中高壓容器視鏡設(shè)計(jì)計(jì)算

段彪王 孫萬倉 趙 斌 程靜靜

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司）

壓力容器視鏡又稱設(shè)備視鏡，主要用來觀察化工、石油、化妝、醫(yī)藥及其他工業(yè)設(shè)備容器內(nèi)介質(zhì)的變化情況［1］，是化工設(shè)備的主要零部件之一。現(xiàn)行的壓力容器視鏡標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47017—2011 《壓力容器視鏡》中主要討論低壓容器視鏡（公稱壓力不大于2.5MPa）。 近年來，隨著國內(nèi)外精細(xì)化工行業(yè)的高速發(fā)展， 尤其在精細(xì)化工的試驗(yàn)裝置中，對于中高壓容器視鏡（公稱壓力大于2.5MPa）的需求越來越大。 筆者介紹了中高壓容器視鏡的發(fā)展現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)計(jì)算過程。

1 視鏡結(jié)構(gòu)

常見的壓力容器視鏡結(jié)構(gòu)如圖1所示， 主要由視鏡玻璃、試鏡座、密封墊、壓緊環(huán)、螺母及螺柱等組成。 由于視鏡玻璃為脆性材料，視鏡玻璃的性能決定了容器視鏡的適用工況。 對于視鏡玻璃而言，優(yōu)化視鏡玻璃結(jié)構(gòu)、改善視鏡玻璃內(nèi)的應(yīng)力狀況、提高視鏡玻璃的彎曲強(qiáng)度是提高容器視鏡工作壓力的關(guān)鍵。 為滿足中高壓工況下設(shè)備對視鏡的需求，諸多研究機(jī)構(gòu)對視鏡結(jié)構(gòu)、視鏡材料進(jìn)行了研究探索。

圖1 視鏡結(jié)構(gòu)示意圖

2 提高視鏡工作壓力的方法

2.1 減小安裝應(yīng)力

傳統(tǒng)的容器視鏡通過緊固螺栓螺母來壓緊視鏡玻璃，從而達(dá)到密封效果。 在容器視鏡實(shí)際使用時(shí)，螺栓預(yù)緊通常使用的是普通扳手。 螺栓的預(yù)緊力無法控制， 各螺栓的預(yù)緊力不一致，造成視鏡玻璃邊緣部位應(yīng)力集中，從而降低了容器視鏡的工作壓力。 甚至有時(shí)緊固螺栓時(shí)，預(yù)緊力過大就會(huì)壓裂視鏡玻璃。

在視鏡安裝過程中使用力矩扳手，擰緊螺栓前預(yù)設(shè)力矩值，并按先后順序，對稱、均勻地輪流擰緊。 可以顯著減少安裝應(yīng)力對容器視鏡的影響，提高容器視鏡的工作壓力。

2.2 環(huán)緣視鏡玻璃

如圖2所示， 環(huán)緣視鏡玻璃與墊片接觸處厚度大于視鏡玻璃中心的厚度，并且厚度變化處進(jìn)行了圓滑過渡處理。 這樣的結(jié)構(gòu)降低了視鏡玻璃邊緣的剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，從而顯著提高了容器視鏡的工作壓力和壽命。

圖2 環(huán)緣視鏡玻璃

2.3 燒結(jié)視鏡玻璃

燒結(jié)視鏡玻璃是在燒結(jié)爐中將金屬基座內(nèi)的玻璃熔化，在特定的燒結(jié)溫度下玻璃與相接觸的金屬相融合，冷卻后形成牢固堅(jiān)硬的混合凝聚過渡層， 從而實(shí)現(xiàn)了玻璃與金屬的燒結(jié)性接合。因?yàn)椴ＡШ徒饘倬哂胁煌臒崤蛎浵禂?shù)，熔融的玻璃在冷卻過程中與金屬基座相互擠壓，在過渡層內(nèi)部形成均勻的內(nèi)應(yīng)力，從而提高了過渡層的結(jié)合強(qiáng)度。 燒結(jié)時(shí)玻璃本身受熱后形成鋼化玻璃， 達(dá)到封接溫度后玻璃先從表面開始冷卻、固化，產(chǎn)生向內(nèi)壓力，逐步向中心遞減這種保護(hù)性壓應(yīng)力，使玻璃的抗張強(qiáng)度提高了3～4倍，抗壓強(qiáng)度提高了1倍［2］。

常見的燒結(jié)視鏡結(jié)構(gòu)如圖3所示。 由于燒結(jié)視鏡玻璃的金屬外環(huán)與壓環(huán)、底座接觸，解決了視鏡玻璃安裝應(yīng)力的問題，且減少了玻璃的受壓面積，從而提高了視鏡的使用壓力。 目前，市場上有燒結(jié)視鏡最高可以耐壓10MPa。

圖3 燒結(jié)視鏡結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 鋁硅玻璃

隨著玻璃工業(yè)的發(fā)展， 出現(xiàn)了一些耐高壓、高溫的特種玻璃，如鋁硅玻璃等。 鋁硅玻璃是指以二氧化硅和氧化鋁為主要成分的玻璃，其中氧化鋁含量可達(dá)20%以上。 鋁離子的配位數(shù)取決于R2O（堿金屬氧化物）含量，配位數(shù)的多少?zèng)Q定了玻璃最終的彎曲強(qiáng)度。 鋁硅玻璃具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性和機(jī)械強(qiáng)度，較低的熱膨脹系數(shù)以及軟化點(diǎn)高、膨脹系數(shù)低、耐腐蝕性好、表面硬度高的特點(diǎn)。

