浅谈夹套容器结构设计
蜂窝夹套容器设计
2
2 P 1 DR f 5 1 2 S C 1 1
2.00
MPa
P2≤[P2],合格 b、对于夹套壁，夹套中的许用内压力[P2]
P 2 2 S 2
C t p tT
2
f6
0.65 P2≤[P2],合格
MPa
设计： 校核： 审核：
日期： 日期： 日期： Page 1 of 1
蜂窝夹套容器的设计
设备名称：1500L谷物罐 图号： FJ130714C1-00 位号： 基本设计参数 P1 P2 DR S1 S2 C tp tT t0 d0 容器内设计压力 蜂窝夹套设计压力 计算直径 容器筒体的实际壁厚 夹套筒体、封口锥的实际壁厚 厚度附加量（按GB150选取） 蜂窝锥体的轴向节距 蜂窝锥体的周向节距 蜂窝锥体的有效节距 蜂窝锥体的外径 筒体或封头材质 壳体设计温度 [σ ]1 设计温度下壳体材料的许用应力 夹套材质 夹套设计温度 [σ ]2 设计温度下夹套材料的许用应力 蜂窝夹套设计（按HG/T20569-94） f5 f6 强度系数
f5
0.4 0.6 550 3.9 2 0 60.6 70
t0 t p tT
Mpa Mpa mm mm mm mm mm mm mm mm
65 16 S31603 134 118 S30408 143 137
t0 d0
℃ Mpa
1.8 2.3 t 2 0
ln
5.01 5.01
d0 t0 m 强度系数 f 6 2 1 1.3 1.3 2 (1 1.3m) t ln d 0 0
夹套反应釜的设计
夹套反应釜的设计搅拌容器常称作搅拌釜，当做反应器用时，称为搅拌釜式反应器简称反应釜。
搅拌容器分为罐体和夹套两部分，主要由筒体和封头组成；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成；传动装置是为带动搅拌装置而设置的，主要由电动机、减速器、联轴器和传动轴组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；其他组成包括支座、人孔、工艺接管等附件。
工艺条件一般包括，釜体容积，最大工作压力，工作温度，介质及腐蚀性，传热面积，搅拌形式，转速，功率，工艺接管的尺寸等。
设计的一般步骤：1) 总体结构设计，确定各部分的结构形式，如封头形式，传热面积，搅拌类型，传动形式，轴封等。
2) 容器的设计，主要内容包括：① 根据工艺参数确定各部分的几何尺寸② 考虑压力，温度，腐蚀因素，选择釜体和夹套材料③ 对罐体，夹套进行强度和稳定性计算，校核。
3) 搅拌器设计，根据搅拌类型确定相关位置和尺寸4) 传动系统设计，包括选择电动机，确定传动类型，选择减速机，联轴器，机座及底座设计5) 选择轴封，选择并确定轴封及相关零部件。
6) 绘图写说明书。
（一）罐体和夹套的设计罐体为物料完成搅拌提供了空间，夹套即外部传热，它是一个套在罐体外面能形成密封空间的容器。
罐体和夹套的设计主要包括结构设计，各部分尺寸的确定和强度计算与校核。
1) 罐体和夹套的结构设计罐体一般是立式圆筒形容器，有顶盖，筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。
罐底通常为椭圆形封头。
顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头，对于常压或操作压力不大而直径较大的设备，顶盖可采用平盖，并在平盖上加设横梁，用以支撑搅拌器及其传动装置。
罐底与筒体的连接常采用焊接，顶盖与筒体连接可为可拆和不可拆两种。
筒体内径小于1200mm ，宜采用可拆连接，当要求可拆时，做成法兰连接。
2) 罐体几何尺寸计算a. 确定筒体内径：一般由工艺条件给定V ，筒体内径按公式计算341iV D π= V 是给定的容积，i 长径比（按物料类型查表）I 要考虑其对搅拌功率，对传热的影响及物料反应和结构等对长径比的要求。
半圆管夹套容器设计计算方法
Jiu Quan Pharmaceutical Factory Jiuquan , 735000
