有关外压石墨圆筒计算的思考

摘 要：本文对不同标准中外压石墨圆筒强度的计算方法进行了对比，对外压石墨圆筒壁厚计算公式进行了优化。

关键词：石墨;外压;计算方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.009

石墨具有良好的耐腐蚀性和传热性能，由石墨材料加工而成的设备被广泛的应用于石油化工、农药以及冶金等行业。因设备的使用工况不同，石墨筒体有承受内压力的情况，也有承受外压的情况，比如氯化氢气体合成炉中的石墨炉筒。不同国家的标准中外压圆筒强度计算公式有所不同，在设計应用时存在争议，本文对不同的计算方法进行了比较，提出了优化方案。

1.5 TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》

TSG 21-2016[4]《固定式压力容器安全技术监察规程》（以下简称“容规”）规定“用于设计许用应力值为石墨材料工艺评定报告（CMQ）中指定设计温度下抗拉或者压缩试验平均值的80%除以安全系数6.0（毒性危害程度为极度或者高度危害介质时，安全系数选7.0）”。容规中石墨材料的力学性能也进行了修订，容规中规定“合成树脂浸渍石墨块的室温下最低抗拉强度为14MPa;205℃下最低抗拉强度为11MPa，最低抗压强度为45MPa”。此容规和ASME标准中的表述基本一致。

因容规对许用应力的计算方法及材料的力学性能做了修订，因此GB /T 21432也需要进行修订和完善，外压石墨圆筒的计算公式也需进一步完善，国家在2015年8月已经下达了修订计划。因材料力学性能各个厂家存在差异性，为了方便对比，本文以下采用ASME中规定的最低应力值作为计算依据。

2 ASME公式分析

（1）假设不圆度小于0.5%，在相同设计压力0.4MPa下，对不同内径相同长度的石墨管用公式（1-7）计算壁厚，其中许用拉伸应力为13.8MPa×0.8/6.0=1.84MPa。

（2）假设不圆度大于0.5%，在相同设计压力0.4MPa下，对不同内径相同长度的石墨管用公式（1-8）计算壁厚，其中许用压缩应力为2.5倍许用拉伸应力，即许用压缩应力为4.6MPa。

通过计算发现两种计算公式结果比较接近，式（1-8）的计算结果略高于式（1-7）的结果。对于内径1500mm的圆筒，计算厚度仅相差3.45mm，而实际加工中偏差要求是低于±4mm的，大直径筒体不圆度可以控制在0.6%以内，也就是说不圆度小于0.5%也可以采用公式（1-8）计算。

假设不圆度大于0.5%，改变筒体的长度，在不同压力下用公式（1-8）计算壁厚，其中许用压缩应力为2.5倍许用拉伸应力，即许用压缩应力为4.6MPa，发现在1000mm～5000mm长度范围内壁厚的变化值不大。

