趙 棟，劉長海，孫雅麗

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)(2.中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司，江蘇 南京 210048)

壓力容器是日常生活和企業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備，也是石油、化工行業(yè)中非常重要的特種設(shè)備。承載壓力高、設(shè)備容積大、可儲(chǔ)存危險(xiǎn)介質(zhì)等是壓力容器的主要特點(diǎn)[1]。其頂蓋封頭的設(shè)計(jì)是高壓容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[2]。常規(guī)設(shè)計(jì)中，為了保證裝置的安全可靠，設(shè)計(jì)人員在參數(shù)計(jì)算時(shí)通常會(huì)取保守值，這樣便會(huì)增加不必要的耗材和成本，使經(jīng)濟(jì)效益大幅下降。如今，工業(yè)設(shè)備朝著大型化方向發(fā)展，設(shè)備體積越大，制造就越困難、復(fù)雜，過程中出現(xiàn)的問題也就越多。如果裝置設(shè)計(jì)不合理，便會(huì)使得制造成本增加[3]。隨著設(shè)計(jì)壓力和容器直徑的增大，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頂蓋封頭厚度進(jìn)行計(jì)算難免會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理的問題。因此，開展高壓容器頂蓋封頭厚度修正的研究，對(duì)化工行業(yè)以及壓力容器大型化發(fā)展具有重要意義。

1 GB150中頂蓋封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算與強(qiáng)度分析

在進(jìn)行高壓容器頂蓋封頭設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，頂蓋封頭的厚度取值往往較大。實(shí)際工程上經(jīng)常將其簡化成小撓度薄板進(jìn)行分析[4]，為了驗(yàn)證其修正計(jì)算后厚度的可靠性，會(huì)將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比論證。小撓度薄板是指在僅有垂直于板面的載荷作用時(shí)，彎曲方向上的撓度w比板厚小的薄板。工程上對(duì)小撓度薄板有如下假設(shè)[5]：1)在板厚度方向上平分板的面為中性面，薄板在受到垂直于中性面的載荷作用后，只有彎曲變形，無伸長；2)變形前垂直于板中性面的直線板變形后仍為直線，且垂直于變形后的中性面，不會(huì)出現(xiàn)伸縮；3)薄板的材料是均勻的，忽略由于彎曲變形引起的中性面伸長、縮短及剪切變形。

根據(jù)圓平板理論，可以得到受內(nèi)壓圓平板中的最大應(yīng)力σmax為：

(1)

式中：K為圓平板的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，反映圓平板邊緣的連接情況對(duì)平板最大應(yīng)力的影響；pc為計(jì)算壓力；DC為圓平板密封面的平均直徑；δp為圓平板計(jì)算厚度。

壓力容器頂蓋封頭與部件的連接方式眾多，連接方式不同，頂蓋封頭的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K也不一樣。法蘭螺栓連接是主要的連接方式。影響頂蓋封頭厚度的因素有設(shè)計(jì)溫度t下的材料許用應(yīng)力[σ]t與頂焊接接頭系數(shù)φ，GB150中頂蓋封頭厚度的計(jì)算公式[6]為：

(2)

頂蓋封頭的強(qiáng)度校核可以通過計(jì)算其截面的當(dāng)量應(yīng)力完成，頂蓋封頭截面如圖1所示，被截面y-y所切分的半圓頂蓋封頭上分別受到介質(zhì)壓力和墊片反力的影響。截面a-a處是頂蓋封頭的薄弱位置，在進(jìn)行校核時(shí)需考慮a-a截面的當(dāng)量應(yīng)力。

圖1 頂蓋封頭截面示意圖

2 頂蓋封頭厚度修正設(shè)計(jì)

高壓容器頂蓋封頭的所有結(jié)構(gòu)參數(shù)均是按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的，但在實(shí)際工程中往往會(huì)出現(xiàn)按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)的主螺栓中心圓直徑和頂蓋封頭厚度不滿足現(xiàn)場安裝要求的現(xiàn)象，因此必須對(duì)頂蓋封頭的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本文以GB150中頂蓋封頭厚度的理論計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)頂蓋封頭厚度的修正進(jìn)行了研究分析。

通過分析周邊固支與周邊簡支確定圓平板厚度，改變頂蓋封頭結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K的計(jì)算方法，保證了頂蓋封頭的實(shí)際周邊約束。但是在頂蓋封頭厚度計(jì)算公式中，并未考慮到由于開孔對(duì)圓平板的削弱作用。實(shí)際工程應(yīng)用中，高壓容器所需的螺栓承載力越大，相應(yīng)地需要的螺栓數(shù)量也會(huì)越多，螺紋直徑也會(huì)越大，但這兩者都會(huì)使螺栓孔的間距減小，對(duì)法蘭強(qiáng)度的削弱作用就會(huì)增強(qiáng)，因此在高壓容器頂蓋封頭厚度計(jì)算過程中，需要考慮螺栓孔對(duì)頂蓋封頭強(qiáng)度的削弱作用。本文將對(duì)影響頂蓋封頭強(qiáng)度的因素進(jìn)行研究探討，分析實(shí)際工況中螺栓孔對(duì)頂蓋封頭的削弱效果。

