容器夹套形式选择的探讨

第1页共7页容器夹套形式选择的探讨傅健忠（上海工程化学设计院有限公司，上海200235）摘要：常用的容器夹套形式主要有整体式夹套、带螺旋导流板式整体夹套以及半圆管夹套。本文通过比较这三种夹套形式的结构特点，以一个设计实例分析，结合容器的强度、刚度计算结果，得出如下结论：针对大直径及夹套压力较高的设备，合理选择容器夹套形式，对节材、节能、降耗有着重要影响。关键字：容器夹套；设计；比较；节材节能DiscussionofselectionforvesseljacketFUJian-zhong（shanghaichemengineeringincorporation,shanghai,200235,china）Abstract:Therearethreestructuretypesofjacketwhichareusuallyused,theyareconventionaljacket、spiralplatejacketandHalf-Pipejacket.Thestructuralfeaturesofthethreetypesofjackethavebeencomparedaccordingtothestrengthandstiffnesscalculationresultsinapracticaldesigncase.Oneconclusioncouldbeobtained:tothevesselsofbigdiameterandhighpressurejacket-side,thestructureofthejacketshouldberightlychosen,becausethestructureplaysanimportantroleinmaterial-saving,energy-saving.Keywords:vesseljacket;design;compare;material-saving;energy-saving0项目背景受某新材料有限公司的委托，我公司承担了一台直径2800mm，筒体高度8000mm，上下均为标准椭圆封头的立式容器的设计任务，设备采用裙座支承，下封头及筒体下部7000mm范围内需要蒸汽伴热，夹套内径不超φ3000mm。表1为该设备设计条件。在满足用户要求以及确保性能可靠的前提下，为更有效的节材节能，笔者为这台设备做了三种设计方案，进行比较。第2页共7页表1设计条件项目内筒夹套设计压力MPa1.50.66设计温度℃170168工作介质TE（代号）饱和蒸汽介质特性高度危害、易燃易爆公称容积m350内径mmφ2800材料S30408Q345R腐蚀裕量mm01.01设计方案1.1采用整体夹套1.1.1整体夹套的特点：整体夹套（见图1）由于历史的原因，在化工设备设计的选择中获得了广泛应用，具有加工技术成熟、结构简单，制造方便等特点。图1整体夹套结构1.1.2设计计算根据GB150.3相关章节[1]的内容分别对筒体、封头进行内压、外压计算，计算结果见表2和表3。表2内压工况下筒体计算结果[1]材料S30408Q345R+S30408第3页共7页计算压力pcMPa1.591.59筒体的内直径Dimm28002800设计温度下筒体材料的许用应力[σ]tMPa134.2186.6焊接接头系数Φ1.01.0筒体的计算厚度δmm16.6311.94表3外压工况下筒体计算结果[1]材料S30408Q345R+S30408计算压力pcMPa-0.66-0.66筒体的内直径Dimm28002800厚度负偏差C1mm0.30.3焊接接头系数Φ1.01.0筒体的计算厚度δmm33.529.4筒体的有效厚度δemm33.731.7筒体的名义厚度δnmm3432外压计算长度Lmm727372731.2采用带螺旋导流板的夹套1.2.1带螺旋导流板夹套的特点：夹套内设置螺旋导流板（见图2），一方面为夹套内的流体导流，能更好地加热或冷却容器内的物料；另一方面容器筒体因外压计算长度减小而使计算壁厚减薄。这对节约材料，降低设备造价，具有重要意义。图2带螺旋导流板夹套结构第4页共7页1.2.2设计计算从1.1.2章节内容表明，筒体厚度主要取决于外压计算，通过减少外压计算长度可以减薄筒体厚度，且螺旋导流板可以当量为外压加强圈。根据《带螺旋导流板夹套容器设计》[3]计算：在7000mm筒体范围内设置18圈。螺距约412mm。筒体计算厚度为19.4mm，实取22mm厚，按筒体与导流板组成的截面惯性矩需要满足刚度要求反算而得螺旋导流板的宽度a需要120mm，厚度b需要12mm。1.3采用螺旋半圆管夹套1.3.1螺旋半圆管夹套的特点半圆管夹套（见图3）是一种特殊夹套。其结构按排列形式分为螺旋式和排管式，按半圆管形状分为标准半圆管和弓形管。本文主要阐述螺旋标准半圆管式夹套。