第16 卷第5 期 聚 酯 工 业 VOi. 16 NO. 5 2003-10 pOiyester Industry Oct. 2003 熔体过滤器的机械设计及分析 郑宝山，王保明 （中国纺织工业设计院，北京 100037 ） 摘要：对熔体过滤器的滤室壳体、加热夹套及机架进行机械分析和设计。滤室上端盖采用有限元软件ANSYS 进行应力分 析，用强制式密封的平垫圈密封，与三通阀的熔体接口设计成卡箍式密封，采用多层包扎焊接型式的筒节等。与其他部件配 套后，不仅用于聚酯熔体，还可为其他高黏液体过滤。 关键词：聚酯；熔体过滤器；机械设计 中图分类号：TO323 . 4 1；TO340 . 615 . 1 文献标识码：A 文章编号：1008-8261（2003 ）05-0023 - 04 周期及较长的常规使用的寿命。滤室壳体、加热夹套的设 0 概述 计参数见图1。 熔体过滤器是聚酯装置中的重要设备之一，它 大多数都用在过滤熔体中的固体杂质如凝胶及其他固体 残余物，以保证熔体质量。其结构既要能确保熔 体流在温度、压力、流量无显著变化（指对工艺稳定 不发生影响）的情况下实现连续切换，并且要满 足高温（约300 C ）、高压（约20 Mpa ）操作工况下 的正常生产的需要。 早先的聚酯装置均采用进口的熔体过滤器。我 院在工程承包中，为降低成本，提高竞争力，提高 国产化率，与日本某公司合作，共同研制开发了部分 国产的熔体过滤器。熔体过滤器由3 部分构成：滤 室壳体部件（2 件）、加热夹套（2 件）及机架（1 件）； 滤芯组件（2 组）；三通切换阀（2 件）。我院负责滤 室壳体、加热夹套及机架的设计及制造，日方负责滤 图1 滤室部件简图 芯组件和三通切换阀设计和制造，接着进行产品的 Fig. 1 Filter chamber parts diagram 最终总装。以下仅就熔体过滤器的滤室壳体部件、 1. 2 滤室的设计 加热夹套及机架的结构可以进行简单的剖析。 如图1 所示，熔体过滤器滤室其实就是一台高 1 设计及分析 温工况下的高压容器，为了适应工况条件，降低峰值 应力，应避免局部结构不连续性，各处拐角均应圆滑 1. 1 总体结构设计 过渡。同时为了能够更好的保证熔体的质量，便于清洗，滤室部 聚酯的生产的基本工艺决定了熔体过滤器应具备下列 件的内表面均要求表面抛光处理。为了拆卸的方 特性：双腔滤室、双腔夹套，接内连换向三通阀，保证 便，在上端盖和筒体的适当位置设计了吊装螺栓孔。 连续操作，切换灵活方便；夹套对滤室的加热效果 由于滤芯组件在国外设计制造，为了使滤室部件出 好，并且要保证过滤器清洗时拆装容易，省时省 厂前的预组装和压力试验的顺利进行，特别设计了 力；切换时熔体输送平稳（最小压力波动），保证后 一个滤芯组件的临时替代品———假环，以保证滤室 序工艺（切粒、纺丝）的正常进行；过滤材质、精度及 部件的组装及密封的实施。 面积与熔体过滤器的设计参数相匹配，过滤单元的 1. 2 . 1 材料选择 设计和结构能使流量分配均匀，保证较合理的切换 为保证熔体的洁净，熔体过滤器与熔体接触的 收稿日期：2003-06-04 ；修回日期：2003-08-12 。 作者简介：郑宝山（1972- ），男，河北邯郸人，工程师，从事化工设备设计开发工作。 24 聚 酯 工 业 第16 卷 滤室内壁要采取不锈钢材料制造，同时由于温度和 B 处截面，须对上述2 处截面进行强度评定。 压力较高决定了滤室的壁厚会较厚。国产化之前， 国外公司一般都会采用整体锻件、全不锈钢的结构。