多筒爆破反應(yīng)器分析設(shè)計(jì)

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(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

多筒爆破反應(yīng)器分析設(shè)計(jì)

宋誠(chéng)，傅樂

(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

隨著新能源行業(yè)的快速發(fā)展和國(guó)內(nèi)壓力容器制造水平的持續(xù)提高，新能源行業(yè)用壓力容器的設(shè)計(jì)工況日趨惡劣，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜化、大型化。生物乙醇作為最廣泛的生物質(zhì)能類新能源，不僅原材料價(jià)格低廉，而且可以解決原材料焚燒帶來(lái)的污染和能源浪費(fèi)等問題。對(duì)1臺(tái)乙醇生產(chǎn)用工作介質(zhì)含酸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜并處于疲勞工況的多筒爆破反應(yīng)器，從各部件材料選用、厚度確定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析設(shè)計(jì)、制造要求等方面對(duì)其主要設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了介紹，可為此類壓力容器的設(shè)計(jì)提供參考。

壓力容器； 多筒爆破反應(yīng)器； 結(jié)構(gòu)； 設(shè)計(jì)； 制造要求

隨著能源危機(jī)日趨加劇，世界各國(guó)紛紛開展新能源的探索與研究，其中生物乙醇的研究與生產(chǎn)最引人注目。傳統(tǒng)乙醇生產(chǎn)原料主要有淀粉質(zhì)原料和廢糖蜜，生產(chǎn)工藝成熟但成本相對(duì)較高。而以農(nóng)作物秸稈、皮殼作為最廣泛、最廉價(jià)的木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇，不僅成本低，而且解決了焚燒帶來(lái)的污染和能源浪費(fèi)等問題[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)纖維素乙醇生產(chǎn)中用到的壓力容器需求量越來(lái)越大，也呈現(xiàn)大型化、復(fù)雜化的趨勢(shì)。

某多筒爆破反應(yīng)器用于纖維素乙醇生產(chǎn)過程中的秸稈預(yù)處理部分，主要利用蒸汽爆破法，從內(nèi)部破壞木質(zhì)纖維素的物理結(jié)構(gòu)，促進(jìn)半纖維素水解為木糖等單糖，同時(shí)加入一定量的酸，防止木糖在高溫下進(jìn)一步分解成糠醛、乙酸等發(fā)酵抑制物，也有利于原料的處理[5]。以往爆破反應(yīng)器由單筒組成，單次處理量較低。根據(jù)本次工藝需要，該爆破反應(yīng)器設(shè)計(jì)成由6個(gè)爆破筒組成，上下設(shè)置管板和錐形封頭，方便原料的進(jìn)入和排出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 多筒爆破反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

多筒爆破反應(yīng)器工作壓力0～2.4 MPa，工作溫度230 ℃，反應(yīng)器使用地點(diǎn)的抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)。參照HG/T 20580—2011《鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定》[6]，該容器的設(shè)計(jì)壓力確定為2.45 MPa，設(shè)計(jì)溫度確定為230 ℃。反應(yīng)器主要工作介質(zhì)有磷酸、水蒸氣、糠醛、乙酸和丙酸，介質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，并且處于疲勞操作工況。設(shè)備材料有不銹鋼、復(fù)合鋼板以及堆焊不銹鋼層的鍛鋼，設(shè)計(jì)過程中需對(duì)設(shè)備強(qiáng)度進(jìn)行校核，還需結(jié)合制造廠家的實(shí)際制造能力，考慮設(shè)備制造、檢驗(yàn)過程的可操作性，同時(shí)優(yōu)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)。筆者對(duì)這臺(tái)多筒爆破反應(yīng)器的主要設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，以期對(duì)此類容器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 多筒爆破反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程

1.1

材料選用[7-12]

選擇壓力容器材料時(shí)除了要考慮材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能、物理性能和工藝性能之外，同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)合理性和預(yù)制廠的實(shí)際制造能力。該設(shè)備工作介質(zhì)成分復(fù)雜，并且對(duì)碳鋼、低合金鋼有較強(qiáng)的腐蝕性，所有與工作介質(zhì)接觸的部位應(yīng)選用不銹鋼材質(zhì)。

1.1.1筒體

多筒爆破反應(yīng)器主體由6個(gè)爆破筒組成，單筒筒體外徑為560 mm，筒體材料可選用復(fù)合鋼板或不銹鋼鋼管。經(jīng)計(jì)算對(duì)比造價(jià)，根據(jù)GB 24511—2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》[7]，筒體材料選用S30408比較合理。

