【化工设备001】夹套容器设计中值得注意的几个问题

wushi168 2017-07-04

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1、夹套容器简介

夹套容器广泛应用于石油、化工、制药等行业，它是将作为一个完整压力室的夹套连接在筒体、封头外部形成的多腔压力容器，常见型式如下图。

夹套内常用的介质有蒸汽、导热油、冷却水、真空绝热介质等。

使用夹套的目的一般是加热或冷却容器及其内部介质，也可作为容器的密封绝热室。

本文简要介绍夹套容器在设计过程中所涉及的结构形式、设计要点等方面一些值得注意的问题。

2、夹套容器设计的一般规则

2.1 结构设计

根据夹套包容容器的情况，夹套容器分为：

1）全夹套容器即容器筒体和上下封头全部带有夹套；

2）局部夹套容器即容器筒体上下封头局部带有夹套。

根据夹套结构的情况，夹套容器分为：

1）整体夹套容器即夹套型式为U型或圆筒型；

2）通道式夹套容器及夹套型式为型钢夹套；

3）蜂窝夹套容器即夹套为短管支撑式或折边锥体式；

4）半管夹套容器即夹套是由半管或弓形管组成。

本文讨论不涉及通道式容器和半管夹套容器。

对于不同型式的夹套，由不同的主要受压元件构成，一般包含夹套筒体、夹套与容器的封闭件、夹套封头三个主要受压元件。对于通道式夹套，它是由型钢或钢管构成，只有夹套筒体。夹套筒体、封头的结构型式通常与容器筒体、封头一致，筒体常为圆筒体，封头常为椭圆形或锥形。夹套封闭件有四中常见结构型式，即圆环型、锥形、平环型以及角钢型，GB150.3-2011《压力容器》[1]附录D中已列出这四种结构型式。

2.2 设计计算

从夹套容器的结构可以知道，夹套容器的设计计算一般应包含容器筒体及封头、夹套筒体及封头（如果有夹套封头）以及夹套封闭件等受压元件的计算。容器筒体、封头计算根据被夹套包容的情况，按照具体所受压力情况选取计算压力用以确定壁厚。夹套筒体和封头壁厚按照夹套计算压力来计算确定。关于应力校核、稳定性校核、材料应用、设备检测、压力试验等方面的规定按文献[1]及文献[2]。夹套封闭件计算主要是确定其厚度，详见GB150.3-2011《压力容器》和HG/T20569-2013《机械搅拌设备》[3]，两个标准对此作了不同规定。

3、夹套容器设计值得注意的问题

3.1 设计数据的选取

3.1.1 设计压力与计算压力

设计压力包括容器设计压力p1和夹套设计压力p2。

计算压力包括容器计算压力pc1和夹套计算压力pc2。应考虑在正常操作情况下可能出现的内外压力差，按照最苛刻的条件确定容器内的计算压力。

以下讨论容器有夹套包容，不包括液柱静压力：

1）当容器内和夹套内均为内压时，容器计算压力取pc1=p1及pc1=p2（外压）两种情况，夹套计算压力pc2=p2；

2）当容器内为真空和夹套内为内压时，容器计算压力取pc1=p2+0.1，夹套计算压力pc2=p2；

3）当容器内为内压和夹套内为真空时，容器计算压力取pc1=p1，夹套计算压力pc2=-0.1MPa；

4）当容器内和夹套内均为真空时，容器计算压力取pc1=-0.1Mpa，夹套计算压力pc2=-0.1Mpa。但是，当在任何时候都能保持一定内外压差时，可按该压差值计算容器壁厚，同时应在图纸上注明。

3.1.2 腐蚀裕量

对于夹套容器腐蚀裕量的选取，应注意以下两点：①夹套包容的容器筒体和封头应按双面腐蚀选取腐蚀裕量。②由于容器外壁和夹套内壁接触的是同一介质，因此当容器和夹套材质相同或相近时，容器外壁和夹套内壁应选取相同的腐蚀裕量。

3.1.3基本尺寸

容器内容积和内直径一般由工艺条件给出。若内直径不需要由工艺给定，则筒体内径Di 估算：

式中i为长径比即：i=Hi/Di，估算后圆整得到容器公称内直径Di1，然后再确定高度。确定了容器内直径Di1后，夹套的内直径Di2可以按下列尺寸确定：

当Di1≤1800mm时，Di2=Di1+100 mm；

当Di1≥2000mm时，Di2=Di1+200 mm。

3.2 关于减少内筒外压长度的探讨

夹套容器的内壁厚度往往取决于外压，为了材料的合理利用，不可能一味通过增加内壁厚度来满足外压设计条件，最有效的方法是减少圆筒的外压计算长度。以下探讨几种常见的减小外压计算长度的方法。

3.2.1内筒体常规加强圈

常用的加强圈型式有扁钢（图2）、角钢、T型钢、槽钢及工字钢等。通常情况下，夹套内的介质压力较低，加强圈的截面尺寸不需要很大，夹套与筒体的间隙足以满足加强圈的结构尺寸要求以及蒸汽及其冷凝液流通面积的要求。然而当夹套内介质压力较高或者设备直径较大时，允许的外压计算长度较短，且由于筒体与夹套的间隙有限，常常难以满足惯性矩的要求，使用这类常规加强圈的时候往往要布置得很密集。这不仅增加了制造成本，同时也增加了制造和检验的难度，甚至影响设备的工艺性能。

图2 扁钢型式加强圈结构示意

3.2.2 夹套分段设置

夹套分段设置结构如图3所示，采用这种结构时，外压计算长度为较长一段夹套长度或夹套与封头组合的计算外压长度。这是一种简便的减少内筒外压计算长度的方法，但是夹套分段不宜过多，以两段多见。因为过多的分段不仅增加了夹套与筒体的焊缝，增加了制造和检验成本，同时由于接口增多，需要配套的工艺接口就相应增加，增加了工艺负担。

图3 夹套分段结构示意

3.2.3内筒体圆环形加强圈与夹套筒体相焊结构

由于加强圈与夹套筒体相焊，因此夹套筒体也可看作加强圈的一部分，可将加强圈截面看作T型钢，这样加强圈的惯性矩大大增加。然而这种结构使得蒸汽及其冷凝液的通道被堵塞了。因此需要在环板上开孔[4]，开孔后的结构如图4所示，开孔的总面积应大于蒸汽入口接管的横截面面积。但开孔后加强圈的刚度被削弱，且蒸汽通道有限，增大了蒸汽的压降，不利于其顺畅流动，也不利于冷凝液的排出。