H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算

宮 超，宋啟祥，謝培軍，劉宏超，雒淑娟，張 微，董國(guó)旭

（1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器于20世紀(jì)80年代初通過(guò)企業(yè)先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)從國(guó)外進(jìn)入中國(guó)石化行業(yè)［1］。此種熱交換器操作方便，無(wú)需設(shè)備停車就可成功處理介質(zhì)泄漏，成為國(guó)產(chǎn)化技術(shù)研究熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的廣泛研究與持續(xù)改進(jìn)［2-10］，國(guó)內(nèi)螺紋鎖緊環(huán)熱交換器設(shè)計(jì)及制造技術(shù)日趨成熟。與普通的U形管熱交換器相比，H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管箱部分的零部件尤其多，設(shè)計(jì)和校核過(guò)程繁復(fù)。文中以某項(xiàng)目加氫裂化產(chǎn)物/加氫裂化原料熱交換器為例，介紹此類熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。

1 H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器是一種典型的管箱端部密封型熱交換器［11］，其管箱筒體與殼程筒體通過(guò)焊接形成一整體結(jié)構(gòu)，熱交換器管束從管箱側(cè)裝入殼體，管箱端部與螺紋鎖緊環(huán)及管箱平蓋等部件相互配合達(dá)到管殼程密封的作用。

1.2 管箱結(jié)構(gòu)

管箱是H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器的核心密封組件，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。管箱零部件主要包括外圈壓緊螺栓、外圈壓桿、外壓圈、密封盤、管程密封墊、壓環(huán)、分合環(huán)、頂壓螺栓、分程箱、管板、管殼程密封墊、管箱殼體、管箱蓋板、內(nèi)壓圈、內(nèi)圈壓桿、內(nèi)圈壓緊螺栓以及螺紋鎖緊環(huán)。

圖1 H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器管箱結(jié)構(gòu)示圖

2 H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器密封

2.1 管程密封

熱交換器的管程密封是通過(guò)擰緊螺紋鎖緊環(huán)上的外圈壓緊螺栓，將作用力依次通過(guò)外圈壓桿、外壓圈及密封盤傳遞到管程密封墊上，起到管程密封的作用，該作用力的傳遞路徑見圖1中的白色箭頭。該作用力的反力又反向作用到螺紋鎖緊環(huán)上，由螺紋鎖緊環(huán)與管箱端部配合處的梯形大螺紋承擔(dān)該作用力。

2.2 殼程密封

正常的操作工況下，擰緊管箱內(nèi)部的頂壓螺栓，將作用力通過(guò)分程箱及管板傳遞到管殼程密封墊，起到管殼程密封的作用。在此情形下該作用力的反力通過(guò)與頂壓螺栓相配合的分合環(huán)傳遞到管箱筒體上，由管箱筒體承擔(dān)該作用力。

在高溫、高壓等操作工況下經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，頂壓螺栓及管殼程密封墊片的性能下降，可能會(huì)出現(xiàn)管殼程介質(zhì)內(nèi)漏。此時(shí)，擰緊螺紋鎖緊環(huán)上的內(nèi)圈壓緊螺栓，將作用力依次通過(guò)內(nèi)圈壓桿、內(nèi)壓圈、密封盤、壓環(huán)、分合環(huán)、頂壓螺栓、分程箱以及管板傳遞到管殼程密封墊上，可防止管殼程介質(zhì)內(nèi)漏。作用力的傳遞路徑見圖1中的黑色箭頭。在此情形下，作用力的反力將反向作用到螺紋鎖緊環(huán)上，由螺紋鎖緊環(huán)與管箱端部配合處的梯形大螺紋承擔(dān)該作用力。

總之，在正常的操作工況下螺紋鎖緊環(huán)上的內(nèi)圈壓緊螺栓是沒(méi)有上緊的，只需要擰緊管箱內(nèi)部的頂壓螺栓即可實(shí)現(xiàn)管殼程密封。只有當(dāng)管殼程介質(zhì)出現(xiàn)內(nèi)漏時(shí)，才擰緊內(nèi)圈壓緊螺栓。

3 H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器以12Cr2Mo1 IV鍛件堆焊E309L+E347為主體材質(zhì),管板設(shè)計(jì)壓差為4.0 MPa。管程公稱直徑為980 mm，設(shè)計(jì)壓力16.7 MPa，設(shè)計(jì)溫度為450℃，以裂化混氫原料為操作介質(zhì)；殼程公稱直徑為900 mm，設(shè)計(jì)壓力為18.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度為415℃，以裂化反應(yīng)產(chǎn)物為操作介質(zhì)。

3.2 計(jì)算與校核

3.2.1 殼程筒體及封頭

殼程筒體與封頭的計(jì)算主要是厚度的計(jì)算。應(yīng)用 GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》［12］中內(nèi)壓圓筒和內(nèi)壓球殼公式進(jìn)行H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器的厚度計(jì)算，得到殼程筒體厚度為65 mm，殼程封頭厚度為45 mm。

3.2.2 管板

H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器管板結(jié)構(gòu)見圖2。應(yīng)用GB/T 151—2014《熱交換器》［13］中第7.4.4.2條給出的a型連接方式管板的計(jì)算步驟進(jìn)行H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器的管板計(jì)算。

