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钢制带水冷夹套容器失去稳定性的原因分析

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  • 发布时间:2014-11-23
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外压容器在化工、石油、冶金、造船、航空、食品、制药等工业领域有着广泛的应用,如带有加热或冷却夹套反应釜、带水冷的真空罐体等。、外压薄壁容器在远低于其屈服极限时就会产生变形,从而失去原来的形状,即外压容器失去其稳定性。

失去稳定性是外压容器的主要的失效形式。实际工程中,外压容器失效的例子很多 I2 J,有意外、设计失误 、压力试验不合理 、未考虑外压等多种原因。本单位 10年前,发生-个冶金用钢制带水冷夹套容器的失稳事故,现对此进行分析,为今后的设计提供借鉴。

2 水冷简体的失效原因分析2.1 失效水冷简体设备的情况水冷简体是-个筒高 6000mm、内套直径2000mm(筒体锥体部分半角小于3O∩视作直筒)内空筒体,内套壁厚6ram,材料为304不锈钢;外套直径 2100mm,壁厚 8mm,材料为 235 碳钢,如图 1所示。不锈钢筒内壁使用温度约为摄氏 120C,使用气氛为大气常压。内外套之间为流动的冷却水,实测水温约 60C,水压为 0.2MPa。2001年发现不锈钢直筒部分与锥体连接焊缝渗水,无法焊补,继而直筒部分开始出现明显纵 向波浪变形。设法修复时,采用直径200mm、厚6mm的碳钢管,径向连接内外筒体,以600mm的距离分布焊接钢管。使用半个月又出现渗水、可见受力之大。后采取先从里面向外顶出变形部分,然后焊接钢管连接内外筒壁的办法,大大减慢了变形速度,延长了设备的使用寿命,18个月后 ,因局部渗水放弃使用。

2.2 计算校核钢制带水冷夹套简体,由于冷却水有0.2MPa的压力,则不锈钢内套为受外压筒壁,而碳钢外套则受内压筒壁。根据 GB-150的计算方法3],对该简体进行校核。

内压筒壁的壁厚的承受外压的能力校核:内压容器的壁厚与设计使用压力的关系式 J:ScPD/2[ ] -Pc (1)收稿日期:2012-11-20作者简介:秦琳(1979-),女,四川成都人,机械工程师,主要从事项目管理工作。E-mail:qinlinw###yahoo.com.cn67Total l19 铜 业 工 程 总第 119期其中:Sc-碳钢外套壁厚,mm;P-设计使用压力,P0.2MPa;D-碳钢外套的直径,D2100mm;C-腐蚀裕度,C2mm;[or]-材料的许用应力,对235A碳钢取[or]130MPa;p-焊缝系数:p0.8;在公式 (1)中代入 以上数据得 到:Sc4(ram),而实际使用钢板为 8mm,内压容器主要考虑外筒壁的强度,从计算数据来看强度是足够的。外筒壁设计时还要考虑其运输、吊装、支撑等功能,通常设计较厚,往往设计厚度承受强度余量是较大的。

这也常常导致人们有时参照外壁的强度经验,忽略承受外压内壁的仔细分析校核,直接按经验判断下结论 ,从而造成设计失误。

图 1 带冷却水套筒体不意图不锈钢外压筒壁的校核:GB150中外压容器直筒的计算方法,主要来源于米赛斯公式,其考虑的失效主要有长圆筒失效和短圆筒失效。长圆筒即刚性圆筒 ,此类圆筒的失效是由于筒壁上的压应力超过材料的屈服极限而造成塑性屈服失效,这类问题工程上较少出现。短圆筒失效即在屈服极限足够的情况下出现弹性失稳。工程设计中极大部分是这种情况。其计算式如式(2)、式(3)所示 。

式中:s:塔体不锈钢内筒圆筒的计算壁厚 L:塔体圆筒的计算长度L :圆筒的临界长度68P:设计外压力或实际承受的最大压力P 塔体失稳的临界压D :塔体圆筒壁的外径D;:塔体圆筒壁的内径[P]:许用外压力E:塔体材料在设计温度下的弹性模数对长圆筒:P ,2.19E(S/D) (2)对短圆筒:P , 2.6E(S/D) /[L/D。 - 0.45(So/D ) ] (3)受外压薄壁圆筒的稳定条件是:[P]≥P而[P] P /m,通常稳定系数取 m3则外压筒壁稳定条件为:P ≥ 3P,把这个条件代人(1)式及(2)式得到:对长圆筒(屈服变形)E/P (3/2.19)(Do/S。) (4)对短圆筒(失稳变形):[P](2.6E D0/3L)(.s。/Do) 0.45(sD/D ) (5)在I临界点时(3)、(4)两式相等,(3)代入(4)式得到:L/D。 L ,/D。 1.17(D。/S。) (6)计算长度 L

