有關外壓石墨圓筒計算的思考

摘 要：本文對不同標準中外壓石墨圓筒強度的計算方法進行了對比，對外壓石墨圓筒壁厚計算公式進行了優化。

關鍵詞：石墨;外壓;計算方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.009

石墨具有良好的耐腐蝕性和傳熱性能，由石墨材料加工而成的設備被廣泛的應用于石油化工、農藥以及冶金等行業。因設備的使用工況不同，石墨筒體有承受內壓力的情況，也有承受外壓的情況，比如氯化氫氣體合成爐中的石墨爐筒。不同國家的標準中外壓圓筒強度計算公式有所不同，在設計應用時存在爭議，本文對不同的計算方法進行了比較，提出了優化方案。

1.5 TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》

TSG 21-2016[4]《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱“容規”）規定“用于設計許用應力值為石墨材料工藝評定報告（CMQ）中指定設計溫度下抗拉或者壓縮試驗平均值的80%除以安全系數6.0（毒性危害程度為極度或者高度危害介質時，安全系數選7.0）”。容規中石墨材料的力學性能也進行了修訂，容規中規定“合成樹脂浸漬石墨塊的室溫下最低抗拉強度為14MPa;205℃下最低抗拉強度為11MPa，最低抗壓強度為45MPa”。此容規和ASME標準中的表述基本一致。

因容規對許用應力的計算方法及材料的力學性能做了修訂，因此GB /T 21432也需要進行修訂和完善，外壓石墨圓筒的計算公式也需進一步完善，國家在2015年8月已經下達了修訂計劃。因材料力學性能各個廠家存在差異性，為了方便對比，本文以下采用ASME中規定的最低應力值作為計算依據。

2 ASME公式分析

（1）假設不圓度小于0.5%，在相同設計壓力0.4MPa下，對不同內徑相同長度的石墨管用公式（1-7）計算壁厚，其中許用拉伸應力為13.8MPa×0.8/6.0=1.84MPa。

（2）假設不圓度大于0.5%，在相同設計壓力0.4MPa下，對不同內徑相同長度的石墨管用公式（1-8）計算壁厚，其中許用壓縮應力為2.5倍許用拉伸應力，即許用壓縮應力為4.6MPa。

通過計算發現兩種計算公式結果比較接近，式（1-8）的計算結果略高于式（1-7）的結果。對于內徑1500mm的圓筒，計算厚度僅相差3.45mm，而實際加工中偏差要求是低于±4mm的，大直徑筒體不圓度可以控制在0.6%以內，也就是說不圓度小于0.5%也可以采用公式（1-8）計算。

假設不圓度大于0.5%，改變筒體的長度，在不同壓力下用公式（1-8）計算壁厚，其中許用壓縮應力為2.5倍許用拉伸應力，即許用壓縮應力為4.6MPa，發現在1000mm～5000mm長度范圍內壁厚的變化值不大。

