秦 琳

(廣州有色金屬研究院，廣東廣州 510651)

1 引言

外壓容器在化工、石油、冶金、造船、航空、食品、制藥等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如帶有加熱或冷卻夾套反應(yīng)釜、帶水冷的真空罐體等。、外壓薄壁容器在遠(yuǎn)低于其屈服極限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生變形，從而失去原來的形狀，即外壓容器失去其穩(wěn)定性。失去穩(wěn)定性是外壓容器的主要的失效形式。實(shí)際工程中，外壓容器失效的例子很多［1－2］，有意外、設(shè)計(jì)失誤、壓力試驗(yàn)不合理、未考慮外壓等多種原因。本單位10年前，發(fā)生一個(gè)冶金用鋼制帶水冷夾套容器的失穩(wěn)事故，現(xiàn)對此進(jìn)行分析，為今后的設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 水冷筒體的失效原因分析

2.1 失效水冷筒體設(shè)備的情況

水冷筒體是一個(gè)筒高6000mm、內(nèi)套直徑2000mm(筒體錐體部分半角小于30°可視作直筒)內(nèi)空筒體，內(nèi)套壁厚6mm，材料為304不銹鋼;外套直徑2100mm，壁厚8mm，材料為235#碳鋼，如圖1所示。不銹鋼筒內(nèi)壁使用溫度約為攝氏120℃，使用氣氛為大氣常壓。內(nèi)外套之間為流動(dòng)的冷卻水，實(shí)測水溫約60℃，水壓為0.2MPa。2001年發(fā)現(xiàn)不銹鋼直筒部分與錐體連接焊縫滲水，無法焊補(bǔ)，繼而直筒部分開始出現(xiàn)明顯縱向波浪變形。設(shè)法修復(fù)時(shí)，采用直徑200mm、厚6mm的碳鋼管，徑向連接內(nèi)外筒體，以600mm的距離分布焊接鋼管。使用半個(gè)月又出現(xiàn)滲水、可見受力之大。后采取先從里面向外頂出變形部分，然后焊接鋼管連接內(nèi)外筒壁的辦法，大大減慢了變形速度，延長了設(shè)備的使用壽命，18個(gè)月后，因局部滲水放棄使用。

2.2 計(jì)算校核

鋼制帶水冷夾套筒體，由于冷卻水有0.2MPa的壓力，則不銹鋼內(nèi)套為受外壓筒壁，而碳鋼外套則受內(nèi)壓筒壁。根據(jù)GB－150的計(jì)算方法［3］，對該筒體進(jìn)行校核。

內(nèi)壓筒壁的壁厚的承受外壓的能力校核:內(nèi)壓容器的壁厚與設(shè)計(jì)使用壓力的關(guān)系式［4］:

其中:

Sc－碳鋼外套壁厚，mm;

P －設(shè)計(jì)使用壓力，P=0.2MPa;

D－碳鋼外套的直徑，D=2100mm;C－腐蝕裕度，C=2mm;

［σ］－材料的許用應(yīng)力，對235A碳鋼?。郐遥?130MPa;

φ － 焊縫系數(shù):φ=0.8;

在公式(1)中代入以上數(shù)據(jù)得到:Sc=4(mm)，而實(shí)際使用鋼板為8mm，內(nèi)壓容器主要考慮外筒壁的強(qiáng)度，從計(jì)算數(shù)據(jù)來看強(qiáng)度是足夠的。外筒壁設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮其運(yùn)輸、吊裝、支撐等功能，通常設(shè)計(jì)較厚，往往設(shè)計(jì)厚度承受強(qiáng)度余量是較大的。這也常常導(dǎo)致人們有時(shí)參照外壁的強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)，忽略承受外壓內(nèi)壁的仔細(xì)分析校核，直接按經(jīng)驗(yàn)判斷下結(jié)論，從而造成設(shè)計(jì)失誤。

圖1 帶冷卻水套筒體示意圖

不銹鋼外壓筒壁的校核:

GB150中外壓容器直筒的計(jì)算方法，主要來源于米賽斯公式，其考慮的失效主要有長圓筒失效和短圓筒失效。長圓筒即剛性圓筒，此類圓筒的失效是由于筒壁上的壓應(yīng)力超過材料的屈服極限而造成塑性屈服失效，這類問題工程上較少出現(xiàn)。短圓筒失效即在屈服極限足夠的情況下出現(xiàn)彈性失穩(wěn)。工程設(shè)計(jì)中極大部分是這種情況。其計(jì)算式如式(2)、式(3)所示［5－6］。

式中:

S:塔體不銹鋼內(nèi)筒圓筒的計(jì)算壁厚L:塔體圓筒的計(jì)算長度

Lcr:圓筒的臨界長度

P:設(shè)計(jì)外壓力或?qū)嶋H承受的最大壓力

Pcr:塔體失穩(wěn)的臨界壓

Do:塔體圓筒壁的外徑

Di:塔體圓筒壁的內(nèi)徑

［P］:許用外壓力

E:塔體材料在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模數(shù)

對長圓筒:

對短圓筒:

受外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定條件是:［P］≥P而［P］=Pcr/m，通常穩(wěn)定系數(shù)取m=3

則外壓筒壁穩(wěn)定條件為:Pcr≥3P，把這個(gè)條件代入(1)式及(2)式得到:

對長圓筒(屈服變形)

對短圓筒(失穩(wěn)變形):

在臨界點(diǎn)時(shí)(3)、(4)兩式相等，(3)代入(4)式得到:

計(jì)算長度L＜Lcr為短圓筒，即可用(5)式計(jì)算。

在本文中案例D0=2000mm，S0=6mm.代入(6)式得到:

L=6000mm ＜ Lcr=1.17 ×2000 × (2000/6)0.5=1.17 ×2000 ×100 ÷5.47722=42800mm

由計(jì)算可見該筒體為短筒體，可進(jìn)一步用式(5)進(jìn)行外壓校核:

式(5)中后面一項(xiàng) 0.45(S0/D0)0.5與前一項(xiàng)比較小，通常省略引起的誤差小于5%，可省略，得到(7)式:

把不銹鋼內(nèi)筒的數(shù)據(jù)代入簡化的米賽斯公式(7)式，E=1.8 ×105MPa，D0=2000mm，S0=6mm

［P］ =(2.6EDo/3L)(So/D0)2.5=0.02563(MPa)

實(shí)際設(shè)計(jì)使用壓力為P=0.2MPa，為實(shí)際板厚6mm計(jì)算的出的許用應(yīng)力的七倍。由此校驗(yàn)計(jì)算得出結(jié)論:該筒體失穩(wěn)失效是筒體壁厚設(shè)計(jì)尺度不夠所造成的。

2.3 外壓筒體出現(xiàn)失穩(wěn)時(shí)的補(bǔ)救措施

具有一定強(qiáng)度和剛度的外壓筒體，不是突然超大負(fù)荷使用時(shí)，往往其失穩(wěn)是一個(gè)漸進(jìn)過程，不是突然大幅度失穩(wěn)。本文討論的筒體就是這樣，開始慢慢地變形，后漸漸加快。使用者在變形多處焊接直徑200毫米的鋼管與外筒體連接，大大減緩了局部失穩(wěn)速度。但其它部分仍然失穩(wěn)變形，同時(shí)加強(qiáng)鋼管焊接處出現(xiàn)滲水。失穩(wěn)筒體使用半年后，最終因?yàn)槭Х€(wěn)變形、焊縫漏水而放棄使用。

回顧總結(jié)補(bǔ)救措施，可以認(rèn)為，開始的補(bǔ)救措施是有一定效果的，在一定程度上減緩了失穩(wěn)進(jìn)度。但是不夠合理，完全有效。后來對初期失穩(wěn)的筒體變形處先用筒體等徑模板擠壓向外，整形，然后再用鋼管連接內(nèi)外筒壁。失穩(wěn)變形大大減慢，取得了明顯的補(bǔ)強(qiáng)效果。因?yàn)橛墒?7)可見:

許用應(yīng)力［P］與筒體直徑Do的1.5次方成反比關(guān)系。當(dāng)失穩(wěn)變形時(shí)，筒體不銹鋼內(nèi)壁在水外壓的作用下，向筒體圓心向心移動(dòng)，變形處的曲率半徑漸漸變大。為了討論方便，我們設(shè)曲率半徑Ro=Do時(shí)為加速失穩(wěn)半徑，超過這個(gè)直徑2Ro=2Do，代入(8)式，得到:

［Pr］≈ 1/3［P］

許用應(yīng)力大約只有未失穩(wěn)時(shí)的三分之一了。超過加速半徑可以認(rèn)為失穩(wěn)加速，設(shè)稱之為失穩(wěn)加速階段。當(dāng)筒體圓周變形處為一直線時(shí)，曲率半徑為無窮大Ro=∞ ，代入式(8)得到:［P］=0

