对半管式夹套容器设计的讨论(节选)
Discussion on the Design of Half-Pipe Jacketed Vessels


丁伯民DING Bomin
华东理工大学East China University of Science and Technology
朱红松ZHU Hongsong
阿克克瓦纳油气化工工程(上海)有限公司Aker Kvaerner OGPE (Shanghai) Co.,Ltd.

根据ASME Ⅷ-1 -1995版修改中所述,半管式夹套的计算方法仅适用于壳体或封头和半管夹套内都为正压的情况,对此提出讨论和看法。
According to the amendment of ASME Section Ⅷ,Division 1-1995, the calculation method for Half-Pipe Jacket can only be used when the pressure on shell or head and half-pipe jacket is positive. This article arise discussion and opinion for this.
半管式夹套;正压;负压;强度破环;失稳
Half-pipe jacket;positive pressure;negative pressure;strength destruction;stability reduction

在ASME Ⅷ-1[1]中,半管式夹套容器最早出现于1992年版,并在1994年由文[2]详细介绍了规范的制订依据,当时并未对半管式夹套和容器壳体的压力作出限定,所以拙作[3]在介绍其制订依据时提及:“ASME Ⅷ-1并未提及容器属于正压或负压操作”,并根据其强度校核原理而提出“ASME Ⅷ-1所规定的设计方法对容器是正压或负压操作的情况不需作任何调整而都可适用”。从1995年版起,ASME Ⅷ-1在前版的基础上补充了“本附录的计算方法仅适用于壳体或封头内均为正压、半管式夹套内为正压同时存在的情况”,并在有关符号说明中作出相应补充。此意清楚地表明,当由半管式夹套所包围的壳体或封头为真空时,规范所列的方法不再适用。在随后出版介绍ASME规范的有关著作中,也提及仅适用于壳体及半管式夹套都为正压力[4][5]。国内参照ASME Ⅷ-1的有关标准[6][7]在介绍半圆管夹套容器设计中,也随1992、1995版的条文作出相应阐述。
对此,有关用户纷纷提出疑点并咨询:(1)仅适用于壳体及半管式夹套都为正压力的限定条件其根据何在?(2)对于真空容器,这一方法不再适用,大大地缩减了使用半管式夹套的优越性;如用于真空容器,会引起什么问题,或应作出哪些补充计算。
虽然笔者曾求教过一些工程技术人员,能否提供国外进口的带半管式夹套容器、特别是真空容器的有关技术参数,但几年来只收到笼统的“有带半管式夹套真空容器在安全使用”的信息而未收到具体的技术参数,也无缘请教国外有关的工程公司或专家,故只能在现有资料的情况下作出分析,提出讨论意见,并敬请关注这一问题的设计人员提供有关详细参数,共同讨论,以解决工程中的使用需要。

1. ASME Ⅷ-1的制订依据
文[3]根据文[2]的介绍,分析了ASME Ⅷ-1的制订依据,其要点如下。
符号说明:

L=2r;

R=内筒内半径(R=D/2);

r=半管夹套内半径;

T=半管夹套壁厚(在图2中用tj表示);

t=内筒壁厚(在图2中用ts表示);

P′=半管夹套许用压力;

P1=半管夹套设计压力;

P=内筒设计压力;

S1=半管夹套材料许用应力;

S(或[σ])=内筒材料许用应力;

S′=内筒壁的轴向薄膜应力;

F=内筒壁的轴向弯曲应力;

K=由半管夹套、内筒结构尺寸确定的系数。

见图1,对于被半管式夹套所包围的圆筒,可以看作在L=2r范围内受均布压力P′集中力Q1和Q2,根据无限长弹性基础梁上作用有均布和集中载荷的原理,导得在圆筒壁上引起的轴向弯曲应力:


图1带半管夹套筒体的应力分析(ASME Ⅷ-1)
F = K P′
P′为夹套许用压力,系数K和圆筒内径D、壁厚t,夹套半径r有关,规范已在限定的尺寸范围内列出线图,可予查取。
此外,还应计及圆筒在压力P、其它附加轴向力作用下所引起的轴向薄膜应力S′,当圆筒为内压且无其它轴向力作用时,
S′= PR/2t
其中,P为容器内设计压力,R内半径,t 为容器壁有效厚度。
文[2]规定,此二项轴向应力之和应采用1.5S (S为圆筒材料设计温度下的许用拉应力)限制,即

F+S′=1.5S

(1)

规范以确定半管式夹套内许用压力P′的形式,表示为

F = KP′ = 1.5S- S′

(2)

考虑到在L=2r范围内的均布压力P′可能导致圆筒周向失稳,文[2]通过稳定性计算可得,只要L≤3.12,圆筒上由P′引起的周向压缩应力决不可能引起周向失稳;通过稳定性分析,当L≤3.12时,己属于“刚性圆筒”,只可能引起(压缩)强度破坏而不会导致失稳。
半管式夹套壁厚T则由内压圆筒公式得出,其中取0.85焊接接头系数是根据ASME Ⅷ-1的规定,考虑在焊接过程中对半管的环向接头不能进行探伤而引入。

