史建濤 蔡 偉 楊學(xué)鋒 宋亞強(qiáng)
(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院 蘇州 215031)
搪玻璃容器是在石化行業(yè)應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一類特殊壓力容器,因其在金屬基層表面搪燒了一層玻璃釉而使得搪玻璃設(shè)備具有極強(qiáng)的抗腐蝕性能,并且由于搪玻璃內(nèi)筒體表面光滑、潔凈,便于清洗,近年來(lái)逐步被食品、醫(yī)藥等行業(yè)大量使用。但是搪玻璃設(shè)備的廣泛應(yīng)用也帶來(lái)一系列問題,那就是搪玻璃容器的介質(zhì)大都具有強(qiáng)腐蝕性,甚至較高的毒性,一旦在使用過(guò)程中發(fā)生失效,后果將不堪設(shè)想,這對(duì)于搪玻璃壓力容器的設(shè)計(jì)和制造都提出了較高的要求。GB 25025—2010《搪玻璃設(shè)備技術(shù)條件》詳細(xì)規(guī)定了搪玻璃壓力容器建造環(huán)節(jié)的詳細(xì)要求,其中還規(guī)定了搪玻璃容器受壓元件的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)符合GB/T 150《壓力容器》[1],但是 GB/T 150—2011《壓力容器》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 150)在其適用范圍中明確規(guī)定不適用于搪玻璃容器[2],這就使得搪玻璃容器的強(qiáng)度計(jì)算缺少明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本項(xiàng)目針對(duì)搪玻璃設(shè)備壓力容器的關(guān)鍵承壓部位夾套封閉件,即上接環(huán)和下接環(huán)的典型結(jié)構(gòu),提出有效的強(qiáng)度計(jì)算方法,供相關(guān)使用者參考。
GB/T 150在D10中規(guī)定了帶夾套容器的結(jié)構(gòu)要求,如圖1~圖3所示,分別為球面結(jié)構(gòu)、斜邊加過(guò)渡段圓弧結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)單斜邊結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了采用3種不同連接結(jié)構(gòu)時(shí),封閉件的壁厚要求,即不小于夾套壁厚。對(duì)于帶夾套的搪玻璃容器而言,夾套封閉件主要有上接環(huán)、下接環(huán)等零部件,與夾套相連接的結(jié)構(gòu)形式也因搪玻璃容器的結(jié)構(gòu)不同而差異巨大。ASME-VIII-1卷2019版強(qiáng)制性附錄9中詳細(xì)介紹了可適用于搪玻璃容器夾套封閉件的連接結(jié)構(gòu)[3],按封閉件相對(duì)厚度大體分為2種:第1種結(jié)構(gòu)中夾套封閉件與夾套壁厚相當(dāng),第2種結(jié)構(gòu)中夾套封閉件厚度遠(yuǎn)大于夾套壁厚。然后按照夾套封閉件與內(nèi)筒體以及夾套筒體是否為全焊透結(jié)構(gòu)的焊接型式,第1種結(jié)構(gòu)又細(xì)分為3類,第1類為夾套封閉件與內(nèi)筒體采用角接接頭、角焊縫連接,與夾套筒體采用對(duì)接接頭、對(duì)接焊縫連接(如圖4所示);第2類為夾套封閉件與內(nèi)筒體采用角接接頭、對(duì)接焊縫連接,與夾套筒體采用對(duì)接接頭、對(duì)接焊縫連接(如圖1、圖2、圖5所示);第3類為夾套封閉件與內(nèi)筒體采用角接接頭、角焊縫連接,與夾套筒體采用角接接頭、角焊縫連接(如圖3所示)。第2種結(jié)構(gòu)采用厚度較大的封閉板,封閉板與內(nèi)筒體、夾套筒體可采用對(duì)接焊縫或角焊縫連接。由于隨著封閉板厚度的增加,材料成本隨之增加,并且在溫度較高時(shí),在壁厚方向會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度和熱應(yīng)力[4],此外由于封閉板壁厚與內(nèi)筒體以及夾套壁厚的差異,使焊接連接處產(chǎn)生較大的不連續(xù)應(yīng)力[5],因此在搪玻璃壓力容器行業(yè),該結(jié)構(gòu)使用較為少見。
圖1 封閉件結(jié)構(gòu)A
圖2 封閉件結(jié)構(gòu)B
圖3 封閉件結(jié)構(gòu)C
圖4 封閉件結(jié)構(gòu)D
圖5 封閉件結(jié)構(gòu)E
