封頭設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的已知參數(shù)，包括中試罐容積5m3、筒體長2 200mm、筒體內(nèi)壁直徑1 600mm、容器主體材料022Cr17Ni12Mo2（數(shù)字代號(hào)S31603下文中所用材料均用數(shù)字代號(hào)代替）、設(shè)計(jì)壓力0.65MPa、設(shè)計(jì)溫度150℃來進(jìn)行中試罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖1）。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵循國家、行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)定等[2，3]。

圖1 中試罐結(jié)構(gòu)圖

1.1 筒體厚度設(shè)計(jì)

筒體作為中試罐的主要受壓元件，其厚度直接定義了該中試罐的性能與安全系數(shù)[4]。合理的中試罐筒體的厚度，要滿足強(qiáng)度、剛性和穩(wěn)定性等各方面的要求。其計(jì)算厚度為：

筒體壁厚近似為8mm。其中：δ為中試罐筒體的壁厚（mm）；pc為中試罐筒體的計(jì)算壓力（MPa）；Di為筒體的內(nèi)直徑（mm）[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力（MPa）；C為厚度附加量，C=C1+C2，C1為鋼材厚度負(fù)偏差，C2為腐蝕裕量；φ為焊接接頭系數(shù)。

根據(jù)《鋼制壓力容器》（GB 150—1998）對(duì)焊接接頭系數(shù)的定義，選擇全部無損檢測取φ=1，所設(shè)計(jì)的鋼板負(fù)偏差C1=0.3mm，所選用的腐蝕余量C2=0mm。

1.2 封頭的設(shè)計(jì)

封頭是中試罐中的受壓元件，其種類較多。本設(shè)計(jì)選用受內(nèi)壓帶法蘭的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，該種封頭相對(duì)面積較小，節(jié)省材料；加工難度相對(duì)較小，便于施工。標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度：

封頭壁厚與筒體一致：

其中：δh為中試罐封頭的計(jì)算厚度（mm）；K為橢圓形封頭的形狀系數(shù)；Di為封頭內(nèi)徑或與其連接的圓筒內(nèi)直徑（mm）；由于橢圓形封頭系數(shù)K與Di/（2hi）有關(guān)；

由GB 150.3—2011表5-1可知，當(dāng)Di/（2hi）=2，K=1時(shí)，此時(shí)橢圓形封頭可以達(dá)到與筒體等強(qiáng)度。所以Di=4hihi=Di/4=1 600/4=400mm。

根據(jù)《壓力容器設(shè)計(jì)手冊》可知，當(dāng)封頭公稱直徑D≤2 000mm時(shí)，垂直高度hi=25mm，而本次設(shè)計(jì)中，中試罐的公稱直徑D為1 600mm，小于標(biāo)準(zhǔn)中所提到的，所以本次設(shè)計(jì)的封頭的垂直高度為25mm（見圖2）。所以封頭的總高度為：

圖2 封頭

2 安全校核

2.1 筒體的軸向應(yīng)力安全校核

2.1.1 筒體軸向彎矩的計(jì)算

計(jì)算筒體中間截面處的彎矩：

其中：F為鞍座反力（N）；Rm為橢圓封頭長半軸的外半徑（mm）；L為兩個(gè)封頭之間切線的距離（mm）；A為中試罐鞍座的位置（mm）；hi為中試罐筒體內(nèi)半徑（mm）。

在支座截面處的彎矩為：

2.1.2 筒體軸向應(yīng)力的計(jì)算

（1）因?yàn)橥搀w軸向彎矩的存在所引起的軸向應(yīng)力，所以筒體中間截面上最高點(diǎn)的軸向應(yīng)力的計(jì)算為：

而最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的軸向應(yīng)力相等，所以得出：

鞍座截面處最高點(diǎn)處的軸向應(yīng)力的計(jì)算為：

而鞍座截面最低點(diǎn)處的軸向應(yīng)力的計(jì)算為：

（2）因?yàn)樵O(shè)計(jì)壓力的存在所引起的軸向應(yīng)力的計(jì)算為：

2.1.3 筒體軸向應(yīng)力的校核

許用軸向拉壓應(yīng)力[σ]t=125MPa，而σ2＜[σ]t，因此合格。

2.2 筒體和封頭切向應(yīng)力的安全校核

2.2.1 筒體切向應(yīng)力的計(jì)算

依據(jù)《焊接工程師手冊》上卷得出K3=0.303，K4=0.135。所以可以得出：

2.2.2 封頭切向應(yīng)力的計(jì)算

2.2.3 切向應(yīng)力的校核

因?yàn)棣觝＜1.25[σ]t-σh，所以符合要求，該切向應(yīng)力合格。

2.3 筒體環(huán)向應(yīng)力的計(jì)算與安全校核

2.3.1 環(huán)向應(yīng)力的計(jì)算

（1）在鞍座橫截面最低點(diǎn)處應(yīng)力的計(jì)算為：

式中：b2為筒體的有效寬度（mm）。

查得，K5=0.7603，K6=0.0084。

式中：b為鞍座的軸向?qū)挾龋╩m）。

可以得出：

（2）鞍座邊角處軸向應(yīng)力

可知：

2.3.2 環(huán)向應(yīng)力校核

|σ5|＜[σ]t=74MPa，合格。

|σ6|＜1.25[σ]t=1.25×74=92.5MPa，合格。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)根據(jù)給定的中試罐容積、工作壓力、設(shè)計(jì)溫度、筒體直徑和長度等條件計(jì)算出筒體的壁厚為8mm，封頭形式采用了橢圓形封頭，封頭壁厚為8mm，垂直高度為25mm，總高度為433mm，并對(duì)其進(jìn)行了安全校核，符合設(shè)計(jì)要求。