1、前言

鈦在地殼中的儲量很豐富，在地殼外層 16km 的范圍內鈦約占 0.6%，居各種元素的第 9 位。而在結構金屬中僅次于鋁、鐵和鎂，占第 4 位。鈦礦多為鈦鐵礦，其冶煉提純需要消耗大量的能量，且鈦的活性高，熔煉時需在真空爐中進行，造成了實際成品鈦材價格相對較高，約為鋼材的 20 多倍。但鈦材資源豐富，且具有優良的耐蝕性、較高的屈強比和穩定的材料加工特性，在石油化工領域越來越多地被采用。隨著化工裝置發展得大型化，鈦制化工設備的大型化發展趨勢也越來越明顯。

鈦材加工成設備，一般采用純鈦材、鈦鋼復合板和鋼殼體襯鈦材三種方式。具體采用哪種方式，一般根據使用工況和設備造價來決定。對于一些低壓或真空工況下的大型容器，因采用鈦鋼復合板制備，一方面可靠性較低，另一方面，設備造價也較高，而鈦松襯大型容器可靠性差，易發生泄漏，所以，純鈦制造的大型儲罐類容器也較多地被應用。

對于大型的鈦制容器，在設計時其設備壁厚往往不再是由內部的操作壓力決定，而更多地是滿足其承受的外壓和局部壓應力引起的剛度失穩。如果僅通過增加殼體壁厚來解決，其經濟性就是一個非常值得考慮的問題。分析此類鈦制容器的特點，會發現一方面由于鈦材較貴，為經濟、合理使用鈦材，在不與腐蝕介質接觸的部位，應盡量不用鈦制零件，另一方面，除爆炸焊接和釬焊外，鈦不能直接熔焊在鋼上，因此，與鈦殼體直接焊接的支撐件、加強件等不得不采用純鈦材來制作。設備較小時，其對設備整體的造價影響不大，但隨著設備的增大，該部分的制造成本就對整臺設備的造價有著明顯地影響。因此，要在保證設備質量的前提下，如何降低設備造價，就需要對大型鈦設備的局部結構進行優化設計。因主體結構厚度往往由設備操作參數、材質、規格等確定，很難再進行優化，因此本文將重點從常用的外壓加強圈和設備支座進行分析，從而確定一個相對優化的結構供大家參考。

為了便于說明，本文結合一個實際項目進行。該項目外形尺寸簡化如圖1，上下為標準橢圓形封頭，中間為設備筒體，其部分操作參數如表 1。

2、加強圈結構優化

外壓容器（包含真空容器）在設計時，往往通過縮短外壓計算長度，即在殼體內部或外部沿圓周方向設置加強圈來對殼體起到支撐作用，從而降低殼體壁厚。為了便于加工、減少對流體的阻擋和防止物料積聚，加強圈更多地被設置在殼體外部，這樣加強圈不與物料直接接觸，可選用一些價格低廉的材料來加工。

本項目通過計算，在殼體壁厚選用 12mm 時，加強圈需要設置 9 個，間距為 1000mm，加強圈型式為“T”型，規格為 120mm×16mm，通過比較，該計算結果為相對優化的一種方案。因殼體材料為 TA2，因此加強圈要與殼體達到強度連接，加強圈的材料也需為鈦材。經過計算，9 個加強圈用鈦材凈重 2748kg，造價比較高，不僅不利于競爭，也不夠經濟合理。考慮到加強圈不與設備內部介質接觸，僅起強度作用，依據 GB 150.3-2011 的規定，加強圈與圓筒之間可以采用連續或間斷的焊接，以此為契機，我們對該結構進行優化，如圖 2 所示。優化前結構為鈦材加強 T 型結構，優化后結構為與設備連接部分采用鈦材過渡，外圈 T 型采用了成本較低的鋼材，通過螺栓將鋼材和鈦材進行連接，可大大降低鈦材使用量，經計算單臺減少鈦材 2190kg。

優化前，按照 GB 150.3-2011 的規定，當加強圈設置在容器外面時，加強圈每側間斷焊接的總長，應不少于圓筒外圓周長的 1/2。間斷最大間隙為 8 倍的設備名義厚度。因此，根據殼體壁厚 12mm，則加強圈與殼體間斷焊縫的間隙最大不超過 96mm，理論上講，每段焊接長度不超過 96mm，兩段焊接之間間隙不超過96mm即可，但考慮到與殼體連接的鈦焊縫、鈦板與鋼板連接的螺栓及鋼板“T”型處的鋼焊縫在殼體承受外壓時受力的一致性，同時螺栓連接圓周受力的不均勻性，因此設計時，需綜合考慮，為了得到一個較好地承載能力，最好是將焊縫段數與螺栓個數設計一致。為此，本項目優化后，鈦焊縫段數、螺栓個數和鋼焊縫段數均為 120，螺栓選用 M16，材質為 8.8 級。