ASME規(guī)范還將夾套容器分類,典型結(jié)構(gòu)如圖6~圖10所示,其中:1型為圓筒形殼體范圍內(nèi)的夾套;2型為覆蓋一部分圓筒形殼體和一個(gè)封頭的夾套;3型為覆蓋一部分封頭的夾套;4型為圓筒形殼體上附加支撐或平衡環(huán)以減小有效長(zhǎng)度的夾套;5型為夾套覆蓋全部筒體,并且覆蓋一個(gè)封頭加另一個(gè)封頭的部分區(qū)域。
圖6 夾套結(jié)構(gòu)I
圖7 夾套結(jié)構(gòu)II
圖8 夾套結(jié)構(gòu)III
圖9 夾套結(jié)構(gòu)IV
圖10 夾套結(jié)構(gòu)V
與普通的壓力容器制造過(guò)程不同,搪玻璃壓力容器在制造過(guò)程中有一個(gè)特殊的搪燒制造工序,將硼硅酸鹽玻璃質(zhì)的底釉和面釉依次燒成在內(nèi)筒金屬基體上[6],并且在制造工序的安排上,為了避免焊接時(shí)局部過(guò)熱造成搪瓷爆瓷一般會(huì)先焊接內(nèi)筒,然后焊接夾套封閉件,最后進(jìn)行搪燒,搪燒完成后再裝配夾套筒體。由于搪燒過(guò)程對(duì)于金屬壁厚有一定程度的燒損,并且會(huì)導(dǎo)致夾套封閉件局部變形,甚至?xí)绊懞罄m(xù)夾套筒體的裝配,因此在強(qiáng)度計(jì)算時(shí),需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值附加相關(guān)承壓部件的計(jì)算厚度。
搪玻璃壓力容器夾套封閉件常用的焊接結(jié)構(gòu)中,主要有全焊透和非全焊透結(jié)構(gòu)2種。其中圖1、圖2、圖3、圖5的封閉件結(jié)構(gòu)都采用了全焊透的連接型式,其中結(jié)構(gòu)A為簡(jiǎn)化的球面封頭結(jié)構(gòu),在相同載荷條件下,所需設(shè)計(jì)壁厚最薄,但是半球形封頭在成型過(guò)程中變形量較大,而且直徑越大,厚度越薄,成型難度越大,因此半球形封頭多用于高壓、厚壁容器[7];將結(jié)構(gòu)B簡(jiǎn)化為帶折邊的錐形封頭結(jié)構(gòu),GB/T 150中詳細(xì)規(guī)定了過(guò)渡段以及折邊厚度的強(qiáng)度計(jì)算方法,但是由于過(guò)渡段的圓弧結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不連續(xù)應(yīng)力的存在[8],一定程度上增加了封閉件的加工難度;結(jié)構(gòu)C中由于封閉件與夾套筒體采用了角接結(jié)構(gòu),導(dǎo)致殼體形狀不連續(xù)以及曲率半徑突變,使得連接焊縫存在較高的邊緣應(yīng)力[9],因而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中較少采用;結(jié)構(gòu)E封閉件與內(nèi)筒體垂直布置,非常便于焊接操作,但是該結(jié)構(gòu)由于彎曲應(yīng)力的影響,使得壁厚較其他結(jié)構(gòu)大很多,常用于壓力不高、直徑較小的容器中[10];結(jié)構(gòu)D則采用了非全焊透的連接型式,并且參照ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)封閉件結(jié)構(gòu)D用于1、2、4型帶夾套的容器時(shí),最大設(shè)計(jì)厚度為16 mm,最小設(shè)計(jì)厚度不小于夾套壁厚。這是由于封閉件結(jié)構(gòu)D盡管采用了2段圓弧作為錐形封閉件的中間段,使得封閉件整體具有良好的抗變形能力,但是錐形封閉件的上端部平直部分與內(nèi)筒體采用了非全焊透的焊接結(jié)構(gòu),這就大大降低了整個(gè)封閉件的承壓能力,因此該封閉件的使用有一定的限制條件。
現(xiàn)有公稱容積5 000 L的搪玻璃反應(yīng)釜,內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa,設(shè)計(jì)溫度為20~200 ℃,介質(zhì)為苯乙烯(毒性中度),內(nèi)筒內(nèi)直徑為1 750 mm,焊接接頭系數(shù)為0.85,腐蝕余量為1 mm;夾套設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa,設(shè)計(jì)溫度為20~200 ℃,介質(zhì)為蒸氣,夾套內(nèi)直徑為1 900 mm,焊接接頭系數(shù)為0.85,腐蝕余量為1 mm,內(nèi)筒及夾套材質(zhì)均為Q235B。
