曾 紅 劉 清

(寶鈦集團有限公司,陜西寶雞 721014)

大型鈦-鋼復合板塔的設計研究

曾 紅 劉 清

(寶鈦集團有限公司,陜西寶雞 721014)

從FY-301鈦鋼復合板塔的結構出發(fā),對鈦復層影響設備安全的可靠性進行了初步的探索,并對大型塔器設計方面應注意的問題作了討論。

FY-301塔;鈦復層;可靠性;設計

0 引 言

鈦鋼復合板由于復層和基層貼合緊密,具有良好的導熱性,剪切強度高等優(yōu)點,在大型塔器中得到了廣泛的應用。但由于塔器的一些特殊性,使其應用有別于其他壓力容器,本文結合我們給江蘇正丹設計制造的大型FY-301偏三甲苯塔,對復合板在塔器應用的特殊性及大型塔器的設計應注意的方面作一介紹,供大家借鑒。

1 FY301塔的技術特性和結構特點

1.1 技術特性

表1

1.2 結構特點

FY-301塔是制造偏三甲苯的核心設備,介質有較強的腐蝕性,直徑大,高度高。分上下兩段,直徑為φ2600/φ2000mm,總長約26399mm,上下封頭為橢圓形,上下內部各有一套盤管加熱,兩套盤管重量約1000kg/600kg,不同部位設置有八個回流分布器,進料管、回流管為環(huán)管,空氣入口管為水平引入管排管式。設備空重約80t,充液重量約為210t。在設計中不僅要滿足強度、穩(wěn)定性要求,而且要復層持久,耐用,不剝離,內件不泄漏,以確保生產能持續(xù)正常進行。

2 結構剖析

本設備是鈦-鋼復合板的二類設備,在實際工況下,鈦復層不可避免的需要承受一定載荷,如介質壓力及復層與基層膨脹量不同形成的溫差應力等。但按JB4745-2002,鈦-鋼復合板設備的整體計算和校核僅僅考慮鋼基層承受載荷,鈦復層僅起耐蝕作用,不考慮其承受載荷,但塔器與其他壓力容器不同,塔內件較多且較重,全部要焊接在鈦復層上,因此鈦復層可靠性設計至關重要。

2.1 復層可靠性分析

2.1.1 復層結構

由于鈦鋼的不可焊性,焊接前,對接接頭處鈦復層剃掉15～20mm寬邊,基板焊接后,設備內部留下一條鈦的狹縫,該處難以消除鐵離子污染,耐蝕性下降,設計時采用墊板加蓋板的方式將不耐蝕的焊縫蓋住,為了檢查鈦蓋板焊縫是否完好,及早發(fā)現(xiàn)泄漏點,避免發(fā)生大面積腐蝕穿孔,在蓋板背面設置檢漏孔,為設備的安全提供一定的保障。在這種情況下,蓋板下的縱環(huán)焊縫是相通的,對于大型塔器壓力試驗檢漏時,長達幾百米的焊縫,檢驗工作量非常大,檢測難度非常高。因此在每一條縱環(huán)焊縫上,設置兩個檢漏孔,為保證縱環(huán)焊縫內襯板的獨立性,在縱焊縫內襯板兩端一定距離用銀釬焊封焊,這樣就保證了縱環(huán)焊縫斷開,便于壓力試驗檢查時,較快、較準的發(fā)現(xiàn)漏點。具體結構見下圖1。

圖1 復層結構圖

2.2 內件與復合板復層的連接方式

在設計中,我們從介質特性、操作條件,內件形式、成本等因素綜合考慮,合理選材,在一定的設計條件下,充分發(fā)揮材料的性能,做到設計最優(yōu)。選取塔體復合板級別為BI級,結合率98%,剪切強度為144MPa。

大型塔器由于工藝過程的不同,塔內件不但多而且很多都是承載件,需要焊接在鈦復層上。把內件直接焊在復層上,焊接熱量大,面積小,鈦鋼交界面處熱應力較大,在焊接熱應力和載荷的共同作用下,易引起復層的剝離及區(qū)域的擴大。為了解決這個問題,我們要求,塔內件一般不準直接焊在復層上(除非較輕或間斷焊的內件),焊接處要設置墊板。墊板與塔體焊縫進行100%滲透檢測,由墊板焊縫承受內件產生的剪應力和拉力。至于墊板尺寸的大小,根據(jù)內件重量,預選墊板大小厚度,校核焊縫剪應力,只要τ<[τ]即可。

