【原】蜂窩、半管、全夾套容器設(shè)計(jì)

夾套內(nèi)常用的介質(zhì)有蒸汽、導(dǎo)熱油、冷卻水、真空絕熱介質(zhì)等。

使用夾套的目的一般是加熱或冷卻容器及其內(nèi)部介質(zhì)，也可作為容器的密封絕熱室。

根據(jù)夾套結(jié)構(gòu)的情況，夾套容器分為：

1）整體夾套容器

2）通道式夾套容器—型鋼夾套

3）蜂窩夾套容器—短管支撐或蜂窩板

4）半管夾套容器—半管纏繞

5）搭接夾套容器—弧形板搭接

對(duì)比下各種夾套結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

一、半管夾套的特點(diǎn)

1. 由于內(nèi)筒和下封頭的設(shè)計(jì)不考慮夾套外壓的影響，對(duì)于直徑較大和夾套壓力較高的設(shè)備，可以大大的減少內(nèi)筒和封頭的計(jì)算厚度，節(jié)約成本。

2. 需要特別注意的一點(diǎn)，采用半管夾套結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)筒由于需要焊接整圈半管，焊接變形量較大，需要根據(jù)攪拌器的選型要求，內(nèi)筒厚度需要考慮一定的剛度，比如刮板薄膜蒸發(fā)器對(duì)筒體橢圓度要求極高，所以要綜合考慮成本。

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刮板薄膜蒸發(fā)器

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半管夾套圖（耳座搭橋連接）

半管夾套圖（耳座處樹管連接）

二、搭接夾套的特點(diǎn)：

1. 由于內(nèi)筒和下封頭的設(shè)計(jì)不考慮夾套外壓的影響，對(duì)于直徑較大和夾套壓力較高的設(shè)備，可以大大的減少內(nèi)筒和封頭的計(jì)算厚度，節(jié)約成本。

2. 由于搭接夾套全覆蓋容器，傳熱效率近乎半管夾套的2倍。

3. 缺點(diǎn)是夾套焊接量較大，無(wú)損檢測(cè)成本也更高。

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筒體上搭接夾套圖

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三、整體夾套的特點(diǎn)

夾套分段設(shè)置結(jié)構(gòu)所示，采用這種結(jié)構(gòu)時(shí)，外壓計(jì)算長(zhǎng)度為較長(zhǎng)一段夾套長(zhǎng)度或夾套與封頭組合的計(jì)算外壓長(zhǎng)度。這是一種簡(jiǎn)便的減少內(nèi)筒外壓計(jì)算長(zhǎng)度的方法，但是夾套分段不宜過(guò)多，以兩段多見。因?yàn)檫^(guò)多的分段不僅增加了夾套與筒體的焊縫，增加了制造和檢驗(yàn)成本，同時(shí)由于接口增多，需要配套的工藝接口就相應(yīng)增加，增加了工藝負(fù)擔(dān)。

四、通道式夾套的特點(diǎn)

內(nèi)筒體圓環(huán)形加強(qiáng)圈與夾套筒體相焊結(jié)構(gòu)

由于加強(qiáng)圈與夾套筒體相焊，因此夾套筒體也可看作加強(qiáng)圈的一部分，可將加強(qiáng)圈截面看作T型鋼，這樣加強(qiáng)圈的慣性矩大大增加。然而這種結(jié)構(gòu)使得蒸汽及其冷凝液的通道被堵塞了。因此需要在環(huán)板上開孔，開孔后的結(jié)構(gòu)如圖所示，開孔的總面積應(yīng)大于蒸汽入口接管的橫截面面積。但開孔后加強(qiáng)圈的剛度被削弱，且蒸汽通道有限，增大了蒸汽的壓降，不利于其順暢流動(dòng)，也不利于冷凝液的排出。

螺旋形加強(qiáng)圈與夾套筒體相焊結(jié)構(gòu)

螺旋形加強(qiáng)圈即螺旋導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)如圖所示，它能夠很好地解決蒸汽通道受限的問(wèn)題。對(duì)螺旋導(dǎo)流板，當(dāng)其螺距未超過(guò)0.3Di1時(shí)，可將其看作圓環(huán)型加強(qiáng)圈與與夾套筒體相焊結(jié)構(gòu)，且計(jì)算外壓長(zhǎng)度為螺距。但是這一結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是它的制造有一定困難。