根據(jù)設(shè)備的使用工況及工藝要求選擇2型帶夾套結(jié)構(gòu),由于批量制造容器,全焊透結(jié)構(gòu)的焊材填充量大,且此類全焊透工藝一般都要選用手工電弧焊或者鎢極氬弧焊打底,會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。加之夾套設(shè)計(jì)壓力較低,從制造成本以及生產(chǎn)效率的角度考慮,最終上接環(huán)設(shè)計(jì)選用圖4中的封閉件結(jié)構(gòu)D。由于GB/T 150中未詳細(xì)規(guī)定下接環(huán)的連接結(jié)構(gòu),在滿足用戶需求的前提下,參考ASME規(guī)范,選用帶U型環(huán)的連接結(jié)構(gòu),該U型環(huán)可降低夾套封頭與下接圈直接焊接的約束應(yīng)力,并且U型環(huán)底部設(shè)置排污孔,可有效減少雜質(zhì)堆積以及間隙發(fā)生腐蝕的可能性。搪玻璃容器夾套結(jié)構(gòu)以及上、下接環(huán)連接情況如圖11~圖13所示。
圖11 搪玻璃容器夾套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖12 上接環(huán)連接詳圖
圖13 下接環(huán)連接詳圖
參照GB/T 150中相關(guān)規(guī)定,計(jì)算夾套筒體和封頭壁厚分別見式(1)、式(2):
式中:
δj,δf——夾套筒體、封頭的計(jì)算厚度;
pc——計(jì)算壓力;
Di——夾套筒體內(nèi)徑;
[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力;
φ——焊接接頭系數(shù)。
考慮腐蝕余量以及鋼板負(fù)偏差,取夾套筒體公稱厚度為10 mm,考慮封頭成型時(shí)的拉伸減薄量損失以及腐蝕余量和下料方便,取封頭公稱厚度同樣為10 mm。
對(duì)于封閉件的厚度要求,GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3部分:設(shè)計(jì)》附錄D中給出了3種典型的夾套結(jié)構(gòu)以及夾套封閉件的厚度要求,即上接環(huán)厚度不小于夾套筒體壁厚。參考ASME-VIII-1卷2019版強(qiáng)制性附錄9的規(guī)定,夾套筒體和封頭按照規(guī)則設(shè)計(jì)計(jì)算壁厚,封閉件上接環(huán)壁厚tc應(yīng)至少等于tj且轉(zhuǎn)角半徑r不應(yīng)小于3tc,這種封閉件的設(shè)計(jì)壁厚的上限厚度為16 mm,見圖12中焊縫尺寸Y不應(yīng)小于0.7tc,最終選取上接環(huán)壁厚為10 mm。但是圖13中下接環(huán)的連接結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度要求,GB/T 150則未做出相關(guān)規(guī)定。同樣參考ASME標(biāo)準(zhǔn),下接環(huán)處的封閉件為撓性件,其所需的最小厚度tc應(yīng)按式(3)確定:
式(3)中RP為撓性件內(nèi)壁距離容器中心的最遠(yuǎn)徑向距離,a不小于2tj,b不小于tj,c不小于1.25tc??紤]腐蝕余量以及鋼板負(fù)偏差,取U型下接環(huán)公稱厚度為6 mm。
搪玻璃容器的下接環(huán)典型連接結(jié)構(gòu)除見圖13外,常用的連接方式還有如圖14所示的結(jié)構(gòu),由于GB/T 150中缺少此類結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算方法,故參考夾套筒體厚度計(jì)算方法,該下接環(huán)計(jì)算厚度見式(4):
圖14 下接環(huán)其他連接結(jié)構(gòu)圖
這種形似倒置的碗形下接環(huán)采用鋼板卷制,然后對(duì)焊連接,經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格后,在特殊的成型模具上壓制成2個(gè)左右對(duì)稱的碗形下接環(huán),然后在徑向?qū)ΨQ軸位置切割,最終制作出2只符合設(shè)計(jì)要求的下接環(huán),容器制造過(guò)程中需先與內(nèi)筒體焊接,然后搪燒,最后再裝配夾套封頭。因此考慮腐蝕余量以及鋼板負(fù)偏差,并且按經(jīng)驗(yàn)值附加搪燒厚度損失量,取該下接環(huán)公稱厚度為6 mm。而圖13中的U型下接環(huán)則是在鋼板上直接切割出圓環(huán),然后將圓環(huán)在設(shè)定的模具工裝上直接壓制成型,成型后的U型下接環(huán)上沒有對(duì)接焊縫,無(wú)須探傷檢測(cè),與碗形下接環(huán)相比,減少了無(wú)損探傷工序,一定程度上降低了制造成本,因此U型下接環(huán)結(jié)構(gòu)成為眾多搪玻璃壓力容器制造單位的優(yōu)先選項(xiàng)。
