选煤厂各类桶体的设计及计算_徐英芳.pdf

选煤厂各类桶体的设计及计算徐英芳，周 霞，周 雪，耿 浩（北京国华科技集团有限公司，北京）摘 要：参考 压力容器 的标准对选煤厂各类桶体壁厚的计算方法进行了梳理，为选煤厂各类桶体在前期设计阶段提供了计算的理论依据，结合设计经验，总结常用结构的加强原则。为提高计算准确性和计算效率，利用 模块核验桶体壁厚、底座厚度及加强筋数量和位置等，对提高设备可靠性和安全性，保证稳定运行具有重要意义。关键词：常压容器；壁厚；无力矩理论；应力计算；有限元法中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，）：“”，.，.，：；收稿日期：.作者简介：徐英芳（），女，河北唐山人，年毕业于安徽理工大学工业设计专业，工学学士，北京国华科技集团有限公司工程师。引用格式：徐英芳，周 霞，周 雪，耿 浩 选煤厂各类桶体的设计及计算 煤炭加工与综合利用，（）：选煤厂的非标件可概括分为设备支架吊架、操作检修平台、溜槽和漏斗、桶体类、安全防护支架及管道等。其中桶体类非标件主要包括合格介质桶、磁选尾矿桶、煤泥水桶、压滤机入料桶、循环水桶、清水桶等，具有数量多、容积大等特点，在非标件中占比较大。从结构上来看，主要以圆筒型、圆筒锥型为主。其设计任务书一般由工艺人员提供，机械设计工程师根据设计任务书计算桶体厚度、设计支座和地脚、设置加强筋等。选煤厂各类桶体的设计也是选煤厂设计的重要环节，关系选煤厂建厂的投资成本及生产运营的安全。近年来，随着选煤厂建设的大型化、正规化、国际化，国外施工单位往往要求设计单位提供设计计算书，因此笔者对选煤厂各种桶体的设计及计算方法进行了梳理和总结。设计条件设计条件是机械设计人员开展设计工作的依据，一般由工艺人员给出，包括物料种类及密度、工作温度、设计压力、制作材料、设计寿命、基本尺寸形状、主要操作及工况等，有时也需提供必要的简图。机械设计人员需掌握桶体的设计要求才能开展设计工作，不同的国家和地区对设计标准的要求也存在差异，在设计时须特别注意对相关文件及资料的查询。桶体壁厚的设计及计算壁厚一般是根据设备承受的内外载荷，依照煤炭加工与综合利用 .，相关标准提供的公式进行计算后再加上腐蚀裕量和负偏差并圆整后所得出的。在无特殊情况下，选煤厂中各类桶体的设计压力均为零，即不承受气压而只承受液体静压力，因此桶体壁厚可参考 压力容器 的标准进行设计。值得注意的是，此标准中计算压力与设计压力概念完全不同，是指在相应的设计温度下，用以确定容器各部位或元件计算厚度的压力，其值为设计压力与容器各部位或元件所承受的液柱静压力之和。.圆筒型桶体壁厚的计算选煤厂中圆筒型桶体可看成是受液体静压的薄壁圆筒形敞口壳体，其结构示意见图。简化其模型为受内压和（或）液柱静压力作用下的圆筒形回转壳体，依据无力矩理论，即为简化其计算可假定壁板很薄，只考虑拉（压）应力，不考虑弯曲应力进行强度计算。图 受液体静压的薄壁圆筒形壳体示意图 例如煤泥水搅拌桶，认为筒体为二向应力状态，且各受力面应力均匀分布，因液体重量由支承传递给基础，筒壁不受轴向作用力，即轴向应力，根据无力矩理论平衡方程式：（）可得，环向应力，由第一强度理论，筒体内较大的环向应力不应高于材料的许用应力，在实际设计中，还需考虑焊接对材料的影响，即：（）（）可得壁厚计算式：（）式中：为轴向应力（即经向），；为环向应力（即纬向），；为第一曲率半径（经向），；为第二曲率半径（纬向），圆筒形容器，；为圆筒的平均直径，即中径，；为计算压力，可按 计（计算结果转化为，为工作时桶内介质液体最大高度），；为圆筒的内径，；为圆筒计算厚度，；为钢板的许用应力，按表 选取，；为焊接系数，按表 选取。表 选煤厂常用钢板许用应力钢号钢材标准使用状态厚度 常温强度指标 在下列温度（）下的许用应力值 碳素钢钢板 热轧.热轧.高合金钢钢板 固溶 固化或稳定化 考虑介质腐蚀等因素的影响，筒体设计厚度还需在计算厚度的基础上加上壁厚附加量，壁厚附加量指钢板或钢管的负偏差及腐蚀裕量，即设计厚度计算式为：（）式中：为设计厚度，；为钢板或钢管 年第 期徐英芳，等：选煤厂各类桶体的设计及计算的负偏差（按钢材相应标准选取，常用钢板厚度负偏差见表。当钢材的厚度负偏差.时，负偏差可忽略不计），；为腐蚀裕量，为弥补容器由于腐蚀、机械磨损而导致厚度减薄的附加量，根据容器所处环境条件对筒体的腐蚀速率及设计寿命来确定（除不锈钢外，一般不宜小于），一般可按下式选取：（）式中：为腐蚀速度，；为设计寿命，。