齿啮式快开焊接试验舱的设计研究

齿啮式快开焊接试验舱的设计研究

张东东

中煤陕西榆林能源化工有限公司 陕西榆林 719000

摘 要： 依照国外相关标准，设计了高压卧式齿啮式快开焊接试验舱，根据所提供的参数要求，重点对快开装置部分进行了设计及强度校核。该设计方法为类似设备的结构设计提供了借鉴，为得出一套适合于快开装置设备设计的方法提供了参考。

关键词： 压力容器，齿啮式，快开式

快速开关盖式压力容器(以下简称快开式压力容器) 是指将盖旋转某一角度或锁紧件移动一定距离, 就可完成启闭的压力容器。由于不需要逐个拧紧或松开紧固螺栓, 快开式压力容器的启闭时间很短, 物料装卸相当方便, 因而在频繁间歇操作场合获得广泛应用。如化工、建材、食品、纺织、航天、医疗、造纸等工业领域^[1-3]。快开式压力容器的种类很多，本文对齿啮式快开压力容器进行设计研究，为高压焊接实验舱设计提供了基础。

一、设计条件和主要技术参数

1.主要标准及及参数^[8-10]

依据JIS B 8284--2003《日本工业标准——压力容器快速开关盖装置》、JIS B 8281--1993《压力容器的应力分析及疲劳分析》、JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》进行。

主要设计参数：(1)设计压力16MPa；(2)设计温度100℃；(3)筒体内径1100mm；(4)腐蚀裕量2mm；(5)筒体材料20MnMo；(6)焊缝系数φ=1.0；(7)工作介质：氩气；(8)设计温度下的许用应力σ_a=204MPa。

疲劳寿命条件如下：（1）设计寿命：15年；（2）操作次数：1500次/年；（3）总循环次数：15×1500＝22500次。

2.齿啮式结构应力判定条件

齿啮式快开装置评价位置许用应力取值如下（见图1）：法兰颈向应力S₁为1.5σ_a（σ_a为材料的许用应力204MPa)，法兰卡爪根部的纵向剪应力S₂为0.8σ_a,法兰卡爪根部的弯曲应力S₃为1.0σ_a,法兰环和法兰颈的连接处产生的径向剪应力S₄为0.8σ_a,法兰转角处的峰值应力S₅为640 MPa（按JIS B8281 疲劳分析规定）,卡箍的纵向应力S₆为1.5σ_a，卡箍抓根部的剪应力S₇为0.8σ_a，卡箍抓根部的弯曲应力S₈为1.0σ_a，卡箍抓和法兰抓的承压应力S₉为1.6σ_a，卡抓转角处的峰值应力S₁₀为640 MPa（按JIS B8281 疲劳分析规定），平盖板卡爪根部的剪应力S₁₃为0.8σ_a,平盖板卡爪根部的弯曲应力S₁₄为0.8σ_a,平盖板卡爪根部转角处的峰值应力S₁₅为640 MPa（按JIS B8281 疲劳分析规定）。

图1 齿啮式结构应力评价状态及位置

二、结构参数及计算

1.结构参数

齿啮式快开结构的特点是顶盖法兰和端部法兰在圆周方向加工出均布的齿，通过将顶盖法兰旋转一定角度，可以实现顶盖法兰齿和端部法兰齿质检的啮合和错开，从而达到快速开关的目的。

依据JIS B 8284标准，对齿啮式结构进行了设计计算，齿啮式快开结构尺寸符号示意图2。

图2 剖分式快开结构的组成及尺寸符号示意图

对于本文算例取值如下：卡箍环外径D₀=1320mm,法兰卡爪外径A=1480mm,筒体内径或法兰环内径B=1100mm,卡箍卡爪和法兰卡爪的接触面外径C₁=1456mm, 卡箍卡爪和法兰卡爪的接触面内径C₂=1344mm,卡箍卡爪顶端内经C₃=1344mm,卡箍内缘的相距长度C_g=240mm,卡箍筒体长度C_t=100mm, 卡箍长度C_w=470mm,法兰颈外径D₀=1320mm,垫片外径G=1200mm，法兰毂顶端厚度g₀=60mm,法兰颈厚度g₁=110mm,法兰卡爪长度g₂=80mm,法兰毂长度h=80mm，卡爪个数n=16，卡箍卡爪根部长度L=151mm,本体法兰及盖板转角处圆角r=12mm，法兰环长度T=90mm，盖板厚度T₀=290mm,泊松比ν=0.3。