一、整體夾套的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中如果遇到夾套與容器材料不同，或容器要求熱處理，應(yīng)當(dāng)選用與夾套筒體焊接的帶圓弧過(guò)渡的封閉件，且封閉件材料盡可能與容器一致。帶圓弧過(guò)渡的封閉件受力好，適用范圍廣，設(shè)計(jì)中通常優(yōu)先考慮，錐角一般取45°。

為避免介質(zhì)進(jìn)入時(shí)對(duì)內(nèi)筒外壁產(chǎn)生沖刷腐蝕，應(yīng)在內(nèi)筒外壁正對(duì)夾套介質(zhì)入口處設(shè)置防沖板，焊于容器外壁上；當(dāng)容器和夾套的空間間距大于75mm時(shí)也可以設(shè)置入口擋板。

為排泄夾套內(nèi)的空氣和不凝性氣體，使夾套介質(zhì)充滿整個(gè)夾套空間，需在夾套頂部設(shè)置排氣口，排氣口直徑dN不小于10mm。

過(guò)渡段與內(nèi)筒體連接處的焊縫應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)，且當(dāng)容器內(nèi)為極度或高度危害介質(zhì)時(shí)，此處焊縫應(yīng)進(jìn)行100%射線探傷檢查。

為避免支座處的局部應(yīng)力與夾套過(guò)渡段處的局部應(yīng)力重疊，支座離過(guò)渡段應(yīng)有一定的距離。

二、半管夾套的設(shè)計(jì)

1. 筒體半管采用板材壓制成型，封頭半管采用管材剖切成型。

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2. 半盤管與筒體焊接開內(nèi)坡口，根部熔焊，焊接時(shí)根部間隙2~3mm。若采用外坡口焊接，夾套內(nèi)壁容易掛瘤。   

3. 水壓試驗(yàn)：設(shè)備整體制作完成后，容器充水保壓，對(duì)夾套進(jìn)行試壓，觀察夾套焊縫和容器內(nèi)壁焊縫；夾套試完壓后，容器繼續(xù)充水試壓。

 對(duì)于反應(yīng)釜來(lái)說(shuō)其難點(diǎn)就是半管夾套結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于設(shè)備上需要布置支座、管口等附件，如何避免半管夾套與這些附件發(fā)生干涉尤為重要。

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三、蜂窩夾套的設(shè)計(jì)

蜂窩夾套是采取折邊或者短管等加強(qiáng)措施，提高筒體的剛度和夾套的承壓能力，減少流道面積，從而減薄筒體厚度，強(qiáng)化傳熱效果。

蜂窩幾何形狀優(yōu)化的目的是改善其應(yīng)力分布狀況，提高蜂窩夾套的承載能力。以蜂窩中間點(diǎn)的應(yīng)力降至最小為目標(biāo)，并綜合考慮焊接接頭處和蜂窩拐角處的受力情況，確定較佳的焊接接頭連接形式、蜂窩錐度和蜂窩拐角半徑尺寸。

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現(xiàn)有蜂窩夾套沖壓模具結(jié)構(gòu)類型有二種，一種是帶折邊結(jié)構(gòu)（塞焊連接），一種是非折邊結(jié)構(gòu)（填角焊連接），具體詳見蜂窩夾套附圖一

夾套蜂窩與內(nèi)筒間焊接接頭型式不僅涉及了焊接工作量的多少，還極大地影響了應(yīng)力分布，決定了接頭的抗拉斷強(qiáng)度。有人對(duì)蜂窩夾套二種結(jié)構(gòu)類型的焊接接頭型式進(jìn)行分析比較，如下圖所示。

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為了便于比較，夾套的蜂窩間距均取50mm，夾套壁厚均取2mm，但焊接接頭型式不同。

第一種為塞焊連接：沖壓成型后的蜂窩凹坑底沖有直徑小于凹坑底直徑的塞焊孔，蜂窩與內(nèi)筒為塞焊連接，因而每一蜂窩在錐底及錐頂均有轉(zhuǎn)折，蜂窩底部直徑為16mm，蜂窩塞焊孔徑為12mm，夾套與內(nèi)筒間間隙為6.4mm，如圖1所示。

第二種為填角焊連接：蜂窩錐底直徑與沖孔直徑相等，斜邊段與蜂窩夾套表面轉(zhuǎn)角的圓角半徑較大。蜂窩沖孔直徑亦增至14mm，夾套沖孔處與內(nèi)筒間采用填角焊，夾套與內(nèi)筒間間隙為8mm，如圖2所示。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和有限元分析計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1）填角焊接頭的抗拉斷強(qiáng)度優(yōu)于塞焊接頭。

