半圆管夹套保温装置设计和制造中需注意的几个问题-2版(山东化工).doc

半圆管夹套保温装置设计和制造中需注意的几个问题 张凤魁(兖矿鲁南化肥厂 山东.滕州 277527) 摘要：文章对国内外相关标准进行了简要介绍，对半圆管夹套保温装置在设计过程中的强度、刚度、热应力问题进行了分析，并提出了半圆管的选择、加工、焊接等制作注意事项。关键词：压力容器 半圆管夹套 设计 制造 螺旋半圆管夹套容器在结构上、传热工艺上具有独特优点。作为夹套设备的一种，与整体夹套相比，半圆管夹套更节省材料、传热效率更高，且内筒承受外压小、使用经济等更好，在欧美国家较普遍应用，且已形成规范化。而我国化工行业中，除引进少量螺旋半圆管夹套设备外，自行设计制造的同类没备还不多见，而且目前在设计和制作中还存在一定的问题，现仅就其外部保温装置的设计和制造做以简要的探讨。1. 国内外半管式夹套容器的设计规范 目前可参照的相关标准主要有：原苏联OCT 25867-1983 夹套容器设计的规范和方法 半圆管或弓形管夹套容器的设计方法；德国 DIN 28128 化工设备用半圆管夹套标准、 AD规范 B6（第六章）； 欧洲标准 EN13445 非燃烧压力容器；日本JIS B 8279-1993 压力容器的夹套 附录2 盘管夹套；美国 ASME VIII-I 压力容器建造规则附录EE 半管式夹套； 国内标准： HG20582-1998 钢制压力容器强度设计规定 2.半圆管夹套容器的设计。各种标准体系不同，设计思路也不尽相同。其中我国HG容器标准和ASME标准体系相同，相互衔接。标准对内筒体的直径尺寸和半圆管直径规格进行特别限定，内筒的设计按照原常规压力容器进行，仅对半圆管的壁厚和轴向总应力进行校核。日本JIS标准要求对外压的压力容器本体厚度和盘管半圆筒体厚度进行计算，但对适用容器的类别和盘管的设计温度进行了限定。德国和欧洲标准仅对要求对内筒壁厚进行校核。鉴于各种的标准的不统一性，设计时应以国内HG标准为基础，参照其他标准的相关要求，进行必要的校核和设计条件约定，确保设计的可靠性。2. 设计过程中几个参数的考虑2.1 关于对内筒压力的限制问题ASME标准1995年以前的版本未内内筒容器壳体的使用压力条件提出要求，95年后标准修订版要求为正压操作条件。而1998版的HG20582标准未随之进行约束。其他国外标准也未提出此条件。根据对ASME标准的制定依据分析，对于内圆筒，只要在半圆管压力所引起的轴向应力和圆筒压力引起的轴向薄膜应力的叠加满足1.5S（S：容器在设计温度下的许用应力）的校核条件，就不必对内圆筒的压力正负值进行限制。在内圆筒设计计算中，不考虑外部半圆管夹套所起的加强作用，依据实际受压条件，进行壁厚的计算、确定，是偏于安全的。2.2 对于内圆筒容器焊接时的长度L的限制问题 半圆管夹套的压力对圆筒可能引起的轴向失稳。根据计算分析，在L3.12RT（R：内筒压力容器的半径，T：内筒压力容器的壁厚）条件下，内圆筒属于刚性圆筒，不会发生失稳现象，而仅可能发生强度方面的失效。2.2 半圆管直径和圆筒直径的限定问题由于ASME和HG标准仅提供了半圆管直径为60mm、89mm、114mm（2、3、4英寸）三种规格、内圆筒直径为760mm-4300mm之间的K系数曲线表的图表，因此设计尺寸的选择应在此范围内。2.4 半圆管壁厚的计算问题对于半圆管夹套的厚度计算可依据GB150内压容器的圆筒壁厚计算公式进行。2.5 节距的选择相邻两半圆管夹套在容器上引起的最大应力，不会超过单排半圆管，半圆管节距P值不会对对相邻半圆管引起的最大应力产生影响。该参赛主要依据传热和焊接工艺确定，而与容器的强度和刚性无关。2.6 内圆筒壁厚是计算HG20582标准规定，内圆筒和封头的壁厚按照不带半圆管夹套的同一容器，根据计算压力内压或外压，按GB150的章节进行计算、确定。 而JIS JIS B 8279-1993 标准提供出了带有盘管夹套的压力容器本体筒体或封头在外压作用下的壁厚计算公式，可利用此公式进行校核。