大型钛设备局部结构设计优化探析

1、前言

钛在地壳中的储量很丰富，在地壳外层 16km 的范围内钛约占 0.6%，居各种元素的第 9 位。而在结构金属中仅次于铝、铁和镁，占第 4 位。钛矿多为钛铁矿，其冶炼提纯需要消耗大量的能量，且钛的活性高，熔炼时需在真空炉中进行，造成了实际成品钛材价格相对较高，约为钢材的 20 多倍。但钛材资源丰富，且具有优良的耐蚀性、较高的屈强比和稳定的材料加工特性，在石油化工领域越来越多地被采用。随着化工装置发展得大型化，钛制化工设备的大型化发展趋势也越来越明显。

钛材加工成设备，一般采用纯钛材、钛钢复合板和钢壳体衬钛材三种方式。具体采用哪种方式，一般根据使用工况和设备造价来决定。对于一些低压或真空工况下的大型容器，因采用钛钢复合板制备，一方面可靠性较低，另一方面，设备造价也较高，而钛松衬大型容器可靠性差，易发生泄漏，所以，纯钛制造的大型储罐类容器也较多地被应用。

对于大型的钛制容器，在设计时其设备壁厚往往不再是由内部的操作压力决定，而更多地是满足其承受的外压和局部压应力引起的刚度失稳。如果仅通过增加壳体壁厚来解决，其经济性就是一个非常值得考虑的问题。分析此类钛制容器的特点，会发现一方面由于钛材较贵，为经济、合理使用钛材，在不与腐蚀介质接触的部位，应尽量不用钛制零件，另一方面，除爆炸焊接和钎焊外，钛不能直接熔焊在钢上，因此，与钛壳体直接焊接的支撑件、加强件等不得不采用纯钛材来制作。设备较小时，其对设备整体的造价影响不大，但随着设备的增大，该部分的制造成本就对整台设备的造价有着明显地影响。因此，要在保证设备质量的前提下，如何降低设备造价，就需要对大型钛设备的局部结构进行优化设计。因主体结构厚度往往由设备操作参数、材质、规格等确定，很难再进行优化，因此本文将重点从常用的外压加强圈和设备支座进行分析，从而确定一个相对优化的结构供大家参考。

为了便于说明，本文结合一个实际项目进行。该项目外形尺寸简化如图1，上下为标准椭圆形封头，中间为设备筒体，其部分操作参数如表 1。

2、加强圈结构优化

外压容器（包含真空容器）在设计时，往往通过缩短外压计算长度，即在壳体内部或外部沿圆周方向设置加强圈来对壳体起到支撑作用，从而降低壳体壁厚。为了便于加工、减少对流体的阻挡和防止物料积聚，加强圈更多地被设置在壳体外部，这样加强圈不与物料直接接触，可选用一些价格低廉的材料来加工。

本项目通过计算，在壳体壁厚选用 12mm 时，加强圈需要设置 9 个，间距为 1000mm，加强圈型式为“T”型，规格为 120mm×16mm，通过比较，该计算结果为相对优化的一种方案。因壳体材料为 TA2，因此加强圈要与壳体达到强度连接，加强圈的材料也需为钛材。经过计算，9 个加强圈用钛材净重 2748kg，造价比较高，不仅不利于竞争，也不够经济合理。考虑到加强圈不与设备内部介质接触，仅起强度作用，依据 GB 150.3-2011 的规定，加强圈与圆筒之间可以采用连续或间断的焊接，以此为契机，我们对该结构进行优化，如图 2 所示。优化前结构为钛材加强 T 型结构，优化后结构为与设备连接部分采用钛材过渡，外圈 T 型采用了成本较低的钢材，通过螺栓将钢材和钛材进行连接，可大大降低钛材使用量，经计算单台减少钛材 2190kg。

优化前，按照 GB 150.3-2011 的规定，当加强圈设置在容器外面时，加强圈每侧间断焊接的总长，应不少于圆筒外圆周长的 1/2。间断最大间隙为 8 倍的设备名义厚度。因此，根据壳体壁厚 12mm，则加强圈与壳体间断焊缝的间隙最大不超过 96mm，理论上讲，每段焊接长度不超过 96mm，两段焊接之间间隙不超过96mm即可，但考虑到与壳体连接的钛焊缝、钛板与钢板连接的螺栓及钢板“T”型处的钢焊缝在壳体承受外压时受力的一致性，同时螺栓连接圆周受力的不均匀性，因此设计时，需综合考虑，为了得到一个较好地承载能力，最好是将焊缝段数与螺栓个数设计一致。为此，本项目优化后，钛焊缝段数、螺栓个数和钢焊缝段数均为 120，螺栓选用 M16，材质为 8.8 级。

