双腔体等压压力容器壁厚设计及应用

0 引 言

长圆形截面压力容器是为了满足工艺要求设计的一种设备。与圆形截面压力容器相比，非圆形截面压力容器具有结构简单紧凑、平稳性好、有较大的表面积及较高的传热效率。因此，在石化、冶金、炼油等行业应用广泛，如各种洗槽、锅炉联箱、储油罐、反应罐等。在特定的工艺要求下为了实现双流道，必须在腔体内设置一个隔板，将腔体分为双腔体。隔板在设计中可认为具有足够的刚度，可忽略其伸长，只考虑隔板的变形，对隔板两侧等压长圆形截面压力容器进行应力分析(见图1)。笔者针对现场实际工况，提出以双腔体压力容器的结构设计，通过建立力学模型与强度计算，达到结构上和性能上的需要。

图1 长圆形截面双腔体压力容器简图及长圆形截面图

1 力学模型

对图1所示B处截面1/2(轴向为一个单位长度)进行讨论。可认为隔板只可被拉伸或压缩，用截面法将隔板与筒体分离，并代之以相互作用力2F及F内力N=PCr，弯矩M及可通过截面切割处的变形协调方程及筒体与隔板在B点处的变形协调关系求得，因容器对称，B处截面总转角为0。建立力学模型如图2所示。

图2 力学模型

2 应力计算

2.1 C点处的应力计算(1)

2.1.1 C点处的薄膜应力计算

(1)

式中：为C点薄膜应力，MPa；Pc为计算压力，MPa；r为内半径，mm；L为长边侧板长度，mm；δ1为侧板短边有效厚度，mm。

2.1.2 C点处的弯曲应力计算

(2)

式中：为C点弯曲应力，MPa；Ls为非加强件宽度，取1 mm；C为截面至计算截面外表面距离，mm；I1为短边侧板的惯性距，mm4；C1为设计参数，mm2。

C1=r2(2r2+3πγα2+12α2)

(3)

式中：γ为设计参数。

γ=L/r

(4)

式中：α2为设计参数。

α2=I2/I1

(5)

式中：I2为长边侧板的惯性距，mm4。

A为设计参数：A=r(2γ+πα2)

2.1.3 C点处的总应力计算(2)

(6)

式中：为C点总应力，MPa。

2.2 B点处的应力计算(2)

2.2.1 B点处的薄膜应力计算

(7)

式中：为B点的薄膜应力，MPa；F为轴向力，MPa。

(8)

式中：α为设计参数：

α=E1A1/E2A2

(9)

β为设计参数：

β=r/δ1

(10)

2.2.2 B点处的弯曲应力计算

(11)

式中：为B点的弯曲应力，MPa；M1为弯矩，MPa。

(12)

2.2.3 B点处的总应力计算

(13)

式中：为B点的总应力，MPa。

2.3 A点处的应力计算

2.3.1 A点处的薄膜应力计算

(14)

式中：为A点薄膜应力，MPa；δ2为侧板长边有效厚度，mm。

2.3.2 A点弯曲应力计算

(15)

式中：为A点弯曲应力，MPa。

2.3.3 A点处的总应力计算

(16)

式中：为A点总应力，MPa。

通过以上的应力计算，可初步确定长圆形截面压力容器及隔板的厚度。

3 理论壁厚的校核

依据以下公式对截面压力容器及隔板的厚度进行校核：

A点壁厚校核(3)：

式中：a为长轴半径，mm；C为腐蚀余量，mm；K为壳体对其轴线极回转半径，mm；

结论：当σA≤[σL]、σA≤[σY]为合格([σL]、[σY]为材料许用应力)

C点壁厚校核：

式中：b为短轴半径，mm。

结论：当σA≤[σL]、σA≤[σY]为合格。([σL]、[σY]为材料许用应力)

B点隔板的厚度校核：

结论：当σb≤[σL]为合格。([σL]为材料许用应力)

4 结 语

在设计长圆形截面双腔体等压压力容器，采用试算算法，根据设计条件，假定容器计算壁厚，然后计算应力并校核，直到满足强度要求。一般需要多次参数修改试算，才能得到合理的结构参数。通过以上的计算可得出以下结论：长圆形截面双腔体等压压力容器的弯曲应力大于薄膜应力，其容器长短轴比越大，弯曲应力越大，因而在设计长圆形截面双腔体等压压力容器时，(在工艺参数允许的条件下)尽量减小长短轴之比，以减小弯曲应力，从而减小容器壁厚，使容器设计更合理、更经济。设计出的该类压力容器实现小体积小壁厚的安装、生产需要。