針對(duì)上述典型的上接環(huán)連接結(jié)構(gòu),使用有限元分析軟件WORKBENCH,設(shè)置Q235B材料的彈性模量為 2.06×105MPa[11],密度為7 850 kg/m3,泊松比 0.3[12],邊界條件以及搪玻璃壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)[13],并作如下假設(shè):1)不考慮容器自重及內(nèi)裝物料重量,不考慮設(shè)備及外部配件重力載荷;2)不考慮風(fēng)載荷、地震載荷;3)不考慮外部支撐及裝配載荷;4)不考慮溫差變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力和變形;5)不考慮疲勞計(jì)算與壽命評(píng)估。應(yīng)力分析過(guò)程中涉及的載荷包括夾套設(shè)計(jì)內(nèi)壓(不含液柱靜壓力)、夾套自重、工況溫度下的熱載荷。典型的夾套封閉件上接環(huán)局部結(jié)構(gòu)變形以及應(yīng)力強(qiáng)度分布情況如圖15、圖16所示。
圖15 夾套封閉件上接環(huán)局部結(jié)構(gòu)變形圖
圖16 夾套封閉件上接環(huán)局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖
圖15中當(dāng)采用封閉件結(jié)構(gòu)D時(shí),局部變形最大值發(fā)生在夾套筒體部位而非封閉件位置,變形量最小值位于夾套封閉件圓弧過(guò)渡段。從圖16應(yīng)力分布情況可知,最大應(yīng)力強(qiáng)度位于夾套筒體部位,最小值位于夾套封閉件與夾套筒體連接部位。由于夾套封閉件一端與內(nèi)筒體采用對(duì)接接頭焊接固定,另一端與夾套筒體也采用對(duì)接接頭焊接連接,因此夾套封閉件主要承受的應(yīng)力類型為一次局部薄膜應(yīng)力和二次應(yīng)力(彎曲應(yīng)力),圓弧過(guò)渡段在內(nèi)壓力的作用下,同樣承受一次局部薄膜應(yīng)力和二次彎曲應(yīng)力[14]。而遠(yuǎn)離封閉件與夾套筒體不連續(xù)處的最大應(yīng)力強(qiáng)度位置,其所承受的是一次總體薄膜應(yīng)力和沿壁厚的應(yīng)力梯度(二次應(yīng)力),該應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值較一次局部薄膜應(yīng)力大,并且由于邊界條件固定的設(shè)置導(dǎo)致變形量較夾套封閉件處變形量大。
幾種常見結(jié)構(gòu)的夾套封閉件的應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比情況見表1。
表1 不同結(jié)構(gòu)夾套封閉件應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比
由表1結(jié)果可知,當(dāng)夾套封閉件與內(nèi)筒體采用對(duì)接接頭的焊接結(jié)構(gòu)時(shí),夾套封閉件最大應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值都較小,相比而言采用角接接頭時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值普遍較大,尤其采用結(jié)構(gòu)C時(shí),由于峰值應(yīng)力的存在,其最大應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值較其他結(jié)構(gòu)大很多,結(jié)構(gòu)變形的最大值也呈現(xiàn)同樣的趨勢(shì)。盡管應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值高于采用結(jié)構(gòu)D時(shí),但是采用結(jié)構(gòu)E時(shí)的夾套封閉件結(jié)構(gòu)變形數(shù)值最小,尤其適用于搪玻璃設(shè)備有頻繁攪拌和機(jī)械振動(dòng)工況,因此在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的前提下,結(jié)構(gòu)E被廣泛應(yīng)用于搪玻璃壓力容器的上接環(huán)連接。