One new equipment - medium cycle stirred vessel was introduced in detail in t his article. At t he mean time , t he comparison of t his equip2 ment and traditional mechanical stirred equipment was carried out . Keywords : fined chemical industry , mechanical agitation , medium cycle agitation
( 2)
以上方法比 HG/ T2065《9 机械搅拌设备》中推荐
方法显得简化了不少 , 可操作性也较好 , 但对于半圆
管夹套的无缝钢管规格限制是其明显的不足之处 。
笔者认为通过应力分析 , 完全可以将半圆管夹套压
力 Pj 所引起的轴向弯曲应力用一个简单的公式求 出 。以下是参照 J IS B8279 - 199《3 压力容器的夹套》
司 , 是美国名副其实的管业大王 。该项目加工生产的 420mm 及以下的口径弯管可广泛应用于石油化工 、化工 、电力 、医药 等项目的建设中 ,具有广阔的市场前景 。目前 ,已有扬子巴斯 夫一体化项目工程 、上海石化合资工程 、广东茂名乙烯改造及 多家电力建设项目等目标市场 。
该合作项目将推动国内弯管技术水平的提高 , 全部投资 将可以投产 6 年之后回收 。
关于夹套容器设计的探讨
关于夹套容器设计的探讨摘要：夹套容器是将作为一个完整压力室的夹套连接在容器筒体、封头外部形成的多腔压力容器。
使用夹套的目的一般是加热或冷却容器及其内部介质，也可作为容器的密封绝热室。
它在石油、天然气、化工装置上得到广泛应用。
本文对夹套容器的设计进行了深入探讨。
关键词：夹套容器；设计要点；压力试验1夹套容器型式与结构1.1型式夹套容器按夹套容器的程度分为：全夹套容器即容器筒体与上下封头全部带有夹套；局部夹套容器即容器筒体上下封头局部带有夹套。
1.2结构夹套容器的结构较简单，由容器和夹套两大部分组成。
它的夹套安装在容器的外部，夹套与容器壁之间形成密封的压力空间，载热体(力口热介质)或载冷体(冷却介质)在此压力空间通过容器壁加热或冷却容器内的物质。
不同型式的夹套由不同的受压元件构成，一般包含夹套筒体、夹套与容器间的封闭件以及椭圆形或锥形夹套封头3个受压元件。
但通道式夹套则是由钢管构成，没有夹套筒体。
夹套封闭件有圆形、平环形、锥形及角钢形4种结构形式，通常推荐采用锥形和平环形封闭件，而这2种结构又有多种形式。
例如，锥型封闭件锥角a又可分为30°或45°，锥封闭件可作成与夹套简体有一圆弧过渡的整体制件，也可作成与夹套焊接。
显然，有圆弧过渡的锥形封闭件比无圆弧过渡的锥形封闭件适用范围广，前者可用于a≤60°的圆柱形夹套和u形夹套，而后者仅用于a≤30°的圆柱形夹套。
2结构设计要点夹套容器的最大检查孔不应超过50mm。
为防止容器进口处外壁受到夹套蒸气或其他介质的冲蚀，应在容器外壁正对夹套介质入口处设置防冲板，并将其焊接于容器外壁上。
由于容器和夹套间的空间距离一般约50mm，故不宜设置人口挡板。
当容器内为极度或高度危害介质时，对容器焊缝和连接夹套的焊缝应做100％射线检查，且应进行焊后热处理。
笔者设计的夹套容器常采用带圆弧过渡的锥形封闭件，锥角a一般取45°，当厚度δ=6～10mm时，过渡部分圆弧半径一般取30～40mm。
夹套容器的设计要点
３ 结语
（ １） ６Ｍ５０ － ３４０／３２０ － Ⅱ － ＢＸ 氢氮气压缩机组电动机噪声较大 且声音异常， 主机振动和噪声均较 大 ， 一 、二 级 连 杆 大 头 瓦 快 速 失 效 的根本原因是轴系的扭转振动。
（ ２） 在 轴 系 上 加 装 配 重 体 ， 使轴系运行时带着配重体一起转 动， 以适度增大轴系的转动惯量， 改变轴系的固有频率， 可有效消 减轴系的扭转振动， 从而大幅度 减小机组的振动和噪声， 提高连
缝应进行 １００％射线探伤检查， 且 容器与封闭件焊接后再进行热处 理； 对于容器有热处理要求的， 应该将容器与封闭件焊接完毕再 进行热处理。