表 焊接接头系数 双面焊或相当于双面焊的全熔透对接接头无损检测局部无损检测不做无损检测单面焊的对接接头，且沿其根部全长具有紧贴基本金属的垫板无损检测局部无损检测不做无损检测单面焊无垫板对接接头局部无损检测不做无损检测.表 常用钢板厚度负偏差钢板标准 钢板厚度全部厚度.负偏差.由于筒体内的物料不同，设计者可根据实际情况或经验确定腐蚀裕量。碳素钢的腐蚀裕量可参考表。将设计厚度取圆整后，得到名义厚度，也就是最终标注在图样上的厚度。考虑筒体刚性，确保在制造、吊装、运输过程中不变形，对于碳素钢、低合金筒体，当计算名义厚度 时，按 选取；对于高合金筒体，当计算名义厚度 时，按 选取。表 碳素钢的腐蚀裕量腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速度（）.腐蚀裕量.筒锥型桶体壁厚的计算选煤厂中筒锥型桶体十分常见，一般上端呈圆筒形，下端为圆锥形，筒底呈锥形便于沉淀，例如国华科技研发成功的尾煤泥水两段浓缩两段回收工艺中用于浓缩的设备浓缩机，一段浓缩主要功能是分级和浓缩，尽量减少溢流中.粒级含量，将底流浓度调整至合适浓度范围，满足一段回收设备对入料的粒度、浓度要求。二段添加絮凝剂（凝聚剂）使煤泥水（尾煤泥水）深度澄清复用，同时将底流浓度浓缩至 以上，满足二段回收设备对入料浓度的要求，其结构见图 中（）所示；图 中（）所示锥形筒体连接两段不同直径的圆筒，例如循环水桶，可将检修孔或入料管设置在锥段小端直筒处。一般情况下，锥形筒段的制造较方便，但受压稍大时，其大小端通常需要局部加强。其壁厚图 受液体静压的筒锥型桶体示意图的计算可参考.压力容器锥形封头的设计标准，根据无力矩理论基础，计算式为：（）式中：为锥壳计算内直径（当锥壳由同一个半锥角的几个不同厚度的锥壳段组成时，式中 煤炭加工与综合利用 年第 期分别为各锥壳段大端内直径，对于图 中的两种结构，），；为半锥角；其余符号释义同式（）。结合前文，考虑介质腐蚀等因素的影响，筒锥型桶体设计厚度，圆筒段的壁厚计算可参考前文.中内容。桶体的结构设计前文所述的无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计的精度要求，但对于筒锥型壳体在联结处经线突然折断，必然引起应力的不连续性，使得变形量不相等，且产生相互约束，在这种条件下，就会产生边缘应力，这时必将导致边界的分离。对大多数低碳钢和奥氏体不锈钢，由于材料具有较好的塑性，而边缘应力又具有局现性和自限性，考虑到在实际应用时，桶体大多主要承受液体静载荷，一般可以不对边缘应力作特殊考虑或具体计算，或只在结构上作某些局部处理，如改变边缘的连接结构或在边缘连接处做局部加强。对于边缘连接处的结构，笔者结合 标准及设计经验总结如下原则。（）将锥壳大端与圆筒连接，当锥形封头的半锥角 时，可以采用无折边结构（见图（），并按图 或有限元应力分析法确定是否需要加强；当 时，应采用带过渡段的折边结构（见图（），大端折边锥壳的过渡段转角半径 应不小于封头大端内直径 的，且不小于该过渡段厚度的 倍；但在实际做非标桶体设计时，大多按图 中（）所示结构在边缘处做局部加强，或根据使用要求在其外壁或内壁用角钢圈或扁钢加强。图 锥壳大端边缘连接形式示意（）对于锥壳小端，在做选煤厂用筒锥型图 确定大端连接处的加强图桶体设计时，常见结构形式为小端底部座板固定于基础上，圆周均匀布置加强支撑筋，且在任何情况下，加强筋的厚度都不低于锥段筒体厚度，其加强结构如图 所示。图 锥壳小端局部加强 应用 软件进行应力和安全性分析在实际生产应用过程中，产生应力的因素很多，如桶内物料的液柱静压力、自重、局部外载荷、焊接工艺以及施工等，因此在进行选煤厂桶体类设计计算时对其进行应力分析是极为复杂的，国内外标准对桶体底座厚度、加强筋位置及数量等均没有准确的计算方法。国内设计院对选煤厂各种桶的设计也是更多地依靠经验，但为保证生产运行的安全性、可靠性，避免发生灾难性事故或失去正常的工作能力，在设计时对风险部位进行详细的应力分析又是十分必要的。随着近数十年计算机技术的发展，有限元分析作为一种应力计算方法，具有独特的仿真优势，因此在做桶体或其他产品设计时，可应用 模块确定加强筋位置和数量，或根据经验完成设计后，核验壁厚、底座厚度及加强筋数量和位置等是否满足安全及使用需求。