對于盤管等較重的內件,除了在此處加墊板外,用鈦螺釘將此處的墊板與復層固定在碳鋼殼體上,然后密封焊或加罩封焊,這種結構的優(yōu)點是增強效果好,其載荷由碳鋼殼體承擔。缺點是在殼體上鉆孔增加了工作量,同時殼體強度有一些削弱。

另一種方法是把內件的支撐裝置焊在穿過碳鋼殼體的鈦螺釘上,螺釘?shù)囊欢伺c鈦復層密封焊,另一端由螺帽固定在碳鋼外殼上,該結構的優(yōu)點是其載荷由碳鋼殼體承擔。缺點是在復層受局部應力較大,鈦螺釘數(shù)量較多,圓周均布,鈦螺釘上的支撐塊要有一定的寬度。通過分析及以前的設計經(jīng)驗,我們采用了前一種方法。支撐件與復層的連接焊縫為連續(xù)全焊透,焊縫表面進行著色檢查。具體結構見下圖2。

圖2 支撐件與復層的結構

2.3 復層的檢驗

復層的檢驗一般采用綜合檢驗方法,焊前和焊后,具體包括:

(1)宏觀檢驗:通過肉眼和放大鏡對設備內壁光滑程度、表面色澤、是否有裂紋等進行宏觀檢視。

(2)RT、UT檢驗:鈦復層是否剝離或存在腐蝕空洞。塔內件在焊接前在焊接區(qū)域和焊縫每側500mm范圍內對筒體進行超聲檢測,100%貼合,如不貼合,此段塔體進行調換。焊后,對此處進行超聲檢測, 100%貼合。

(3)測厚:塔器一般都進行氣液交換,對于易沖刷部位和積液部位采用超聲波測厚儀對復層的厚度進行檢測。

(4)滲透探傷:為了鑒別復層在運行一段以后是否有腐蝕開裂、延遲裂紋等,對焊縫區(qū)域進行滲透探傷。

通過以上措施,在一定程度上保證鈦復層的可靠性,保證了設備的安全。

3 塔內件的設計

塔內件一般指塔板、填料及其支承裝置,它的制造安裝誤差將影響氣液或液液交換的質量,但不會引起塔體的燃燒或爆炸。但此塔器內件為盤管,介質為高溫導熱油,通過它加熱塔內液體,一旦泄漏進入塔內,就引起燃燒爆炸。通過分析知道,盤管最危險的漏點有兩處,一是盤管對接接頭處,由于振動、沖擊、檢驗的認知,即使100%RT,也有可能產生缺陷漏點;二是常規(guī)U形螺栓與盤管把緊固定時,是線接觸,當盤管受氣流產生振動時,U形螺栓與管子發(fā)生劇烈磨擦,鈦管本身壁厚減薄,同時鈦材表面具有敏感特性,使腐蝕加劇,兩種情況疊加在一起,使鈦管磨損,造成泄漏。此次設計,我們進行了技術改進,TA2管按GB/T3624-94要求提供,附加100%超聲,我們在盤管對接接頭處不但要求100%射線檢驗,彎制成形后100%超聲,同時在接頭處外加40mm長的保護套管,預彎成兩半焊在接頭處,所有焊縫進行PT檢驗,I級合格。具體結構見下圖3。

圖3 盤管對接焊縫處焊接詳圖

U形螺栓結構由線接觸改為面接觸形式,與盤管接觸面由圓形變成扁方形,加寬與盤管的接觸面積,加大穩(wěn)定性和緊固性。同時在裝U形螺栓盤管外加保護套管,磨損,沖擊全部由保護套管承擔,避免了盤管的磨損,具體結構形式見下圖4。