由于GB/T 150中無(wú)下接環(huán)的強(qiáng)度計(jì)算方法,本項(xiàng)目使用有限元分析軟件,在相同的設(shè)計(jì)參數(shù)及邊界條件下,比較2種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況,如圖17、圖18所示。
圖17 碗形下接環(huán)應(yīng)力分布圖
圖18 U型下接環(huán)應(yīng)力分布圖
對(duì)比2種不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖可知,碗形結(jié)構(gòu)的下接環(huán)最大應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)小于U型結(jié)構(gòu),應(yīng)力最大值分別位于碗形下接環(huán)的下轉(zhuǎn)角部位以及U型下接環(huán)的長(zhǎng)邊圓弧過(guò)渡段。由此可知,下接環(huán)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)部位主要位于結(jié)構(gòu)變形的不連續(xù)部位,但是僅就應(yīng)力水平而言,數(shù)值整體較低。應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果見表2。
表2 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果 MPa
根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定,取安全系數(shù)1.5,則設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力限制為235/1.5=156.7 MPa,局部薄膜應(yīng)力限制為1.5×156.7=235 MPa,本項(xiàng)目中下接環(huán)局部彎曲應(yīng)力屬于二次應(yīng)力,薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的限制為3×156.7=470 MPa,因項(xiàng)目不考慮疲勞計(jì)算與壽命評(píng)估,故對(duì)于峰值應(yīng)力不做判定,由表2中計(jì)算結(jié)果表明強(qiáng)度滿足要求。
針對(duì)該搪玻璃反應(yīng)釜,按照規(guī)則設(shè)計(jì)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)強(qiáng)度校核,其中試驗(yàn)溫度為20 ℃以及設(shè)計(jì)溫度為200 ℃時(shí),Q235B材料的許用應(yīng)力按照GB/T 150中附錄D的規(guī)定分別取116 MPa和99 MPa,夾套水壓試驗(yàn)壓力為 1.25×0.6×116/99 MPa=0.88 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明,搪玻璃壓力容器在水壓試驗(yàn)過(guò)程中,無(wú)滲漏,容器表面無(wú)可見變形和異常聲響,耐壓試驗(yàn)結(jié)論合格。需要注意的是,耐壓試驗(yàn)的作用是驗(yàn)證設(shè)備的強(qiáng)度和嚴(yán)密性,耐壓試驗(yàn)的強(qiáng)度校核并不能替代計(jì)算模型正確性的驗(yàn)證。
1)搪玻璃壓力容器在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)需考慮搪燒工藝對(duì)于厚度的影響,尤其是與內(nèi)筒體直接相焊,并且先搪燒后裝配夾套的封閉件應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)附加燒損厚度。
2)上接環(huán)的設(shè)計(jì)需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工序以及加工成本等方面考慮,在夾套設(shè)計(jì)壓力不高的情況下,建議優(yōu)先選用有直邊加雙曲面結(jié)構(gòu),壁厚選取與夾套筒體相同厚度。
3)下接環(huán)從減少探傷工序,降低成本,減少搪燒厚度損失方面考慮,建議優(yōu)先選擇U型下接圈結(jié)構(gòu),壁厚選取參考文中計(jì)算方法。
4)由于搪玻璃壓力容器夾套封閉件無(wú)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度計(jì)算方法,需采用有限元分析等方法對(duì)承壓部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。