ｅ、在夹套容器设计中， 常采 用带圆弧过渡的封口锥， 锥角一 般 取 ４５°， 过 渡 部 分 圆 弧 半 径 为 Ｒ３０～４０ ｍｍ （ 当 δ＝６～１０ ｍｍ） ； 对 于封口环结构则很少采用； 为了 减少夹套封闭件制造难度， 也可 以在容器筒体与夹套筒体间采用 法兰连接， 但相应制造成本也增 加了。
（ ２） 容器为真空 和夹套内都 为内压
容器设计压力按无夹套真空 容 器 选 取 Ｐ１＝０．１ＭＰａ （ 外 压 ） ， 夹 套设计压力按内压容器选取。在 正常操作情况下， 容器计算外压 力 为 ＰＣ１＝ Ｐ２ ＋０．１ （ 有 夹 套 包 容 ） 和 ＰＣ１＝ ０．１ＭＰａ （ 无夹套包容） ； 夹 套计算压力为 ＰＣ２ ＝ Ｐ２
反应釜夹套设计
反应釜夹套的设计概述：夹套一般是立式圆筒形容器，有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。
罐底通常为椭圆形封头，对于常压或操作压力不大而直径较大的设备，顶盖可采用薄钢板制造的平盖，并在薄钢板上加设型钢制的横梁，用以支承搅拌器及其传动装置。
顶盖与筒体的连接形式分为可拆和不可拆两种筒体内径D 1≤1200mm ，宜采用可拆连接。
当要求可拆时做成法兰连接。
工艺设计：1.1传热面积的校核（传热面积）DN =1200mm 釜体下封头的内表面积h F = 1.65522mDN =1200mm 筒体（1m 高）的内表面积1F = 4.77m 2夹套包围筒体的表面积S F =1F ×j H = 4.77×0.836=3.9878（m 2）h F +S F =1.6552 + 3.9878=5.6429 )(2m由于釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不断进行，且会引起釜内温度升高。
为防止釜内温度过高，在釜体的上方设置了冷凝器进行换热，因此不需要进行传热面积的校核。
如果釜内进行的反应是吸热反应，则需进行传热面积的校核，即：将h F +S F = 5.6429 m 2与工艺需要的传热面积F 进行比较。
若h F +S F ≥F ，则不需要在釜内另设置蛇管；反之则需要蛇管。
机械设计：1.2 夹套的DN 、PN 的确定（刚度和强度的设计） 1.2.1夹套DN 的确定由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知：100j i D D =+＝1200+100=1300（mm ）考虑到1300一般不在取值范围，故取DN =1400mm1.2.2 夹套PN 的确定由设备设计条件单知，夹套内介质的工作压力为常压，取PN ＝0.25MPa 1.3 夹套筒体的设计 1.3.1 夹套筒体壁厚的设计因为W p 为常压＜0.3MPa ，所以需要根据刚度条件设计筒体的最小壁厚。
∵ j D ＝1400mm ＜3800mm ，取S min ＝2i D /1000且不小于3 mm 另加2C ，∴S min ＝3+1=4（mm ），圆整n S =5mm 。
U型夹套容器封口锥的设计
不带圆弧过渡的封口锥，其小端的角焊缝采 用全焊透结构，大端与夹套筒体的对接焊缝采用 单面焊双面成形的全焊透结构。
３ 封口锥的几何尺寸设计
３１ 封口锥大、小端内直径的确定 封口锥大端内直径与夹套筒体内直径相同；
图 １ Ｕ型夹套容器示意图 １２ 封口锥的结构设计
封口锥的结构可分为带圆弧过渡和不带圆弧 过渡 ２种，如图 ２所示 （图中：Ｒｓ为内容器筒 体外直径，ｍｍ；Ｒｊ为夹套筒体内直径，ｍｍ；其 余符号之意义见下文表 １）；封口锥可以做成与 夹套筒体为整体结构或采用全焊透的结构 （可 使用垫板）。
１ 封口锥的材料选择及结构设计
［σ］ｔ／ＭＰａ
设计 温 度 下 锥 壳 所 用材料的许用应力
δｊ／ｍｍ 夹套筒体名义厚度
Φ
焊接接头系数
ｆ②强度计算移植了原苏联国家
标准 《夹套容器强度计算规范》，但有关文献介
绍按上述方法设计所得的封口锥壁厚过于保守。
新版 《机械搅拌设备》（ＨＧ／Ｔ２０５６９—２０１３） 中，
删除了这部分内容，仅在其附录 Ｂ３３第 ５条中
要求封口锥的计算按 《压力容器》（ＧＢ／Ｔ１５０３—
