真空大口径管道扁钢加强圈的设计计算

2023-01-30

真空管道直径大于1000 mm时, 计算管道壁厚时, 可考虑用加强圈来缩短管道有效长度 (直管段上两个起加强作用的管件或加强圈中心线间最长的距离) , 从而降低管道壁厚。在真空管道上增设加强圈往往比用加大管道壁厚的方法来增大刚度更为经济合理[1]。真空管道材料的选取根据介质温度及腐蚀情况而定, 根据GB/T12771-2000, 大直径管道可考虑使用钢板卷管。当选取不锈钢材质时, 为节省投资可考虑用不锈钢复合钢管。在我们考察的项目中, 由于造价、加工周期等众多因素, 我们采用的是不锈钢的钢板卷焊直缝管。

加强圈设计的主要内容为:选好合适的钢材, 确定加强圈之间的间距和其截面的尺寸。根据压力容器国家标准GB150.3-2011的公式[2]进行详细的计算, 对所选的型钢进行校核, 若满足加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩Is大于所需惯性矩I, 则表明所选用的扁钢可用, 校核通过。

1. 加强圈的设计计算

1.1 真空管线的设计参数

该真空管线为装置某反应精馏塔塔顶气相组分去空冷器, 管道的内径为1600mm, 其设计详细参数见表1

1.2 加强圈的设计计算

该装置的大直径真空管道我们按照GB150.3-2011压力容器外压筒模型进行校核, 组合截面图如图1所示。

按式 (1) 加强圈与圆筒组合段所需的惯性矩I值:

式中:D0----圆筒或球壳的外直径 (D0=Di+2δn) , mm;

Ls----加强圈之间的间距, mm;

δe----筒体的有效厚度, mm;

As----加强圈的横截面积, mm2;

A----外压应变系数;

其中外压应变系数A可通过外压应力系数B由A=1.5B/E求得, 外压应力系数B的求法如 (2) 式:

根据压力容器国家标准GB150.3-2011, 选定加强圈材料与横截面积, 计算其横截面积As和加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩Is, 圆筒有效段系指在加强圈中心线两侧有效宽度各为的壳体。

筒体有效段的横截面积A2值按式 (3) 计算:

筒体有效段对其中性轴x-x的惯性矩I2值按式 (4) 计算:

组合截面形心离x-x的距离a值按式 (5) 计算:

加强圈截面对其中性轴xi-xi的惯性矩

, 因此, 加强圈与圆筒起加强作用的有效段的组合截面对通过与圆筒轴线平行的该截面形心轴的惯性矩Is值[3,4]按式 (6) 计算:

根据压力容器国家标准GB150.3-2011, 设计的加强圈应满足Is≥I, 方可使用。

2. 计算结果及分析

2.1 管道壁厚的选取

根据GB150.3-2011压力容器外压圆筒的稳定性校核, 根据试差法假定计算厚度δ=5.00mm, 圆整后得到的名义厚度δn=7.00mm, 则有效厚度δe=δn-C1-C2=6.7mm, 根据L/D0和D0/δe由GB150.3-2011的表4-2查取外压应变系数A=4.1×10-4, 然后根据所用材料由A值查图4-10得B=48.5。则许用外压力为:

由此可见, [P]>P合格。有关壁厚计算具体数据汇总见表2。由于是真空管道, 还需考虑到管道刚度的因素, 根据压力容器外压圆筒的稳定性校核, 需在一定间隔焊接加强圈作为补强。

2.2 压力试验时的强度校核

在管道进行液压试验时, 试验压力值PT=1.25Pc=1.25×0.1=0.1250 (MPa) , 压力试验允许通过的应力水平[σ]T≤0.90σs=0.90×180=162 (MPa) 。

而试验压力下圆筒的应力σT的计算如下式:

由此可见:σT≤[σ]T, 校核合格。

2.3 加强圈的计算校核

2.3.1 加强圈截面尺寸的确定及加强圈间距Ls的确定

已知pc=0.1MPa, Ls=1400mm, D0=Di+2δn=1600+2×7=1614mm, 加强圈的材质为304L, E值由GB150.2-2011表B.13钢材弹性模量查得:在设计温度150℃时E=1.86×105MPa。

根据文献[5]的估算公式 (4) 得:

选加强圈的截面尺寸为扁钢80mm×8mm, 则其h=80mm, b=8mm。加强圈的横截面积As:

加强圈截面对其中性轴xi-xi的惯性矩I1:

根据《ASME锅炉及压力容器规范》2001版第Ⅷ卷第一册的外压圆筒形壳体上的加强圈, 最长的有效长度为2000mm, 又要考虑避开支架的位置, 因此我们选用加强圈的间距Ls=1400mm。

2.3.2 加强圈与圆筒组合段所需惯性矩I的计算

外压应力系数B按式 (2) 计算:0.1× (1600+2×7)

那么, 外压应变系数A=1.5B/E=1.5×22.55/1.86×105=1.82×10-4。

加强圈与圆筒组合段所需的惯性矩I值按式 (1) 计算:

2.3.3 加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩Is的计算

圆筒有效段系指在加强圈中心线两侧有效宽度b1的值 (见图1) 为:

筒体有效段的横截面积A2值按式 (3) 计算:

筒体有效段对其中性轴x-x的惯性矩I2值按式 (4) 计算:233

组合截面形心离x-x的距离a值按式 (5) 计算:

加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩Is值按式 (6) 计算:+

由此可见, Is>I, 故选用的扁钢可用。

3. 结语

本文阐述了某大型联合装置项目中塔顶大口径气相管道加强圈的设计。在加强圈的设计中, 在选好型钢的类型后, 根据压力容器国家标准GB150.3-2011的公式进行详细的计算, 对所选的型钢进行校核, 得出加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩Is大于所需惯性矩I, 所选用的扁钢可用。

摘要：当真空管道直径大于1000mm时, 计算管道壁厚时, 可考虑用加强圈来缩短管道有效长度, 从而降低管道壁厚。本文阐述了某大型联合装置项目中塔顶大口径真空气相管道壁厚的计算、液压试验时的强度校核以及加强圈的详细设计。在加强圈的设计中, 在选好型钢的类型后, 根据压力容器国家标准GB150.3-2011的公式进行详细的计算, 对所选的型钢进行校核, 以满足加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩Is大于所需惯性矩I。

关键词：真空,扁钢,加强圈