搪玻璃容器夾套封閉件強度分析和設計優化

史建濤 蔡 偉 楊學鋒 宋亞強

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院蘇州分院 蘇州 215031）

搪玻璃容器是在石化行業應用相當廣泛的一類特殊壓力容器，因其在金屬基層表面搪燒了一層玻璃釉而使得搪玻璃設備具有極強的抗腐蝕性能，并且由于搪玻璃內筒體表面光滑、潔凈，便于清洗，近年來逐步被食品、醫藥等行業大量使用。但是搪玻璃設備的廣泛應用也帶來一系列問題，那就是搪玻璃容器的介質大都具有強腐蝕性，甚至較高的毒性，一旦在使用過程中發生失效，后果將不堪設想，這對于搪玻璃壓力容器的設計和制造都提出了較高的要求。GB 25025—2010《搪玻璃設備技術條件》詳細規定了搪玻璃壓力容器建造環節的詳細要求，其中還規定了搪玻璃容器受壓元件的強度計算應符合GB／T 150《壓力容器》[1]，但是 GB／T 150—2011《壓力容器》（以下簡稱GB／T 150）在其適用范圍中明確規定不適用于搪玻璃容器[2]，這就使得搪玻璃容器的強度計算缺少明確的標準規定。本項目針對搪玻璃設備壓力容器的關鍵承壓部位夾套封閉件，即上接環和下接環的典型結構，提出有效的強度計算方法，供相關使用者參考。

1 帶夾套的搪玻璃容器典型結構

1.1 封閉件結構的相關標準規定

GB／T 150在D10中規定了帶夾套容器的結構要求，如圖1～圖3所示，分別為球面結構、斜邊加過渡段圓弧結構以及簡單斜邊結構。標準還規定了采用3種不同連接結構時，封閉件的壁厚要求，即不小于夾套壁厚。對于帶夾套的搪玻璃容器而言，夾套封閉件主要有上接環、下接環等零部件，與夾套相連接的結構形式也因搪玻璃容器的結構不同而差異巨大。ASME-VIII-1卷2019版強制性附錄9中詳細介紹了可適用于搪玻璃容器夾套封閉件的連接結構[3]，按封閉件相對厚度大體分為2種：第1種結構中夾套封閉件與夾套壁厚相當，第2種結構中夾套封閉件厚度遠大于夾套壁厚。然后按照夾套封閉件與內筒體以及夾套筒體是否為全焊透結構的焊接型式，第1種結構又細分為3類，第1類為夾套封閉件與內筒體采用角接接頭、角焊縫連接，與夾套筒體采用對接接頭、對接焊縫連接（如圖4所示）；第2類為夾套封閉件與內筒體采用角接接頭、對接焊縫連接，與夾套筒體采用對接接頭、對接焊縫連接（如圖1、圖2、圖5所示）；第3類為夾套封閉件與內筒體采用角接接頭、角焊縫連接，與夾套筒體采用角接接頭、角焊縫連接（如圖3所示）。第2種結構采用厚度較大的封閉板，封閉板與內筒體、夾套筒體可采用對接焊縫或角焊縫連接。由于隨著封閉板厚度的增加，材料成本隨之增加，并且在溫度較高時，在壁厚方向會產生較大的溫度梯度和熱應力[4]，此外由于封閉板壁厚與內筒體以及夾套壁厚的差異，使焊接連接處產生較大的不連續應力[5]，因此在搪玻璃壓力容器行業，該結構使用較為少見。

圖1 封閉件結構A

圖2 封閉件結構B

圖3 封閉件結構C

圖4 封閉件結構D

圖5 封閉件結構E

ASME規范還將夾套容器分類，典型結構如圖6～圖10所示，其中：1型為圓筒形殼體范圍內的夾套；2型為覆蓋一部分圓筒形殼體和一個封頭的夾套；3型為覆蓋一部分封頭的夾套；4型為圓筒形殼體上附加支撐或平衡環以減小有效長度的夾套；5型為夾套覆蓋全部筒體，并且覆蓋一個封頭加另一個封頭的部分區域。

