灰鎖斗罐的結構及強度計算

陳曉玲

（山西省化工設計院)

灰鎖斗罐的結構及強度計算

陳曉玲*

（山西省化工設計院)

灰鎖斗罐是在兩個壓力不相等的系統之間設置的、壓力可以間歇性變化的中間系統。因為其壓力不停地變化，屬于疲勞設備，所以不能采用常規設計方法進行設計，需要按照分析設計的方法進行設計。對灰鎖斗罐的結構進行了分析，并對主要的構件進行了強度計算和校核。

灰鎖斗罐疲勞設計分析設計強度計算受壓元件支座

0 前言

灰鎖斗罐是鎖斗系統中的主要設備之一。鎖斗系統在煤化工很多行業中都有應用，主要應用在一些加壓的粉煤/煤渣氣力輸送系統中，是在兩個壓力不相等的系統之間設置的、壓力可以間歇性變化的中間系統。鎖斗系統包含的設備有灰鎖斗罐、鎖斗沖洗水罐、鎖斗循環泵、泄壓閥、清洗閥、沖渣閥、充壓閥、收渣閥、排渣閥、渣池溢流閥等。灰鎖斗罐在整個系統中起到壓力緩沖容器的作用，一般設置在常壓容器和加壓容器之間。灰鎖斗罐的特殊使用環境決定它是疲勞設備，因此在對其進行設計時，需要使用分析設計的標準。

1 灰鎖斗罐的設計條件

通常，灰鎖斗罐由接管法蘭、襯筒、錐體、筒體、橢圓封頭及連接組件組成。其主要作用是將氣化爐燃盡的灰渣冷卻，粉碎處理后排出，是一部連續運轉的疲勞設備。每一個運轉周期包括卸壓、清洗、排渣、充壓和集渣等過程。由于該設備為承受疲勞載荷的設備，因此采用JB 4732—1995(2005年確認)標準進行設計。

本次設計的灰鎖斗罐的主要參數：操作壓力0～2.8 MPa，操作溫度40～100℃，設備規格?2000×3000，總高6053 mm，上封頭采用橢圓形封頭，下封頭采用錐形封頭。灰鎖斗罐結構如圖1所示。

圖1 灰鎖斗罐結構

本設計中，強度計算主要數據見表1強度計算數據表[1]，其余數據詳見各部件強度計算。材料數據見表2材料特性表[2-3]。

表1 強度計算數據表

2 各受壓元件強度計算[4]

對受內壓的筒體、上封頭和下封頭的強度進行計算，主要計算各部件的壁厚。

2.1 上封頭的強度計算

本設計中采用標準橢圓形封頭，上封頭的壁厚按照JB 4732—1995(2005年確認)中規定計算：

對于長短軸之比為2∶1的標準橢圓形封頭，取Ri= 0.9Di=1800 mm。按該標準橢圓形封頭的相關圖形可得到：

則封頭的計算厚度為δj=27 mm。考慮鋼板厚度負偏差（C1=0.3 mm）、腐蝕裕量（C2=3 mm）、整體補強以及疲勞因素，經計算并圓整后得到名義厚度為δn=36 mm。

2.2 設備筒體受內壓強度計算

設備筒體受內壓強度計算按照JB 4732—1995 (2005年確認)中的相應規定進行，具體的過程如下：

則在僅受內壓作用且pc＜0.4KSm的情況下：

考慮鋼板厚度負偏差（C1=0.3 mm）、腐蝕裕量（C2=3 mm）、整體補強以及疲勞因素，經計算并圓整后得名義厚度為δn=36 mm。

2.3 錐形下封頭受內壓的強度計算

（1）錐形下封頭的壁厚計算

錐形下封頭的壁厚計算按照JB 4732—1995 (2005年確認)中的相關規定進行，具體過程如下：

表2 材料特性表

則在僅受內壓作用且pc<0.4 KSm的情況下，板材Q345R部分的厚度為：

其中，Ric為所考慮點在垂直于殼體壁表面方向量得的半徑，由裝配圖量得Ric=1 108.5 mm。

鍛件16Mn部分的厚度：

其中，Ric為所考慮點在垂直于殼體壁表面方向量得的半徑，由裝配圖量得Ric=461.9 mm。

（2）錐殼大端過渡段計算厚度

按照JB 4732—1995(2005年確認)中規定，錐殼大端過渡段的計算厚度按橢圓形上封頭過渡段計算厚度考慮。

（3）錐殼大端與圓筒連接處的計算厚度

通過查相關圖，其與α=30°的交點位于曲線左上方，則連接處鄰近的錐殼和圓筒不需要整體補強，錐殼和圓筒需分別按各自計算公式進行計算。

（4）錐殼小端與圓筒連接處的計算厚度

通過查標準中的相關圖，其與α=30°的交點位于曲線右下方，則連接處的錐殼和圓筒必須予以整體補強。補強體的厚度計算公式為：

對標準中規定需進行核算的以下三個項目進行計算。

綜上所述，考慮鋼板厚度負偏差、腐蝕裕量、封頭整體補強以及疲勞分析等因素，取錐殼、錐殼大端過渡段和錐殼小端的厚度均為δn=36 mm，且要滿足上述②、③條中提出的長度要求。

3 耳式支座校核計算[5]

耳式支座是整個設備的支撐，是將設備與土建鋼結構或者混凝土結構連接的橋梁，它將設備的質量、設備內部物料的質量、風荷載和地震荷載通過螺栓傳遞給土建結構，因此它的受力非常重要。

