大型鈦設(shè)備局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化探析

賀旭明，孫萬(wàn)倉(cāng)

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西 西安 710201）

1 前言

鈦在地殼中的儲(chǔ)量很豐富，在地殼外層16km的范圍內(nèi)鈦約占0.6%，居各種元素的第9位。而在結(jié)構(gòu)金屬中僅次于鋁、鐵和鎂，占第4位。鈦礦多為鈦鐵礦，其冶煉提純需要消耗大量的能量，且鈦的活性高，熔煉時(shí)需在真空爐中進(jìn)行，造成了實(shí)際成品鈦材價(jià)格相對(duì)較高，約為鋼材的20多倍。但鈦材資源豐富，且具有優(yōu)良的耐蝕性、較高的屈強(qiáng)比和穩(wěn)定的材料加工特性，在石油化工領(lǐng)域越來(lái)越多地被采用。隨著化工裝置發(fā)展得大型化，鈦制化工設(shè)備的大型化發(fā)展趨勢(shì)也越來(lái)越明顯。

鈦材加工成設(shè)備，一般采用純鈦材、鈦鋼復(fù)合板和鋼殼體襯鈦材三種方式。具體采用哪種方式，一般根據(jù)使用工況和設(shè)備造價(jià)來(lái)決定。對(duì)于一些低壓或真空工況下的大型容器，因采用鈦鋼復(fù)合板制備，一方面可靠性較低，另一方面，設(shè)備造價(jià)也較高，而鈦松襯大型容器可靠性差，易發(fā)生泄漏，所以，純鈦制造的大型儲(chǔ)罐類容器也較多地被應(yīng)用。

對(duì)于大型的鈦制容器，在設(shè)計(jì)時(shí)其設(shè)備壁厚往往不再是由內(nèi)部的操作壓力決定，而更多地是滿足其承受的外壓和局部壓應(yīng)力引起的剛度失穩(wěn)。如果僅通過(guò)增加殼體壁厚來(lái)解決，其經(jīng)濟(jì)性就是一個(gè)非常值得考慮的問(wèn)題。分析此類鈦制容器的特點(diǎn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一方面由于鈦材較貴，為經(jīng)濟(jì)、合理使用鈦材，在不與腐蝕介質(zhì)接觸的部位，應(yīng)盡量不用鈦制零件，另一方面，除爆炸焊接和釬焊外，鈦不能直接熔焊在鋼上，因此，與鈦殼體直接焊接的支撐件、加強(qiáng)件等不得不采用純鈦材來(lái)制作。設(shè)備較小時(shí)，其對(duì)設(shè)備整體的造價(jià)影響不大，但隨著設(shè)備的增大，該部分的制造成本就對(duì)整臺(tái)設(shè)備的造價(jià)有著明顯地影響。因此，要在保證設(shè)備質(zhì)量的前提下，如何降低設(shè)備造價(jià)，就需要對(duì)大型鈦設(shè)備的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因主體結(jié)構(gòu)厚度往往由設(shè)備操作參數(shù)、材質(zhì)、規(guī)格等確定，很難再進(jìn)行優(yōu)化，因此本文將重點(diǎn)從常用的外壓加強(qiáng)圈和設(shè)備支座進(jìn)行分析，從而確定一個(gè)相對(duì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)供大家參考。

為了便于說(shuō)明，本文結(jié)合一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行。該項(xiàng)目外形尺寸簡(jiǎn)化如圖1，上下為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，中間為設(shè)備筒體，其部分操作參數(shù)如表1。

圖1

表1

2 加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

外壓容器（包含真空容器）在設(shè)計(jì)時(shí)，往往通過(guò)縮短外壓計(jì)算長(zhǎng)度，即在殼體內(nèi)部或外部沿圓周方向設(shè)置加強(qiáng)圈來(lái)對(duì)殼體起到支撐作用，從而降低殼體壁厚。為了便于加工、減少對(duì)流體的阻擋和防止物料積聚，加強(qiáng)圈更多地被設(shè)置在殼體外部，這樣加強(qiáng)圈不與物料直接接觸，可選用一些價(jià)格低廉的材料來(lái)加工。