我 们经过充分的调研、论证，最后决定上下端盖采用低 合金钢锻件堆焊不锈钢，筒体部分采用低合金钢层 板包扎，内衬不锈钢的结构型式。这样虽然增加了 制造的难度，但降低了材料成本，还可以充分地利用 低合金钢的强度，进一步减薄壁厚，降低了整体费 图2 上端盖等效应力图 用。 Fig. 2 Eguivalent stress diagram of upper end head 1. 2 . 2 上端盖的设计 高压容器的端盖绝大部分采用平盖封头，其原 1. 2 . 2 . 5 强度评定 因一是受加工设施的限制（制造壁厚较大的凸形封 根据有限元计算结果，沿 A 、B 点各取一条路 头需用大型水压机），而且在直径不太大的情况下 径，将沿路径分布的应力分解到分析点，得到分析点 平盖封头比凸形封头的壁厚增加不太多；另一方面 的应力强度值。依据JB4732 《钢制能承受压力的容器—分析 高压容器的端盖如采用凸形的，需要较宽较厚的连 设计标准》对应力进行分类并得到各类应力的控制 接法兰，会增加制造的成本和困难。 值，最后进行应力强度评定。 熔体过滤器滤室的上端盖属于高压容器端盖， 1. 2 . 3 密封的设计 内部横向开孔，螺栓连接，依靠一般的解析方法及普 高压密封是高压容器中除容器本体以外的另一 通计算软件想精确地确定其应力分布的应力场是不 重要组成部分。它的结构是不是完善不但影响到整个 可能的，为了能够更好的保证结构的安全性、合理性，我们采用 容器的结构、质量和制造成本，而且关系到容器投产 了国际流行的通用有限元软件ANSYS 对顶盖结构 后能否正常运行。通过对各种高压密封结构优缺点 进行了全面的应力分析。 的综合分析以及根据以往的使用经验。滤室的密封 1. 2 . 2 . 1 力学模型建立 结构设计为强制式密封的平垫圈密封，类似于榫槽 根据上端盖的结构特点，对它进行简化，建立力 密封的一种密封结构（如图3 所示）。这种密封型 学模型。由于上端盖模型从结构到受载都是轴对称 式结构最简单，密封比较可靠，拆卸相对方便，但 的，所以取整个结构的1/ 2 进行有限元分析。 由于需要较大的螺栓紧固力，所以导致连接螺栓和 ［1，2 ］ 根据GB150 及JB4732 标准 ，材料在设计温 上端盖的尺寸都较大。考虑到工作所承受的压力和温度都较 度下的弹性模量为1. 79 X 105 Mpa ，许用应力强度为 高，并与熔体有接触，垫片采用了不锈钢石墨缠绕 !t = 124 Mpa ；试验温度下的弹性模量为2 . 05 X 105 m 垫，每次拆卸后，要换掉新的垫片。 Mpa ，许用应力强度!t = 173 Mpa 。 滤室部件与夹套三通阀的熔体接口的密封则设 m 1. 2 . 2 . 2 单元选择 计成与八角形截面垫圈密封原理相近的卡箍式密 采用ANSYS 有限元分析软件提供的10 节点实 封，如图4 所示。这种密封只需要4 根螺栓，拆卸和 体单元进行网格划分。 安装都较为方便，结构相对比较简单，容易清理，密封面为锥 1. 2 . 2 . 3 边界条件 面，密封比较可靠，而且密封环为金属合金，可以多 位移边界条件：与滤室筒体连接的密封面处， 次反复使用。 = 0 ；XOZ 平面，# = 0 ；同时对螺栓孔进行约束。 ! ! 力边界条件：工况一（设计工况）设备内压$i = 22 Mpa ，温度330 C ；工况二（压力试验）设备内压$i = 33 Mpa ，温度20 C 。 1. 2 . 2 . 4 应力分析 分别对2 种工况进行应力分析，为简明起见本文 仅以工况一为例进行简单说明。上端盖在工况一下 的等效应力、应力变形分别如图2 所示。