灰锁斗罐的结构及强度计算

陈晓玲

（山西省化工设计院)

灰锁斗罐的结构及强度计算

陈晓玲*

（山西省化工设计院)

灰锁斗罐是在两个压力不相等的系统之间设置的、压力可以间歇性变化的中间系统。因为其压力不停地变化，属于疲劳设备，所以不能采用常规设计方法进行设计，需要按照分析设计的方法进行设计。对灰锁斗罐的结构进行了分析，并对主要的构件进行了强度计算和校核。

灰锁斗罐疲劳设计分析设计强度计算受压元件支座

0 前言

灰锁斗罐是锁斗系统中的主要设备之一。锁斗系统在煤化工很多行业中都有应用，主要应用在一些加压的粉煤/煤渣气力输送系统中，是在两个压力不相等的系统之间设置的、压力可以间歇性变化的中间系统。锁斗系统包含的设备有灰锁斗罐、锁斗冲洗水罐、锁斗循环泵、泄压阀、清洗阀、冲渣阀、充压阀、收渣阀、排渣阀、渣池溢流阀等。灰锁斗罐在整个系统中起到压力缓冲容器的作用，一般设置在常压容器和加压容器之间。灰锁斗罐的特殊使用环境决定它是疲劳设备，因此在对其进行设计时，需要使用分析设计的标准。

1 灰锁斗罐的设计条件

通常，灰锁斗罐由接管法兰、衬筒、锥体、筒体、椭圆封头及连接组件组成。其主要作用是将气化炉燃尽的灰渣冷却，粉碎处理后排出，是一部连续运转的疲劳设备。每一个运转周期包括卸压、清洗、排渣、充压和集渣等过程。由于该设备为承受疲劳载荷的设备，因此采用JB 4732—1995(2005年确认)标准进行设计。

本次设计的灰锁斗罐的主要参数：操作压力0～2.8 MPa，操作温度40～100℃，设备规格∅2000×3000，总高6053 mm，上封头采用椭圆形封头，下封头采用锥形封头。灰锁斗罐结构如图1所示。

图1 灰锁斗罐结构

本设计中，强度计算主要数据见表1强度计算数据表[1]，其余数据详见各部件强度计算。材料数据见表2材料特性表[2-3]。

表1 强度计算数据表

2 各受压元件强度计算[4]

对受内压的筒体、上封头和下封头的强度进行计算，主要计算各部件的壁厚。

2.1 上封头的强度计算

本设计中采用标准椭圆形封头，上封头的壁厚按照JB 4732—1995(2005年确认)中规定计算：

对于长短轴之比为2∶1的标准椭圆形封头，取Ri= 0.9Di=1800 mm。按该标准椭圆形封头的相关图形可得到：

则封头的计算厚度为δj=27 mm。考虑钢板厚度负偏差（C1=0.3 mm）、腐蚀裕量（C2=3 mm）、整体补强以及疲劳因素，经计算并圆整后得到名义厚度为δn=36 mm。

2.2 设备筒体受内压强度计算

设备筒体受内压强度计算按照JB 4732—1995 (2005年确认)中的相应规定进行，具体的过程如下：

则在仅受内压作用且pc＜0.4KSm的情况下：

考虑钢板厚度负偏差（C1=0.3 mm）、腐蚀裕量（C2=3 mm）、整体补强以及疲劳因素，经计算并圆整后得名义厚度为δn=36 mm。

2.3 锥形下封头受内压的强度计算

（1）锥形下封头的壁厚计算

锥形下封头的壁厚计算按照JB 4732—1995 (2005年确认)中的相关规定进行，具体过程如下：

表2 材料特性表

则在仅受内压作用且pc<0.4 KSm的情况下，板材Q345R部分的厚度为：

其中，Ric为所考虑点在垂直于壳体壁表面方向量得的半径，由装配图量得Ric=1 108.5 mm。

锻件16Mn部分的厚度：

其中，Ric为所考虑点在垂直于壳体壁表面方向量得的半径，由装配图量得Ric=461.9 mm。

（2）锥壳大端过渡段计算厚度

按照JB 4732—1995(2005年确认)中规定，锥壳大端过渡段的计算厚度按椭圆形上封头过渡段计算厚度考虑。

（3）锥壳大端与圆筒连接处的计算厚度

通过查相关图，其与α=30°的交点位于曲线左上方，则连接处邻近的锥壳和圆筒不需要整体补强，锥壳和圆筒需分别按各自计算公式进行计算。

（4）锥壳小端与圆筒连接处的计算厚度

通过查标准中的相关图，其与α=30°的交点位于曲线右下方，则连接处的锥壳和圆筒必须予以整体补强。补强体的厚度计算公式为：

对标准中规定需进行核算的以下三个项目进行计算。

综上所述，考虑钢板厚度负偏差、腐蚀裕量、封头整体补强以及疲劳分析等因素，取锥壳、锥壳大端过渡段和锥壳小端的厚度均为δn=36 mm，且要满足上述②、③条中提出的长度要求。

3 耳式支座校核计算[5]

耳式支座是整个设备的支撑，是将设备与土建钢结构或者混凝土结构连接的桥梁，它将设备的质量、设备内部物料的质量、风荷载和地震荷载通过螺栓传递给土建结构，因此它的受力非常重要。