3 计算方法对比

3.1 计算方法

设计参数：圆筒内径400mm，长度4000mm，外压设计压力0.4MPa。

（1）依据ASME-UIG-2015假设加工的偏差为±0.5mm，即不圆度小于0.5%，采用方法1计算。

方法1：以最低拉伸强度13.8MPa，安全系数取6.0，许用拉伸应力为1.84MPa作为计算值，采用公式（1-7）计算壁厚。

（2）以浸渍石墨材料最低拉伸强度13.8MPa，安全系数取6.0，许用压缩应力值为2.5倍的许用拉伸应力，即许用压缩应力为4.6MPa，采用以下方法计算。

方法2：假设加工的偏差为±1.5mm，即不圆度大于0.5%。采用公式（1-8）计算壁厚。

方法3：采用公式（1-1）计算壁厚。

方法4：许用压缩应力取负值，采用公式（1-3）计算壁厚。

方法5：许用压缩应力取负值，采用公式（1-4）计算壁厚。

（3）采用TSG 21-2016中最低压缩强度45MPa作为计算值，用此值的80%，除以安全系数6.0，即6.0MPa作为许用压缩应力，分别采用以下方法计算。

方法6：采用公式（1-1）计算壁厚。

方法7：许用压缩应力取负值，采用公式（1-3）计算壁厚。

方法8：许用压缩应力取负值，采用公式（1-4）计算壁厚。

3.2 计算结果

以上8种计算方法结果见表3-1。

从表中可以看出采用ASME标准计算出的厚度为19.05mm和21.04mm，方法3、方法4和方法7计算的结果和方法2偏差都较大;方法5或方法6的结果取绝对值和方法2较为接近。

3.3 不同压力下比较方法2和方法5

石墨圆筒高度4000mm，许用压缩应力为4.60MPa，采用方法2及方法5对不同压力、不同内径尺寸的石墨圆筒进行计算，其中方法5许用压缩应力以负值代入。

通过计算发现在压力低于0.35MPa时，式（1-4）计算值低于式（1-8），压力越低，负偏差越大。在压力为0.1MPa时，用式（1-4）计算内径1500mm的圆筒壁厚为16.86mm，而式（1-8）计算出的厚度为23.88mm，负偏差7.02mm;压力介于0.35MPa～0.50MPa时两种方法计算的结果比较接近;0.50MPa

3.4 不同压力下比较方法2和方法6

在不同设计压力下，采用方法2（式1-8）和方法6（式1-1）分别对不同内径尺寸的石墨圆筒进行壁厚计算，其中方法6的结果取绝对值后作为计算壁厚。

通过计算发现在压力较低（P≤0.35MPa）的情况下，采用方法6计算后取绝对值的结果与方法2的结果较为接近（内径1500mm的圆筒在0.35MPa下的使用方法6的计算厚度比方法2仅高11.78mm），压力越低吻合性越好;在压力较高（0.35MPa

4 结论

因为TSG 21-2016中对许用应力的取值及材料力学性能要求基本和ASME基本一致，外压圆筒计算公式可采用ASME的转换公式（1-8）来计算，其中许用压缩应力为2.5乘以许用拉伸应力。

鉴于ASME公式计算量过大，當设计压力不高于1.4MPa时，建议采用以下方法进行石墨外压圆筒壁厚的计算。

（1）在0.35MPa

（4-1）

式中为材料的许用压缩应力，其数值为2.5乘以许用拉伸应力/MPa，以负值计;为圆筒内半径/mm;为计算压力/ MPa;为计算壁厚/mm。

（2）在p≤0.35MPa或0.70MPa≤p≤1.40MPa时采用以下公式计算：

（4-2）

式中为设计温度下材料的许用压缩应力/MPa，以正值代入，其余符号同式（4-1）。

以上公式计算后需加以圆整。

例如设计压力0.4MPa，内径1000mm的氯化氢石墨合成炉筒，材料许用抗压强度选4.6MPa，用公式4-1计算壁厚50.12mm（ASME的计算结果50.80mm），圆整厚度60mm。

设计压力0.7MPa，内径1000mm的氯化氢石墨合成炉筒，材料许用抗压强度6.0MPa，用公式4-2计算壁厚94.59mm（ASME的计算结果83.85mm），圆整厚度100mm。

本文通过对比了不同外压石墨筒体壁厚的计算方法，提出了优化方案，希望能对设计人员有所帮助，不足的地方还请提出意见和建议。

参考文献：

[1]GB/T 21432-2008，石墨制压力容器[S].

[2]许志远.石墨制化工设备[M].北京：化学工业出版社，2003：213.

[3]ASME BPVC.VIII.1-2015，PART UIGREQUIREMENTS FOR PRESSURE VESSELS CONSTRUCTED OF IMPREGNATED GRAPHITE[S].

[4] TSG 21-2016，固定式压力容器安全技术监察规程[S].

作者简介：赵桂花（1982-），女，山东滕州人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：工程化学教学及化工设计。