化工生产中夹套容器内筒加强结构的设计

吴迎春，王蓓蓓

（天津市化工设计院，天津 300193）

在化工生产中，经常用蒸汽和水给容器内的介质加热，夹套压力容器就是可以满足这种工艺要求的设备。夹套容器的内筒体壁厚通常取决于夹套内压力的大小，也就是承受的外压。外压计算长度越短，内筒体的壁厚越薄。因此给内筒体外部设置一些加强结构，可有效地降低内筒的壁厚。节约设备成本。

夹套内介质若压力不高，内筒所受设计外压值较低，加强圈的截面尺寸不需要很大，内筒与夹套的间隙足以满足加强圈的结构尺寸要求，以及夹套内介质流通面积的要求，但对于夹套内介质压力较高，内筒所受设计外压值较大。为达到加强圈和圆筒所需的组合惯性矩，加强圈的截面尺寸又需要很大，导致内筒与夹套的间隙不足以布置满足设计要求的加强圈，或即使能够布置的下，数量又太多，又无法保证夹套内介质的流通顺畅，影响生产操作。因此下面就以我院某化工项目中的一台甲醇蒸馏釜（表1）为例，探讨在此种情况下加强结构的设计。

经Sw6计算软件计算得到内筒名义厚度为32mm，内筒下封头名义厚度为24mm，此时内筒外壁与夹套内壁的间隙为68mm，选用反置等边角钢加强圈L63×63×6，加强圈间距为100mm才能使内筒体壁厚降到24mm[1]。加强圈的间距过小使得筒体与夹套的接管根本无法布置，而且内筒体与内筒封头的厚度较厚，增加了设备材料的费用，并且也相应增加了设备的制造和质量检验的费用，所以这种设计方法不是最合理的。以下所探讨的两种设计方案，可以更合理地在设计中解决以上这种情况。

表1 甲醇蒸馏釜的设计参数

1 螺旋扁钢加强圈

螺旋扁钢加强圈结构见图1所示。此种结构下的加强圈需要与夹套筒体进行焊接，所以夹套筒体在设计计算中将成为加强圈结构的一部分，此时在设计中加强圈的横截面形状被看成是一个T型钢结构，这样加强圈自身的惯性矩就会因此变的很大。对于螺旋型的加强结构，其既有加强作用又有导流作用，当其螺距不大于0.3Di时，可将其看作圆环扁钢加强圈进行计算，其计算长度为螺旋扁钢加强圈的螺距。容器内筒体的厚度先定为16mm，夹套筒体和螺旋扁钢加强圈的厚度先定为14mm，加强圈螺距为500mm，经计算所得：加强圈与容器内筒体所需的组合截面惯性矩小于起加强作用的有效段的组合截面惯性矩，所以这种加强结构既保证了夹套内介质流体的流动顺畅，满足工艺要求，不影响生产操作，又满足了容器内筒体的强度和稳定性的要求。但是这种设计方法的不足在于它不适用于内筒下封头的加强，设计计算很困难，而且加工制造起来很困难。制造加工的费用成本也相应的增加了很多，所以这种结构形式仅适用于加强内圆体的强度。

图1 螺旋扁钢加强圈结构示意

2 蜂窝短管加强结构

蜂窝短管夹套如图2所示，是从圆筒型夹套的基础上，通过采用加强结构形式来加强内圆筒的外压稳定性，避免外压失稳。圆筒型夹套的内圆筒在夹套内介质的压力作用下，有外压失稳的可能性，所以从设备制造成本和结构可靠性的方面来看，夹套内介质的设计压力都不能过高。蜂窝短管夹套相比就更有优势，其内圆筒的壁厚可以比圆筒型夹套的内圆筒壁厚更薄，既节约了设备的制造费用，又可以承受更大的夹套压力。

蜂窝短管加强结构可同时让内圆筒和内筒体下封头强度和稳定性都得到加强作用，蜂窝短管夹套在圆筒体上可按正三角形或正方形布置，在封头上按同心圆布置。现选用Q345R为内圆筒体与蜂窝短管夹套筒体的材料，选用20号钢为短管的材料，经详细计算[2]得出的结果见（表2），蜂窝短管夹套的形式同时让内圆筒和内筒体下封头强度和稳定性得到了加强，同时也降低了内圆筒和内筒体下封头的厚度，同时夹套内介质流体的流动顺畅，不受结构形式影响。

蜂窝短管夹套也是有缺点的，就是夹套筒体的直径不能取标准直径尺寸，这使得夹套封头的加工受限制，而且蜂窝短管夹套制造也相对复杂。

图2 蜂窝短管加强结构示意

表2 蜂窝短管加强结构的计算结果

3 总结

和常规的圆环扁钢加强圈结构相比，以上两种方案都可以使内圆筒和内筒体下封头的厚度有效地减薄，这主要是因为螺旋扁钢加强圈和蜂窝短管夹套都对内圆筒和内筒体下封头强度和稳定性起到了很大的加强作用，并大大增加了内圆筒和内筒体下封头的组合截面惯性矩，既降低了材料的用量，节约成本，当壁厚降低后相关检验和验收的要求和费用也减少了，而且总重减小后，也给设备运输带来方便。

综上所述，日后在进行夹套压力容器设计时，应综合考虑夹套压力容器其自身的具体情况后，选择最适合其自身特性的方案，也可将这几种夹套加强结构结合使用，可把螺旋扁钢加强圈和蜂窝短管夹套结合使用，内圆筒上可用螺旋扁钢加强圈结构，而内筒体下封头上可用蜂窝短管加强结构，这样既能满足壳体强度和稳定性要求，又能满足工艺要求，满足生产需要，又能节省成本。

［1］压力容器［P］.GB150.1～150.4-2011.

［2］机械搅拌设备[P].HG／T 20569—1994.