2.1 螺栓孔削弱作用分析

圖2 頂蓋封頭等效模型

圓平板面積S0：

(3)

螺栓孔開孔面積S螺栓：

(4)

圓平板開孔后面積S實(shí)際：

(5)

頂蓋封頭螺栓孔削弱系數(shù)：

(6)

(7)

2.2 實(shí)際頂蓋封頭厚度計(jì)算

(8)

式中：A為雙錐環(huán)高度。

在設(shè)計(jì)壓力為32 MPa、容器直徑為600～3 200 mm的條件下，將修正公式與標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算得到的頂蓋封頭厚度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。從圖中可知，容器直徑小于1 500 mm時(shí)，修正公式與標(biāo)準(zhǔn)公式的計(jì)算結(jié)果基本吻合，這是由于容器直徑較小時(shí)，螺栓孔對(duì)頂蓋封頭強(qiáng)度的削弱作用較小，因此當(dāng)容器直徑較小時(shí)可以直接采用GB150中計(jì)算公式計(jì)算；直徑大于1 500 mm時(shí)，修正后的頂蓋封頭厚度要大于標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算的值，這是由于容器直徑增大后，所需的螺栓載荷增加，選用的螺栓直徑更大，螺栓孔對(duì)頂蓋強(qiáng)度的削弱作用就會(huì)增強(qiáng)，因此修正后的頂蓋封頭厚度相比標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算的頂蓋封頭厚度更加符合工程要求，修正后的頂蓋封頭a-a截面當(dāng)量應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

圖3 修正前后頂蓋封頭厚度

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某工廠現(xiàn)有氨合成塔[9]，其設(shè)計(jì)參數(shù)、部件材料屬性以及雙錐環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見表1～3。氨合成塔的部分結(jié)構(gòu)示意圖如4所示，其中雙錐密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

表1 氨合成塔設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 部件材料屬性

表3 雙錐環(huán)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 氨合成塔結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 雙錐環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 氨合成塔頂蓋封頭厚度計(jì)算

根據(jù)頂蓋封頭厚度的修正計(jì)算公式(8)計(jì)算氨合成塔頂蓋封頭厚度。

頂蓋封頭法蘭螺栓孔削弱系數(shù)：

(9)

雙錐環(huán)的密封面平均直徑：

(10)

LG=[dB-(DC-D1)/2-D1]/2=[2 750-(2 405-2 332)/2-2 332]/2=190.75 (mm)

(11)

頂蓋封頭系數(shù)：

(12)

式中：A為雙錐環(huán)高度，mm；B為雙錐環(huán)厚度，mm；α為雙錐環(huán)密封面錐角。

頂蓋封頭厚度為：

(13)

實(shí)際頂蓋封頭的厚度：

(14)

3.2 修正前、后計(jì)算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對(duì)比

將實(shí)際工廠氨合成塔與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算及修正后的頂蓋封頭厚度進(jìn)行對(duì)比，見表4。主螺栓規(guī)格為M140×4。

表4 氨合成塔結(jié)構(gòu)尺寸

由表4可知，修正后的頂蓋封頭厚度與實(shí)際數(shù)據(jù)僅有2%的誤差，而由GB150中計(jì)算公式所得出的頂蓋封頭厚度與實(shí)際數(shù)據(jù)有較大出入，說明修正計(jì)算方法有一定的實(shí)際意義，驗(yàn)證了修正公式的可靠性。

4 結(jié)束語

本文基于彈性小撓度平板理論，研究了高壓容器頂蓋封頭厚度的計(jì)算公式，以及主螺栓孔中心圓直徑對(duì)頂蓋封頭強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)實(shí)際數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果存在較大誤差的主要原因是：用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式進(jìn)行頂蓋封頭厚度計(jì)算時(shí)未考慮主螺栓孔對(duì)頂蓋封頭強(qiáng)度的削弱作用。由此本文將主螺栓孔削弱系數(shù)引入頂蓋封頭厚度計(jì)算公式中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法進(jìn)行補(bǔ)充修正，并且利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證修正后計(jì)算公式的正確性。結(jié)果表明，經(jīng)修正公式計(jì)算后的頂蓋封頭厚度更符合現(xiàn)場實(shí)際情況，頂蓋封頭厚度修正公式對(duì)大型高壓容器的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。