1.1.2管板

反應(yīng)器的6個(gè)爆破筒由上、下2個(gè)管板固定，管板外徑為2 400 mm，管板厚度較大，只能選用鍛件16MnⅣ，需滿足NB/T 47008—2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》[9]的要求。

管板帶凸邊，以實(shí)現(xiàn)和錐殼的對(duì)接焊接。由于存在凸邊，無(wú)法采用爆炸復(fù)合不銹鋼層的方法加工管板，只能在管板內(nèi)表面堆焊304不銹鋼層，以達(dá)到防腐的目的。

1.1.3錐殼

管板上下連接錐殼，錐殼材料可以選用不銹鋼板或者不銹鋼復(fù)合鋼板。由于選用不銹鋼板厚度較大，經(jīng)過計(jì)算對(duì)比造價(jià)，根據(jù) NB/T 47002.1—2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板 第1部分：不銹鋼-鋼復(fù)合板》[10]，錐殼的材料最終選用復(fù)合板S30408+Q345R。

1.1.4其他

錐殼上下開孔接管及法蘭材料選用鍛件16Mn固溶S30408鋼板。

多筒筒體上開孔接管材料選用不銹鋼無(wú)縫鋼管S30408，需滿足GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》[11]的要求。

法蘭材料選用不銹鋼鍛件S30408，必須滿足NB/T 47010—2010《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》[12]的要求。

1.2厚度確定

1.2.1管板

該多筒爆破反應(yīng)器處于疲勞工況，管板厚度按JB 4732—1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[13]進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中，δp為管板計(jì)算厚度，Dc為容器內(nèi)直徑，mm；Ks為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]中圖9-3查取；K為載荷組合系數(shù)，K=1；pc為計(jì)算壓力，Sm為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，MPa。

經(jīng)過計(jì)算，并考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)及鋼板負(fù)偏差等因素，管板厚度暫取220 mm，最終厚度根據(jù)有限元分析設(shè)計(jì)結(jié)果調(diào)整優(yōu)化確定。

1.2.2錐殼

文獻(xiàn)[13]中對(duì)錐殼的計(jì)算過于繁瑣，故按照GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[14]計(jì)算初定錐殼厚度。該設(shè)備有2個(gè)錐殼，上錐殼半頂角α=45°，大端有折邊，小端無(wú)折邊；下錐殼半頂角α=60°，大小端均有折邊。上、下錐殼計(jì)算過程類似，文中以上錐殼的計(jì)算為例。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的圖5-13，上錐殼小端與圓筒之間需要設(shè)置加強(qiáng)段，加強(qiáng)段的厚度按照式(2)進(jìn)行計(jì)算：

δr=Q2δ

(2)

式中，δr為加強(qiáng)段計(jì)算厚度，mm；Q2為上錐殼小端應(yīng)力增值系數(shù)，按文獻(xiàn)[14]圖5-14查取；δ為與錐殼相連接的圓筒厚度，按文獻(xiàn)[14]中式3-1計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算，并考慮鋼板負(fù)偏差等因素，上錐殼小端的厚度暫取12 mm。

上錐殼過渡段厚度以及與過渡段相接處的錐殼厚度按照式(3)、式(4)計(jì)算，上錐殼大端的計(jì)算厚度取兩者的較大值。

(3)

(4)

經(jīng)過計(jì)算，并對(duì)比上錐殼小端厚度，暫定上錐殼名義厚度為26 mm，最終厚度根據(jù)有限元分析設(shè)計(jì)結(jié)果調(diào)整優(yōu)化確定。

1.2.3筒體及接管

筒體及接管厚度計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮自身強(qiáng)度和開孔補(bǔ)強(qiáng)，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，文中不再論述。

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多筒爆破反應(yīng)器有6個(gè)反應(yīng)筒，且為疲勞設(shè)備，反應(yīng)筒與管板之間的焊縫要求采用焊透結(jié)構(gòu)。由于管板較厚，經(jīng)分析比較文獻(xiàn)[13，14]給出的各種焊接結(jié)構(gòu)，并與制造廠溝通，選用了一種新的安放式全焊透焊接結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 爆破筒與管板焊接形式

考慮到多筒爆破反應(yīng)器焊接施工的可行性，將原設(shè)計(jì)2個(gè)相鄰爆破筒外壁之間的間距由150 mm調(diào)整為220 mm，滿足了焊接人員進(jìn)入爆破筒背面施工的條件。

多筒爆破反應(yīng)器的部件材料種類比較多，各部件之間的焊接結(jié)構(gòu)均可以參考爆破筒與管板之間的焊接形式。

2 多筒爆破反應(yīng)器有限元分析設(shè)計(jì)

