反应器约翰逊网筒的强度计算

叶朝曦

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

约翰逊网因其强度高、开孔率高、不易堵塞等特点，在炼油、化工等设备中广泛应用[1]。反应器中约翰逊网起着固定催化剂床层和均布反应气流的作用。作为反应的核心部件，催化剂床层的稳定运行直接影响反应器的工艺性能。长期的高温条件下，约翰逊网局部变形、破损、开裂等情况时有发生，约翰逊网失效是目前造成诸多装置停车的主要原因之一[2-5]。由于结构的特殊性，约翰逊网目前未有一种统一的设计计算方法。本文以某装置反应器约翰逊网筒为例，提出一种简化的强度计算方法，以供借鉴。

1 反应器概况及约翰逊网筒结构

某装置反应器属于轴径向流反应器（图1），催化剂装填在由两个同心约翰逊网筒构成的环形床层中，反应气流体穿过内约翰逊网筒进入催化剂床层进行反应，然后再通过外约翰逊网筒离开床层。

内、外网筒下部固定，网筒上部仅径向定位[6]，不约束网筒的轴向位移。内、外网筒的主体结构为约翰逊网（图2），环竖向排列的V型网条与环形筋板相焊，再由均布的纵向支撑杆加固，以增强网筒的整体刚度和抗失稳能力。

2 内、外网筒载荷分析

内、外网筒的载荷模型如图3所示。催化剂作为一种散体物料，其力学性质不同于液体。针对催化剂的堆积特性，引用粉体力学中的Janssen公式[7]对网筒进行载荷分析。Janssen公式是以圆筒仓中储料薄层为微元体，根据微元体静力平衡状态，推导圆筒仓静态散料压力的计算公式，这一公式也广泛应用于类似圆筒仓形式的其他工程领域中。

图1 反应器示意图Fig.1 Schematic of reactor

为计算方便，假设内、外网筒由催化剂床层引起的径向应力pw和切应力fw不随催化剂床层深度变化，且在筒壁上均匀分布，根据Janssen公式有：

式中d0——内网筒外径，mm；

Di——外网筒内径，mm；

g——重力加速度，m/s2；

图2 内、外网筒结构示意图Fig.2 Schematic of Johnson screen cylinder

图3 反应器内、外网筒载荷模型Fig.3 Load model of Johnson screen cylinder in reactor

H——催化剂床层高度，mm；

ρ——催化剂堆积密度，kg/m3；

φi——催化剂的内摩擦角，°；

φw——催化剂的壁面摩擦角，°。

此外，内、外网筒的载荷还包括自身重力载荷和床层压降引起的径向压力。内、外网筒总径向压力：

式中 Δp——床层压降，MPa。

3 内、外网筒应力计算和强度校核

网筒整体的强度计算是复杂的，对网筒的组成构件分别进行应力计算则相对简单。本节通过对网筒的组成构件，包括V型网条、支撑杆、筋板等，在不同失效模式下进行应力校核计算，从而保证网筒整体安全可靠。

3.1 外网筒

（1）V型网条

由网筒自重和催化剂床层作用力引起的轴向压缩应力：

σcr1值应小于或等于。

式中A1——外网筒V型网条截面积，mm2；

b1——外网筒支撑杆径向厚度，mm；

c1——外网筒支撑杆宽度，mm；

m1——外网筒总质量，kg；

n1——外网筒V型网条数量；

N1——外网筒支撑杆数量；

[σ]—— 材料在设计温度下的许用轴向压缩应力，MPa。

对于径向压力，在筋板的支撑作用下V型网条可看作跨距相等并受均布横向载荷的连续梁。连续梁为静不定结构，求解过程繁杂，但它的变形和内力通常小于同等跨距的简支梁。由此，本文采用同等跨距的简支梁模型对V型网条进行应力计算，由径向压力引起的弯曲应力：

σb1值应小于或等于[σ]t。

式中l1——外网筒轴向两筋板间距，mm；

M1——简支梁最大弯矩，N·mm；

s1——外网筒V型网条间隙，mm；

w1——外网筒V型网条宽度，mm；

W1——外网筒V型网条抗弯截面系数，mm3。

[σ]t——材料在设计温度下的许用应力，MPa。

（2）支撑杆

支撑杆的轴向压缩应力为σcr1（同式（4））， 值应小于或等于[σ]tcr。

作为细长杆，支撑杆轴向受压时还需考虑其稳定性。支撑杆的轴向压力：

两端固定约束条件下，支撑杆的临界压力：

F1值应小于或等于Fcr1。

式中Et——材料在设计温度下的弹性模量，MPa；

I1—— 外网筒支撑杆的最小截面惯性矩，mm4；

L1——计算长度，mm。

（3）筋板

在径向压力作用下，外网筒筋板可看作受内压的薄壁圆筒，由径向压力引起的环向拉应力：

σθ1值应小于或等于 [σ]tφ。

式中h1——外网筒V型网条高度，mm；

t1——外网筒筋板厚度，mm；

δ1——外网筒筋板径向宽度，mm；

φ——焊接接头系数。

3.2 内网筒

内网筒的V型网条、支撑杆在结构和承载上与外网筒大体相似，相应的应力校核计算可参照式（4） ～ （8）。与外网筒不同的是在径向压力作用下，内网筒筋板应参照受均布周向外压圆环来校核。

筋板在径向压力作用下失稳时的临界压力[8]：

p值应小于或等于pcr1。

l2——内网筒轴向两筋板间距，mm；

t2——内网筒筋板厚度，mm；

δ2——内网筒筋板径向宽度，mm。

4 结束语

内、外网筒在满足强度、刚度、稳定性等设计要求的同时，还需兼顾开孔率和阻力降等工艺特性。V型网条的规格选用取决于开孔率和催化剂粒径的大小，筋板和支撑杆的尺寸一般受反应器结构限制，在满足工艺要求和结构允许的条件下，通常可通过增大筋板厚度、缩小筋板轴向排布间距、增大支撑杆宽度、加密支撑杆的环向布置等措施，增加网筒的整体刚度和强度。在长网筒的轴向分段连接处增设刚性扁环圈，可以减小支撑杆的压杆稳定约束长度，同时也对整个网筒起到类似加强圈的加固作用。实际上，内、外网筒壁面的径向应力和切应力并不是均匀分布的，而是随着催化剂床层深度而变化，床层越深应力值越大，到达一定深度后，应力趋于渐近值，此时催化剂床层的重量由切应力承担。基于床层上述特性，对于设有多段刚性扁环圈的长网筒，可以沿轴向设置几层不同尺寸规格的支撑杆，自上而下尺寸规格逐层加大，实现等强度设计。

约翰逊网筒的制造和安装也是一大难点。一个网筒上甚至多达数百万个焊接点，漏焊和脱焊等均会影响网筒的强度，网筒的圆度、直线度、安装垂直度等偏差也会造成实际受载与理论计算的不符。因此，从网筒强度计算的可靠性考虑，有必要对网筒的尺寸精度、外观成形和焊接质量等加以限制。