非常规压力容器的设计方法

非常规压力容器的设计方法孙庆（天津昊然分离300173）摘要：以一台非常规压力容器的设计过程为例，详细解析其中的设计方法，得出非常规压力容器的设计要点及难点，为非常规压力容器的设计提供思路。关键字：非常规、压力容器、设计方法。前不久，笔者接到一台压力容器的设计任务，结构复杂，采用特殊材料制作，设计条件简图及设计数据如下：图1压力容器设计简图及数据从图中可以看出，该压力容器采用法兰连接，上下均有换热器，中部半管保温，底部有夹套。由于该设备的组成部分较多，受力分析各不相同，采用常规的SW6（压力容器设计软件）无法进行整体计算，只能采用零部件计算方式拆分，然后手动组合起来整体分析，得出最终的设计方案。针对此压力容器，主要有以下设计要点及难点：一：特殊材料的经济合理性分析；二：外压筒体的设计计算；三：设备法兰的设计计算；四：上、下换热器的设计计算；五：支座的设计计算。下面，我们将对以上各点进行逐条分析。一：特殊材料的经济合理性分析此压力容器设计条件中要求：与物料接触部分材料采用蒙乃尔400，其余采用不锈钢304。其中，不锈钢304属于常见材料，而蒙乃尔400属于特殊材料，其材料费及加工费是不锈钢的10~15倍，这就让我们不得不对容器各部分材料的选择进行详细的分解，以求达到结构适用与经济合理。与物料接触部分为：上、下封头；与封头连接的短节（300+600）；设备法兰；管板；换热管；中部三段筒体（600+5800+3800）；接管若干；这几部分应采用蒙乃尔400。我们都知道，设备法兰与管板一般都是较厚的钢板或锻件，通常为40mm-60mm之间，甚至更厚，单件重量达上百公斤，且它们与物料接触部分都是单面接触，如果全部采用蒙乃尔400，那么成本将是巨大的，所以设备法兰与管板这两部分我们应选用镍-不锈钢复合结构。设备法兰：依据标准NB/T47020~47027，设计压力-0.1MPa，设计温度350摄氏度，应选用长颈对焊法兰，但是此压力容器为高真空状态下工作，且为填料塔，对容器内径要求较高，一旦选用长颈对焊法兰，势必造成容器内径缩小一段（内衬筒部分），对填料的装填造成影响。所以我们只能参照甲型平焊法兰或乙型平焊法兰对此容器的设备法兰进行非标计算，而乙型平焊法兰设有一段加厚的筒节（16mm厚），这段筒节厚且量小，供货成本增加，所以最终选择参照甲型平焊法兰（衬环平面密封结构）进行非标计算。管板：依据标准GB/T151（热交换器），复合管板可采用堆焊或爆炸焊接复合板。当采用爆炸焊接复合板时，应符合NB/T47002.1~47002.4中B1级的要求；当换热管受轴向压应力时，宜采用堆焊复合管板。综上，我们列出此压力容器的材料选用表，如下：表1材料选用表零部件材质上、下封头及与之相连短节蒙乃尔400冷凝器及再沸器壳程（不含换热管）S30408（06Cr19Ni10）冷凝器及再沸器管程蒙乃尔400中部三段筒体蒙乃尔400半管保温S30408支座蒙乃尔400（垫板）/S30408再沸器壳程（不含换热管）S30408（06Cr19Ni10）冷凝器及再沸器管板S30408锻件/蒙乃尔400设备法兰S30408锻件/蒙乃尔400夹套S30408接管若干S30408/蒙乃尔400二：筒体的设计计算此项设计较为常规:夹套筒体及封头采用SW6即可轻易计算出来，为6mm厚。冷凝器及再沸器的计算会在第四点（上、下换热器的设计计算）中给出，这里不再赘述。剩下的即为外压筒体的计算。外压筒体的计算主要在于确定外压筒体的计算长度，本台压力容器由若干段组成，所以我们只需计算最长段筒体，其余段与之相同即可。保持一致性主要是考虑板材供货的方便，因为其余段量都很小，且采用特殊材料蒙乃尔400，一般特殊材料的供货都有很大局限性，尽量做到同一种板厚。当然如果最长段筒体计算厚度太厚（与最短段计算厚度相差4mm及以上），再考虑分段计算。如图1所示，最长段为5800mm，最短段为300mm，通过分段计算，分别为7mm及4mm，再加上腐蚀裕量及钢板负偏差，最终选用8mm作为全容器筒体厚度。