中間冰機設(shè)計要點

鄭燕（四川晨光工程設(shè)計院，四川 成都 610041）

中間冰機設(shè)計要點

鄭燕（四川晨光工程設(shè)計院，四川 成都 610041）

根據(jù)中間冰機在化工生產(chǎn)裝置中具體的使用工況，本文以如何設(shè)計該設(shè)備為出發(fā)點，圍繞設(shè)備技術(shù)特征和結(jié)構(gòu)特點具體從設(shè)計參數(shù)的確定、材料選擇、結(jié)構(gòu)分析設(shè)計以及制造檢驗要求四個方面重點進(jìn)行分析和闡述。

釜式U型管式換熱設(shè)備、低溫材料、低溫結(jié)構(gòu)、制造檢驗

中間冰機是某有機硅廠冷凍系統(tǒng)技術(shù)改造項目新增設(shè)計的一臺釜式U型管換熱設(shè)備，是該冷凍系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。本文以下就該設(shè)備在設(shè)計上的四個關(guān)鍵方面分別進(jìn)行介紹。

1 本設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

工作溫度：管程：正常溫度：-15°C；最高溫度：-20°C;

殼程:正常溫度：-30°C；最高溫度40°C。

工作壓力：管程：正常壓力0.4MPa；最高壓力0.5MPa；

殼程:正常壓力0.02MPa/最高壓力1.4MPa。

根據(jù)上述操作工況和設(shè)計參數(shù)，根據(jù)GB150.1～150.4-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)“設(shè)計溫度不得低于金屬在工作狀態(tài)可能達(dá)到的最高溫度和設(shè)計溫度不得高于金屬在工作狀態(tài)可能達(dá)到的最低溫度”的規(guī)定，將本設(shè)備的設(shè)計參數(shù)確定為：

管程設(shè)計溫度：-30°C; 管程設(shè)計壓力：0.6MPa

殼程設(shè)計溫度：-35/50°C;管程設(shè)計壓力：1.97/-0.1MPa這里值得說明的是：

管程的設(shè)計壓力是按常規(guī)法（工作壓力乘以安全系數(shù)）取為0.6MPa；

殼程設(shè)計壓力是按兩種工況考慮：

（1）操作狀態(tài)：取液氨在設(shè)計溫度50°C下的飽和蒸汽壓1.97MPa作為殼程的設(shè)計壓力；

（2）檢修狀態(tài)：取設(shè)備充氮保護(hù)抽真空時的負(fù)壓-0.1MPa作為殼程的設(shè)計壓力。

2 設(shè)備選材

操作時，本設(shè)備在-20°C～-30°C低溫下運行，這種工作環(huán)境要求材料具有足夠低溫韌性。

（1）首先判斷設(shè)備殼體及其主要受壓元件是否是在低溫低應(yīng)力工況下工作；如果屬于低溫低應(yīng)力工況，則設(shè)備不必遵循低溫設(shè)備設(shè)計要求。

（2）低溫設(shè)備的免除判斷：

設(shè)備主體材料：16MnDR；壁厚δn=14mm；

查取16MnDR材料標(biāo)準(zhǔn)常溫屈強度為315MPa

按GB150.3《壓力容器》中圓筒的計算應(yīng)力公式進(jìn)行計算：

σt=Pc(Di+δe)/2δe=1.97x（1200+14-3-0.3）/2(14-3-0.3）= 111.5MPa

由于σt=111.5MPa＞315/6=52.5MPa，即雖然設(shè)計溫度低于-20°C，但在該設(shè)計條件下容器元件所承受的最大一次總體薄膜應(yīng)力大于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈強度的1/6且大于50MPa，不能免除低溫設(shè)計，設(shè)計中應(yīng)嚴(yán)格按低溫容器的要求設(shè)計。

