5m3中試罐筒體和封頭的設計計算

程艷艷，張興隆

（吉林化工學院 機電工程學院，吉林 132022）

壓力容器廣泛應用于化工、石油、冶金和機械等行業[1]。中試罐反應裝置是壓力容器的一種。隨著科學技術的飛速發展，產品的生命周期不斷縮短，中試罐的投入量逐步增加。但中試罐的制造中存在生產成本高，生產工藝復雜，生產周期長等問題，嚴重制約了中試罐行業的發展，降低了行業的核心競爭力。本文中試罐的設計能夠對實際生產提供指導，節省生產時間。

1 中試罐筒體和封頭設計

本次設計的已知參數，包括中試罐容積5m3、筒體長2 200mm、筒體內壁直徑1 600mm、容器主體材料022Cr17Ni12Mo2（數字代號S31603下文中所用材料均用數字代號代替）、設計壓力0.65MPa、設計溫度150℃來進行中試罐的結構設計（見圖1）。在進行結構設計時，應嚴格遵循國家、行業的有關標準、規范、規定等[2，3]。

圖1 中試罐結構圖

1.1 筒體厚度設計

筒體作為中試罐的主要受壓元件，其厚度直接定義了該中試罐的性能與安全系數[4]。合理的中試罐筒體的厚度，要滿足強度、剛性和穩定性等各方面的要求。其計算厚度為：

筒體壁厚近似為8mm。其中：δ為中試罐筒體的壁厚（mm）；pc為中試罐筒體的計算壓力（MPa）；Di為筒體的內直徑（mm）[σ]t為設計溫度下材料的許用應力（MPa）；C為厚度附加量，C=C1+C2，C1為鋼材厚度負偏差，C2為腐蝕裕量；φ為焊接接頭系數。

根據《鋼制壓力容器》（GB 150—1998）對焊接接頭系數的定義，選擇全部無損檢測取φ=1，所設計的鋼板負偏差C1=0.3mm，所選用的腐蝕余量C2=0mm。

1.2 封頭的設計

封頭是中試罐中的受壓元件，其種類較多。本設計選用受內壓帶法蘭的標準橢圓形封頭，該種封頭相對面積較小，節省材料；加工難度相對較小，便于施工。標準橢圓形封頭厚度：

封頭壁厚與筒體一致：

其中：δh為中試罐封頭的計算厚度（mm）；K為橢圓形封頭的形狀系數；Di為封頭內徑或與其連接的圓筒內直徑（mm）；由于橢圓形封頭系數K與Di/（2hi）有關；

由GB 150.3—2011表5-1可知，當Di/（2hi）=2，K=1時，此時橢圓形封頭可以達到與筒體等強度。所以Di=4hihi=Di/4=1 600/4=400mm。

根據《壓力容器設計手冊》可知，當封頭公稱直徑D≤2 000mm時，垂直高度hi=25mm，而本次設計中，中試罐的公稱直徑D為1 600mm，小于標準中所提到的，所以本次設計的封頭的垂直高度為25mm（見圖2）。所以封頭的總高度為：

圖2 封頭

2 安全校核

2.1 筒體的軸向應力安全校核

2.1.1 筒體軸向彎矩的計算

計算筒體中間截面處的彎矩：

其中：F為鞍座反力（N）；Rm為橢圓封頭長半軸的外半徑（mm）；L為兩個封頭之間切線的距離（mm）；A為中試罐鞍座的位置（mm）；hi為中試罐筒體內半徑（mm）。

在支座截面處的彎矩為：

2.1.2 筒體軸向應力的計算

（1）因為筒體軸向彎矩的存在所引起的軸向應力，所以筒體中間截面上最高點的軸向應力的計算為：

而最高點與最低點的軸向應力相等，所以得出：

鞍座截面處最高點處的軸向應力的計算為：

而鞍座截面最低點處的軸向應力的計算為：

（2）因為設計壓力的存在所引起的軸向應力的計算為：

2.1.3 筒體軸向應力的校核

許用軸向拉壓應力[σ]t=125MPa，而σ2＜[σ]t，因此合格。

2.2 筒體和封頭切向應力的安全校核

2.2.1 筒體切向應力的計算

依據《焊接工程師手冊》上卷得出K3=0.303，K4=0.135。所以可以得出：

2.2.2 封頭切向應力的計算

2.2.3 切向應力的校核

因為τh＜1.25[σ]t-σh，所以符合要求，該切向應力合格。

2.3 筒體環向應力的計算與安全校核

2.3.1 環向應力的計算

（1）在鞍座橫截面最低點處應力的計算為：

式中：b2為筒體的有效寬度（mm）。

查得，K5=0.7603，K6=0.0084。

式中：b為鞍座的軸向寬度（mm）。

可以得出：

（2）鞍座邊角處軸向應力

可知：

2.3.2 環向應力校核

|σ5|＜[σ]t=74MPa，合格。

|σ6|＜1.25[σ]t=1.25×74=92.5MPa，合格。

3 結束語

本設計根據給定的中試罐容積、工作壓力、設計溫度、筒體直徑和長度等條件計算出筒體的壁厚為8mm，封頭形式采用了橢圓形封頭，封頭壁厚為8mm，垂直高度為25mm，總高度為433mm，并對其進行了安全校核，符合設計要求。