圖6 夾套結構I

圖7 夾套結構II

圖8 夾套結構III

圖9 夾套結構IV

圖10 夾套結構V

1.2 搪玻璃容器封閉件的制造工藝特點

與普通的壓力容器制造過程不同，搪玻璃壓力容器在制造過程中有一個特殊的搪燒制造工序，將硼硅酸鹽玻璃質的底釉和面釉依次燒成在內筒金屬基體上[6]，并且在制造工序的安排上，為了避免焊接時局部過熱造成搪瓷爆瓷一般會先焊接內筒，然后焊接夾套封閉件，最后進行搪燒，搪燒完成后再裝配夾套筒體。由于搪燒過程對于金屬壁厚有一定程度的燒損，并且會導致夾套封閉件局部變形，甚至會影響后續夾套筒體的裝配，因此在強度計算時，需根據經驗值附加相關承壓部件的計算厚度。

1.3 搪玻璃容器封閉件的結構

搪玻璃壓力容器夾套封閉件常用的焊接結構中，主要有全焊透和非全焊透結構2種。其中圖1、圖2、圖3、圖5的封閉件結構都采用了全焊透的連接型式，其中結構A為簡化的球面封頭結構，在相同載荷條件下，所需設計壁厚最薄，但是半球形封頭在成型過程中變形量較大，而且直徑越大，厚度越薄，成型難度越大，因此半球形封頭多用于高壓、厚壁容器[7]；將結構B簡化為帶折邊的錐形封頭結構，GB／T 150中詳細規定了過渡段以及折邊厚度的強度計算方法，但是由于過渡段的圓弧結構導致不連續應力的存在[8]，一定程度上增加了封閉件的加工難度；結構C中由于封閉件與夾套筒體采用了角接結構，導致殼體形狀不連續以及曲率半徑突變，使得連接焊縫存在較高的邊緣應力[9]，因而在實際生產過程中較少采用；結構E封閉件與內筒體垂直布置，非常便于焊接操作，但是該結構由于彎曲應力的影響，使得壁厚較其他結構大很多，常用于壓力不高、直徑較小的容器中[10]；結構D則采用了非全焊透的連接型式，并且參照ASME標準規定，當封閉件結構D用于1、2、4型帶夾套的容器時，最大設計厚度為16 mm，最小設計厚度不小于夾套壁厚。這是由于封閉件結構D盡管采用了2段圓弧作為錐形封閉件的中間段，使得封閉件整體具有良好的抗變形能力，但是錐形封閉件的上端部平直部分與內筒體采用了非全焊透的焊接結構，這就大大降低了整個封閉件的承壓能力，因此該封閉件的使用有一定的限制條件。

2 搪玻璃夾套封閉件的強度計算

現有公稱容積5 000 L的搪玻璃反應釜，內筒設計壓力為0.4 MPa，設計溫度為20～200 ℃，介質為苯乙烯（毒性中度），內筒內直徑為1 750 mm，焊接接頭系數為0.85，腐蝕余量為1 mm；夾套設計壓力為0.6 MPa，設計溫度為20～200 ℃，介質為蒸氣，夾套內直徑為1 900 mm，焊接接頭系數為0.85，腐蝕余量為1 mm，內筒及夾套材質均為Q235B。

根據設備的使用工況及工藝要求選擇2型帶夾套結構，由于批量制造容器，全焊透結構的焊材填充量大，且此類全焊透工藝一般都要選用手工電弧焊或者鎢極氬弧焊打底，會導致生產效率低下。加之夾套設計壓力較低，從制造成本以及生產效率的角度考慮，最終上接環設計選用圖4中的封閉件結構D。由于GB／T 150中未詳細規定下接環的連接結構，在滿足用戶需求的前提下，參考ASME規范，選用帶U型環的連接結構，該U型環可降低夾套封頭與下接圈直接焊接的約束應力，并且U型環底部設置排污孔，可有效減少雜質堆積以及間隙發生腐蝕的可能性。搪玻璃容器夾套結構以及上、下接環連接情況如圖11～圖13所示。