優化后的結構是否可靠？畢竟該加強圈在設備處于真空狀態時，要起到足夠的剛性和強度作用，在使用過程中，一旦外壓失穩，將會造成非常大地損失。為此，我們采用有限元分析的方法對其進行校核。

如圖 3 所示為應力分析模型圖，圖 4 為該模型變形云圖，圖 5 為該模型應力云圖。從圖 5 可以看出，加強圈強度滿足要求。此計算條件下許用外壓載荷為 0.45MPa，通過查詢 TSG 21-2016 鈦設備的抗拉強度安全系數為 2.7，則許用外壓載荷為 0.17MPa, 大于設計壓力 0.1MPa，滿足要求。優化后的強度和剛度雖然能夠滿足要求，但還應注意以下幾點：（1）鈦加強圈部分材質與殼體材質應一致，或與殼體材質能夠實現強度焊接；（2）加強圈的圓度應與殼體圓度要求一致；（3）每段鈦焊縫與鋼焊縫中心應與螺栓設置在同一方位；（4）鈦焊接接頭應進行 100%PT 檢測，合格級別為 NB/T 47013.5-2015 中Ⅰ級，鋼焊接接頭應進行100%MT 檢測，合格級別為 NB/T 47013.4-2015 中Ⅰ級。

3、設備支座結構優化

設備大型化后，其支撐結構在設計中往往成為很重要的因素。對于大型立式容器，一般有裙座式、支撐式和耳式支撐三種形式，考慮到用材、壁厚和安裝位置等因素，本設備支撐型式選用耳式支座。設計時國家標準 JB/T 4712.3-2007的適用范圍最大為公稱直徑 DN4000，對于本項目，經過計算若采 JB/T 4712.3-2007 上最大規格，即公稱直徑 DN4000的 C 型支座號 8 的標準支座需設置 10 件純鈦支座，每件凈重 106kg，僅支座造價就超過 10 萬元。為此，我們參考 JB/T 4745-2002 附錄 G 中支座型式進行優化設計，優化前后的結構如圖 6。

耳座主體材料選用價格低廉的鋼材，耳座墊板采用整圈鋼板制作，墊板分成兩個抱箍式結構，通過螺栓連接，在其上、下分別采用 10 小塊鈦板止動，本結構鈦材僅用 70kg，而且，加工難度也大大降低。

雖然，耳座支撐是成熟的標準結構，我們可以用 JB/T4712.3-2007 中的計算方法對耳座進行校核，但擋塊的受力情況卻不易計算。為此，為了保證支撐的可靠性，在確定完結構后，我們同樣采用有限元分析方法對擋塊進行受力分析。

通過核算，在圓周方向共設置 10 個 450×40×16（mm）擋塊時，單個擋塊需要承力約 210kN。

如圖 7 所示為應力分析模型圖，建立 1/2 擋塊結構，擋塊底部施加載荷 210kN。圖 8 為該模型的變形云圖，圖 9 為該模型的應力云圖。最終結果為最大應力 118.7MPa，而允許的最大應力為 148MPa，滿足要求。

同樣，優化后的結構在設計時還應注意以下問題：（1）上、下擋塊應采用與殼體相同或與殼體材質能夠實現強度焊接的材料；（2）上擋塊的下端面與下擋塊的上端面應與殼體成 90°；（3）上、下擋塊與殼體采用連續焊接，底部可留20mm 不焊作為透氣孔；（4）擋塊與殼體焊接接頭應進行 100%PT檢測，合格級別為 NB/T 47013.5-2015 中Ⅰ級；（5）擋塊與殼體表面應貼合緊密，最大間隙不宜超過 1mm；（6）支座應按相應標準進行設計、制造、檢驗與驗收。

4、結語

對于大型設備設計，特別是材料比較貴重的有色金屬制設備，標準、規范等往往很難能滿足設計需求，這時設計過程中的結構優化往往顯得尤其重要，通過有限元分析地應用，能給結構優化提供有力支持。在結構優化時，設計者要充分考慮不同金屬的特點，特別是其各自的優勢特性，并充分進行應用，往往能得到很好的效果。上述設備前后共建造不少于 5 臺，并已全部投入使用 3 年以上，使用效果非常好。

參考文獻：

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