高壓U形管式換熱器管箱設(shè)計

劉明強（承德江鉆石油機械有限責任公司，河北 承德 067000）

對于高壓管箱的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)上必須保證強度的可靠性和密封的嚴密性。使管箱在確定壓力及其他載荷作用下，不導(dǎo)致破壞或過量塑性變形，就必須對各受力元件做詳細的分析；為了保證密封的嚴密性，使管箱在操作時不產(chǎn)生泄露，就必須慎重確定密封結(jié)構(gòu)及相關(guān)零部件尺寸。

1 設(shè)計方案

1.1 管箱密封結(jié)構(gòu)選取

平封頭在壓力容器中使用廣泛，特別用于壓力較高直徑較小的高壓容器。其密封結(jié)構(gòu)有：金屬平墊密封、雙錐密封、八角墊和橢圓墊密封、卡箍緊固結(jié)構(gòu)密封等。其中雙錐密封的使用范圍：設(shè)計溫度0-400℃；設(shè)計壓力：6.4-35 MPa；內(nèi)直徑400-3200mm。本設(shè)備設(shè)計參數(shù)與此條件吻合，因此本設(shè)備管箱密封采用雙錐密封。

雙錐密封設(shè)計主要根據(jù)在預(yù)緊狀態(tài)主螺栓載荷Wa和操作狀態(tài)主螺栓載荷的Wp，為主螺栓的設(shè)計提供依據(jù)，并根據(jù)主螺栓載荷，為和密封結(jié)構(gòu)相關(guān)的零部件的設(shè)計提供依據(jù)。

1.2 主螺栓設(shè)計

雙錐環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸按下式計算：

式中雙錐環(huán)中點處的彎曲應(yīng)力σm＝50MPa-100MPa

另外也可根據(jù)GB150.3-2011附錄C.6雙錐環(huán)的系列結(jié)構(gòu)尺寸選取設(shè)計壓力35 Mpa系列，其中考慮到管板與殼程法蘭的連接尺寸以及設(shè)備的經(jīng)濟合理，制造維修方便等原因，選取封口內(nèi)徑Di=800mm，A=76mm，B=31mm，C=38mm，D1=760mm，α=30°。

預(yù)緊狀態(tài)時，在螺栓預(yù)緊力的作用下，平封頭有趨勢向筒體端部靠攏，即向下移動，因而除在雙錐環(huán)錐面上引起的正壓力G0外，在上下錐面上還分別作用向下、向上平行于錐面的摩擦力F=G0tanr，r為金屬軟墊片的材料和平封頭或筒體端部材料之間的摩擦角。正壓力G0的大小應(yīng)使錐面上達到足夠的、該金屬軟墊片材料的預(yù)緊密封比壓y值。作用在錐面上的正壓力G0和摩擦力F的合力為Q0,Q0的軸向分量即為主螺栓所加的預(yù)緊載荷Qa。

由于高壓容器的主螺栓、螺母承受容器頂蓋的軸向力和密封力，負荷很大。為了使每個螺栓的螺紋所分擔的載荷盡可能的均勻并降低應(yīng)力集中，因而取螺栓的數(shù)量為偶數(shù)（一般為4的倍數(shù)）。螺栓的數(shù)值n一般先假設(shè)，如果選用的n值多，則墊片承壓均勻，有利于密封，所需要的螺栓直徑也越??；但是n值過多，導(dǎo)致螺栓間距減小，上緊裝置空間不夠。根據(jù)已確定的設(shè)備內(nèi)徑調(diào)整取值，這里選n=16,再根據(jù)主螺栓的最小直徑的計算公式，求得主螺栓的最小直徑。

1.3 筒體端部法蘭設(shè)計

雙錐墊密封采用針對受軸向載荷（包括偏心載荷）的端部法蘭的強度計算方法3/4巴赫法，即把端部法蘭沿縱向剖開，所受的軸向載荷在縱向剖面構(gòu)成彎矩，引起沿端部法蘭軸向分布的彎曲應(yīng)力，將此彎曲應(yīng)力限制在材料的許用應(yīng)力以下。

1.4 平封頭設(shè)計

用于高壓的平封頭，其δ D比值一般超過了0.2，不能按照平板理論導(dǎo)出的結(jié)果進行分析。目前對于雙錐密封的平蓋，采用彈性理論的小撓度薄板進行推導(dǎo)的計算方法，以最大彎曲應(yīng)力為失效條件來計算平蓋厚度，并根據(jù)材料力學，將平蓋簡化為以直徑斷面為截面的方法，對平蓋縱向斷面的彎曲應(yīng)力及薄弱周向截面的彎曲和剪切應(yīng)力進行校核，俗稱Bach法。

預(yù)緊狀態(tài)時的計算厚度和操作狀態(tài)時的計算厚度取最大值，加上腐蝕裕量，得到設(shè)計厚度，圓整后得到平封頭的名義厚度，然后根據(jù)雙錐結(jié)構(gòu)的尺寸，確定h1值。最后校核縱向斷面得彎曲應(yīng)力。

1.5 管板設(shè)計

這種U形管換熱器管箱結(jié)構(gòu)特殊，因管程壓力高，管板和管箱筒體采用焊接連接，且沒有兼做法蘭的延長部分?？紤]可抽芯更換的需要，管板和殼程間采用法蘭連接。這種結(jié)構(gòu)在GB151-1999中未明確管板的計算方法。對于此種U形管換熱器管板，由于只有一塊管板，管束可自由伸縮，形成彈性基礎(chǔ)，所以既沒有管束的彈性支撐又沒有管殼程之間由于溫差引起的載荷作用，因此可視為一個受管孔開孔削弱的圓平板。

我們可用GB150.3-2011按照第5.9章表5-9，選取序號11所示平蓋，在此平蓋計算基礎(chǔ)上附加考慮殼程法蘭的法蘭力矩的作用。它的受力可簡化為受管程高壓作用的簡支圓平板，并在板邊緣作用有兩個均布力矩的計算模型。這兩個力矩一個是管箱筒體在管程高壓作用時由邊界效應(yīng)引起的力矩，一個是殼程法蘭的法蘭力矩。這兩個力矩引起的變形與管程高壓作用引起的變形剛好相反，所以保守的考慮管板只受管程高壓作用。

2 結(jié)語

通過以上對高壓U形管式換熱器管箱主要受壓元件結(jié)構(gòu)和強度的設(shè)計，可以看出，高壓設(shè)備設(shè)計計算也是建立在簡單的力學基礎(chǔ)上的，其關(guān)鍵在于載荷分析和力學模型的建立，做好這兩點，設(shè)計起來才能得心應(yīng)手。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會發(fā)布GB 150.1-GB 150.4-2011《壓力容器》.

[2]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布GB 151-1999《管殼式換熱器》.

[3]楊東升，崔建波，張秀艷.高壓U形管式換熱器的管箱設(shè)計探討[J].化工設(shè)計，2013（1）.