立式夹套容器是否采用波形膨胀节的判定

(中昊(大连)化工研究设计院有限公司，辽宁大连 116023)

波形膨胀节[1]是一种良好的挠性元件，能够自由伸缩，用来补偿壳体由于温差引起的膨胀量，由于其具有结构紧凑、性能良好、工作可靠等优点，已广泛应用在压力容器设备中。但对于一般的压力容器设计人员来说，比较熟悉的应用大多数是在固定管板式换热器壳程壳体上，用来降低由于换热管和壳程圆筒间热膨胀差所引起的管板应力、圆筒和换热管的轴向应力以及管子与管板的拉脱力，或者是不带夹套的立式容器的筒体上，很少有人知道带夹套的立式容器上的夹套有时也需要设置波形膨胀节，那么如何判断夹套是否需要设置波形膨胀节呢？本文以硫化氢反应器为例，详细阐述了夹套设置波形膨胀节的计算过程，希望对设计人员在今后的设计中起到一定的指导作用。

1 硫化氢反应器的设计参数

根据工艺专业提供的工艺条件，归纳设计参数见表1。

(续表)

根据设计参数经软件[4]计算，初步设计出硫化氢反应器的外形尺寸，见图1。

图1 初步设计的硫化氢反应器

2 夹套是否需要加波形膨胀节的判定过程

夹套是否加波形膨胀节首先要看下封头和筒体是否都有夹套，如果都有夹套那是自由膨胀的，根本不用设置膨胀节。如果是只有筒体上有夹套，那么就需要经过计算来判定是否加波形膨胀节。硫化氢反应器只在筒体上有夹套，所以我们要进行计算，才能判定是否需要加波形膨胀节。由于SW6-2011软件不能计算和判断夹套是否加波形膨胀节，所以只能根据现有的资料[2]进行手算。

由于夹套与筒体之间存在温差，所以夹套和筒体会产生不同的膨胀量，硫化氢反应器筒体和夹套的设计温度的温差很大，并且又采用了不同的材料，更加剧了膨胀差，从而产生了更大的温差应力。

2.1 当筒体由环境温度t0升到T1时，产生的自由伸长量

ΔL1=Lα1(T1-t0) (1)

式中:ΔL1——筒体的自由伸长量，mm；

L——夹套的长度，mm；

α1——筒体材料的平均线膨胀系数，℃-1；

T1——筒体的壁温，℃；

t0——制造环境温度，℃。

所以由硫化氢反应器所给条件可以得出：L=2 700 mm，α1=16.486×10-6℃-1(根据文献[3]采用内插法计算得出)，T1=530 ℃，t0=20 ℃，所以由公式(1)得：ΔL1=2 700×16.486×10-6(530-20)=22.7 mm。

2.2 当夹套由环境温度t0升到T2时，产生的自由伸长量

ΔL2=Lα2(T2-t0) (2)

式中:ΔL2——夹套的自由伸长量，mm；

L——夹套的长度，mm；

α2——夹套材料的平均线膨胀系数，℃-1；

T2——夹套的壁温，℃；

t0——制造环境温度，℃。

所以由硫化氢反应器所给条件可以得出：L=2 700 mm，α2=12.028×10-6℃-1(根据文献[3]采用内插法计算得出)，T2=170 ℃，t0=20 ℃，所以由公式(2)得：ΔL2=2 700×12.028×10-6(170-20)=4.87 mm。

2.3 筒体的自由伸长量和夹套的自由伸长量相等

因为硫化氢反应器的筒体和夹套焊接后成为一整体，并且是刚性连接，所以筒体的伸长受到夹套的制约，导致筒体和夹套的伸长量相等，当T1>T2时，筒体产生压缩力F，夹套产生拉伸力F，根据胡克定律，在筒体中产生的变形为

在夹套中产生的变形为

式中:F——筒体产生的压缩力(夹套产生的拉伸力)，MPa;

E1——筒体材料的弹性模量，MPa;

E2——夹套材料的弹性模量，MPa；

f1——筒体的横截面积，mm2；

f2——夹套的横截面积，mm2。

所以有，

把式(1)、(2)、(3)、(4)带入(5)中得：

从而导出：

2.4 是否设置波形膨胀节的判定条件

夹套不需要设置波形膨胀节应满足以下的条件(拉应力为正值，压应力为负值)：

对于筒体：

对于夹套：

对连接焊缝处的剪切力τ应满足下面的公式：

式中:τ——连接焊缝处的剪切力，MPa;

φ1——筒体的焊接接头系数；

φ2——夹套的焊接接头系数；

B——根据文献[3]外压圆筒设计选取的；

D0——筒体的外径，mm；

δ1——筒体壁厚mm；

如果以上条件有一项不合格，都需要设置波形膨胀节来减小或消除温差应力。

图2 设计两个膨胀节的硫化氢反应器

3 结 语

该硫化氢反应器在某生产车间已经安全正常地运行三年了，足以证明了夹套选用的波形膨胀节的正确性与合理性。所以说，我们设计人员在设计立式带有夹套的压力容器时，在通过软件[4]进行强度计算合格后，一定要利用此判定原理及其公式，对夹套进行是否设置波形膨胀节的判定，才能保证设备安全正常地运行。