浅谈塔设备的失效形式及外压设计

杨 勇，侯育德（必维质量技术服务上海有限公司，上海 200001）



浅谈塔设备的失效形式及外压设计

杨 勇，侯育德
（必维质量技术服务上海有限公司，上海 200001）

摘 要：介绍塔设备的主要失效形式和外压设计方法，重点分析失稳失效形式，圆筒外压设计方法，外压加强圈设计等。通过增加外压加强圈，减小圆筒计算长度的方法来实现圆筒壁厚的减薄，在实际工程中具有重大意义。

关键词：塔设备；失效形式；外压计算；加强圈设计

0　前言

塔设备又称塔式容器，是直立设备中的一种，它可使气液或者液液两相之间进行紧密接触，达到传质机传热的目的。在石油、化工、医药等行业中得到广泛应用的重要生产设备。

塔设备属于压力容器范畴，因此，塔设备所承受载荷可分为内压力、外压力、风载荷和地震载荷等。在这里我们主要讨论受外压的塔设备筒体的失效形式及其设计方法。

1　失效形式

塔设备的失效形式分为强度失效、刚度失效、泄露失效和失稳失效四大类。

（1）强度失效 - 因材料屈服或断裂引起的失效，其包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。

（2）刚度失效 - 因设备发生过大的弹性变形引起的失效。例如，露天立置的塔设备在风载荷作用下，若发生过大的弯曲变形，会破坏塔的正常工作或塔体受到过大的弯曲应力。

（3）泄漏失效 - 因泄漏而引起失效。泄漏不仅有可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，而且会造成环境污染。

（4）失稳失效 - 在外压的作用下，设备还未发生强度破坏前，突然失去其原有的几何形状引起的失效。例如，受均布外压的圆筒，其薄膜应力分布规律与内压圆筒一样，不同的只是内压圆筒是拉应力，而外压圆筒为压应力。

当薄壁圆筒受外压力时，当压力达到某一临界值前，筒壁上的任一一处均处于一种平衡状态。受外压力的圆筒在压应力远低于材料屈服点时，圆筒就被压瘪或发生褶皱，载荷卸去后，圆筒不能恢复原状，即在一瞬间失去自身原来的形状，以致使圆筒失稳失效。外压圆筒失稳失效的本质是由一种平衡状态跃变到另一种的平衡状态。

圆筒失稳后，横截面的形状与压杆失稳变形情况类似，呈正弦波形曲线，它的变形波数可能为2、3、4…，这取决于圆筒的结构尺寸和约束情况。

2　外压圆筒设计

首先，假设塔设备名义厚度δn，有效厚度δe，外径D0，计算外压力pc，圆筒计算长度L，设计温度下材料的弹性模量Et。

对于塔设备外径D0与有效厚度δe的比值D0/δe≥20，按以下步骤进行外压计算：

（1）确定外压应变系数A。

如果L/Do值大于50，那么可以根据L/Do=50来对外压应变系数A值进行取证；如果L/Do值小于0.05，那么可以根据L/Do=0.05来对外压应变系数A值进行取证。

（2）确定外压应力系数B。

根据（1）所查得的外压应变系数A值，按照GB 150.3-2011对外压应力系数B进行取证；

如果外压应变系数A值超出设计温度曲线的最大值，取对应温度曲线右端点的纵坐标为B值；

如果外压应变系数A值小于设计温度曲线的最小值，则按以下公式计算B值：

（3） 确定许用外压力［p］。根据（2）所得的外压应力系数B值，按以下公式计算许用外压力［p］：

如果算得许用外压力［p］≥pc，合格。如果算得许用外压力［p］＜pc，则须重新假设有效厚度，按照上述步骤重新计算，直到满足要求。

3　外压加强圈的设计

3.1计算长度的确定

外压圆筒的计算长度是指圆筒外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离，通常封头、法兰、加强圈等均可视为刚性构件。对于凸形封头，应计入直边段以及封头曲面深度的1/3。当圆筒部分有多个加强圈时，取相邻加强圈中心线间的最大距离；凸形封头也可以看作是加强圈。对于带无折边锥壳的设备，则应视锥壳与圆筒连接处的惯性矩大小区别对待：若连接处的截面有足够的惯性矩，不致在圆筒失稳时也出现失稳现象，则取到锥壳与筒体间的焊缝为止，否则应取到加强圈为止；对于带有折边锥壳的设备，还应计入直边段和折边部分的深度。

3.2加强圈的设计

要提高外压圆筒的操作外压力，就必须提高许用外压力［p］。提高许用外压力［p］可通过增加筒体有效厚度δe或减小外压圆筒的计算长度L来实现。然而，从经济性和优化设计来看，减小外压圆筒计算长度L比增加筒体有效厚度δe更为合理。

加强圈应具有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他型钢制成，可以设置在圆筒内部或外部，其材料多为碳钢。

加强圈与圆筒焊接可采用连续的或间断的，当在圆筒外设置时加强圈，加强圈每侧间断焊接的总长，应不小于圆筒外圆周长的1/2；当在圆筒内设置时加强圈，焊接总长应不小于圆筒内圆周长的1/3。加强圈两侧的间断焊缝孔错开或并排布置，但焊缝之间的最大间隙对外加强圈为8δn，对内加强圈为2δn。

为保证圆筒与加强圈的加强作用，加强圈应整圈绕在圆筒的圆周上，而不许任意削弱或隔断。

外压圆筒加强圈的设计计算，请参照GB 150.3-2011 4.5章要求进行设计计算这里就不作详细的介绍。

综上所述，对于受外压的塔设备，可以通过增加外压加强圈的方法来实现圆筒壁厚的减薄。在实际工程中，特别是对不锈钢或其他贵重金属制造的外压设备，可在外部设置加强圈，以减少贵重金属的消耗量，在减少设备重量，节省成本上具有重大意义。

参考文献：

［1］GB 150.1-150.4 - 2011 压力容器.中国标准出版社.

［2］李福宝，李勤主编.压力容器及过程设备设计，化学工业出版社

［3］闫学莲.浅谈外压圆筒及其加强圈的设计［J］.应用能用技术，2010（05）.

［4］孙代秋，王枫.化工机械中承压设备常见的失效形式分析［J］.科技与企业，2013（16）.

［5］王耀先.玻璃钢外压容器的设计［J］.玻璃钢/复合材料，1991（03）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.248