多筒爆破反應(yīng)器的分析設(shè)計(jì)過程主要包含設(shè)備的應(yīng)力分析和疲勞分析兩部分，以錐殼為例，選取反應(yīng)器的1/6模型進(jìn)行分析，上、下錐殼模型網(wǎng)格劃分見圖3，力學(xué)邊界見圖4，應(yīng)力強(qiáng)度及應(yīng)力評(píng)定路徑見圖5。

圖3 多筒爆破反應(yīng)器錐殼模型網(wǎng)格劃分

圖4 多筒爆破反應(yīng)器錐殼力學(xué)邊界

根據(jù)JB 4732—1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[13]第5章對(duì)線性化結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力分析評(píng)定，各路徑均評(píng)定合格，而且裕量適中，無(wú)需對(duì)各零部件厚度尺寸進(jìn)行修改，達(dá)到了分析設(shè)計(jì)的要求。

圖5 多筒爆破反應(yīng)器錐殼應(yīng)力強(qiáng)度及應(yīng)力評(píng)定路徑

3 多筒爆破反應(yīng)器制造要求

3.1主要材料要求

該反應(yīng)器所用基材Q345R鋼板應(yīng)正火狀態(tài)供貨，并逐張進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，以符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》[15]中Ⅱ級(jí)為合格。所用鋼板厚度偏差應(yīng)符合GB/T 709—2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》[16]中C類允許偏差。

錐殼所用Q345R鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行—20 ℃夏比(V形缺口)沖擊韌性復(fù)驗(yàn)，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功KV2均應(yīng)滿足KV2≥80 J。

殼體復(fù)合板應(yīng)符合NB/T 47002.1—2009中B1級(jí)要求，基材Q345R鋼板應(yīng)符合GB 713—2014的規(guī)定，覆材S30408鋼板應(yīng)符合GB 24511—2009的規(guī)定，S30408鋼板應(yīng)進(jìn)行固溶處理。

3.2進(jìn)廠驗(yàn)貨

鍛件進(jìn)廠之后，需按照NB/T 47010—2010進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。其他材料按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行進(jìn)廠驗(yàn)貨。

3.3其他要求

在容器焊接前，應(yīng)按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[17]的規(guī)定對(duì)對(duì)接接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

過渡層堆焊以及耐蝕層堆焊完成后應(yīng)分別進(jìn)行滲透檢測(cè)，以符合NB/T 47013.5—2015[18]《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》中規(guī)定的I級(jí)為合格。

4 結(jié)語(yǔ)

該多筒爆破反應(yīng)器經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收和安裝，已成功應(yīng)用于纖維素乙醇生產(chǎn)過程中，目前運(yùn)行良好。

文中對(duì)多筒爆破反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了介紹，通過選用合理的材料，結(jié)合預(yù)制廠實(shí)際制造能力設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合確定設(shè)備厚度，并采用有限元分析設(shè)計(jì)方法，高效可靠地完成了多筒爆破反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，可為此類壓力容器的設(shè)計(jì)提供借鑒。

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(NB/T 47010—2010，Stainless and Heat-resisting Steel Forgings for Pressure Equipments[S].)

[13] JB 4732—1995(2005年確認(rèn))，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

(JB/T 4732—1995(2005 Confirmation)，Steel Pressure Vessels——Design by Analysis[S].)

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[17] NB/T 47014—2011，承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定[S].

(NB/T 47014—2011，Welding Procedure Qualification for Pressure Equipment[S].)

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(NB/T 47013.5—2015，Nondestructive Testing of Pressure Equipments—Part 5：Penetrant Testing[S].)

(張編)

AnalysisDesignofExplodingMulti-shellVessel

SONGCheng，F(xiàn)ULe

(China Liaohe Petroleum Engineering Company Ltd.， Panjin 124010， China)

With the rapid development of the new energy industry and the continuous improvement of the level of the domestic pressure vessel manufacturing，the design conditions of the vessels for energy industry is worse， the structure is more complex and larger gradually. As the most general biomass energy，bioethanlo not only has the cheap raw material，but also solve the problem of pollution and energy wasting from burning the raw material. The design of fatigue exploding multi-shell vessel with acid medium and complex structure is introduced from material selection，thickness determination， structural design，analysis design with finite element，requirement of manufacture as the reference function to the design of the similar vessels.

pressure vessel； exploding multi-shell vessel; structure； design； manufacture requirement

TQ050.7； TB115.1

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.005

1000-7466(2017)03-0021-05①

2016-11-30

宋 誠(chéng)(1987-)，男，遼寧盤錦人，工程師，學(xué)士，主要從事壓力容器的設(shè)計(jì)等工作。