２０１１） 关 于 夹 套 封 闭 件 结 构 的 规 定 执 行； 而
不带圆弧过渡 的 封 口 锥 如 图 ２ （ｂ） 所 示， 其制作简单，但承载能力不强，主要用于设计条 件要求不高的夹套容器。
２ 封口锥的焊接接头设计
２１ 带圆弧过渡的封口锥焊接接头设计 带圆弧过渡的封口锥，其小端的角焊缝采用
全焊透结构；大端与夹套筒体的对接焊缝采用单 面焊双面成形的全焊透结构，或带垫板的单面焊 全焊透结构。单面焊双面成形的全焊透结构，焊 缝需要返修时返修操作难度较大；带垫板的单面 焊全焊透结构，焊缝质量较高，易焊透易夹渣， 焊缝需要返修时返修操作较容易，故设计中采用 较多。
基于ANSYS Workbench的某夹套容器主要部件设计计算
第 57 卷第 1 期2020 年 2 月化 工 设 备 与 管 道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGV ol. 57 No. 1Feb. 2020基于ANSYS Workbench 的某夹套容器主要部件设计计算李俊儒（中石化宁波工程有限公司上海分公司，上海 200030）摘 要：鉴于规则设计方法的局限性，在某夹套容器几个主要部件的设计中，借助有限元软件ANSYS Workbench 完成了计算，包括：与夹套和内筒同时连接的内筒外压加强圈，计及附件载荷的螺栓连接平盖，支持板布置“特殊”的U 形换热管束的固有频率。
目前，该设备已制造完成，并经试验、检验合格出厂。
关键词：夹套容器；加强圈；平盖；U 形换热管；ANSYS Workbench中图分类号：TQ 050.3；TH 123 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2020）01-0009-007收稿日期：2019-10-24作者简介： 李俊儒（1987—），男，工程师。
主要从事压力容器设计工作。
图1所示为某装置的夹套容器，两种介质在内筒中受机械搅拌进行混合反应，夹套和U 形管束内通入循环水，将反应产生的热量及时排出。
为提高传热效率，夹套内设有螺旋导流板与内筒焊接。
8个U形换热管束和搅拌装置架设在平盖上，U 形管束延伸至容器底部，并沿圆周均布。
设备的主要部件、尺寸、材质及管口见图1，图中尺寸单位均为mm ，主要设计、操作参数见表1。
图1 设备简图Fig.1 Equipment diagram除搅拌装置外，设备的详细设计主要依据化工工艺的需求，以及GB/T 150—2011 [1]、GB/T 151—2014 [2]、HG/T 20569—2013 [3]（附录B ）等标准的规则设计方法进行。
但在几个主要部件的设计中，因为第 57 卷第 1 期· 10 ·化 工 设 备 与 管 道结构或载荷的原因，规则设计方法难以适用，需要借助有限元软件ANSYS Workbench 进行分析设计，包括：内筒外压加强圈的稳定性，螺栓连接平盖的挠度，U 形换热管束的自振频率。
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浅谈夹套容器结构设计
罗淑琦1，罗永和2
（. 中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林石化工程设计有限公司； .中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林机械制造分公司）
摘 要：合理设计容器夹套结构，能够提高设备的工作效率，降低设备的制造难度，缩短设备的制造工期。
《 关键词：夹套容器；设计；结构
1.1 整体夹套强度设计 整体夹套强度设计可按 GB 0—0《压力容
器》第 部分 []：设计中的外压圆筒部分进行计算。 1.2 整体夹套封口结构设计
整体夹套封口结构一般可设计为如图 所示结 构。图 a 封口结构为夹套筒体直接翻边而成，结构 简单且容易成形，但受夹套筒体厚度影响，一般在
型钢夹套有半管夹套、角钢夹套和 L 形夹套，见图 。 型钢夹套一般沿筒体圆周方向螺旋布置，也可按筒体
[ ] HG/T 0—, 机械搅拌设备 [S]. [ ] HG/ T 0—0, 钢制化工容器强度计算规定 [S].
