加压过滤机加压仓补强设计的探讨

张传顺　宋宇

【摘 要】加压过滤机加压仓的工作环境具有湿度大、振动大、气压波动等特点。本文首先分析了造成加压过滤机加压仓工作环境复杂的原因以及对加压仓性能的影响，然后着重对加压仓开孔处进行了补强设计和焊接设计。实践表明，其采用的设计方法使加压仓具有很强的耐腐蚀、抗振动和气压波动的能力，保证了加压仓稳定的工作。

【关键词】加压过滤机；加压仓；补强设计

0.引言

加压过滤机是将压滤机、刮板运输机装入特制的高压容器中，利用压缩空气作为过滤动力的煤泥脱水设备。加压仓是为加压过滤机提供过滤推动力的基础设备，其能承受的压力大小直接影响到加压过滤机的工作效率。加压仓仓体上要设计高压空气的入口、过滤后高压空气的出口、煤泥水入口、煤泥的出口；以及供工作人员检修的检修口、观察的视镜等。这些开孔不仅会削弱加压仓整体的强度，还会引起应力集中造成开孔边缘局部出现较大的弯曲应力，当压力容器工作时存在振动、冲击时，这种现象更加严重。因此，在设计加压过滤机加压仓时，不仅要应用高压容器的一般设计方法，还必须对加压仓工作环境进行分析，并在此基础上充分考虑开孔补强的问题。

1.加压仓工作环境分析

加压仓内部环境是气、水共存的状态，高压空气的含水量很大，特别是在夏季，环境温度很高，加压仓内部过滤机和刮板机工作产生的热量聚集在加压仓内，煤泥水中的水蒸发加快，高压空气中水分压力已达到饱和蒸汽压。经过浮选的煤泥水含有浮选药剂，在高温作用下，一部分浮选药剂如煤油也会挥发到高压空气中。经过长时间浸泡的煤泥，其本身在水中也会发生化学反应，产生的气体也会蒸发到高压空气中。这些物质都会加快对加压仓的腐蚀作用，特别是在焊缝处，严重时会产生电化学反应。

刮板机的运动会造成加压仓在水平方向上的振动；经过脱水后的煤泥从过滤机上脱落，造成加压仓在垂直方向上的振动。根据材料力学可知，当存在振动时，材料的强度会存在不同程度的降低，在缝隙处会存在严重的应力集中。振动的存在会使与加压仓相连的接管部分产生交变的弯矩，加快材料的变形。

加压仓的工作压力一般在0.45MP左右。根据加压过滤机的工作原理以及现场应用可知，煤泥水的特性对加压仓内的压力有很大的影响。当煤泥水浓度大、粘度大、煤泥颗粒细时，加压仓内压力偏大；当煤泥水浓度小、粘度小、煤泥颗粒细时，加压仓内的压力偏小。高压容器内部气压变化频率大时，容器局部应力波动频率大，容器开孔缝隙处会受到严重的疲劳损伤。

2.加压仓整体结构设计

根据对加压仓工作环境的分析，加压仓在设计时选取的设计压力为0.8～0.9MP，腐蚀裕量为2mm，加压仓的工作温度为130℃；选取钢材为16MnR；焊接系数取0.8。