3.1 计算条件

筒体内径：Di=2000 mm；设备总高度：H0= 6053 mm；支座底板离地面高度：5000 mm；水平力作用点（质心）至底板高度：h=470 mm；设置地区基本风压：q0=450 N/m2；地震设防烈度：7度（0.10g）；设计压力：pc=3.2 MPa；筒体名义厚度：δn=36 mm；厚度负偏差：C1=0.3 mm；腐蚀裕量：C2=3 mm；设备总质量：m0=10 690+1000×12.7= 23 390 kg；偏心载荷：Ge=0 N；偏心距：Se=0 mm。3.2支座校核计算

本次设计选用4个B7耳式支座，具体参数如下：垫板厚度δ3=14 mm，垫板材料Q345R；支座材料Q235A，支座本体允许载荷[Q]=230 kN。耳式支座实际承受载荷按JB/T 4712.3—2007中附录A（耳式支座实际承受载荷的近似计算）校核。3.2.1校核支座承受的载荷Q

地震载荷：

式中α——地震影响系数，当地震设防烈度为7度（0.10g）时，取α=0.08。

风载荷：

式中fi——风压高度变化系数；按JB/T 4712.3规定的设备高度[5]H0=10 m，取fi=1；

式中，对于B7耳式支座，其尺寸参数为l2=430 mm，s1=130 mm，b2=270 mm。

支座实际承受载荷：

式中k——不均匀系数，4个支座时，取k=0.83;

n——支座数量，n=4。

Q<[Q]=230 kN，满足支座本体允许载荷的要求。

3.2.2 校核支座处圆筒所受的支座弯矩ML

通过SW6-2011软件中的零部件局部应力模块，即可校核支座处圆筒所受的支座弯矩。具体输入参数为：垫板（矩形附件）横截面边长C1=600 mm，垫板（矩形附件）横截面边宽C2=480 mm，附件中心距离封头切线的距离l=1900 mm，支座处最大弯矩Mmax=ML=21 780 N·m。由Mmax可计算出最大表面应力Smax和最大膜应力Sm。经过SW6软件校核，结果合格，计算结果列于表3中。

4 结语

本次设计按照分析设计标准JB 4732—1995 (2005年确认)中的要求进行设计。通过对灰锁斗罐的主要构件进行强度计算，确定了受内压的椭圆形上封头厚度、筒体厚度和锥形下封头厚度，并对耳式支座的强度进行了校核，支座校核结果合格。这些理论计算为使用ANSYS建模进行各主要构件的强度校核和疲劳校核奠定了基础。

表3 耳座承载校核结果

[1]中华人民共和国工业和信息化部.HG/T 20580—2011钢制化工容器设计基础规定[S].北京：中国计划出版社，2011：14-21.

[2]中华人民共和国工业和信息化部.HG/T 20581—2011钢制化工容器材料选用规定[S].北京：中国计划出版社，2011：53-60.

[3]潘家祯．压力容器材料实用手册——碳钢及合金钢[M]．北京：化学工业出版社，2000：55-58.

[4]中华人民共和国机械工业部.JB 4732—1995（2005年确认）钢制压力容器——分析设计标准[S].北京：新华出版社，2007.

[5]中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB/T 4712.3—2007容器支座第3部分：耳式支座[S].北京：新华出版社，2007：78-80.

神宁炉煤气化技术进入美国市场

2016年9月23日，神华宁煤集团在美国德克萨斯州，与美国顶峰集团签署了“神宁炉”气化技术许可合同，标志着神华宁煤集团从技术引入向技术输出迈出了坚实的一步，为中国制造走向中国创造树立了典范。神宁炉是神华宁煤化工分公司神气创新工作室吸收国外先进技术研制的具有自主知识产权的气化装置。这一装置是煤制油项目中的核心装置，过去核心技术一直掌握在国外几家大公司手中。神气创新工作室联合中国五环工程公司等科研院所，自主开发出了日耗煤2200 t干煤粉的加压气化炉，且各项技术指标均处于国际领先水平，不仅打破了国外的技术垄断，而且其一“出生”就十分抢手，每台仅专利转让费就高达1560万元。2015年神宁炉已向内蒙古伊泰集团煤制油等项目转让了14台，仅专利转让费就高达2亿多元。截至目前，神华宁煤有28台神宁炉即将建成投产，是当今世界上规模最大的煤气化装置。美国顶峰集团的德克萨斯州清洁能源项目以合成氨、尿素为主要产品，以二氧化碳为副产品，是一个为当地油田开采提供驱油剂的清洁能源项目。为寻求最先进的气化技术，美国顶峰集团聘请美国著名的化工评估公司CH2M为第三方公司，进行了为期4年的考察准备，最终选定了神华宁煤的神宁炉。(钱伯章)

The Structure and Strength Calculation of Ash Lock Hopper Tank

Chen Xiaoling

Set between two systems of unequal pressure,the ash lock hopper tank is an intermediate system with intermittent pressure.Because of the constantly changing pressure,the ash lock hopper tank belongs to fatigue equipment.Conventional design method can not be used in the design of the ash lock hopper tank,which needs to be designed by analysis.The structure of the ash lock hopper tank is analyzed,and the strength calculation and check of main components are carried out.

Ash lock hopper tank;Fatigue design;Analysis design;Strength calculation;Pressure part; Bearing

TQ 052.4

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.002

2016-03-09）

*陈晓玲，女，1984年生，硕士，工程师。太原市，030024。