带半圆管夹套结构反应釜的优越性

带半圆管夹套结构反应釜的优越性

作者：董健彬

来源：《科技创新与应用》2013年第18期

摘要：压力容器的设计、制造、运行、管理都受到国家质量监督局部门的严格管理。而使用半圆管夹套结构，可将压力容器按常压容器对待。这样可大大减少生产厂压力容器的台数，从而给设计、制造以及生产、运行、管理部门带来简便和效益。

关键词：半圆管夹套；“U”型夹套；反应釜

某厂是以生产染料和染料中间体为主要产品的企业，大部分工艺过程是由带夹套的反应釜来完成的。

随着生产趋向大型化和规模化发展，反应釜逐渐向大型化发展，其直径加大，筒体加长。特别是承受外压反应釜内筒体壁厚的增加，给设计、制造增加了难度，同时也提高了反应釜的制造费用，又不利于传热。而采用半圆管夹套结构的反应釜，即可改善以上所述的情况，又可改善反应釜的受力情况，使反应釜内筒体的壁厚减薄（见图1）。

该厂大部分“U”夹套结构反应釜为常压操作，而“U”型夹套内常通人0.3MPa～0.6MPa的蒸汽加热，按《压力容器安全技术监察规程》划分，为第一类（D1级）压力容器。有些反应釜内是冷～热间隔操作的，有时夹套会出现使用冷冻盐水降温后再通入蒸汽的工况，这样一旦误操作会发生冷冻盐水流失，造成浪费（见图2）。采用双螺旋半圆管夹套，使冷冻盐水和蒸汽各行其道，可以彻底杜绝传热介质掺混和流失的问题（见图3）。鉴于以上原因，我们对该厂的这一类型设备进行了更新和改造，设计了半圆管夹套来代替“U”型夹套。

1 半圆管夹套容器的设计与计算

从半圆管夹套容器的受力分析来讲，容器内筒受外压，半圆管夹套受内压，内筒体外壁缠绕的螺旋半圆管夹套可视为外压加强圈，由于其间距较密、均匀，因而外压计算长度较小，定性分析是安全的。可以降低内筒体的壁厚。具体的设计、计算详见GB150-1998《钢制压力容器》、HG/T20569-1994《机械搅拌设备》及化工设备设计全书《搅拌设备设计》中的相关内容。通过计算结果来看，不管是外压筒体的壁厚，还是半圆管夹套的壁厚都得到了减薄，在综合考虑腐蚀裕度、最小壁厚以及制造方面的原因后，适当的增加壁厚，这在工程设计上是安全的。

2 半圆管夹套容器的结构设计

半圆管夹套可以采用单头或双头螺旋结构（见图4），如果将半圆管夹套视为加强圈进行计算时，必须满足以下要求：

2.1 螺旋通道的节距：Ts≤0.3D1。

螺旋通道的圈数：N2>N3+1。

式中：N2-半圆管夹套的圈数；N3-半圆管夹套的剩余圈数。（N2圈数中整数圈数以外的余数）。

2.2 按GB150计算时，内筒体计算长度L应取L1和L2两者的较大植：

L1=H/N2-N3-1

L2-半圆管夹套计算长度H的端点（或终点）至边缘半圆管夹套缠绕整周终点处的轴向距离（见图5）。

2.3 按GB150计算时，GB150中采用的Ls、Is和As值按以下各式计算：

Lc=Le=min{Ts，2（S2-C）+b2+1.1√D1（S2-C）

Ts-b2+1.1√D1（S2-C）；2〔（S2-C）+1.1√D1（S2-C）〕}

Is=Ik=r3h22（S2-C）0.3r/90°

As=Ak={ r3（S2-C）πr/90°（P1≤0）；r3（S2-C）πr/90°-πP2/4[σ]2×h2b2（P2>0）}

（符号说明见GB150-1998及HG/T20569-1994）。

从内筒体缠绕半圆管夹套的整体布局方面，为保证传热面积大，应尽量在内筒体及封头上布满半圆管夹套。

半圆管夹套的节距除按规定选择外，还要依据内筒体的壁厚、半圆管夹套的壁厚以及焊接加工工艺等方面综合考虑确定。为使传热面积加大，半圆管夹套的节距应尽量减小，考虑到焊接热影响区、施焊、打磨、焊缝无损检测、返修等因素，半圆管夹套的外壁的间隙一般情况下取20～30mm。

半圆管夹套上引出的进、出管口结构。其端板与内筒体及半圆管夹套的焊缝必须采用全焊透结构，并且做PT-I或MT-I无损检测。

半圆管夹套缠绕在内筒体的加工、制造、焊接是比较方便的，但用同样的方法加工、制造、焊接在封头上是比较困难的。因为封头的外表面是一个曲面，而半圆管夹套的壁厚较薄，煨弯缠绕后易发生摺皱，环向断面发生变形。另外，半圆管夹套边缘处与封头的外表面间隙过大，不易保证，这些问题已在加工制造中得到了证实。所以在结构设计上对此进行了改造，在保证换热面积的情况下，在封头上采用无缝钢管盘绕在外表面上，且与封头进行双面角焊。

3 加工制造

以往半圆管夹套的制造都是采用整根钢管切割而成，但考虑到边缘加工余量，故钢管切割成大半圆，而另一半钢管就浪费掉了。随着半圆管夹套在容器上的广泛应用，出现了加工半圆管夹套的专有设备，即使用钢板挤压成半圆管夹套，可以按着设计的筒体外径圈制出直径略大于筒体外径的螺旋半圆管夹套，即节省材料又方便安装和焊接。

另外，在焊接前半圆管夹套边缘加工45°坡口。设备内筒体制造完毕后，外表面焊缝应磨平，无损检测合格后，在筒体外壁画线，然后进行定位焊。这时半圆管夹套边缘与内筒体外壁应保证0～2mm的间隙，以保证焊接质量。

为了便于半圆管夹套的安装和定位，可制做样板尺进行定位以此来保证节距及相邻两半圆管夹套外壁的尺寸，点焊后施焊。其焊缝应全焊透，并对焊缝进行PT-I或MT-I无损检测。

半圆管夹套的焊缝较长，焊接应力较大，故对重要的容器设备应考虑进行消除应力热处理。

4 使用情况

通过我们设计的半圆管夹套反应器在该厂的使用情况来看，生产车间对此反应良好。即减少了压力容器管理的数量，又减轻了压力容器管理的难度。有些设备在蒸汽与冷冻盐水分开使用时，不但杜绝了盐水流失事故，而且还提高了半圆管夹套的蒸汽压力，使传热效率提高。半圆管夹套消除了“U”型夹套通冷冻盐水时的传热盲区，又解决了“U”夹套冷冻盐水走短路的问题。

“U”型管夹套为安装保温材料需要在夹套外壁设置保温挂钉。而半圆管夹套的螺旋槽可方便与安装保温材料，使保温工作效率提高，保温层坚固耐用。

半圆管夹套的使用使反应釜大型化的设计、制造简单并且节省钢材，安装可靠。在今后的应用过程与生产实践中，半圆管夹套从设计、制造、安装等方面将不断完善提高，用途更加广泛。

参考文献

[1]GB150-1998.钢制压力容器[S].

[2]HG/T20569-1994.机械搅拌设备[S].

[3]化工设备设计全书.搅拌设备设计.