鋯釔鑭鋁硅玻璃是在玻璃熔制時(shí)在鋁硅玻璃的基礎(chǔ)上添加氧化鋯、氧化鑭、氧化釔后，進(jìn)一步提高玻璃的耐堿腐蝕、耐高溫、抗高壓、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能。 鋯釔鑭鋁硅玻璃適宜鋼化，鋼化后的鋯釔鑭鋁硅玻璃的彎曲強(qiáng)度達(dá)到650～740MPa，可用作高溫、高壓工況下的管道視鏡、容器視鏡。

3 視鏡玻璃強(qiáng)度的理論計(jì)算

視鏡玻璃的應(yīng)力狀況與工作壓力、溫差應(yīng)力及安裝應(yīng)力等有關(guān)。 視鏡玻璃的強(qiáng)度計(jì)算主要考慮彎曲應(yīng)力和溫差應(yīng)力。 筆者以實(shí)際生產(chǎn)中遇到的DN150mm的鋯釔鑭鋁硅視鏡玻璃為例，進(jìn)行強(qiáng)度校核。

在內(nèi)壓作用下的圓形視鏡玻璃可視為承受均勻橫向載荷的圓形平板。 這時(shí)視鏡玻璃主要產(chǎn)生彎曲變形，其內(nèi)力為彎矩和剪應(yīng)力。 由于載荷均勻分布，圓形平板的內(nèi)力和變形均相對中心呈軸對稱。 對于中高壓視鏡來說，一般采用比壓力比較大的墊片，因此中高壓視鏡中的視鏡玻璃可以看作為周邊固支的受均勻載荷的圓形平板，應(yīng)力沿圓板半徑的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 中高壓視鏡中的視鏡玻璃應(yīng)力沿圓板半徑的變化規(guī)律

周邊固支時(shí)， 最大應(yīng)力發(fā)生在圓板周邊處。即圓形平板玻璃的最大徑向應(yīng)力（στ）max滿足下式：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得視鏡玻璃的最大彎曲應(yīng)力（σu）max=93.1MPa。

視鏡在使用時(shí)，視鏡玻璃的內(nèi)外表面存在溫差，由于內(nèi)外表面的膨脹量不一樣導(dǎo)致出現(xiàn)彎曲變形。 中高壓視鏡玻璃周邊固支，平板的熱變形就受到限制，視鏡玻璃中就會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。

視鏡玻璃內(nèi)外表面的溫差應(yīng)力值最大，最大溫差應(yīng)力σT滿足下式：

式中 E——材料的彈性模量， 鋯釔鑭鋁硅視鏡玻璃取120GPa；

α——材料的線膨脹系數(shù)， 鋯釔鑭鋁硅視鏡玻璃取6.3×10-7/℃；

Δt——玻璃板的內(nèi)外表面溫度差。

溫差Δt的計(jì)算公式為：

其中， 介質(zhì)溫度t1=100℃， 大氣環(huán)境溫度t2=22℃，玻璃板導(dǎo)熱率λ=0.98W/（m·K），空氣的傳熱系數(shù)K=7W/（m2·K）。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得溫差應(yīng)力σT=3.75MPa。

視鏡玻璃在實(shí)際使用中，必須承受內(nèi)壓引起的彎曲應(yīng)力和溫差應(yīng)力。 強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，可以將彎曲應(yīng)力和溫差應(yīng)力進(jìn)行疊加合成視鏡玻璃的最大應(yīng)力，即（σs）max=（στ）max+σT，視鏡玻璃強(qiáng)度應(yīng)滿足（σs）max≤［σ］，其中，視鏡玻璃的許用抗彎強(qiáng)度［σ］=σ/n，視鏡玻璃的抗彎強(qiáng)度（鋯釔鑭鋁硅視鏡玻璃）取σ=630MPa；安全系數(shù)取n=5，計(jì)算可得［σ］=126MPa。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得（σs）max=96.85MPa，不大于126MPa，由此判斷視鏡玻璃強(qiáng)度校核合格。

4 視鏡玻璃強(qiáng)度的有限元分析

在理論分析的基礎(chǔ)上，借助ANSYS有限元分析軟件，對上述案例中的視鏡玻璃進(jìn)行了內(nèi)壓單獨(dú)作用下和溫度內(nèi)壓疊加作用下的應(yīng)力狀況的分析計(jì)算，確定了視鏡玻璃的最大應(yīng)力點(diǎn)和最大應(yīng)力值。 通過應(yīng)力分析云圖可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壓單獨(dú)作用下和內(nèi)壓溫度疊加作用下，視鏡玻璃的最大位移都位于視鏡玻璃的中心處（圖5）。 內(nèi)壓單獨(dú)作用下和內(nèi)壓溫度疊加作用下，視鏡玻璃的最大應(yīng)力都集中于視鏡玻璃的非支撐外圓處，且應(yīng)力值小于視鏡玻璃的許用應(yīng)力（圖6）。 案例中的視鏡玻璃強(qiáng)度可以滿足使用工況。

圖5 不同工況下視鏡玻璃的位移云圖

圖6 不同工況下視鏡玻璃的應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)束語

筆者通過經(jīng)典理論力學(xué)分析，對案例中的視鏡玻璃進(jìn)行了強(qiáng)度校核計(jì)算。 并且利用ANSYS有限元分析軟件，對案例中的視鏡玻璃進(jìn)行了有限元分析。對比兩者的計(jì)算結(jié)果，誤差小于5%，視鏡玻璃能夠滿足使用要求。 通過上述闡述和視鏡玻璃的案例分析，為其他設(shè)計(jì)者在容器視鏡在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)提供了參考。