3 計算方法對比

3.1 計算方法

設計參數：圓筒內徑400mm，長度4000mm，外壓設計壓力0.4MPa。

（1）依據ASME-UIG-2015假設加工的偏差為±0.5mm，即不圓度小于0.5%，采用方法1計算。

方法1：以最低拉伸強度13.8MPa，安全系數取6.0，許用拉伸應力為1.84MPa作為計算值，采用公式（1-7）計算壁厚。

（2）以浸漬石墨材料最低拉伸強度13.8MPa，安全系數取6.0，許用壓縮應力值為2.5倍的許用拉伸應力，即許用壓縮應力為4.6MPa，采用以下方法計算。

方法2：假設加工的偏差為±1.5mm，即不圓度大于0.5%。采用公式（1-8）計算壁厚。

方法3：采用公式（1-1）計算壁厚。

方法4：許用壓縮應力取負值，采用公式（1-3）計算壁厚。

方法5：許用壓縮應力取負值，采用公式（1-4）計算壁厚。

（3）采用TSG 21-2016中最低壓縮強度45MPa作為計算值，用此值的80%，除以安全系數6.0，即6.0MPa作為許用壓縮應力，分別采用以下方法計算。

方法6：采用公式（1-1）計算壁厚。

方法7：許用壓縮應力取負值，采用公式（1-3）計算壁厚。

方法8：許用壓縮應力取負值，采用公式（1-4）計算壁厚。

3.2 計算結果

以上8種計算方法結果見表3-1。

從表中可以看出采用ASME標準計算出的厚度為19.05mm和21.04mm，方法3、方法4和方法7計算的結果和方法2偏差都較大;方法5或方法6的結果取絕對值和方法2較為接近。

3.3 不同壓力下比較方法2和方法5

石墨圓筒高度4000mm，許用壓縮應力為4.60MPa，采用方法2及方法5對不同壓力、不同內徑尺寸的石墨圓筒進行計算，其中方法5許用壓縮應力以負值代入。

通過計算發現在壓力低于0.35MPa時，式（1-4）計算值低于式（1-8），壓力越低，負偏差越大。在壓力為0.1MPa時，用式（1-4）計算內徑1500mm的圓筒壁厚為16.86mm，而式（1-8）計算出的厚度為23.88mm，負偏差7.02mm;壓力介于0.35MPa～0.50MPa時兩種方法計算的結果比較接近;0.50MPa

3.4 不同壓力下比較方法2和方法6

在不同設計壓力下，采用方法2（式1-8）和方法6（式1-1）分別對不同內徑尺寸的石墨圓筒進行壁厚計算，其中方法6的結果取絕對值后作為計算壁厚。

通過計算發現在壓力較低（P≤0.35MPa）的情況下，采用方法6計算后取絕對值的結果與方法2的結果較為接近（內徑1500mm的圓筒在0.35MPa下的使用方法6的計算厚度比方法2僅高11.78mm），壓力越低吻合性越好;在壓力較高（0.35MPa

4 結論

因為TSG 21-2016中對許用應力的取值及材料力學性能要求基本和ASME基本一致，外壓圓筒計算公式可采用ASME的轉換公式（1-8）來計算，其中許用壓縮應力為2.5乘以許用拉伸應力。

鑒于ASME公式計算量過大，當設計壓力不高于1.4MPa時，建議采用以下方法進行石墨外壓圓筒壁厚的計算。

（1）在0.35MPa

（4-1）

式中為材料的許用壓縮應力，其數值為2.5乘以許用拉伸應力/MPa，以負值計;為圓筒內半徑/mm;為計算壓力/ MPa;為計算壁厚/mm。

（2）在p≤0.35MPa或0.70MPa≤p≤1.40MPa時采用以下公式計算：

（4-2）

式中為設計溫度下材料的許用壓縮應力/MPa，以正值代入，其余符號同式（4-1）。

以上公式計算后需加以圓整。

例如設計壓力0.4MPa，內徑1000mm的氯化氫石墨合成爐筒，材料許用抗壓強度選4.6MPa，用公式4-1計算壁厚50.12mm（ASME的計算結果50.80mm），圓整厚度60mm。

設計壓力0.7MPa，內徑1000mm的氯化氫石墨合成爐筒，材料許用抗壓強度6.0MPa，用公式4-2計算壁厚94.59mm（ASME的計算結果83.85mm），圓整厚度100mm。

本文通過對比了不同外壓石墨筒體壁厚的計算方法，提出了優化方案，希望能對設計人員有所幫助，不足的地方還請提出意見和建議。

參考文獻：

[1]GB/T 21432-2008，石墨制壓力容器[S].

[2]許志遠.石墨制化工設備[M].北京：化學工業出版社，2003：213.

[3]ASME BPVC.VIII.1-2015，PART UIGREQUIREMENTS FOR PRESSURE VESSELS CONSTRUCTED OF IMPREGNATED GRAPHITE[S].

[4] TSG 21-2016，固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

作者簡介：趙桂花（1982-），女，山東滕州人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：工程化學教學及化工設計。