圖11 搪玻璃容器夾套結構簡圖

圖12 上接環連接詳圖

圖13 下接環連接詳圖

參照GB／T 150中相關規定，計算夾套筒體和封頭壁厚分別見式（1）、式（2）：

式中：

δj，δf——夾套筒體、封頭的計算厚度；

pc——計算壓力；

Di——夾套筒體內徑；

[σ]t——設計溫度下材料的許用應力；

φ——焊接接頭系數。

考慮腐蝕余量以及鋼板負偏差，取夾套筒體公稱厚度為10 mm，考慮封頭成型時的拉伸減薄量損失以及腐蝕余量和下料方便，取封頭公稱厚度同樣為10 mm。

對于封閉件的厚度要求，GB／T 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設計》附錄D中給出了3種典型的夾套結構以及夾套封閉件的厚度要求，即上接環厚度不小于夾套筒體壁厚。參考ASME-VIII-1卷2019版強制性附錄9的規定，夾套筒體和封頭按照規則設計計算壁厚，封閉件上接環壁厚tc應至少等于tj且轉角半徑r不應小于3tc，這種封閉件的設計壁厚的上限厚度為16 mm，見圖12中焊縫尺寸Y不應小于0.7tc，最終選取上接環壁厚為10 mm。但是圖13中下接環的連接結構以及強度要求，GB／T 150則未做出相關規定。同樣參考ASME標準，下接環處的封閉件為撓性件，其所需的最小厚度tc應按式（3）確定：

式（3）中RP為撓性件內壁距離容器中心的最遠徑向距離，a不小于2tj，b不小于tj，c不小于1.25tc。考慮腐蝕余量以及鋼板負偏差，取U型下接環公稱厚度為6 mm。

搪玻璃容器的下接環典型連接結構除見圖13外，常用的連接方式還有如圖14所示的結構，由于GB／T 150中缺少此類結構的強度計算方法，故參考夾套筒體厚度計算方法，該下接環計算厚度見式（4）：

圖14 下接環其他連接結構圖

這種形似倒置的碗形下接環采用鋼板卷制，然后對焊連接，經無損檢測合格后，在特殊的成型模具上壓制成2個左右對稱的碗形下接環，然后在徑向對稱軸位置切割，最終制作出2只符合設計要求的下接環，容器制造過程中需先與內筒體焊接，然后搪燒，最后再裝配夾套封頭。因此考慮腐蝕余量以及鋼板負偏差，并且按經驗值附加搪燒厚度損失量，取該下接環公稱厚度為6 mm。而圖13中的U型下接環則是在鋼板上直接切割出圓環，然后將圓環在設定的模具工裝上直接壓制成型，成型后的U型下接環上沒有對接焊縫，無須探傷檢測，與碗形下接環相比，減少了無損探傷工序，一定程度上降低了制造成本，因此U型下接環結構成為眾多搪玻璃壓力容器制造單位的優先選項。

3 搪玻璃夾套封閉件的應力分析

3.1 上接環的應力分析

針對上述典型的上接環連接結構，使用有限元分析軟件WORKBENCH，設置Q235B材料的彈性模量為 2.06×105MPa[11]，密度為7 850 kg／m3，泊松比 0.3[12]，邊界條件以及搪玻璃壓力容器設計參數[13]，并作如下假設：1）不考慮容器自重及內裝物料重量，不考慮設備及外部配件重力載荷；2）不考慮風載荷、地震載荷；3）不考慮外部支撐及裝配載荷；4）不考慮溫差變化導致的熱應力和變形；5）不考慮疲勞計算與壽命評估。應力分析過程中涉及的載荷包括夾套設計內壓（不含液柱靜壓力）、夾套自重、工況溫度下的熱載荷。典型的夾套封閉件上接環局部結構變形以及應力強度分布情況如圖15、圖16所示。