年第 期徐英芳，等：选煤厂各类桶体的设计及计算.建立三维模型以国外某项目设计的矸石稀介桶为案例，应用 三维设计软件核验是否满足使用需求及安全性能。利用有限元法对桶体壁厚及加强筋进行应力分析，应先建立桶体及底座的三维模型，考虑到检修孔与入料管、篦子托架等对分析结果影响较小，为降低计算机运算工作量，建模时可将其省略，但实际操作时需注意筒体厚度应不含腐蚀裕量，此项目矸石稀介桶内外壁均做了防腐处理，局部做耐磨处理，所以腐蚀裕量按 计。设计参数见表，三维模型见图。表 国外某项目矸石稀介桶设计参数类型圆筒段尺寸（直径高度壁厚）锥筒段尺寸（直径高度壁厚）底座尺寸（长宽厚度）工作时液位最大高度 检修孔尺寸 入料管尺寸 筒锥型 图 国外某项目矸石稀介桶三维模型简化示意.分析过程应用 有限元法进行应力分析，其分析过程一般包括新建算例、材料属性设置、施加固定约束、外部载荷添加、网格划分和求解计算结果。此项目矸石稀介桶应力分析可按如下步骤操作：（）新建静应力分析算例；（）设定各零件的材质均为，密度为 ，泊松比.，弹性模量为.，屈服强度 ；（）对底座下端面施加固定约束；（）对筒体施加外部载荷，因筒体在实际使用时受液体静压力，压强值随深度增大而增大，所以将载荷设置为非均匀分布。将坐标原点建立在液面最高处，设置、轴，其中 轴为竖直方向，压强方程式设置为“”，最后将压强单位改为“.”（表示桶内物料密度为.倍的水密度）；（）设置壳体单元格大小为，进行网格划分；（）模拟实际使用情况进行应力计算。其应力、位移及应变计算结果见图 图。图 应力云图图 位移云图图 应变云图 煤炭加工与综合利用 年第 期.结果分析应用 模块模拟实际使用工况的计算数据，从图 图 可以较直观地看出所受最大应力位于筒锥交界附近和锥体下段加强筋附近，最大位移位于筒体上端直段处，最大应变位置与最大应力位置基本一致，具体数值见表。表 国外某项目矸石稀介桶最大应力、位移、应变最大应力（）最大位移 最大应变 .从表 可以看出，整体来说筒壁所受应力强度非常低，最大应力仅为.，查询表 可知，该应力远小于材料 钢板的许用应力强度，产生形变也非常小，说明在实际使用时满足强度和刚度要求，安全性很高。结 语笔者参考 压力容器 的标准对选煤厂各类桶体壁厚的计算方法进行了梳理，为选煤厂各类桶体在前期设计阶段提供计算的理论依据，结合设计经验总结常用结构的加强原则。为提高计算准确性和计算效率，以国外某项目矸石稀介桶为例，利用 模块核验桶体壁厚、底座厚度及加强筋数量和位置等。本文所提到的有限元法也适用于选煤厂其他非标件或生产设备的应力计算，对提高可靠性和安全性，保证设备稳定运行具有重要意义，同时也可作为设备减重设计的重要依据，合理控制生产投资成本。参考文献 周 雪 选煤厂非标准件的施工现场制作与工厂制作对比分析 煤质技术，（）：，压力容器 朱孝钦 过程装备基础 北京：化学工业出版社，徐 英，杨一凡，朱 萍 球罐和大型储罐 北京：化学工业出版社，么雷 直线型振动筛入料端挡板结构的有限元分析 煤质技术，（）：徐书根 带加强筋的储罐罐顶稳定性和强度有限元分析 化工机械，（）：（上接第 页）设备设施本质安全化、作业环境器具定置化，并持续改进。随着项目的实施，通过自评、考核等形式，发现诸多不符合标准的项目，解决问题、避免问题重复出现才能有效减少和避免事故的发生。厂级、车间级建立自查问题台账，每月对查出问题进行分析研判，制定防范措施，做好问题整改闭合，持续改进，不断提高安全绩效。实施效果选煤行业安全生产标准化现场管理基本规范 在田庄选煤厂实施以来，建立了一套适合选煤厂安全管理的安全生产标准化现场管理体系，用完好标准保证设备可靠运行，用制度规范职工行为，用法规指导安全管理，夯实了安全管理基础，有效确保了田庄选煤厂安全生产高效运行。“一流企业做标准”。在平煤集团高质量转型发展的大背景下，“选煤行业安全生产标准化现场管理基本规范的探索和实践”项目的实施，是探索国内选煤行业安全生产标准化考核规范迈出的一大步，是平煤集团选煤行业安全管理整体水平的体现，凸显在全国同行业选煤厂安全生产标准化工作中的竞争优势。项目的创建是选煤厂探索本行业安全生产标准化现场管理规范的大胆尝试，实践证明，成效明显。但是，随着安全生产领域法律法规的更新，新的标准不断出台，加之，选煤厂生产工艺的优化和设备的更新，现场管理规范仍需持续不断的补充和改进，以满足选煤厂现场安全管理需要。年第 期徐英芳，等：选煤厂各类桶体的设计及计算