本項(xiàng)目通過(guò)計(jì)算，在殼體壁厚選用12mm時(shí)，加強(qiáng)圈需要設(shè)置9個(gè)，間距為1000mm，加強(qiáng)圈型式為“T”型，規(guī)格為120mm×16mm，通過(guò)比較，該計(jì)算結(jié)果為相對(duì)優(yōu)化的一種方案。因殼體材料為T(mén)A2，因此加強(qiáng)圈要與殼體達(dá)到強(qiáng)度連接，加強(qiáng)圈的材料也需為鈦材。經(jīng)過(guò)計(jì)算，9個(gè)加強(qiáng)圈用鈦材凈重2748kg，造價(jià)比較高，不僅不利于競(jìng)爭(zhēng)，也不夠經(jīng)濟(jì)合理。考慮到加強(qiáng)圈不與設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)接觸，僅起強(qiáng)度作用，依據(jù)GB 150.3-2011的規(guī)定，加強(qiáng)圈與圓筒之間可以采用連續(xù)或間斷的焊接，以此為契機(jī)，我們對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示。優(yōu)化前結(jié)構(gòu)為鈦材加強(qiáng)T型結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)為與設(shè)備連接部分采用鈦材過(guò)渡，外圈T型采用了成本較低的鋼材，通過(guò)螺栓將鋼材和鈦材進(jìn)行連接，可大大降低鈦材使用量，經(jīng)計(jì)算單臺(tái)減少鈦材2190kg。

圖2

優(yōu)化前，按照GB 150.3-2011的規(guī)定，當(dāng)加強(qiáng)圈設(shè)置在容器外面時(shí)，加強(qiáng)圈每側(cè)間斷焊接的總長(zhǎng)，應(yīng)不少于圓筒外圓周長(zhǎng)的1/2。間斷最大間隙為8倍的設(shè)備名義厚度。因此，根據(jù)殼體壁厚12mm，則加強(qiáng)圈與殼體間斷焊縫的間隙最大不超過(guò)96mm，理論上講，每段焊接長(zhǎng)度不超過(guò)96mm，兩段焊接之間間隙不超過(guò)96mm即可，但考慮到與殼體連接的鈦焊縫、鈦板與鋼板連接的螺栓及鋼板“T”型處的鋼焊縫在殼體承受外壓時(shí)受力的一致性，同時(shí)螺栓連接圓周受力的不均勻性，因此設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮，為了得到一個(gè)較好地承載能力，最好是將焊縫段數(shù)與螺栓個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)一致。為此，本項(xiàng)目?jī)?yōu)化后，鈦焊縫段數(shù)、螺栓個(gè)數(shù)和鋼焊縫段數(shù)均為120，螺栓選用M16，材質(zhì)為8.8級(jí)。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)是否可靠？畢竟該加強(qiáng)圈在設(shè)備處于真空狀態(tài)時(shí)，要起到足夠的剛性和強(qiáng)度作用，在使用過(guò)程中，一旦外壓失穩(wěn)，將會(huì)造成非常大地?fù)p失。為此，我們采用有限元分析的方法對(duì)其進(jìn)行校核。

如圖3所示為應(yīng)力分析模型圖，圖4為該模型變形云圖，圖5為該模型應(yīng)力云圖。從圖5可以看出，加強(qiáng)圈強(qiáng)度滿足要求。此計(jì)算條件下許用外壓載荷為0.45MPa，通過(guò)查詢TSG 21-2016鈦設(shè)備的抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)為2.7，則許用外壓載荷為0.17MPa,大于設(shè)計(jì)壓力0.1MPa，滿足要求。