优化后的结构是否可靠？毕竟该加强圈在设备处于真空状态时，要起到足够的刚性和强度作用，在使用过程中，一旦外压失稳，将会造成非常大地损失。为此，我们采用有限元分析的方法对其进行校核。

如图 3 所示为应力分析模型图，图 4 为该模型变形云图，图 5 为该模型应力云图。从图 5 可以看出，加强圈强度满足要求。此计算条件下许用外压载荷为 0.45MPa，通过查询 TSG 21-2016 钛设备的抗拉强度安全系数为 2.7，则许用外压载荷为 0.17MPa, 大于设计压力 0.1MPa，满足要求。优化后的强度和刚度虽然能够满足要求，但还应注意以下几点：（1）钛加强圈部分材质与壳体材质应一致，或与壳体材质能够实现强度焊接；（2）加强圈的圆度应与壳体圆度要求一致；（3）每段钛焊缝与钢焊缝中心应与螺栓设置在同一方位；（4）钛焊接接头应进行 100%PT 检测，合格级别为 NB/T 47013.5-2015 中Ⅰ级，钢焊接接头应进行100%MT 检测，合格级别为 NB/T 47013.4-2015 中Ⅰ级。

3、设备支座结构优化

设备大型化后，其支撑结构在设计中往往成为很重要的因素。对于大型立式容器，一般有裙座式、支撑式和耳式支撑三种形式，考虑到用材、壁厚和安装位置等因素，本设备支撑型式选用耳式支座。设计时国家标准 JB/T 4712.3-2007的适用范围最大为公称直径 DN4000，对于本项目，经过计算若采 JB/T 4712.3-2007 上最大规格，即公称直径 DN4000的 C 型支座号 8 的标准支座需设置 10 件纯钛支座，每件净重 106kg，仅支座造价就超过 10 万元。为此，我们参考 JB/T 4745-2002 附录 G 中支座型式进行优化设计，优化前后的结构如图 6。

耳座主体材料选用价格低廉的钢材，耳座垫板采用整圈钢板制作，垫板分成两个抱箍式结构，通过螺栓连接，在其上、下分别采用 10 小块钛板止动，本结构钛材仅用 70kg，而且，加工难度也大大降低。

虽然，耳座支撑是成熟的标准结构，我们可以用 JB/T4712.3-2007 中的计算方法对耳座进行校核，但挡块的受力情况却不易计算。为此，为了保证支撑的可靠性，在确定完结构后，我们同样采用有限元分析方法对挡块进行受力分析。

通过核算，在圆周方向共设置 10 个 450×40×16（mm）挡块时，单个挡块需要承力约 210kN。

如图 7 所示为应力分析模型图，建立 1/2 挡块结构，挡块底部施加载荷 210kN。图 8 为该模型的变形云图，图 9 为该模型的应力云图。最终结果为最大应力 118.7MPa，而允许的最大应力为 148MPa，满足要求。

同样，优化后的结构在设计时还应注意以下问题：（1）上、下挡块应采用与壳体相同或与壳体材质能够实现强度焊接的材料；（2）上挡块的下端面与下挡块的上端面应与壳体成 90°；（3）上、下挡块与壳体采用连续焊接，底部可留20mm 不焊作为透气孔；（4）挡块与壳体焊接接头应进行 100%PT检测，合格级别为 NB/T 47013.5-2015 中Ⅰ级；（5）挡块与壳体表面应贴合紧密，最大间隙不宜超过 1mm；（6）支座应按相应标准进行设计、制造、检验与验收。

4、结语

对于大型设备设计，特别是材料比较贵重的有色金属制设备，标准、规范等往往很难能满足设计需求，这时设计过程中的结构优化往往显得尤其重要，通过有限元分析地应用，能给结构优化提供有力支持。在结构优化时，设计者要充分考虑不同金属的特点，特别是其各自的优势特性，并充分进行应用，往往能得到很好的效果。上述设备前后共建造不少于 5 台，并已全部投入使用 3 年以上，使用效果非常好。

参考文献：

[1] 黄嘉虎 . 有色金属制容器 [M]. 北京 : 化学工业出版社 ,2008:235.

[2] 赖晓敏 , 梁勇军 , 刘江涛 . 钛制化工设备的结构和零部件设计实践 [J]. 化工生产与技术 ,2007,14(1):60-61.

[3]GB 150.3-2011, 压力容器第 3 部分 : 设计 [S].

[4]TSG 21-2016, 固定式压力容器安全技术监察规程 [S].

[5]NB/T 47013.4-2015，承压设备无损检测第 4 部分 : 磁粉检测 .

[6]NB/T 47013.5-2015, 承压设备无损检测第 5 部分 : 渗透检测 .

[7]JB/T 4712.3-2007, 容器支座 第 3 部分 : 耳式支座 [S].

[8]JB/T 4745-2002 附录 G, 钛制焊接容器附录 G: 结构设计 [S].

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