在本文中案例 D。2000mm,S。6mm.代入(6)式得到:L:6000mm

2.3 外压简体出现失稳时的补救措施秦琳:钢制带水冷夹套容器失去稳定性的原因分析 2013年第 1期具有-定强度和刚度的外压筒体,不是突然超大负荷使用时,往往其失稳是-个渐进过程,不是突然大幅度失稳。本文讨论的简体就是这样,开始慢慢地变形,后渐渐加快。使用者在变形多处焊接直径 200毫米的钢管与外简体连接,大大减缓了局部失稳速度。但其它部分仍然失稳变形,同时加强钢管焊接处出现渗水。失稳筒体使用半年后,最终因为失稳变形、焊缝漏水而放弃使用。

回顾总结补救措施,可以认为,开始的补救措施是有-定效果的,在-定程度上减缓了失稳进度。

但是不够合理,完全有效。后来对初期失稳的筒体变形处先用筒体等径模板挤压向外,整形,然后再用钢管连接内外筒壁。失稳变形大大减慢,取得了明显的补强效果。因为由式(7)可见:[尸] (2.6 Do/3L) (So/Do) ~ (2.6E /3 L)(5。 /D0 · ) (8)许用应力[P]与简体直径 D。的1.5次方成反比关系。当失稳变形时,筒体不锈钢内壁在水外压的作用下,向简体圆心向心移动,变形处的曲率半径渐渐变大。为了讨论方便,我们设曲率半径R。D。时为加速失稳半径,超过这个直径 2R。2D。,代入(8)式,得到:[Pr] 1/3[P]表 I L/D:3时,不同板厚所对应的许用应力许用应力大约只有未失稳时的三分之-了。超过加速半径可以认为失稳加速,设称之为失稳加速阶段。当简体圆周变形处为-直线时,曲率半径为无穷大 R ∞ ,代人式(8)得到:[P]0我们设称为无限失稳曲率半径,此时许用应力为零。超过这个曲率半径的失稳变形称之为无限失稳阶段。此阶段失稳变形极易进行。所以要把变形部位,挤压整形接近原来的简体直径。然后焊接补强。实践表明,这样补强的效果较好。

3 改进的设计方案为了达到水冷外压稳定要求,要综合考虑增加筒壁厚度及减小外压筒体计算长度。

当整个筒体除了两端外,中间没有加强板,即L/D 3,这种情况下,试用常见的商用不锈钢板尺寸,代入简化的(5)式,得到表 1:由表1数据,要使不锈钢内壁承受0.2MPa的水外压,不锈钢板厚度要达到 14mm。厚度要比原来使用的同壁厚-倍以上,不锈钢含有大量的镍、铬等高价金属,材料成本要增加-倍,其次,水冷夹套还要有较好的冷却效果,板厚增加-倍以上,显然对冷却内壁是不利的。

从热工学资料可知道,传热速度与传热距离是正相关的。单独增加板厚是无法得到令人满意工程设计。

另-方面,由式(7)计算得到表2,要使P<[P],可变的参数除了厚度So还可考虑改变计算长度 L,当[P]不变时,计算长度越短,需要的筒壁厚度就越校表 2 不同计算长度所对应的许用应力通过表2计算可以看出:缩小外压筒体的计算长度以及增加筒体的壁厚都可以增加筒体的许用应力,也即增加简体的稳定性。外压筒体计算长度缩短-倍,许用应力也即增加-倍;而增加简体壁厚三分之-,也可以使许用应力也即增加-倍。这是因为在式(7)中,许用应力与计算长度 L成-次方的反比,而与壁厚 so的2.5次方成正比。增加壁厚的效果较大是显而易见的,但从经济角度考虑,增加壁厚就会显著增加不锈钢内壁的重量,材料成本增加较大。因为不锈钢价格是普通碳钢的四倍,简体壁厚从 6mm增加到 8ram,不锈钢内壁要增加重量33%,通常设备采购厂家倾向于增加加强板层数,即减少计算长度,来满足设计要求。过于减小壁厚,增加加强板层数,也是不可取的,这会增加切割、焊接等工作量。还要考虑焊接变形、以及焊缝强度等因素。在本文的设备例子中,壁厚10ram时,筒体中间只要-层加强圈,8ram壁厚要三层加强板,而 6ram壁厚就要八层加强板。材料及工作量大幅度增加。

实际失稳筒体夹层中间没有-层加强板,这样的设计显然是不合理的。

根据简体失稳变形的经验教训以及计算分析的数据可以得到表3数据。

69Total l19 铜 业 工 程 总第 119期表 3 三种板厚承受 0.2MPa水外压的加强版层数6mm板的加强板层数较多,再考虑焊缝强度系数等因素,7层加强板仍然略嫌不够。再增加筒体外套钢板的切割不太合理。故选8mm不锈钢板,加强板层数3层以上。依据修改壁厚及加强板层数的设计制造的筒体,经过6年的使用,设备完好无变形。

4 结论(i)根据 GB150校验计算结果分析表明:失稳报废简体的失效原因是设计壁厚不足或加强板层数不够。

(2)对于缓慢变形的外压容器,合理的补救措施可以延缓变形、延长失稳变形筒体的使用寿命。

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