圖3

圖4

圖5

優(yōu)化后的強(qiáng)度和剛度雖然能夠滿足要求，但還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）鈦加強(qiáng)圈部分材質(zhì)與殼體材質(zhì)應(yīng)一致，或與殼體材質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)度焊接；（2）加強(qiáng)圈的圓度應(yīng)與殼體圓度要求一致；（3）每段鈦焊縫與鋼焊縫中心應(yīng)與螺栓設(shè)置在同一方位；（4）鈦焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%PT檢測(cè)，合格級(jí)別為NB/T 47013.5-2015中Ⅰ級(jí)，鋼焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%MT檢測(cè)，合格級(jí)別為NB/T 47013.4-2015中Ⅰ級(jí)。

3 設(shè)備支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

設(shè)備大型化后，其支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中往往成為很重要的因素。對(duì)于大型立式容器，一般有裙座式、支撐式和耳式支撐三種形式，考慮到用材、壁厚和安裝位置等因素，本設(shè)備支撐型式選用耳式支座。設(shè)計(jì)時(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4712.3-2007的適用范圍最大為公稱直徑DN4000，對(duì)于本項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)計(jì)算若采JB/T 4712.3-2007上最大規(guī)格，即公稱直徑DN4000的C型支座號(hào)8的標(biāo)準(zhǔn)支座需設(shè)置10件純鈦支座，每件凈重106kg，僅支座造價(jià)就超過(guò)10萬(wàn)元。為此，我們參考JB/T 4745-2002附錄G中支座型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6

耳座主體材料選用價(jià)格低廉的鋼材，耳座墊板采用整圈鋼板制作，墊板分成兩個(gè)抱箍式結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓連接，在其上、下分別采用10小塊鈦板止動(dòng)，本結(jié)構(gòu)鈦材僅用70kg，而且，加工難度也大大降低。

雖然，耳座支撐是成熟的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，我們可以用JB/T 4712.3-2007中的計(jì)算方法對(duì)耳座進(jìn)行校核，但擋塊的受力情況卻不易計(jì)算。為此，為了保證支撐的可靠性，在確定完結(jié)構(gòu)后，我們同樣采用有限元分析方法對(duì)擋塊進(jìn)行受力分析。

通過(guò)核算，在圓周方向共設(shè)置10個(gè)450×40×16（mm）擋塊時(shí)，單個(gè)擋塊需要承力約210kN。

如圖7所示為應(yīng)力分析模型圖，建立1/2擋塊結(jié)構(gòu)，擋塊底部施加載荷210kN。圖8為該模型的變形云圖，圖9為該模型的應(yīng)力云圖。最終結(jié)果為最大應(yīng)力118.7MPa，而允許的最大應(yīng)力為148MPa，滿足要求。

圖7

圖8

圖9

同樣，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意以下問(wèn)題：（1）上、下?lián)鯄K應(yīng)采用與殼體相同或與殼體材質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)度焊接的材料；（2）上擋塊的下端面與下?lián)鯄K的上端面應(yīng)與殼體成90°；（3）上、下?lián)鯄K與殼體采用連續(xù)焊接，底部可留20mm不焊作為透氣孔；（4）擋塊與殼體焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%PT檢測(cè)，合格級(jí)別為NB/T 47013.5-2015中Ⅰ級(jí)；（5）擋塊與殼體表面應(yīng)貼合緊密，最大間隙不宜超過(guò)1mm；（6）支座應(yīng)按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大型設(shè)備設(shè)計(jì)，特別是材料比較貴重的有色金屬制設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等往往很難能滿足設(shè)計(jì)需求，這時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化往往顯得尤其重要，通過(guò)有限元分析地應(yīng)用，能給結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有力支持。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)者要充分考慮不同金屬的特點(diǎn)，特別是其各自的優(yōu)勢(shì)特性，并充分進(jìn)行應(yīng)用，往往能得到很好的效果。上述設(shè)備前后共建造不少于5臺(tái)，并已全部投入使用3年以上，使用效果非常好。