图3螺旋半圆管夹套结构相对其它结构的夹套容器，半圆管夹套容器具有以下特点：（1）与整体夹套相比，结构简单，承压能力强，能提高容器抗外压的强度和刚度，方便检修。（2）采用螺旋半圆管夹套结构形式，在不改变容器操作状态的情况下，可有效地减薄其设计壁厚，节省材料，降低设备材料费。（3）采用螺旋半圆管夹套的容器最大外径较普通夹套的小，结构紧凑，占地面积少，可节约操作空间，从而节省了设备投资。1.3.2设计计算根据ASMEⅧ-1附录EE《半管式夹套》[4]计算：筒体材料是S30408板材，盘管夹套采用DN100的半圆管。筒体在1.59MPa计算压力第5页共7页条件下，计算厚度δ为16.63mm。当采用18mm的S30408板材做筒体时，根据计算，夹套的最大允许内压P’远远大于夹套的设计压力0.66MPa。根据半圆管夹套的最小壁厚公式计算而得，半圆管采用Φ108x6.5的管子即可，也可采用6mm的板材弯制。从上述计算可以看出，筒体厚度主要取决于内压计算，所以我们可以采用Q345R+S30408的复合钢板做为筒体材料，进一步达到我们节材的目的。其余条件均不变，计算结果如下：筒体在1.59MPa计算压力条件下，计算厚度δ为11.94mm。（S30408复合层不参与强度计算）当采用14mm的Q345R板材做筒体基层时，夹套的最大允许内压P’远远大于夹套的设计压力0.66MPa。并且，同样厚度条件下，Q345R材料比S30408材料有着更出色的传热效果。2分析比较各种设计方案中筒体的计算结果汇总成表4。表4各种设计方案筒体计算结果内压工况计算厚度mm外压工况计算厚度（或验证性计算厚度）mm整体式夹套带螺旋导流板夹套螺旋半圆管夹套S3040816.6333.519.418Q345R+S3040811.9429.412.714注1：采用复合板时，S30408复合层不参与计算注2：螺旋导流板尺寸：扁钢120x12注3：螺旋半圆管尺寸：Φ108x6.5合理的设计是把筒体在内压、外压两种工况下计算厚度尽量接近，从表4结果可知，采用整体式夹套形式，两者厚度相差悬殊，因此该设备采用整体式夹套显然不合理，即使采用Q345R+S30408复合板，也无法有效降低厚度。采用带螺旋导流板夹套确实可以使筒体厚度降低，但是它需要的导流板尺寸较大，无法在筒体与夹套之间设置，产生如（图4）结构。该结构最大的问题是筒体、加强圈、夹套均为刚性连接，不一样的材料及温度，必然产生极大的应力。因此，该结构应尽量避免。如果通过增加导流板圈数及筒体壁厚来减小导流板尺寸，显然是一种本末倒置的做法。因此，该设备采用带螺旋导流板的夹套也不合理。第6页共7页图4加强圈与夹套的焊接结构从表4结果可知，螺旋半圆管夹套从设备计算角度达到了节材的目的，它除了1.3.1章节介绍的特点之外，它还具有提高传热效率，减少能量消耗的优点，达到节能的目的。传热速率方程式：Q=KA△tmQ——传热速率，kcal/hrA——传热面积，m2△tm——平均温差，℃K——传热系数，kcal/hrm2.℃可知，增加传热面积A和增大冷、热两流体的平均温差△tm都可以提高传热效率。但传热面积往往受容器大小的限制，不易改变；而△tm的大小，主要取决于夹套内和容器内两流体的温度条件，由工艺条件所决定，可变动范围也有限。所以，强化传热过程最有效的途径应该是提高传热系数K，K值愈大，在相同的温差条件下，所传递的热量就越多，即热交换过程越强烈。而对于螺旋半圆管夹套式结构，由于在通道弯曲处流体方向的改变及离心力的作用，加剧了无相变载热流体的扰动，使液膜传热系数增大，则热阻减小，同时能减少污垢的形成。而且螺旋半圆管通道面积比螺旋导流板流道面积要小，在载热流体流量相同的情况下，半圆管内的载热流体的断面流速要比在普通夹套中流动的断面流速大得多，因而可有效地提高液膜传热系数，改善传热效果。由于采用半圆管夹套结构降低了筒体壁厚，且减薄了垢层，则可减小热阻，因而对提高传热系数K非常有利。螺旋半圆管夹套的总容积较普通夹套的总容积小很多，因而用于加热的载热流体的贮量可相应减少，用于贮存载热流体的容器的体积亦可减小，由此使得散热面积减小而能耗亦减小。第7页共7页3结论及建议通过比较分析可知，该设备筒体材料应采用Q345R+S30408复合钢板，选用半圆管夹套形式。在节能降耗理念深入人心的今天，作为设计人员，如何在满足用户要求以及确保性能可靠的前提下节材节能，是值得关注的问题。从设计实例引申可知，大直径及夹套压力较大的设备应尽量选用半圆管夹套。参考文献：[1]GB150.1~GB150.4-2011，压力容器[S].[2]HG/T20569-94，机械搅拌设备[S].[3]顾德龙，《带螺旋导流板夹套容器设计》[J].石油化工设备，1999（5）：36-37[4]ASME锅炉及压力容器规范国际性规范Ⅷ第一册压力容器建造规则[S].作者简介：傅健忠（1984—），男，主要从事化工设备设计工作联系电话：[phone]