3.1 計算條件

筒體內徑：Di=2000 mm；設備總高度：H0= 6053 mm；支座底板離地面高度：5000 mm；水平力作用點（質心）至底板高度：h=470 mm；設置地區基本風壓：q0=450 N/m2；地震設防烈度：7度（0.10g）；設計壓力：pc=3.2 MPa；筒體名義厚度：δn=36 mm；厚度負偏差：C1=0.3 mm；腐蝕裕量：C2=3 mm；設備總質量：m0=10 690+1000×12.7= 23 390 kg；偏心載荷：Ge=0 N；偏心距：Se=0 mm。3.2支座校核計算

本次設計選用4個B7耳式支座，具體參數如下：墊板厚度δ3=14 mm，墊板材料Q345R；支座材料Q235A，支座本體允許載荷[Q]=230 kN。耳式支座實際承受載荷按JB/T 4712.3—2007中附錄A（耳式支座實際承受載荷的近似計算）校核。3.2.1校核支座承受的載荷Q

地震載荷：

式中α——地震影響系數，當地震設防烈度為7度（0.10g）時，取α=0.08。

風載荷：

式中fi——風壓高度變化系數；按JB/T 4712.3規定的設備高度[5]H0=10 m，取fi=1；

式中，對于B7耳式支座，其尺寸參數為l2=430 mm，s1=130 mm，b2=270 mm。

支座實際承受載荷：

式中k——不均勻系數，4個支座時，取k=0.83;

n——支座數量，n=4。

Q<[Q]=230 kN，滿足支座本體允許載荷的要求。

3.2.2 校核支座處圓筒所受的支座彎矩ML

通過SW6-2011軟件中的零部件局部應力模塊，即可校核支座處圓筒所受的支座彎矩。具體輸入參數為：墊板（矩形附件）橫截面邊長C1=600 mm，墊板（矩形附件）橫截面邊寬C2=480 mm，附件中心距離封頭切線的距離l=1900 mm，支座處最大彎矩Mmax=ML=21 780 N·m。由Mmax可計算出最大表面應力Smax和最大膜應力Sm。經過SW6軟件校核，結果合格，計算結果列于表3中。

4 結語

本次設計按照分析設計標準JB 4732—1995 (2005年確認)中的要求進行設計。通過對灰鎖斗罐的主要構件進行強度計算，確定了受內壓的橢圓形上封頭厚度、筒體厚度和錐形下封頭厚度，并對耳式支座的強度進行了校核，支座校核結果合格。這些理論計算為使用ANSYS建模進行各主要構件的強度校核和疲勞校核奠定了基礎。

表3 耳座承載校核結果

[1]中華人民共和國工業和信息化部.HG/T 20580—2011鋼制化工容器設計基礎規定[S].北京：中國計劃出版社，2011：14-21.

[2]中華人民共和國工業和信息化部.HG/T 20581—2011鋼制化工容器材料選用規定[S].北京：中國計劃出版社，2011：53-60.

[3]潘家禎．壓力容器材料實用手冊——碳鋼及合金鋼[M]．北京：化學工業出版社，2000：55-58.

[4]中華人民共和國機械工業部.JB 4732—1995（2005年確認）鋼制壓力容器——分析設計標準[S].北京：新華出版社，2007.

[5]中華人民共和國國家發展和改革委員會.JB/T 4712.3—2007容器支座第3部分：耳式支座[S].北京：新華出版社，2007：78-80.

神寧爐煤氣化技術進入美國市場

2016年9月23日，神華寧煤集團在美國德克薩斯州，與美國頂峰集團簽署了“神寧爐”氣化技術許可合同，標志著神華寧煤集團從技術引入向技術輸出邁出了堅實的一步，為中國制造走向中國創造樹立了典范。神寧爐是神華寧煤化工分公司神氣創新工作室吸收國外先進技術研制的具有自主知識產權的氣化裝置。這一裝置是煤制油項目中的核心裝置，過去核心技術一直掌握在國外幾家大公司手中。神氣創新工作室聯合中國五環工程公司等科研院所，自主開發出了日耗煤2200 t干煤粉的加壓氣化爐，且各項技術指標均處于國際領先水平，不僅打破了國外的技術壟斷，而且其一“出生”就十分搶手，每臺僅專利轉讓費就高達1560萬元。2015年神寧爐已向內蒙古伊泰集團煤制油等項目轉讓了14臺，僅專利轉讓費就高達2億多元。截至目前，神華寧煤有28臺神寧爐即將建成投產，是當今世界上規模最大的煤氣化裝置。美國頂峰集團的德克薩斯州清潔能源項目以合成氨、尿素為主要產品，以二氧化碳為副產品，是一個為當地油田開采提供驅油劑的清潔能源項目。為尋求最先進的氣化技術，美國頂峰集團聘請美國著名的化工評估公司CH2M為第三方公司，進行了為期4年的考察準備，最終選定了神華寧煤的神寧爐。(錢伯章)

The Structure and Strength Calculation of Ash Lock Hopper Tank

Chen Xiaoling

Set between two systems of unequal pressure,the ash lock hopper tank is an intermediate system with intermittent pressure.Because of the constantly changing pressure,the ash lock hopper tank belongs to fatigue equipment.Conventional design method can not be used in the design of the ash lock hopper tank,which needs to be designed by analysis.The structure of the ash lock hopper tank is analyzed,and the strength calculation and check of main components are carried out.

Ash lock hopper tank;Fatigue design;Analysis design;Strength calculation;Pressure part; Bearing

TQ 052.4

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.002

2016-03-09）

*陳曉玲，女，1984年生，碩士，工程師。太原市，030024。