2.1筒体壁厚的设计

筒体壁选择材料为16MnR，仓体计算壁厚δ为：

δ= （1）

式中：δ为筒体计算壁厚，mm；P为设计压力，MP；σ设计温度下材料的许用应力，MPa；?为焊缝系数；D为仓体直径，mm。

筒体计算壁厚加上仓体的腐蚀裕量2mm；然后取选取大于δ+2最小的标准钢板。

2.2封头壁厚的设计

封头的材料采用16MnR，封头的计算厚度δt

δ=（2）

式中：δ为仓体计算壁厚，mm；P为设计压力，MP；D为仓体直径，mm；σ设计温度下材料的许用应力，MPa；?为焊缝系数。

封头计算壁厚加上封头的腐蚀裕量2mm；然后取选取大于 最小的标准钢板。

3.加压仓补强方法

根据压力容器开孔情况不同，开孔补强方法分为压力面积补强法、等面积补强法和分析设计补强法。压力面积补强法和等面积补强法是常规压力容器开孔补强的重要设计方法，等面积补强法的适用范围是：内径D≤1500mm时，开孔最大直径d≤D且d≤520mm；当内径D≤1500mm时，开孔最大直径d≤D且d≤1000mm；压力面积补强法适用于等面积补强法使用范围之外。分析设计补强法是针对于特定压力容器进行研究、设计时采用的方法，随着计算机软件技术的发展，利用有限元分析法对开孔处应力进行可视化分析，对补强方法进行优化设计成为压力容器设计的发展趋势。

3.1等面积补强法

等面积补强法以开孔的大平面为计算模型，壳体截面因开孔削弱了承载面积，需要在有效补强区域内需要有补强材料进行等面积补偿。其实质是壳体因开孔失去的强度需要由补强材料予以补强。因为等面积补强是以大平板为计算模型，所以随着壳体开孔直径的增大，开孔边缘要受很大的薄膜应力，甚至会产生弯曲应力，所以当开孔很大时，等面积法不适应。

根据压力容器的分类，加压仓属于一类压力容器。根据加压仓开孔的大小和压力容器补强规范，其补强设计采用等面积补强。

3.2压力面积补强法

压力面积是西德AD规范中采用的开孔补强方法，其适用范围较等面积补强大。压力面积补强法的实质是：

P≤σ （3）

式中，A：有效补强范围内压力作用面积；A：有效补强范围内壳体、接管、补强材料的截面积；P：设计压力；σ：材料许用应力。

在压力面积补强方法中，要注意结构的合理布局，避免截面积突然改变，过渡处要使用圆角过度，避免使用尖角过度。接管和壳体应用要采用全焊透结构，避免过高的焊接应力，接管的壁厚不宜超过壳体的壁厚的2倍。

4.加压仓补强结构设计

补强的结构直接影响开孔处应力的分布情况，合适的结构设计不仅能够保证高压容器稳定工作，还能节约材料，减少生产成本。现在普遍的补强结构设计有：补强圈补强、厚壁接管补强、整锻件补强。

4.1补强圈补强

补强圈补强是补强圈贴焊在壳体和接管连接处，见图（1）a；其具有结构简单，制造方便，使用经验丰富等优点。但是补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力。与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5tn、壳体名义厚度不大38mm的场合。

加压仓的高压空气入口，过滤后高压空气出口，视镜孔，检修孔，加压仓支座的补强均采用此种补强方法。经过实际使用证实此方法能够在保证加压仓稳定工作的前提下，减少设备的制造成本，缩短设备的制造时间。

4.2厚壁接管补强

厚壁接管补强是在开孔处焊上一个后壁接管见图（1）b，补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。

图1 补强结构形式

4.3整锻件补强

整锻件补强将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，见图（1）c图。其优点是补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，易探伤，质量易保证，抗疲劳性能好，疲劳寿命降低10～15%。

加压仓与密封排料仓的连接采用整体锻件补强的方法。由于排料仓闸板在打开与关闭的时候，会对加压仓与排料仓的连接处产生较大的交变的横向作用力，这样不仅在连接处产生弯矩，而且弯矩是周期性交变的。整锻件补强法很有效降低应力系数，提高了疲劳强度。

5.总结

加压仓的工作环境使加压仓缝隙、开孔处长期处于易腐蚀，易应力集中的状态。要确保加压仓安全、可靠的工作，不仅要在设计的时候对开孔处进行合适的补强设计，还应该平常对易出现损坏的焊缝、接头等进行检测，出现异常情况时必须进行全面的维修，避免发生不必要的安全事故。

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