高壓U形管式換熱器的管箱設(shè)計(jì)探討

楊東升 崔建波 張秀艷

鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司 寧波 315042

1 設(shè)備概述

某裝置中有一臺高壓U形管式換熱器，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 U形管式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

本設(shè)備管程介質(zhì)中含少量甲酸(約0.1%)，因此管箱內(nèi)部需堆焊316L不銹鋼做耐蝕層，若采用夾持管板(GB151中的a型管板)，不但需要一對法蘭，而且法蘭軸向長度加上管箱筒體設(shè)置物料進(jìn)出口所必須的長度，將超過700mm，而設(shè)備內(nèi)徑僅為Φ304mm。

經(jīng)過方案比較，本設(shè)計(jì)采用圖1的焊接管板(GB151中b型管板)和平蓋封頭的型式，焊接管板直接與管箱法蘭小端焊接，將所有管程開孔均移至平蓋上，這樣雖然管板厚度較大，但縮短了管箱的軸向長度，便于檢修換熱管與管板的接頭，同時(shí)有利于保證分程隔板與管箱的焊接質(zhì)量，也節(jié)省了管箱段的鍛件用量。

由于管程物料有微毒性，設(shè)計(jì)上應(yīng)采用可靠的密封型式，Ω環(huán)密封可以實(shí)現(xiàn)零泄漏，而且，加工比較簡單。通常在換熱器上應(yīng)用的Ω環(huán)密封，在分程隔板的密封上采用了C形彈性密封結(jié)構(gòu)，見圖2。這種密封依靠C形管的回彈實(shí)現(xiàn)了分程隔

圖1 管箱結(jié)構(gòu)

板與管板或平蓋間的密封，但在法蘭與平蓋連接處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)而無法實(shí)現(xiàn)有效的密封，造成這里的介質(zhì)短路，影響了換熱器的效果。

圖2 C型彈性密封結(jié)構(gòu)

本設(shè)備的設(shè)計(jì)采用了波齒復(fù)合墊與Ω環(huán)的組合式密封，波齒復(fù)合墊為兩管程管箱墊片型式，骨架材料為022Cr17Ni12Mo2，填充材料為柔性石墨。按GB/T19066.1制作。墊片寬度為30mm，隔板處墊片寬度為14mm，見圖3。使用波齒復(fù)合墊密封雖然增大了法蘭及平蓋的計(jì)算力矩，引起尺寸增加，但這種結(jié)構(gòu)可以避免管程間的泄漏。而且，這種組合結(jié)構(gòu)可以克服使用Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)在液壓試驗(yàn)和操作過程中殘存的積液無法排除的缺點(diǎn)。

圖3 管箱墊片

2 管板的計(jì)算

管板在管程壓力Pt作用下，其直徑斷面將按圖4虛線所示方向變形，由于管板與管箱和殼體直接焊接(本例管箱筒體為法蘭)，其變形受到法蘭的約束，同時(shí)受到殼程筒體的約束。即存在彎矩M的支承作用，使管板的受力狀態(tài)為Pt作用下(受管孔開孔削弱及周邊彈性支承)的圓平板。這是U形管式換熱器b型管板與a型管板受力狀態(tài)的區(qū)別。

圖4 管板約束示意

在周邊簡支狀態(tài)下，管板周邊徑向應(yīng)力為零，管板的最大應(yīng)力發(fā)生在管板中心，計(jì)算式為：

(1)

式中，P為管板計(jì)算壓力，本例取18.9MPa；D為管板當(dāng)量直徑，本例取其與法蘭連接部位中性面直徑350.5mm；μ為強(qiáng)度削弱系數(shù)，按GB151規(guī)定，取0.4；δ為管板有效厚度，本例取97mm。

由于換熱器管板為軸對稱結(jié)構(gòu)，周邊約束為均布力矩。圓平板在該力矩作用下，處處產(chǎn)生相等的徑向和環(huán)向彎曲應(yīng)力。該彎曲應(yīng)力與Pt產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力疊加的結(jié)果是：除非周邊約束使得管板邊界條件接近于固支，一般情況下，管板最大應(yīng)力仍在中心處，但其值較純周邊簡支時(shí)的最大應(yīng)力要小，此即b型管板較a型管板薄的原因。

由于管箱法蘭對管板施加了均布彎矩，法蘭也必然受到相等彎矩的反作用，因此在校核管箱法蘭時(shí)，必須考慮該彎矩的反作用，下面求解這一彎矩的大小。本例中殼程筒體較薄(采用規(guī)格為Φ325×10的無縫管)，在與管箱筒體對管板的聯(lián)合約束中作用較小。本例計(jì)算中殼程筒體和管箱圓筒分別與管板的旋轉(zhuǎn)剛度值之比，前者僅為后者的1/15，因此假定殼程筒體對管板的約束均由管箱筒體提供，即對法蘭所受彎矩?cái)?shù)值略作放大，對法蘭的核算結(jié)果是偏安全的。忽略與管板固定相連的管箱或殼體對管板的約束(支承)作用在ASME Ⅷ-1中也有考慮，按UHX-12.6中提供的思路，將使管板的計(jì)算厚度增大，但同時(shí)可以免除對與管板相連的殼體產(chǎn)生的附加軸向彎曲應(yīng)力的校核，而管板對與其固定相連的管箱或殼體的附加軸向彎曲應(yīng)力是GB151所沒有考慮的。