圖4 U形螺栓結構圖

4 設備懸掛式支座的設計

大型塔設備一般為裙座式支撐結構,但本設備要求采用懸掛式支座,由于設備直徑較大,重量也較大,完全超出計算標準要求,只能設計成非標支座。設計中我們采用帶剛性支撐圈的圈座形式。我們知道根據(jù)HG20580-98《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》,在假設剛性環(huán)和支座墊板尺寸,支座個數(shù)后,只對剛性環(huán)組合斷面上的應力和內力值進行了校核,并沒有給出圈座的計算方法,對耳座的尺寸如何選取并沒有規(guī)定。我們在設計中先后查閱了多種書籍、資料,德國AD標準,最后確定了圈座的計算方式。首先按JB/ T4712.3-2007《容器支座》計算各種載荷,預取支座個數(shù)和尺寸,對筋板、底板厚度進行校核,使筋板和底板所受載荷小于允許載荷。之后按照《化工容器設計》中懸掛式支座對焊縫、支撐面、螺栓進行校核,合格后假設剛性環(huán)的尺寸,結合支座墊板,按照《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》進行校核,最后帶入SW6-98軟件零部件中進行支座處殼體局部應力的校核,使支座處容器圓筒內存在的一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力、一次彎曲應力分別小于等于1倍和1.5倍的筒體的許用應力,保證筒體的安全可靠性。

5 設備吊耳安裝位置的設計

吊耳一般位于塔的整體重心以上,我們知道,塔的吊點越高,則吊力越小,但塔體承受的最大彎矩將增大,對塔體不利。吊點低,則起吊力大,但塔體承受的最大彎矩降低,對塔體有利,但穩(wěn)定性差,易引起傾覆。因此分析塔器在整個吊裝過程中的受力情況,對可能的危險界面進行校核,確定最佳的吊裝位置,對保證設備安全穩(wěn)定至關重要。

對于吊耳來說,吊耳與筒體墊板的截面為危險截面,首先對其進行校核,對于塔器來說,水平狀態(tài)和垂直狀態(tài)是塔器吊裝中的兩種主要的受力狀態(tài)。垂直狀態(tài)的吊耳的受力情況類似耳式支座,局部應力校核按SW6-3.5軟件中零部件進行計算。水平狀態(tài)的吊耳,在整個吊裝過程中,塔體的受力狀態(tài)是不同的,在最初的水平放置狀態(tài)吊至剛剛脫離地面時,設備的總重量由吊耳和地面共同承擔,其受力情況相當于吊點外側外伸的簡支梁,他的危險截面一是吊耳所在截面,二是吊耳與地面間的最大彎矩所在截面,分別計算出危險截面處的彎矩,再求出危險截面對應的抗彎模量,計算各截面的最大應力值,小于許用即可,當?shù)醵诮孛娴淖畲髴χ蹬c吊耳與地面間的最大彎矩所在截面的應力值相等時,即為吊耳的最佳吊裝位置。

6 結 論

通過以上分析,對于大型鈦-鋼復合板結構的塔器存在以下共性:

1)復層的可靠性對設備的安全至關重要,絕不亞于基層鋼板,要從設計、工藝、檢驗等各個方面進行分析,采取相應方法,防止復層剝離,損壞。

2)對于塔內件的設計要高度重視。很多人認為內件不承壓,泄漏一點,制造安裝檢驗差一點沒有關系,疏忽將產生大禍。

3)大型塔器最佳吊裝位置的確定對塔器吊裝至關重要。

4)對于設備耳座超出標準范圍時,要按以上步驟進行計算校核,取較大的承載余量,因為耳座的成本與其因不夠堅固而造成的事故損失相比,微不足道。

[1] 陳偕中.化工容器設計[M].上海:科學技術出版社,1987:324 -329.

[2] 魏兆燦,李寬宏.塔設備設計[M].上海:科學技術出版社, 1988:228.

[3] HG20580-98.鋼制化工容器強度計算規(guī)定[S].

[4] GB150-98.鋼制壓力容器[S].

[5] GB/T4745-2002.鈦制焊接容器[S].

TQ050.4+3

A

1003-6490(2010)02-0038-04

2010-02-25

曾 紅(1968-),女,陜西寶雞人,工程師,1990年畢業(yè)于寶雞大學機械設計專業(yè),現(xiàn)主要從事壓力容器設計工作。聯(lián)系電話:0917 -3382170。