从应力分布 情况能够准确的看出上端盖的危险截面有2 处：端盖的最大 图3 密封结构简图 跨中应力最大点A 处截面和密封面处的最大应力点 Fig. 3 Sealed structure diagram 第S 期 郑宝山，等：熔体过滤器的机械设计及分析 2S 高压容器工作所承受的压力较高，壁厚都比较厚，所以它 的制造要比中、低压容器困难一些。在设计时就要 更多地考虑到设计结构在制造时的可实施性，尽量 降低加工的难度。 比较各种结构的优缺点，针对熔体过滤器的具 体情况决定采用多层包扎焊接型式的筒节，如图6 所示。与其他结构型式相比，多层包扎焊接型式具 有如下特点［S ］：能够最终靠制造工艺过程在层板间产 生预应力，以使壳壁上的应力沿厚度分布较均匀；壳 体材料能够获得较充分的利用，所以壁厚可以稍薄； 如果介质有特别的条件，能够使用不同材料的合金钢 做内筒，用碳钢或低合金钢做层板，能充分的发挥不同 材料的长处，缺陷一般不易扩展到其他各层；由于层 板使用的是薄板，有较好的抗脆裂性，所以脆性破坏 图4 卡箍式密封结构简图 的可能性较小；不需要大型锻压设备；它的缺点是每 Fig. 4 Clipper hoop sealed structure diagram 段筒节深而窄的环焊缝不易热处理，易产生焊接 缺陷。由于本设备长度较短，所以环焊缝较少，同时 1. 2 . 4 紧固件的设计 我们大家可以通过制造工艺对环焊缝的质量加以控制。 滤室部件上紧固件的设计属于常规设计，按照 多层包扎焊接筒节的计算、结构设计按照 GBISO《钢制能承受压力的容器》的相关章节进行。经计算得 GBISO 的相关规定进行。为了及时有效地发现筒体上的缺 出，上端盖与筒体 的连接共需 2I 根材质为 陷，防止缺陷继续扩大，在气温变化时能将各层间隙 内的空气及时导出，应在不同位置设置不一样深度的 SSCPMOA ，公称直径64 mm 的主螺栓；相应的螺母采 泄漏孔和透气孔，如图7 所示。 用SOCPMOA 。这里螺栓根数不是4 的整倍数主要是 上端盖的结构所致。 考虑到强制式密封圈密封需要较大的螺栓预紧 力，主螺栓直径又较大，根据以往经验主螺栓的紧固 与拆卸比较费力，而且真实的操作时工况温度比较高，装 卸比较频繁。为降低工人的劳动强度，设计了专用 于紧固和拆卸主螺栓的液压拉伸装置。这种拉伸装 置将液压头拧在主螺栓上，然后用液压泵打到一定 压力，使主螺栓受拉产生少量的弹性变形、直径变 细，这时用小内六角扳手就可以将螺母拧紧或松开， 图5 筒体结构简图 可以较轻松完成组装或拆卸。 Fig. 5 Structure diagram of cylinder 1. 2 . 5 筒体的设计 1. 2 . 5 . 1 上法兰与下封头的设计 如图S 所示的滤室筒体上法兰和下封头均采用 了低合金钢锻件内壁堆焊不锈钢的结构，这种结构 既可充分的利用低合金钢的较高强度，减少耗材，又可 以保证工艺生产的要求，降低了成本。 上法兰的设计属于常规范畴，按照GBISO 的相 关章节进行计算和设计。 下封头直径比较小，采用平盖封头的耗材比用 凸形封头增加不太多；而且采用平盖封头无需大型 液压机，降低了对大型加工设施的需求，能够更好的降低加 图6 包扎筒节结构简图 工难度、减少加工费用，比较经济合理。它的计算和 Fig. 6 Structure diagram of bunding cylinder joint 设计按照GBISO 的相关规定进行。 1. 3 加热夹套的设计 1. 2 . 5 . 2 包扎筒节的设计 由于熔体过滤器的滤芯组件要经常拆卸进行清 26 聚 酯 工 业 第16 卷 夹套的壳体的设计计算、开孔结构设计、耳座设计、 底板及环板的设计计算等均属常规范畴，均按相关 规范和标准做。