滿液式蒸發(fā)器低溫低應(yīng)力工況下的設(shè)計(jì)探討①

范靜超

(大連冷凍機(jī)股份有限公司，遼寧大連 116033）

滿液式蒸發(fā)器低溫低應(yīng)力工況下的設(shè)計(jì)探討①

范靜超

(大連冷凍機(jī)股份有限公司，遼寧大連 116033）

在滿液式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)按設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算及應(yīng)力校核，然后在最低使用溫度 (加50℃后，應(yīng)高于－20℃）相對應(yīng)的飽和壓力下進(jìn)行低溫低應(yīng)力工況的強(qiáng)度計(jì)算及應(yīng)力校核，以確定不必遵循“低溫壓力容器”的設(shè)計(jì)參數(shù)。

蒸發(fā)器;強(qiáng)度計(jì)算;應(yīng)力校核;低溫低應(yīng)力工況

1 問題的提出

滿液式蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中。在蒸發(fā)溫度小于－20℃的低溫工況運(yùn)行時(shí)，有的用戶條件按低溫?fù)Q熱器提出。而依據(jù)TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB 150—1998《鋼制壓力容器》、GB 151—1999《管殼式換熱器》等國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和制冷行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用低溫低應(yīng)力工況下的設(shè)計(jì)，則能在保證設(shè)備合理、安全、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，便于材料采購，設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收，以達(dá)到降低成本、縮短工期、保護(hù)用戶利益，增強(qiáng)企業(yè)競爭力的目的。

2 低溫低應(yīng)力的概念

“GB 150”、 “GB 151”關(guān)于“低溫低應(yīng)力工況”的定義是:殼體或其受壓元件的設(shè)計(jì)溫度雖然低于或等于－20℃，但其環(huán)向應(yīng)力小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點(diǎn)的六分之一，且不大于50 MPa時(shí)的工況。

當(dāng)殼體或其受壓元件使用在“低溫低應(yīng)力工況”下，若其設(shè)計(jì)溫度加50℃后，高于－20℃時(shí)，不必遵循“GB 150”附錄C《低溫壓力容器》、“GB 151”附錄A《低溫管殼式換熱器》的規(guī)定。

因?yàn)樘幱诘蛻?yīng)力水平的鋼材會大大降低它的低溫脆斷傾向，而低溫低應(yīng)力工況下的低溫容器可以降低材料的允許使用溫度。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中給出的允許最低使用溫度是指容器材料 (碳素鋼和低合金鋼）工作在滿應(yīng)力狀態(tài) (即工作在設(shè)計(jì)條件下，殼體內(nèi)的總體薄膜拉伸應(yīng)力接近或等于材料許用應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)）時(shí)在該最低使用溫度下仍具有抗低溫脆斷的足夠韌性。

3 滿液式蒸發(fā)器低溫低應(yīng)力工況分析

以一臺氨滿液式蒸發(fā)器為例，內(nèi)徑Di=1000mm，冷卻水進(jìn)水－40℃，冷卻水出水－35℃，焊接接頭系數(shù)Φ=0.85，容器類別Ⅱ，換熱管Φ25× 2.5×5000，材料10號鋼，分析它在低溫低應(yīng)力工況下，不必遵循“低溫壓力容器”的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 主要受壓元件材料的選取

滿足低溫低應(yīng)力工況的鋼材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值應(yīng)小于540 MPa。依據(jù)TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》壓力容器專用鋼中對碳素鋼和低合金鋼其磷、硫含量的要求，P≤0.030%、S≤0.020%，考慮材料的安全性、經(jīng)濟(jì)性，主要受壓元件材料選用Q245R(板材）。

3.2 殼程圓筒強(qiáng)度計(jì)算、應(yīng)力校核

3.2.1 殼程圓筒設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度下的強(qiáng)度計(jì)算、應(yīng)力校核

殼側(cè)介質(zhì)R717，設(shè)計(jì)壓力Pc=1.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度t=43℃，工作壓力1.4 MPa，工作溫度38℃;Q245R(板材）:試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 ［σ］ = 148 MPa，設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 ［σ］t=147.71 MPa，試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)σs=245 MPa，鋼板負(fù)偏差C1= 0.3 mm，腐蝕裕量C2=0.6 mm。

筒體名義厚度8 mm大于或等于“GB 151”中規(guī)定的最小厚度7.60 mm

結(jié)論:合格

3.2.2 殼程圓筒最低使用溫度及相應(yīng)飽和壓力下的強(qiáng)度計(jì)算、應(yīng)力校核

殼程側(cè)根據(jù)介質(zhì) R717特性，最低使用溫度－40℃(加50℃后，高于－20℃）時(shí)的飽和壓力為0.071 MPa。

此時(shí)滿足最低使用溫度下的圓筒計(jì)算厚度

結(jié)論:合格

3.2.3 分析總結(jié)

殼程介質(zhì)為R717，設(shè)計(jì)壓力Pc=1.6 MPa，取設(shè)計(jì)溫度43℃和最低使用溫度－40℃(加50℃后，高于－20℃）為溫度驗(yàn)算點(diǎn)，進(jìn)行內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度計(jì)算及應(yīng)力校核。因?yàn)樵O(shè)計(jì)溫度下的圓筒名義厚度取8 mm，在其最低使用溫度及飽和壓力下的圓筒名義厚度取8 mm時(shí)，(σt=5.04 MPa）＜(1/6σs= 40.83 MPa）且不大于50 MPa，“GB151”規(guī)定筒體名義最小厚度7.6 mm。則同時(shí)滿足前三項(xiàng)的圓筒名義厚度取8 mm的Q245R鋼板，滿足不必遵循“低溫壓力容器”的設(shè)計(jì)規(guī)定。