（3）作為低溫設(shè)備設(shè)計選材，本設(shè)備充分考慮以下4個方面：

a.低溫用鋼要求鋼材的顯微組織均勻和無塑性轉(zhuǎn)變溫度低，因此要求所用鋼材：板材（16MnDR）和管材（Q345E）的供貨狀態(tài)為正火狀態(tài)；鍛件（16MnD）的供貨狀態(tài)為淬火+回火狀態(tài)。

b.為保證材料的低溫韌性，滿足符合規(guī)定的低溫沖擊功指標(biāo)，本設(shè)備殼體用16MnDR(正火)板材應(yīng)進(jìn)行-40℃夏比(V型缺口)沖擊試驗,沖擊吸收能量≥47J；本設(shè)備用Q345E(正火)管材的化學(xué)成分應(yīng)符合P≤0.025%,S≤0.01%,且管程用?108x7管材應(yīng)進(jìn)行-40℃夏比(V型缺口)沖擊試驗,縱向沖擊吸收能量≥40J；本設(shè)備用16MnD鍛件應(yīng)進(jìn)行-45℃夏比(V型缺口)沖擊試驗,沖擊吸收能量≥47J；設(shè)備法蘭螺柱及管口配對螺柱應(yīng)進(jìn)行-35°C下的低溫V型缺口沖擊試驗,平均沖擊吸收能量≥41J。

c.本設(shè)備的焊接材料應(yīng)選用與母材成分和性能相近的或相同的具有較好低溫性能的材料，焊條應(yīng)選用低氫堿性焊條，焊劑應(yīng)選用堿性或中性焊劑，且應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行熔敷金屬擴散氫試驗或薄皮含水量復(fù)驗。

d.本設(shè)備選材除了考慮低溫對材料的要求，還應(yīng)考慮液氨的應(yīng)力腐蝕對材料的特殊要求；主要包括三方面：一是要求材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下的屈服強度ReL≤355MPa；二是要求材料的實測抗拉強度Rm≤630MPa；三是要求材料的碳當(dāng)量Ce≤0.45。

3 結(jié)構(gòu)分析設(shè)計

（1）管殼程的連接設(shè)計：本設(shè)備為殼程單斜錐具有蒸發(fā)空間的釜式夾持型U型管換熱器。作為夾持型U型管換熱器，設(shè)計上必須考慮夾持管板的管殼程法蘭的受力均勻，因此這里采用高頸法蘭、金屬纏繞墊和低合金高強鋼螺柱螺母組合結(jié)構(gòu)，以保證管殼程連接的有效性；且其中兩顆螺柱設(shè)計為帶肩雙頭螺柱，以利于操作安裝檢修方便。

（2）殼程殼體的設(shè)計：關(guān)于殼程斜錐殼，由于本設(shè)備是低溫設(shè)備負(fù)壓工況，大小端必須采用有折邊結(jié)構(gòu)，對錐殼大小端分別進(jìn)行加強計算，對其計算結(jié)果取大值。本設(shè)備對錐殼大小端進(jìn)行加強計算時，將大小端作為支撐圈考慮，因此除了對連接處進(jìn)行加強面積校核外還需對連接處慣性矩進(jìn)行校核，通過計算得出小端筒體所需壁厚16mm，大端筒體所需壁厚18mm。而事實上，滿足大端筒體強度計算的壁厚只需要12mm。設(shè)計上考慮用材的經(jīng)濟性，將大端筒體采用分段設(shè)計，即將連接錐殼大端的筒體分成壁厚18mm和壁厚12mm厚兩段筒體分段制作。