其中夹套壳体的内筒按外压容器 设计，外筒按内压容器设计。底板和环板则按平盖 设计。 1. 4 机架的设计 图9 机架主视及侧视图 Fig. 9 Front and lateral View of machine frame 如图9 所示的机架要承受熔体过滤器和工作介 质的的全部重力。由于熔体过滤器属于容器类静设 备，没有动载荷，所以机架只需考虑整台过滤器的最 大工作载荷。由于熔体过滤器的其他部件都要在机 架上进行组对，所以它要有较好的刚性，与普通钢架 相比加工精度要求比较高。采用碳钢材质的H 型钢 进行制造。其计算和设计按照材料力学的相关联的内容 ［4 ］ 进行 。 2 总结 洗，所以加热夹套与滤室采用了分体的结构。加热 夹套在提供熔体过滤所必须的正常工作时候的温度的同 我院与日方合作设计制造的熔体过滤器不仅可 时，还起到支承滤室部件的作用，如图8 所示。 用于聚酯工业的熔体过滤，还能够完全满足人造纤维、薄 1. 3. 1 结构设计 膜、塑料等多种生产介质为高黏度液体，在高温、高 夹套设计成“T ”形结构，便于滤室的吊装和支 压工况条件下进行生产的过滤要求，拥有非常良好的应 承，夹套本身则采用耳座型式落在机架上。为了改善 用前景。 加热效果，使过滤器滤室受热更加均匀，在夹套内部 目前该种设备已在多套聚酯装置中投入到正常的使用中， 设计了折流板，使得热媒的传热效果更加理想。由于 效果良好，完全满足工艺生产的需要。实践证明这 熔体过滤器为双联式， 种型式的过滤器结构是合理的，有较好的适应能力， 2 个滤室的熔体进出口必须同 时与三通阀的接口连接，这就要求加工满足公差要求 可在工程上推广使用。 的同时，在结构上也要有滤室相对位置能调节的手 熔体过滤器机械设计要考虑的内容很多，本文 段。为此在每个夹套上都设计了4 个调节螺栓，滤室 仅对其中的部分内容做了总结，有许多方面还需 装入夹套后，可以用调节螺栓前后左右4 个方向调整 加强完善和提高。 滤室的位置，位置合适后连接工艺进出口。 参考文献： 1. 3. 2 材料选择 夹套的介质是热媒，基本上没有腐蚀性，可以用 ［1 ］ GB 150-1998 ，钢制能承受压力的容器［S ］. ［2 ］ JB 4732-95 ，钢制能承受压力的容器-分析设计标准［S ］. 普通低合金钢板制造。 ［3 ］ 吴奥桑. 压力容器安全技术［M ］. 北京：化学工业出版社， 1993 . ［4 ］ 成大先. 机械设计手册［M ］. 北京：化学工业出版社，2002 . （下转第51 页） 第5 期 刘梅堂，等：双色效应差别化涤纶长丝的开发 51 出版社，1995. 参考文献：

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  《GB/T 6675.14-2025玩具安全第14部分：指画颜料要求和测试方法》.pdf

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  中国国家标准 GB/T 33772.3-2025质量评定体系第3部分：印制板及层压板最终产品检验及过程监督用抽样方案的选择和使用.pdf

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  【课件】《重大火灾隐患判定规则GB35181-2025》深度解读.pdf

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