真空大口徑管道扁鋼加強圈的設計計算

王龍（中建安裝工程有限公司，江蘇南京210049）

真空大口徑管道扁鋼加強圈的設計計算

王龍（中建安裝工程有限公司，江蘇南京210049）

當真空管道直徑大于1000mm時，計算管道壁厚時，可考慮用加強圈來縮短管道有效長度，從而降低管道壁厚。本文闡述了某大型聯合裝置項目中塔頂大口徑真空氣相管道壁厚的計算、液壓試驗時的強度校核以及加強圈的詳細設計。在加強圈的設計中，在選好型鋼的類型后，根據壓力容器國家標準GB150.3-2011的公式進行詳細的計算，對所選的型鋼進行校核，以滿足加強圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is大于所需慣性矩I。

真空；扁鋼；加強圈

真空管道直徑大于1000mm時，計算管道壁厚時，可考慮用加強圈來縮短管道有效長度（直管段上兩個起加強作用的管件或加強圈中心線間最長的距離），從而降低管道壁厚。在真空管道上增設加強圈往往比用加大管道壁厚的方法來增大剛度更為經濟合理［1］。真空管道材料的選取根據介質溫度及腐蝕情況而定，根據GB/T12771-2000，大直徑管道可考慮使用鋼板卷管。當選取不銹鋼材質時，為節省投資可考慮用不銹鋼復合鋼管。在我們考察的項目中，由于造價、加工周期等眾多因素，我們采用的是不銹鋼的鋼板卷焊直縫管。

加強圈設計的主要內容為：選好合適的鋼材，確定加強圈之間的間距和其截面的尺寸。根據壓力容器國家標準GB150.3-2011的公式［2］進行詳細的計算，對所選的型鋼進行校核，若滿足加強圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is大于所需慣性矩I，則表明所選用的扁鋼可用，校核通過。

1.加強圈的設計計算

1.1 真空管線的設計參數

表1 真空管線的設計參數

該真空管線為裝置某反應精餾塔塔頂氣相組分去空冷器，管道的內徑為1600mm，其設計詳細參數見表1

1.2 加強圈的設計計算

該裝置的大直徑真空管道我們按照GB150.3-2011壓力容器外壓筒模型進行校核，組合截面圖如圖1所示。

圖1 組合截面圖

按式（1）加強圈與圓筒組合段所需的慣性矩I值：

式中：D0----圓筒或球殼的外直徑（D0=Di+2δn），mm；

Ls----加強圈之間的間距，mm；

δe----筒體的有效厚度，mm；

As----加強圈的橫截面積，mm2；

A----外壓應變系數；

其中外壓應變系數A可通過外壓應力系數B由A=1.5B/E求得，外壓應力系數B的求法如（2）式：

根據壓力容器國家標準GB150.3-2011，選定加強圈材料與橫截面積，計算其橫截面積As和加強圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is，圓筒有效段系指在加強圈中心線兩側有效寬度各為的殼體。

筒體有效段的橫截面積A2值按式（3）計算：

筒體有效段對其中性軸x-x的慣性矩I2值按式（4）計算：

組合截面形心離x-x的距離a值按式（5）計算：

加強圈截面對其中性軸xi-xi的慣性矩

根據壓力容器國家標準GB150.3-2011，設計的加強圈應滿足Is≥I，方可使用。

2.計算結果及分析

2.1 管道壁厚的選取

根據GB150.3-2011壓力容器外壓圓筒的穩定性校核，根據試差法假定計算厚度δ=5.00mm，圓整后得到的名義厚度δn= 7.00mm，則有效厚度δe=δn-C1-C2=6.7mm，根據L/D0和D0/δe由GB150.3-2011的表4-2查取外壓應變系數A=4.1×10-4，然后根據所用材料由A值查圖4-10得B=48.5。則許用外壓力為：

由此可見，［P］＞P合格。有關壁厚計算具體數據匯總見表2。由于是真空管道，還需考慮到管道剛度的因素，根據壓力容器外壓圓筒的穩定性校核，需在一定間隔焊接加強圈作為補強。

表2 壁厚計算數據匯總表

2.2 壓力試驗時的強度校核

在管道進行液壓試驗時，試驗壓力值PT=1.25Pc=1.25×0.1= 0.1250（MPa），壓力試驗允許通過的應力水平［σ］T≤0.90σs=0.90×180=162（MPa）。

而試驗壓力下圓筒的應力σT的計算如下式：

由此可見：σT≤［σ］T，校核合格。

2.3 加強圈的計算校核

2.3.1 加強圈截面尺寸的確定及加強圈間距Ls的確定

已知pc=0.1MPa，Ls=1400mm，D0=Di+2δn=1600+2×7= 1614mm，加強圈的材質為304L，E值由GB150.2-2011表B.13鋼材彈性模量查得：在設計溫度150℃時E=1.86×105MPa。

根據文獻［5］的估算公式（4）得：

選加強圈的截面尺寸為扁鋼80mm×8mm，則其h=80mm，b= 8mm。加強圈的橫截面積As：

加強圈截面對其中性軸xi-xi的慣性矩I1：

根據《ASME鍋爐及壓力容器規范》2001版第Ⅷ卷第一冊的外壓圓筒形殼體上的加強圈，最長的有效長度為2000mm，又要考慮避開支架的位置，因此我們選用加強圈的間距Ls=1400mm。

2.3.2 加強圈與圓筒組合段所需慣性矩I的計算

外壓應力系數B按式（2）計算：

那么，外壓應變系數A=1.5B/E=1.5×22.55/1.86×105=1.82×10-4。

加強圈與圓筒組合段所需的慣性矩I值按式（1）計算：

2.3.3 加強圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is的計算

圓筒有效段系指在加強圈中心線兩側有效寬度b1的值（見圖1）為：

組合截面形心離x-x的距離a值按式（5）計算：

3.結語

本文闡述了某大型聯合裝置項目中塔頂大口徑氣相管道加強圈的設計。在加強圈的設計中，在選好型鋼的類型后，根據壓力容器國家標準GB150.3-2011的公式進行詳細的計算，對所選的型鋼進行校核，得出加強圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩Is大于所需慣性矩I，所選用的扁鋼可用。

［1］余國琮.化工容器及設備［M］.北京：化學工業出版社，1980.

［2］GB150.3-2011.壓力容器第3部分：設計［S］.2011.

［3］劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［4］孫訓方，方孝淑.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［5］邱東華等.外壓容器扁鋼加強圈設計方法探討［J］.遼寧石油化工大學學報，2004，24（2）：89-91.

When the diameter of the vacuum pipe exceeds 1000mm，the flatsteel for stiffening ring can be considered during the calculation of pipewall thickness，it can reduce the wall thickness effectively.This paper is about the calculation of pipe wall thickness，the strength checking for hydraulic test and the detailed design of stiffening ring in the project of an integrated industrial unit.After the steel typewas selected，the calculation formulaswere provided according to Pressure vessels-Part 3：Design.The actual inertiamomentofeffective compound section of flatsteel for stiffening ring Isisgreater than theneeded，the flatsteelwaswellchecked.

vacuum；pipe flatsteel；stiffening ring

王龍（1983-），男，江蘇建湖縣人，助理工程師，學士，畢業于南京工業大學。現就職于中建安裝工程有限公司石化設計院，主要從事石油化工設計工作。