2）填角焊接頭蜂窩夾套的應(yīng)力遠(yuǎn)低于塞焊接頭的。

夾套殼上有許多按正方形排列的壓制成型的圓臺(tái)狀凹坑蜂窩，全部（或部分）蜂窩底部沖有圓孔，在圓孔處將夾套與筒體焊接起來(lái)，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。蜂窩點(diǎn)與內(nèi)筒體連接為一個(gè)整體，由于蜂窩夾套焊在筒體上，將夾套內(nèi)部分成一個(gè)個(gè)以相臨近的相焊點(diǎn)為界的立方體的小壓力容器。夾套內(nèi)的壓力對(duì)夾套及內(nèi)筒的作用相當(dāng)于承受均布載荷周邊固支方形板，板的邊長(zhǎng)等于相焊點(diǎn)的間距。故夾套壁厚與直徑無(wú)關(guān)，不需按一般內(nèi)壓容器進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，可大大降低壁厚的要求，而夾套介質(zhì)壓力對(duì)內(nèi)筒壁厚的要求與相焊點(diǎn)間距有關(guān)，與容器直徑無(wú)關(guān)，不會(huì)發(fā)生一般外壓圓筒失穩(wěn)的失效模式，內(nèi)筒體不需要考慮夾套中的壓力引起失穩(wěn)而進(jìn)行外壓設(shè)計(jì)。在承受筒體內(nèi)壓和夾套壓力時(shí)，筒體和夾套的強(qiáng)度和剛度相互得到明顯的加強(qiáng)。這樣，所需內(nèi)筒和夾套壁厚都可明顯減薄，降低制造成本。

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蜂窩夾套一般是用2mm、3mm鋼板用模具沖壓成正方形排列的形狀，它的腔高常為6.4mm, 8mm, 蜂窩間距常用為50mm，60mm。因此蜂窩夾套的間隙比普通夾套的間隙要小，流通面積較小，流體在腔內(nèi)流速顯著增加（比整體夾套高3-10倍），并且與蜂窩點(diǎn)多次相撞形成局部小渦流，大量的蜂窩在夾套內(nèi)起著干擾流體的作用，流體在流經(jīng)蜂窩時(shí)就要擾流，流體不斷改變流動(dòng)方向和流動(dòng)速度，形成紊流，破壞或減薄了原來(lái)的層流層，使熱（冷）交換加速，大大的增強(qiáng)了其傳熱效果。

但是由于流體在夾套的流速是不均勻的，未能克服流體在夾套內(nèi)中間流速大，而在邊角位置流速小的弊端，存在流動(dòng)死角，也存在傳熱的死角區(qū)，且設(shè)備越大，這種傳熱死角的情況就越嚴(yán)重。

1.必須明確蜂窩夾套工藝流程，介質(zhì)特性情況及工況要求，如果介質(zhì)粘度較大，或存在溫差和壓差變化頻繁（設(shè)備有疲勞傾向）的情況，可能就不能用蜂窩夾套的結(jié)構(gòu)形式，而采用整體夾套或半管夾套等。

2. 盡量使蜂窩夾套中進(jìn)、出管口錯(cuò)開，距離越遠(yuǎn)越好。若進(jìn)、出管口較近，最好布置分隔板。

3. 為了防止蜂窩夾套里的介質(zhì)短路，使其充分傳熱，應(yīng)在夾套介質(zhì)入口處增加擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，比如采用一圈半管結(jié)構(gòu)或方管結(jié)構(gòu)等，制作簡(jiǎn)單、方便，設(shè)計(jì)人員優(yōu)先選擇方案。

4. 為消除傳熱死角，可以設(shè)想在夾套內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流條，可以設(shè)計(jì)為橫條或豎條，但由于反復(fù)折流會(huì)增加阻力，增大流體的壓力降，降低其流速，需要設(shè)計(jì)人員綜合全面考慮。

5. 當(dāng)流體自上而下情況時(shí)，在蜂窩夾套內(nèi)可設(shè)置螺旋導(dǎo)流圓鋼條，迫使流體在夾套內(nèi)螺旋流動(dòng)，可以消除流動(dòng)死角的，提高流體的流動(dòng)速度，強(qiáng)化傳熱。但加工制作較困難，設(shè)計(jì)人員慎重選擇，雖然導(dǎo)流條和夾套及筒體之間不能完全密封，但短路流動(dòng)很有限，并無(wú)大礙。