T=P1r/(0.85S1-0.6P1)

(3)

其中P1为半圆夹套设计压力,r 为半圆夹套内半径如图1所示, S1为半圆夹套设计温度下的许用应力。
根据上述分析,规范对圆筒尺寸R、t以及半管尺寸r作出限定,即R=15in.~85in.,t=3/16in.~2in.,半圆管为NPS 2,3,4。
由上分析可知,半圆管夹套内的压力导致长为L=2r内的圆筒壁引起轴向弯曲应力F,圆筒压力P或其它附加轴向力对圆筒所引起的轴向薄膜应力S′,不论夹套或圆筒中压力的正、负,内、外壁的弯曲应力总是大小相等、方向相反,整个壁厚的轴向薄膜应力S′则当圆筒正压力时为拉,负压力时为压;不论正压或负压,和弯曲应力叠加后总是取其最大值,只是最大值存在的位置可能在圆筒的内壁或外壁,方向可能是拉伸或压缩而已,都可按式(1)满足强度的形式校核。
为此,在文[3]中作出了“ASME Ⅷ-1所规定的设计方法对容器是正压或负压操作的情况不需作任何调整而都能适用”的分析。

2.对ASME Ⅷ-1从1995年版起修改的分析
(略)

3.国外相关规范的规定及其设计原理分析
(1) JIS B 8279[8]
对于半管式夹套容器,JIS B 8279的说明中提及,即使考虑半管和在半管内压力作用下于半管和内筒连接处的约束影响,和ASME Ⅷ-1相似,半管壁厚仍可按内压圆筒公式确定。
对带半管夹套的内筒,JIS B 8279的设计原理和ASME Ⅷ-1相似,见图2 ,所区别者仅ASME Ⅷ-1视为无限长弹性基础梁上作用有均布和集中载荷,而



图2带半管夹套筒体的应力分析(JIS B 8279)
JIS B 8279则视为受均布载荷P及半管式夹套对圆筒的作用而引起的经向力x 、如图2所示的弯距M0,长度为d=2r、在两端受约束的简支梁,以该梁上的最大弯曲应力限于许用应力以下作为内筒壁厚的设计公式。即内筒壁厚
t=d
其中P为半管夹套内的设计压力。
此外,JIS B 8279还分析了当半管夹套和内筒因材料不同,在同一温度时由于热膨胀差而引起的附加载荷,但分析结果认为这一影响对设计不起作用,所以并无必要考虑温差应力。
JIS B 8279并未提及半管夹套和内筒压力的正负限制,也未提及内筒的稳定性设计,见图2 的力学模型。当内筒为真空时,内筒所受的均布压力P应可采用半管内压力和真空的叠加计算。
(2) EN 13445[9]
EN 13445对半管夹套容器的设计要点如下:
和JIS B 8279相似,根据受均布载荷而弯曲的板条而得内筒的壁厚为
t=d
其中P为半管夹套内的设计压力,而不必包括圆筒内的压力,因为该压力已在圆筒的薄膜载荷计算中计及(即圆筒已满足内压或外压设计)。
EN 13445并未提及半管式夹套壁厚的计算问题。
综合EN 13445的这些规定可知:EN 13445并未对半管夹套和内筒设计压力的正负作出限定,但规定圆筒必须按其正压或负压分别满足正压或负压的设计要求,如拟把半管夹套视为加强圈而减小圆筒的计算长度,则在不计半管夹套压力的条件下应校核夹套和圆筒组合截面的失稳压力;被夹套覆盖部分的圆筒壁厚还应按所受半管夹套压力由梁的弯曲应力即上式确定。
(3) AD规范[10]
AD规范(B6章)对半管式夹套容器设计也未限定夹套和圆筒压力的正负。在设计圆筒时,仅提及取半圆管所包围的长度L=2r作为其计算长度,并计及半管夹套的加强作用,见图3。

图3带半管夹套筒体的设计思路(AD规范)
文[2]提及,对ASME Ⅷ–1所限定的结构,已不可能发生周向失稳,而半管夹套对圆筒的整体失稳则具有加强作用。

4.几点供同行专家讨论的看法
(略)

参考文献
1. ASME Ⅷ-1-2004压力容器建造规则[S]
2. M. H. Jawad,Background of the Half-Pipe Jacket Rules in Section Ⅷ,Division 1[J]. Transaction of the ASME,Journal of Pressure Vessel Technology,Vol.116,No.3,August,1994
3.丁伯民、桂康宁,半圆夹套设计原理分析[J],化工设备设计,1995,(4)
4. 郑津洋等译,ASME压力容器设计指南(第二版)[M],化学工业出版社,2003
5. Companion Guide to the ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Volume 2, Second Edition [M], ASME, 2006
6. HG 20582—1998 钢制化工容器强度计算规定[S]
7. TCED 41001—2000 ASME压力容器规范实施导则[S]
8. JIS B 8279—1993 压力容器的夹套(说明)[S]
9. EN 13445—2002 非直接火压力容器[S]
10. AD Merkbl?tter—2000压力容器技术规则[S]
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