2. 计算结果

(1)由于内压作用在法兰内径面积上的载荷F=1.52×10⁷N

(2)在卡箍环和法兰颈的连接面上产生的力矩M_H=1.75×10⁹N·mm

(3)由于内压作用的总载荷和在法兰内经面积上产生的载荷之差H_T=2.89×10⁶N·mm

(4)内压施加在法兰上的总载荷和施加在法兰内经面积上的载荷之差所产生的力矩 M_T=3.7×10⁸N·mm

(5)在法兰环和法兰颈的连接面上产生的剪力Q_H=9.2×10⁶N·mm

(6)法兰转角处的弯曲应力集中系数K_BF=1.82, 法兰转角处的拉应力集中系数K_TF=2.23

(7)法兰转角的弯曲应力S_BF=228.85N,法兰转角处的薄膜应力S

_TF=36.36N

(8)作用在法兰上的总力矩M₀=2.2×10⁹N·mm

(9) 卡箍的弯曲应力S_BC=231.6N, 卡箍的纵向薄膜应力S_TC=37.11N

(10) 在法兰环和颈连接面上产生的力矩M_H=1.75×10⁹N·mm, 在法兰环和颈连接面上产生的剪力Q_H=9.2×10⁶N·mm

(11)卡箍转角处的弯曲应力集中系数

S_BC=1.77, 卡箍转角处的拉应力集中系数

S_TC=2.2

3. 应力计算及校核

(1)法兰颈外表面上的纵向应S₁=132.60<1.5σ_a

(2)法兰卡爪根部的纵向切应力S₁=140.26<0.8σ_a

(3) 法兰卡爪根部的弯曲应力S₃=170<1.0σ_a

(4)法兰颈和法兰环的连接处产生的径向剪应力S₄=32.89<0.8σ_a

(5)法兰转角处的峰值应力S₅=498.19<2S_a(S_a=318MPa)

(6) 卡箍的纵向应力S₆=268.7<1.5σ_a

(7)卡箍抓根部的弯曲应力S₇=101.74<0.8σ_a

(8)卡箍抓根部的弯曲应力S₈=182.8<1.0σ_a

(9) 卡箍卡抓和法兰卡爪的承压应力S₉=153.1<1.6σ_a

(10)卡箍转角处的峰值应力S₁₀=589.7<2S_a

(11) 平盖板卡爪处的剪应力S₁₃=116.89<0.8σ_a

(12) 平盖板卡爪根部弯曲应力S₁₄=160.58<0.8σ_a

(13) 平盖板卡爪根部转角处的峰值应力S₁₀=410.2<2S_a

三、其它安全要求^[11,12]

（1）运转及排放 必须安装能够确认快开装置在不同状态时颜色的灯泡、蜂鸣器。

（2）安全装置 必须配备有保证安全的安全联锁装置如安全阀、泄放阀、连锁装置等。

（3）运转开始时的确认 在开始运转之前，必须以电气的或机械的形式、确认开关盖装置的各部位按正常位置组装以后，才能升压

（4）放泄时的确认 快速开关盖放泄时，必须以电气的或压力指示器确认压力容器内没有残压之后，才能打开盖板；

（5）使用次数的记录 投用后，必须以自动运转记录仪记录总的使用次数。

四、结论

依据相关标准，设计了齿啮式的快开结构装置，该压力容器主要用来进行高压焊接工艺试验，该压力容器满足了高压焊接工艺实验的要求，并为相关压力容器设计提供借鉴和参考。

参 考 文 献

[1] 丁无极,何承.快开门式压力容器开门形式设计研究[J].化学工程与装备,2010,(4): 96～98

[2] 郑津洋.过程设备设计[M].北京:化学工业出版社,2004

[3] 王敏. 新型快开式压力容器安全联锁装置[J].压力容器,2004,21(7):35～37