3.3 管程圓筒強(qiáng)度計(jì)算、應(yīng)力校核

3.3.1 管程圓筒設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度下的強(qiáng)度計(jì)算、應(yīng)力校核

管程介質(zhì)鹽水，設(shè)計(jì)壓力Pc=1 MPa，設(shè)計(jì)溫度10℃(－40℃加50℃的調(diào)整后溫度），Q245R(板材）:試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力［σ］=148 MPa;設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力［σ］t=148 MPa，試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)σs=245 MPa;鋼板負(fù)偏差C1=0.3 mm;腐蝕裕量C2=1。

筒體名義厚度大于或等于“GB 151”中規(guī)定的最小厚度8 mm

結(jié)論:合格

3.3.2 管程圓筒最低使用溫度及相應(yīng)壓力下的強(qiáng)度計(jì)算、應(yīng)力校核

管程鹽水在最低使用溫度－40℃時(shí)(加50℃后，高于－20℃），壓力不變(Pc=1 MPa）。

此時(shí)滿足最低使用溫度下的圓筒計(jì)算厚度

當(dāng)圓筒名義厚度取8mm:

筒體名義厚度14 mm大于或等于“GB 151”中規(guī)定的最小厚度8 mm。

結(jié)論:合格

3.3.3 分析總結(jié)

管程介質(zhì)為鹽水，設(shè)計(jì)壓力Pc=1 MPa，設(shè)計(jì)溫度10℃，最低使用溫度－40℃(加50℃后，高于－20℃），溫度變化，壓力不變，進(jìn)行內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度計(jì)算及應(yīng)力校核。因?yàn)樵O(shè)計(jì)溫度下的圓筒名義厚度為8 mm，在其最低使用溫度、壓力下圓筒名義厚度取14 mm時(shí)，(σt=39.87 MPa）＜ (1/6σs= 40.83 MPa）且不大于50 MPa，“GB 151”規(guī)定筒體名義最小厚度8 mm。則同時(shí)滿足前三項(xiàng)的圓筒名義厚度取14 mm時(shí)的Q245R鋼板，才能滿足不必遵循“低溫壓力容器”的設(shè)計(jì)規(guī)定。

4 結(jié)束語

蒸發(fā)器為換熱設(shè)備，本文對它的管程、殼程圓筒分別進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和應(yīng)力校核，確定了它滿足低溫低應(yīng)力工況的設(shè)計(jì)條件為:(1）鋼材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值小于540 MPa;(2）計(jì)算同時(shí)滿足設(shè)計(jì)溫度和最低使用溫度下的材料厚度，校核其環(huán)向應(yīng)力應(yīng)小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點(diǎn)的六分之一，且不大于50 MPa;(3）換熱器筒體名義厚度應(yīng)大于或等于“GB 151”中規(guī)定的最小厚度;對于滿足低溫低應(yīng)力工況下的容器，還必須同時(shí)滿足最低使用溫度加50℃后，高于－20℃的條件，才能按“常溫壓力容器”考慮選材、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收。

理論上制冷劑氨在至－69℃(調(diào)整為－69℃+50℃，即－19℃）的低溫時(shí)，溫度下降壓力明顯降低，經(jīng)計(jì)算校核合格后，仍可按“常溫壓力容器”設(shè)計(jì)。而鹽水、CO2等載冷劑側(cè)，溫度降低壓力無下降或無顯著下降，使得鋼板在較高的厚度時(shí)才能滿足“常溫壓力容器”設(shè)計(jì)要求，甚至按“低溫壓力容器”設(shè)計(jì)。

總之，某些介質(zhì)的壓力和溫度總是成對出現(xiàn)的。應(yīng)按設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算及應(yīng)力校核，然后在最低使用溫度(加50℃后，應(yīng)高于－20℃）相對應(yīng)的(飽和）壓力下進(jìn)行低溫低應(yīng)力工況的強(qiáng)度計(jì)算及應(yīng)力校核，以確定不必遵循“低溫壓力容器”的設(shè)計(jì)參數(shù)。

Discussion About Design For Flooded Evaporator Under Low Tem perature Combined W ith Low Stress

FAN Jingchao
(Dalian Refrigeration Co．，Ltd．，Dalian 116033，China）

During the process of the design for flooded evaporator，it should be calculated for strength and stress by design temperature and pressure at first，then it should be executed by the saturated pressure corresponding to the lowest application temperature(which add 50℃ should be greater than－20℃），so that the design parameters can be confirmed which don't complied with low temperature vessel．

evaporator;strength calculation;stress check;low temperature combined with low stress

TU831.4

A

1007-7804(2012）01-0010-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.01.003

2011-11-23

范靜超，女，大學(xué)本科，1987年畢業(yè)于大連工學(xué)院夜大機(jī)械工程專業(yè)，畢業(yè)后一直從事制冷壓力容器的設(shè)計(jì)工作。