圖15 夾套封閉件上接環局部結構變形圖

圖16 夾套封閉件上接環局部結構應力分布圖

圖15中當采用封閉件結構D時，局部變形最大值發生在夾套筒體部位而非封閉件位置，變形量最小值位于夾套封閉件圓弧過渡段。從圖16應力分布情況可知，最大應力強度位于夾套筒體部位，最小值位于夾套封閉件與夾套筒體連接部位。由于夾套封閉件一端與內筒體采用對接接頭焊接固定，另一端與夾套筒體也采用對接接頭焊接連接，因此夾套封閉件主要承受的應力類型為一次局部薄膜應力和二次應力（彎曲應力），圓弧過渡段在內壓力的作用下，同樣承受一次局部薄膜應力和二次彎曲應力[14]。而遠離封閉件與夾套筒體不連續處的最大應力強度位置，其所承受的是一次總體薄膜應力和沿壁厚的應力梯度（二次應力），該應力強度數值較一次局部薄膜應力大，并且由于邊界條件固定的設置導致變形量較夾套封閉件處變形量大。

幾種常見結構的夾套封閉件的應力分析結果對比情況見表1。

表1 不同結構夾套封閉件應力分析結果對比

由表1結果可知，當夾套封閉件與內筒體采用對接接頭的焊接結構時，夾套封閉件最大應力強度數值都較小，相比而言采用角接接頭時，應力強度數值普遍較大，尤其采用結構C時，由于峰值應力的存在，其最大應力強度數值較其他結構大很多，結構變形的最大值也呈現同樣的趨勢。盡管應力強度數值高于采用結構D時，但是采用結構E時的夾套封閉件結構變形數值最小，尤其適用于搪玻璃設備有頻繁攪拌和機械振動工況，因此在滿足強度設計的前提下，結構E被廣泛應用于搪玻璃壓力容器的上接環連接。

3.2 下接環的應力分析

由于GB／T 150中無下接環的強度計算方法，本項目使用有限元分析軟件，在相同的設計參數及邊界條件下，比較2種結構的應力分布情況，如圖17、圖18所示。

圖17 碗形下接環應力分布圖

圖18 U型下接環應力分布圖

對比2種不同結構的應力分布圖可知，碗形結構的下接環最大應力數值遠小于U型結構，應力最大值分別位于碗形下接環的下轉角部位以及U型下接環的長邊圓弧過渡段。由此可知，下接環結構的強度風險部位主要位于結構變形的不連續部位，但是僅就應力水平而言，數值整體較低。應力強度評定結果見表2。

表2 應力強度評定結果 MPa

根據應力分析結果進行強度評定，取安全系數1.5，則設計溫度下的許用應力限制為235／1.5=156.7 MPa，局部薄膜應力限制為1.5×156.7=235 MPa，本項目中下接環局部彎曲應力屬于二次應力，薄膜應力和彎曲應力的限制為3×156.7=470 MPa，因項目不考慮疲勞計算與壽命評估，故對于峰值應力不做判定，由表2中計算結果表明強度滿足要求。

4 耐壓試驗強度校核

針對該搪玻璃反應釜，按照規則設計進行耐壓試驗強度校核，其中試驗溫度為20 ℃以及設計溫度為200 ℃時，Q235B材料的許用應力按照GB／T 150中附錄D的規定分別取116 MPa和99 MPa，夾套水壓試驗壓力為 1.25×0.6×116／99 MPa=0.88 MPa。試驗結果表明，搪玻璃壓力容器在水壓試驗過程中，無滲漏，容器表面無可見變形和異常聲響，耐壓試驗結論合格。需要注意的是，耐壓試驗的作用是驗證設備的強度和嚴密性，耐壓試驗的強度校核并不能替代計算模型正確性的驗證。

5 結論

1）搪玻璃壓力容器在強度計算時需考慮搪燒工藝對于厚度的影響，尤其是與內筒體直接相焊，并且先搪燒后裝配夾套的封閉件應在設計時附加燒損厚度。

2）上接環的設計需從結構設計、制造工序以及加工成本等方面考慮，在夾套設計壓力不高的情況下，建議優先選用有直邊加雙曲面結構，壁厚選取與夾套筒體相同厚度。

3）下接環從減少探傷工序，降低成本，減少搪燒厚度損失方面考慮，建議優先選擇U型下接圈結構，壁厚選取參考文中計算方法。

4）由于搪玻璃壓力容器夾套封閉件無標準規定的強度計算方法，需采用有限元分析等方法對承壓部件進行強度校核。