上、下封头的计算采用SW6，计算厚度分别为6mm及10mm（因为下封头有夹套保温）。三：设备法兰的设计计算在第一点我们已经选定了设备法兰的结构型式及计算方法，即参照NB/T47021甲型平焊法兰（衬环平面密封结构）进行非标计算。对于任意式焊接法兰，为了简便，当满足以下条件时可按活套法兰计算：1）筒体厚度小于等于15mm，筒体内径与筒体厚度之比小于等于300；2）设计压力小于等于2MPa；3）设计温度小于等于370摄氏度。本台压力容器都符合以上条件，按GB/T150中表7-6计算。需要注意的是，表中的计算压力并不能用单纯的设计压力，因为此时的设备法兰，除了承受内压外，还承受较大的轴向力（如设备的质量）和外力矩（如由风载荷、地震载荷或管道引起的力矩等），应按当量设计压力来选用。法兰的当量设计压力按下式计算：𝑃e=16MπDG3+4FπDG2+pPe：当量设计压力（MPa）；p：设计内压力（MPa）；M：外力矩（N·mm），如已知外力矩的两个垂直分量Mx、My，则𝑀=√Mx+My；F：轴向外载荷（N），拉力时计入，压缩力时不计；DG：垫片载荷作用位置处的直径（mm），按GB/T150法兰设计中的有关规定。这里我们以最危险截面处，也就是下封头以上600mm处的设备法兰为例进行试算。为什么是试算呢？因为此时部分零部件重量还未知，无法准确计算轴向力，也无法得知轴向力是拉还是压，所以我们只能进行保守的计算，也就是估算全容器重量以及把风载荷加载在全容器截面上，这样算出来的设备法兰才是保险的。首先确定轴向外载荷F，不管是拉是压，均计算在内。筒体壁厚均已计算完毕，冷凝器、再沸器也知道换热面积，管板厚度估算一个经验值（如后面计算相差太大，再回头来计算），基本就能估算出全容器重量，加上地震加速度，就能算出轴向外载荷。其次确定外力矩M，这里就得先计算出容器的质心位置。按图1，此设备法兰上方为6段，每段重量已估算出来，以耳式支座底板处为零点，每段质心距此的距离也能算出来，用公式：总质量x质心=（各段质量x各段质心）之和，即可算出质心位置。加上基本风压数据，就能算出外力矩。最后根据当量设计压力公式，计算出下封头以上600mm处的设备法兰计算压力为1.4MPa左右，而设计压力为0.1MPa，由此可见不能以设计压力为法兰的计算压力。代入GB/T150中表7-6计算得出法兰的厚度为75mm（S30408锻件），衬环采用与筒体一致的8mm厚蒙乃尔400钢板。四：上、下换热器的设计计算换热器的计算，主要是计算管板的厚度，可以直接采用SW6计算，由第二、第三点我们已经得出筒体厚度、与管板相连接的法兰相关数据，直接输入SW6中进行计算得出管板厚度为50mm，而从计算数据中能看出换热管受轴向拉应力，所以我们选择爆炸焊接复合板，根据标准NB/T47002.2中规定，以锻件为基材时，应采用Ⅲ级或Ⅳ级锻件，最终确定管板厚度为58mm（50mm厚S30408Ⅲ级锻件+8mm厚蒙乃尔400钢板）。五：支座的设计计算支座的计算应根据标准JB/T4712.3规定，仔细分析图1，支座以下筒体处于封闭室内，也就是说我们可以简化为支座以上筒体受风载荷，全容器质量已知，这样就可以得到支座所受的水平力，进而得出支座载荷及弯矩，经过计算，筒体8mm厚度，选用4个C3-Ⅲ支座满足设计要求。需要注意的是，如果支座以下筒体不是出于封闭室内，那么整个容器高径比为17.5，总高度14m，不推荐使用耳式支座，而应该采用带刚性环的耳式支座。（通过笔者验算，采用耳式支座计算时，支座载荷满足要求，但是弯矩不满足，所以这种情况下只能选用刚性环耳式支座）参考资料：1、GB/T150.1~150.4-2011压力容器2、GB/T151-2014热交换器3、NB/T47002.2-2009镍-钢复合板4、NB/T47020~47027-2012压力容器法兰、垫片、紧固件5、JB/T4712.3-2007耳式支座6、HG/T20582-2011钢制化工容器强度计算规定作者简介：孙庆（1988-），男，学士，化工工程师；研究方向：压力容器设计、塔设备设计。