我們設(shè)稱為無限失穩(wěn)曲率半徑，此時(shí)許用應(yīng)力為零。超過這個(gè)曲率半徑的失穩(wěn)變形稱之為無限失穩(wěn)階段。此階段失穩(wěn)變形極易進(jìn)行。所以要把變形部位，擠壓整形接近原來的筒體直徑。然后焊接補(bǔ)強(qiáng)。實(shí)踐表明，這樣補(bǔ)強(qiáng)的效果較好。

3 改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案

為了達(dá)到水冷外壓穩(wěn)定要求，要綜合考慮增加筒壁厚度及減小外壓筒體計(jì)算長度。

當(dāng)整個(gè)筒體除了兩端外，中間沒有加強(qiáng)板，即L/D0=3，這種情況下，試用常見的商用不銹鋼板尺寸，代入簡化的(5)式，得到表1:

由表1數(shù)據(jù)，要使不銹鋼內(nèi)壁承受0.2MPa的水外壓，不銹鋼板厚度要達(dá)到14mm。厚度要比原來使用的同壁厚一倍以上，不銹鋼含有大量的鎳、鉻等高價(jià)金屬，材料成本要增加一倍，其次，水冷夾套還要有較好的冷卻效果，板厚增加一倍以上，顯然對冷卻內(nèi)壁是不利的。

表1 L/D=3時(shí)，不同板厚所對應(yīng)的許用應(yīng)力

從熱工學(xué)資料可知道，傳熱速度與傳熱距離是正相關(guān)的。單獨(dú)增加板厚是無法得到令人滿意工程設(shè)計(jì)。

另一方面，由式(7)計(jì)算得到表2，要使P ＜［P］，可變的參數(shù)除了厚度So還可考慮改變計(jì)算長度L，當(dāng)［P］不變時(shí)，計(jì)算長度越短，需要的筒壁厚度就越小。

表2 不同計(jì)算長度所對應(yīng)的許用應(yīng)力

通過表2計(jì)算可以看出:縮小外壓筒體的計(jì)算長度以及增加筒體的壁厚都可以增加筒體的許用應(yīng)力，也即增加筒體的穩(wěn)定性。外壓筒體計(jì)算長度縮短一倍，許用應(yīng)力也即增加一倍;而增加筒體壁厚三分之一，也可以使許用應(yīng)力也即增加一倍。這是因?yàn)樵谑?7)中，許用應(yīng)力與計(jì)算長度L成一次方的反比，而與壁厚So的2.5次方成正比。增加壁厚的效果較大是顯而易見的，但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，增加壁厚就會(huì)顯著增加不銹鋼內(nèi)壁的重量，材料成本增加較大。因?yàn)椴讳P鋼價(jià)格是普通碳鋼的四倍，筒體壁厚從6mm增加到8mm，不銹鋼內(nèi)壁要增加重量33%，通常設(shè)備采購廠家傾向于增加加強(qiáng)板層數(shù)，即減少計(jì)算長度，來滿足設(shè)計(jì)要求。過于減小壁厚，增加加強(qiáng)板層數(shù)，也是不可取的，這會(huì)增加切割、焊接等工作量。還要考慮焊接變形、以及焊縫強(qiáng)度等因素。在本文的設(shè)備例子中，壁厚10mm時(shí)，筒體中間只要一層加強(qiáng)圈，8mm壁厚要三層加強(qiáng)板，而6mm壁厚就要八層加強(qiáng)板。材料及工作量大幅度增加。所以，筒體的壁厚以及計(jì)算長度要綜合優(yōu)化考慮。實(shí)際失穩(wěn)筒體夾層中間沒有一層加強(qiáng)板，這樣的設(shè)計(jì)顯然是不合理的。

根據(jù)筒體失穩(wěn)變形的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以及計(jì)算分析的數(shù)據(jù)可以得到表3數(shù)據(jù)。

表3 三種板厚承受0.2MPa水外壓的加強(qiáng)版層數(shù)

6mm板的加強(qiáng)板層數(shù)較多，再考慮焊縫強(qiáng)度系數(shù)等因素，7層加強(qiáng)板仍然略嫌不夠。再增加筒體外套鋼板的切割不太合理。故選8mm不銹鋼板，加強(qiáng)板層數(shù)3層以上。依據(jù)修改壁厚及加強(qiáng)板層數(shù)的設(shè)計(jì)制造的筒體，經(jīng)過6年的使用，設(shè)備完好無變形。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)GB150校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果分析表明:

失穩(wěn)報(bào)廢筒體的失效原因是設(shè)計(jì)壁厚不足或加強(qiáng)板層數(shù)不夠。

(2)對于緩慢變形的外壓容器，合理的補(bǔ)救措施可以延緩變形、延長失穩(wěn)變形筒體的使用壽命。

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