轴线方向直线布置。
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部设置一个或两个排气孔，排气孔可简单设置为螺塞 在辊床上按夹套形状一次成形，制造工艺相对简单。
结构。当传热介质为气体时，可不设排气孔。在夹套 该形夹套可根据工艺条件设计厚度，可以承受较大的
最低点设排净孔，规格根据夹套排放液体量确定。
内压和外力。L 形夹套传热效率高，使用范围广。
2 容器型钢夹套设计
在夹套容器使用越来越广的条件下，合理地设计 夹套结构，满足容器使用的工艺要求和现场施工要求，
接管封口结构见图 。图 a 为夹套翻边结构， 在夹套厚度≤ mm 的情况下优先选用，翻边圆直 径 d 可按 HG/T 0—《机械搅拌设备》选择。 当夹套厚度＞ mm 时，可选择图 b 圆筒封口结构， 圆筒厚度按 HG/T 0—《机械搅拌设备》计算， 圆筒内径应满足套管内侧及接管的焊接要求，一般 d 略大于接管法兰外径。
环板受力，一般环板较厚。环形板封口件可按 HG/T
0—《机械搅拌设备》[] 进行强度计算，对焊 缝结构进行合理设计，可用于较苛刻工况。图 f 为
角钢环封口件，此结构适用夹套内介质为水、温度小
且压力低的工况。
图1 U形夹套 图2 圆筒形夹套
1.3 管封口结构设计
www.tc 与管道》 图5 导流板结构 ed 1.5 夹套排放孔设计 . 当夹套内传热介质为液体时，为排出夹套内空 com 气，使液体充满夹套空间，提高传热效率，在夹套顶
图6 型钢夹套结构
图 a、b 为半管夹套结构，夹套强度计算按 HG/ T 0—0《钢制化工容器强度计算规定》[] 执行， 采用图 b 结构，可按整体夹套进行计算，半管夹套 管直径一般在 φ~ mm 之间，半管夹套可采用 半管滚制成形或钢带板在专用弯机成形，一般的生产 单位均有能力完成。夹套半管可以为整半管或略小于 整半管结构。半管夹套成形规范，与筒体组对成形容 易控制，半管夹套因其可利用传热面积大，传热效率 高，承压能力强获得广泛使用。 图 c、d 为角钢夹 套，夹套强度计算按 HG/T 0—《机械搅拌设备》 执行，角钢夹套可利用型弯机成形，或用工装在辊 床上成形。 角钢夹套流通面积小，使用效率低，图 d 组焊、成形不易控制。图 e 为 L 形夹套，该夹套 为 / 圆弧加直边组成，直边长度 00~00 mm 为宜， 强度设计可按整体夹套计算。L 形夹套可以利用工装
化工 在石油、化工等行业中，由于装置的工艺要求
需控制内容器介质的工作温度，要达到此目的则必须
设 由另外热载体进行热能传递来保证。夹套容器因其传 备 热面积大，传热介质在容器外传热的结构特点而广泛
使用。合理设计容器夹套结构，既满足容器工作的工
与 艺要求，又能保证其施工制造的顺利完成。 ww 管 容器夹套按结构特点可分为整体夹套和型钢夹 w 套，现对此两种夹套进行讨论。 .tc 道》 1 容器整体夹套设计 e 整体夹套就是套合在容器筒体外或内的，由筒 d. 体自身折边或封口件所形成的腔体结构。整体夹套 c 制造工艺简单，施工方便。其结构有 U 形夹套如图 om 和圆筒形夹套如图 。
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2012《化工设备与管道》增刊一
图3 夹套封口件结构
图4 接管封口结构
《 1.4 夹套内导流板设计 化 为提高流体流速，防止流体进出流动短路和传 工 热不匀，一般在夹套内设置导流板，如图 所示。除
导流板按流板与夹套的间隙 ~ mm 为宜，间隙小，制 备 造难度非常大，且无法准确控制间隙量。
厚度≤ mm 的情况下较常用，当厚度＞ mm 时， 由于筒体翻边困难无法保证成形质量而采用封口件 结构。图 b 为锥筒形封口件结构，锥筒厚度不小于 夹套体厚度。此封口件结构简单，施工方便，由于锥 筒形封口件与夹套体角接焊缝受力状态差且焊接质 量不容易保证，可在夹套介质温度波动小、压力低的 条件下应用。图 c 结构为 / 圆管的环形封口结构， 圆管厚度应等于夹套体厚度。此封口件无论采用带 板成形还是圆管煨制成形，材料利用率较低，成形 及与夹套组对比较困难。图 d 为带折边锥筒形封口 件，带折边锥筒结构可以采用胎具压制后组对焊接成 形或锥筒旋压折边成形，此结构可用于夹套体较厚场 合，但此结构材料利用率低，制造成本较高。图 e 为环形板封口件，结构简单，施工方便，由于属于
型钢夹套能加快传热介质流速，提高传热效率。 降低设备材料成本和制造工期，具有较好的意义。
型钢夹套较整体夹套制造工艺相对复杂，是通过特定 的工装胎具制造出与圆筒体相吻合的型钢夹套，再
参考文献
经过与容器筒体一环一环的组对、焊接而成的结构， [ ] GB 0.~—0, 压力容器 [S].