夹套容器改进型圆环加强圈的设计

(武汉江汉化工设计有限公司，湖北 武汉 430223)

夹套容器是指在容器壳体外包有完整的密闭腔用来加热或冷却容器内物料的一种容器。夹套容器主要由内容器和外夹套两部分构成，内容器的设计压力要考虑内压、外压或最大压差。当夹套侧压力相对较高时，内筒体的壁厚往往取决于外压计算厚度。为提高经济效益，降低设备整体造价，可在内筒体设置加强圈，提高其稳定性，有效降低内筒体的厚度。

考虑到结构紧凑及合理性的要求，内外筒体间的间隙一般较小，加强圈的设置受到间隙尺寸的约束。当加热或冷却介质采用低压蒸汽或循环冷却水时，内筒的设计外压相对较低，所需的加强圈截面尺寸较小，内外筒体间的间隙可以满足加强圈的结构尺寸以及换热介质流通面积的要求；当夹套内介质压力相对较高(如采用中、高压蒸汽)时，内筒的设计外压也较高，所需的加强圈截面尺寸更大，常出现加强圈结构尺寸大于内外筒体间隙而无法布置，或者勉强能够布置下，又没有足够的介质流通面积的情况，影响工艺操作。本文以某装置中的一个储槽为例，讨论在这类情况下圆环型加强圈的设计。

1 设计参数

夹套容器外形示意见图1，主要参数见表1。

图1 夹套容器外形示意

部位设计压力/MPa设计温度/℃内径/mm长度(切线)/mm材料焊接接头系数内筒0．811018002600S304080．85夹套0．811020002680S304080．85

如果内筒体不进行加强设置，则内筒外压计算长度L=2 600+2×hi/3=2 900mm(hi为内筒椭圆封头曲面深度，下同)，按GB/T 150.3—2011中内压筒体和外压筒体的计算方法，在内压和外压分别作用时所需名义厚度分别为7mm和22mm，由此可见内筒体壁厚主要取决于外压的计算厚度。外压容器的失效形式主要是失稳，当壳体的结构尺寸(直径、长度)一定时，可通过设置加强圈降低外压计算长度，从而降低筒体壁厚。

2 常规型、改进型圆环型加强圈

(1)在内筒外侧设置圆环型加强圈可以降低外压圆筒计算长度L，圆环型加强圈结构见图2。因内外筒体间隙为50mm，加强圈的尺寸应小于50mm。

先假设在筒体中间位置设置一个加强圈，则外压计算长度L=2 600/2+hi/3=1 450mm，按GB/T 150.3—2011中外压容器的计算方法得到内筒所需名义厚度为18mm，加强圈尺寸至少为150mm×12mm以上，同时夹套水压试验时，内筒需充压0.038MPa，即使换成惯性矩更大的反置等边角钢，也至少需要∠100mm×12mm以上；再假设在内筒外侧设置2个加强圈，将整个外压计算长度三等分，即L=2900/3≈967mm，则内筒所需名义厚度为18mm，加强圈至少需要120mm×16mm，即使换成惯性矩更大的反置等边角钢也至少需要∠100mm×8mm以上。由此可见，无论是120mm×16mm的扁钢还是∠100mm×8mm的等边角钢，都无法满足内筒外壁与夹套内壁的间隙要求，更无法保证夹套内介质的流通要求。考虑到接管的布置，允许的最小外压计算长度按L=300mm计算，经核算所需加强圈最小为∠90mm×8mm，仍然无法满足间隙空间的要求。

(2)改进型圆环型加强圈结构见图3。该结构将加强圈与夹套筒体相焊，使内筒、加强圈和夹套形成一个整体。由于它是整体结构，外压圆筒轴向剖面的单位长度上内筒受压应力，夹套受更大拉应力，可通过加强圈阻止内筒的收缩，从而阻止其失稳，改善了筒体的整体稳定性。文献[2]对该加强圈结构进行了应力和稳定性计算分析，认为该整体结构不会发生总体失稳，GB/T 150—2011对加强圈应有惯性矩的要求不适合于整体双层壳体结构，作为加强圈本身，与夹套焊成一体，提高了加强圈失稳的临界应力值。因此，在设计中内筒受内压和外压的计算按GB/T -2011的规定，但是加强圈的结构尺寸可按文献[2]的方法取定：加强圈的轴向厚度取等于或大于内筒厚度及夹套厚度中较大者，加强圈与内筒体及夹套的焊接结构须按受压元件焊缝结构设计。针对本文中提到的夹套容器，在筒体中间位置设置一个加强圈即可将内筒体厚度由22mm减为18mm，加强圈的厚度略大于内筒和夹套厚度中较大者即可，这样的设计在降低设备用材的同时，还简化了结构设计，一举两得。如需进一步降低筒体壁厚，可增加加强圈的数量。

图2 圆环型加强圈

图3 改进型圆环型加强圈

文献[3]中UG-29条(f)规定，当容器的内壳与外夹套由若干拉紧棒或者其他一些圆环连接，在夹套与内壳间有压力存在时，这种结构本身具有足够的刚度，因此，可不遵循UG-29条中关于禁止开孔等条款的要求，可以在加强圈上开孔。为保证介质的正常流通，加强圈开孔面积之和应大于入口管的横截面积。

该型结构有效解决了狭小间隙间加强圈的布置问题，降低了设备造价。但设计时有几点需要注意：①该结构总体不会发生失稳的前提是加强圈、内筒和夹套形成一个整体结构，因此焊接结构必须按照受压元件的要求进行设计(全焊透、无损检测等)，使其保持一个整体；②该结构通过在加强圈上开孔使介质进行流动，通道减小，增加了流体阻力，压降增大，增加了不流动区，不利于冷凝液排出。因此，不适用于对压降等有较高要求的工况。

3 结语

综上所述，在夹套容器的设计中，当常规的圆环型加强圈不能满足设计要求时，可以采用改进型的圆环型加强圈，将加强圈与夹套相焊接，夹套筒体通过加强圈对内筒起到加强的作用，提高了总体稳定性。尤其当夹套内采用高压蒸汽或其他压力较高介质时，该结构能明显地降低设备用材和制造运输成本，节约了设备投资和费用。

参考文献：

[1]GB/T 150.1—150.4—2011，压力容器[S].

[2]林代贵，岳国印，陈渝.双层壳结构的容器受外压稳定性计算[C].第四届全国压力容器学术会议论文集.

[3]ASME BOILER & PRESSURE VESSEL CODE，SECTION Ⅷ，Div 1，2010[S].