（3）換熱管及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

a為確保換熱管的有效性，設(shè)計時需考慮如下一些關(guān)于換熱管的基本要求：

換熱管材料：Q345E（正火）；管束級別為Ⅰ級且采用冷拔高級管；換熱管不允許拼接；換熱管與管板連接采用強度焊加貼脹，貼脹需采用柔性脹；強度焊采用氬弧焊，焊接不少于兩道，焊接接頭表面進(jìn)行100%-PT檢測Ⅰ級合格；U形管彎管段的圓度偏差應(yīng)不大于2.5mm，彎曲段與彎曲段距離一米范圍內(nèi)直管段應(yīng)作磁粉檢查，沒有裂紋為合格；換熱管彎制后應(yīng)逐根進(jìn)行水壓試驗，試驗壓力取管殼程試驗大者；換熱管采用冷彎，彎制后彎管段及至少150mm直管段范圍應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

b換熱管的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

一方面，由于U型換熱管束只有管板側(cè)固定，另一端浮動，則浮動端的支撐距離應(yīng)滿足GB/T151-2014中規(guī)定的最大無支撐跨距要求。

另一方面，由于U型換熱管為可抽式結(jié)構(gòu)，檢修時要需要抽芯檢查，為避免換熱器芯子在使用、安裝、檢修過程中變形和便于拆裝，需在支持板上裝滑道，且應(yīng)在殼體底部設(shè)置支撐導(dǎo)軌。

（4）考慮低溫因素在結(jié)構(gòu)上的特殊要求

設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，以減少焊接件的拘束程度；各部分結(jié)構(gòu)應(yīng)避免產(chǎn)生較大的溫度梯度；結(jié)構(gòu)拐角過渡應(yīng)減少局部的應(yīng)力集中；各類接頭、凸緣等應(yīng)圓滑過渡；支座應(yīng)設(shè)置墊板，避免支座與殼體直接相焊，墊板材料與殼體相同；結(jié)構(gòu)上應(yīng)避免焊縫的集中和交叉；接管的補強采用鍛管補強；A、B、C、D類焊接接頭均要求全截面焊透。

4 制造檢驗要求

制造檢驗著重按以下方面考慮：

（1）從設(shè)計溫度-35°C，設(shè)計壓力1.97MPa，殼體厚度18mm，設(shè)備類別Ⅱ類，液氨介質(zhì)中度危害等幾方面綜合考慮后，要求對管殼程A、B類焊縫進(jìn)行100%-RT檢測，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Ⅱ級合格；設(shè)備上公稱直徑DN＜250mm的接管與對焊法蘭的A類對接接頭進(jìn)行100%-MT檢測,符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Ⅰ級合格；對管殼程C、D類焊縫應(yīng)進(jìn)行100%-MT檢測,符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Ⅰ級合格。

（2）主要受壓元件用16MnDR（正火）鋼板應(yīng)按爐批進(jìn)行超聲檢測,符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Ⅱ級合格。

（3）本設(shè)備應(yīng)制作A類焊接接頭產(chǎn)品焊接試板,且應(yīng)進(jìn)行-35℃低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗,縱向沖擊吸收能量≥24J。

（4）本設(shè)備應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理；熱處理后應(yīng)對每一承壓焊縫的硬度進(jìn)行測定，硬度測定應(yīng)在焊縫金屬、熱影響區(qū)和臨近焊縫的母材接觸介質(zhì)側(cè)各測三點，測試結(jié)果不超過HB200或相應(yīng)硬度。設(shè)備熱處理后僅允許在墊板上施焊，不允許在設(shè)備本體上施焊。

5 結(jié)語

綜上所述，將具有U型管換熱器和低溫設(shè)備特征的設(shè)備設(shè)計充分展示，以期在這個過程中將設(shè)計得到優(yōu)化，確保設(shè)計產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中安全有效運行的前提下，力求節(jié)能環(huán)保、節(jié)省鋼材、提高化工設(shè)備的經(jīng)濟效益。

[1]GB/T151-2014《熱交換器》.

[2]GB150.1～150.4-2011《壓力容器》.

[3]HG/T20585-2005《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》.

[4]TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》第2版.

鄭燕，女，1992年畢業(yè)于四川輕化工學(xué)院化工設(shè)備與機械專業(yè)，工程師，現(xiàn)在四川晨光工程設(shè)計院從事非標(biāo)設(shè)備設(shè)計審核工作。