T=d3P4Sd：半圆管夹套的内直径 mmP：夹套的设计压力 MPaASME和HG20582标准限定半圆管夹套压力容器的壁厚范围为4.5-50mm。2.7 关于盘管夹套的适用温度及热应力问题设计时应尽可能将半圆管夹套选择和压力容器相同的材质。当压力容器壳体和盘管夹套材料不同时，由于其线膨胀系数的差异，其间会产生热膨胀差。压力容器本体与盘管夹套的温差再大，也无法加膨胀节。对于有热应力的压力容器本体及夹套各部位进行应力分析较为困难。JIS标准对此进行了计算分析：在温度上升到200度时，作用于夹套上的压缩力和弯曲力矩组合受力只为盘管内压力的2.87倍，且考虑该应力为二次应力，因此温升引起的应力增加，应在许可范围内。因此在温度控制在200度内时，不需考虑热应力问题。而夹套内多为加热蒸汽或冷却水，一般温度也不会超过200度。2.8 非标准半圆管的设计问题对于因特殊传热需要，需采用超出标准规定的非标半圆管夹套，可采用JB 4732-1995 钢制压力容器-分析设计标准及有限元计算方法进行设计和应力校核。3 半圆管夹套制造过程中应注意的问题 3.1 内筒容器应在进行完无损探伤后，方可在外部焊接半圆管夹套。3.2 内筒容器本体需要焊后热处理时，盘管夹套与本体的连接部位也应进行焊后热处理。3.3 施工单位应制作半圆管和试板进行焊接工艺评定，按照JB 4708-2000钢制压力容器焊接工艺评定要求执行，进行相关拉伸、弯曲等各项试验。3.4 对于奥氏体不锈钢材料应采用冷煨成型的方法，特殊情况下，也可以采取热成型法，但热成型的温度应避开敏化温度，每次加热过程要做好书面记录。焊接在凸型封头商定半圆管盘管，必须是逐段成型的，或者是整根对半剖分盘管。3.5 施工时应先焊接半圆管对接焊缝，这样既可消除对接焊缝间的焊接应力， 也可确保每个对接焊缝的焊接质量。另外还要严格控制对接焊缝的数量，一般要求每50m半圆管只有一条对接焊缝。3.6 半圆管应在焊接前加工坡口（40 o -45o）。坡口加工分外坡口和内坡口两种形式。由于外坡口焊接结构根部容易产生焊瘤，形成焊接死区，影响介质的流速，所以对于薄壁半圆管和壳体焊接推荐采用内坡口焊接结构，3.7 在压力容器本体上焊接盘管夹套时，半圆管应加工坡口并全焊透。3.8 半圆管夹套和内圆筒壳体连接角焊缝的腰高应不小于半圆管和壳体厚道的较小者。3.9 筒体焊缝和半圆管相交处焊缝应打磨光滑，半圆管对接焊缝因尽量避免和筒体焊缝相交，并保留不小于2倍管壁厚的尺寸距离。3.10 两半圆管近边距离a2T，且38mm。对于焊后热处理的半圆管夹套，a可以不大于2T。3.11 对接焊缝和角焊缝第一遍应采用钨极氩弧焊（GTAW），用保护气体加以保护。在第一道焊接完毕后，表面进行100%渗透检测，按照JB/T 4730.5-2005标准一级合格进行验收，确保没有缺陷后，方能进行第二道的焊接3.12 焊接最终完成后，按照GB150的规定进行目测检验达到合格，要求焊缝形状饱满，无裂纹、咬边、气孔、夹渣等表面却。100%射线探伤按照JB/T 4730.2-2005标准级合格验收。3.13 水压试验应根据GB150 压力容器标准进行。半圆管夹套保温装置作为一种新型的伴热保温结构，在设计和制造过程中有着特殊的要求，在工程实践中要求严格相关技术规范要求执行，才能保证整体质量，达到预期的设计效果。参考文献1 JIS B 8279-1993，压力容器的夹套 s 2 HG/T 20580205852010，钢制化工容器s3 ASME -2007，压力容器建造规则s4 蒋文春,巩建鸣,陈虎,涂善东.304不锈钢半管夹套焊接部位残余应力有限元模拟J.压力容器，2006(5):25-285 李政辉,陈如流,刘建勋. 奥氏体不锈钢半圆管夹套焊接工艺要点探讨J. 机械设计与制造，2009(10):148-1496 朱光,车影,王德珠.半圆管夹套的制造与应用J.辽宁化工，1996(10):55-566 李勤,李福宝.半圆管夹套容器设计标准分析与评述J.压力容器，2001（9增）:458-4607 梁征宇,周