周邊彈性支承的圓平板，可將計(jì)算載荷分解為兩部分，一是在周邊簡支的圓平板上，最大彎曲應(yīng)力在中心；二是在受周邊均布支承彎矩作用的圓平板上，彎曲應(yīng)力處處相等。由于兩者符號相反，管板對法蘭所施加的彎矩?cái)?shù)值，可通過求取管板因該彎矩的作用，而使最大應(yīng)力σmax得以減小的數(shù)值(絕對值)，此值即為該彎矩單獨(dú)作用在管板上時(shí)，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，進(jìn)而可以求得這一彎矩的大小。計(jì)算式為：

(2)

根據(jù)圓平板上作用的均布彎矩與彎曲應(yīng)力的關(guān)系，可由應(yīng)力計(jì)算彎矩：

(3)

式中，δ為管板有效厚度，本例取97mm；μ為強(qiáng)度削弱系數(shù)，取0.4。

此值為管板圓周單位長度上的彎矩值，乘以圓周長度后，求得管板施加在法蘭上的彎矩值為5.69×107N·mm，其方向與法蘭所承受的彎矩方向相同，在校核法蘭各項(xiàng)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)計(jì)入此彎矩。校核法蘭的各向應(yīng)力可用SW6計(jì)算軟件。

3 管箱平蓋的計(jì)算

本例中管箱封頭為一個(gè)平蓋，由于其固定方法為螺栓連接，可按GB150中的平封頭計(jì)算。由于其作為管箱的平蓋，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，在管箱內(nèi)有隔板時(shí)，必須保證平蓋的剛度要求，中心點(diǎn)的撓度控制在0.75mm之內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，本例平蓋的最大計(jì)算厚度不取決于中心點(diǎn)撓度控制，而是取決于操作工況下的平蓋厚度計(jì)算。此時(shí)，平蓋的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K為0.81。

由于平蓋上設(shè)有管程物料進(jìn)出口，設(shè)備直徑很小，如果采用外加補(bǔ)強(qiáng)元件來補(bǔ)平蓋開孔的彎曲強(qiáng)度，勢必造成厚壁管之間的距離很近，熱影響區(qū)重疊，影響強(qiáng)度。因此，平蓋的開孔補(bǔ)強(qiáng)采用加厚平蓋的方法計(jì)算。開孔接管采用安放式結(jié)構(gòu)，見圖5。內(nèi)孔在接管焊接完畢后鏜孔至設(shè)計(jì)尺寸，這樣不但內(nèi)壁齊整，而且可以消除焊根部位的焊接缺陷，保證接管焊接質(zhì)量。

圖5 安放式開孔結(jié)構(gòu)

GB150中螺栓連接的平蓋計(jì)算是基于受均勻壓力作用，平蓋結(jié)構(gòu)見圖6。邊界條件為周邊簡支+均布彎矩作用的圓平板的模型計(jì)算，該模型的前提是彈性理論的小撓度薄板進(jìn)行推倒計(jì)算。薄板的模型是假定厚度與直徑之比δ/D值小于1/5，當(dāng)不符合這一條件時(shí)，不僅要考慮在平蓋中彎曲應(yīng)力，還要考慮剪應(yīng)力，因此要計(jì)算其中心處最大應(yīng)力的同時(shí)，還應(yīng)校核其最薄弱截面的剪應(yīng)力，并校核該剪應(yīng)力與此處彎曲應(yīng)力組合時(shí)的當(dāng)量應(yīng)力。

圖6 平蓋結(jié)構(gòu)

該危險(xiǎn)截面在螺栓中心圓與墊片作用圓之間的周向平面上，該處總剪應(yīng)力為全部介質(zhì)壓力和全部墊片力之和τ，所受的彎曲應(yīng)力為螺栓力在該截面上產(chǎn)生的彎矩在內(nèi)外表面上產(chǎn)生的應(yīng)力和，其當(dāng)量應(yīng)力為：

(4)

式中，σm為危險(xiǎn)截面最大彎曲應(yīng)力，本例中為51.4MPa；τ為危險(xiǎn)截面剪應(yīng)力，本例中為21.3MPa；σO為危險(xiǎn)截面當(dāng)量應(yīng)力，本例中為63.3MPa，使其控制在σO≤70[σ]′=80.4MPa。

工程上為簡便起見，仍采用GB150的方法計(jì)算高壓容器的厚平蓋，相當(dāng)于近似地用薄板理論進(jìn)行處理，并取一定的安全系數(shù)來保證平蓋的強(qiáng)度，按這種方式計(jì)算出的平蓋厚度再來校核危險(xiǎn)截面的當(dāng)量應(yīng)力。

4 結(jié)語

通過對設(shè)計(jì)實(shí)例的分析，探討了當(dāng)應(yīng)用b型管板時(shí)，應(yīng)考慮管板對與其直接焊接的筒體(或法蘭、筒體端部)的作用。對小直徑高壓U形管式換熱器，當(dāng)筒體厚度超過換熱器內(nèi)徑10%造成ω′或ω″超界時(shí)的計(jì)算具有參考意義。對于小直徑的高壓容器應(yīng)用平蓋(或管板時(shí))，且δ/D值大于1/5時(shí)，不但要計(jì)算最大彎曲應(yīng)力，還應(yīng)校核最大剪應(yīng)力及最大剪應(yīng)力發(fā)生處該剪應(yīng)力與此處彎曲應(yīng)力組合作用的當(dāng)量應(yīng)力，且其值應(yīng)≤0.7[σ]t。

參 考 文 獻(xiàn)

1 GB 150-2011，壓力容器[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版,2012.3.

2 GB 151-1998,管殼式換熱器[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版,1998.

3 壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].新華出版社出版,2005.

4 化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書-高壓容器[M].化學(xué)工業(yè)出版社出版,2003.

5 李建國編著. 壓力容器設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)及其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社出版,2005.