對(duì)管板外緣削薄處進(jìn)行應(yīng)力校核。將管板簡(jiǎn)化為周邊簡(jiǎn)支的圓平板［14］，假定管板承受均布載荷。基于H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器管板結(jié)構(gòu)尺寸（圖 2），按照式（1）～式（3）進(jìn)行管板外緣削薄處的應(yīng)力校核計(jì)算。

圖2 H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器管板結(jié)構(gòu)尺寸示圖

式（1）～式（3）中，σf1為管板外緣削薄處的彎曲應(yīng)力，τ1為管板外緣削薄處的切應(yīng)力，σ1為 σf1與τ1的組合應(yīng)力，MPa。

本設(shè)備管殼程設(shè)計(jì)壓差pd=4.0 MPa，管板材料選用S32168 IV鍛件，已知材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力［σ］1t=78 MPa。帶入pd=4.0 MPa、D1=972 mm、D2=895 mm、δ1=170 mm、δ2=126 mm計(jì)算，得到σ1=40.39 MPa≤0.9［σ］1t=70.2 MPa。經(jīng)核算，管板外緣處應(yīng)力校核合格。

應(yīng)特別說(shuō)明的是，管板按管殼程壓差設(shè)計(jì)，因此，在設(shè)備水壓試驗(yàn)，開、停車以及正常操作過(guò)程中，管殼程的壓差不得大于4.0 MPa，以防止過(guò)大的壓差造成管板變形報(bào)廢。

3.2.3 頂壓螺栓

頂壓螺栓位于管箱內(nèi)部，是熱交換器管、殼程密封過(guò)程中傳遞力的關(guān)鍵部件。基于螺紋鎖緊環(huán)熱交換器常用高溫、高壓、加氫裂化等苛刻工況考慮，頂壓螺栓選用耐高溫且屈服強(qiáng)度較高的SA-453 660B材料［15］。頂壓螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷F1及預(yù)緊狀態(tài)螺栓載荷F2按照GB/T 150.3—2011中第7.5.2.2給出的公式進(jìn)行計(jì)算，頂壓螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷F1計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算壓力取管、殼程設(shè)計(jì)壓差4.0 MPa。頂壓螺栓需要的螺栓面積按7.5.2.3條給出的公式進(jìn)行計(jì)算。核算后，頂壓螺栓確定為40個(gè)M36的螺栓。

3.2.4 內(nèi)圈壓緊螺栓

內(nèi)圈壓緊螺栓是為防止H-H型螺紋鎖緊環(huán)換熱器在操作過(guò)程中管程和殼程發(fā)生介質(zhì)內(nèi)漏而設(shè)計(jì)。內(nèi)圈壓緊螺栓計(jì)算與頂壓螺栓計(jì)算方法和過(guò)程類似，不同之處是內(nèi)圈壓緊螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷F3的計(jì)算需要考慮頂壓螺栓傳遞來(lái)的載荷F1，同時(shí)還應(yīng)計(jì)入管程設(shè)計(jì)壓力引起的軸向力通過(guò)內(nèi)壓圈傳遞到內(nèi)圈壓緊螺栓上的載荷,按此力學(xué)關(guān)系確定外圈壓緊螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷F3。

式中，D3為內(nèi)壓圈的外徑，D4為內(nèi)壓圈的內(nèi)徑，mm；pt為管程設(shè)計(jì)壓力，MPa；F1為頂壓螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷，N。

管程設(shè)計(jì)壓力pt=16.7 MPa，頂壓螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷F1=3 349 451 N。帶入D3=936 mm、D4=848 mm確定F3=5 408 581 N。

內(nèi)圈壓緊螺栓計(jì)算過(guò)程中，內(nèi)圈壓緊螺栓預(yù)緊狀態(tài)所需的螺栓力與頂壓螺栓預(yù)緊狀態(tài)所需的螺栓力相同。核算后，內(nèi)圈壓緊螺栓確定為40個(gè)M39的螺栓。

3.2.5 外圈壓緊螺栓

外圈壓緊螺栓是為實(shí)現(xiàn)H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器管程的密封而設(shè)計(jì)。按照GB/T 150.3—2011中第7.5.2.2條給出的公式計(jì)算外圈壓緊螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷F4時(shí)，管程內(nèi)壓力引起的軸向力是通過(guò)外壓圈作用到外圈壓緊螺栓上的，按照此力學(xué)關(guān)系確定F4。

式中，DG為墊片壓緊力作用中心圓直徑，b為墊片有效密封寬度，D5為外壓圈的內(nèi)徑，mm；m為墊片系數(shù)。

帶入DG=1 024 mm、b=8 mm、D5=976 mm、m=3.0計(jì)算，確定的外圈壓緊螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷F4=3 838 038 N。

外圈壓緊螺栓在預(yù)緊狀態(tài)所需的螺栓載荷F5及螺栓面積按照GB/T 150.3—2011中第7.5.2.2以及7.5.2.3條規(guī)定的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。核算之后，外圈壓緊螺最終栓確定為44個(gè)M36的螺栓。

3.2.6 梯形大螺紋

梯形大螺紋是H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器操作和運(yùn)行過(guò)程中承受管程和殼程密封力、內(nèi)壓力等載荷的主要部分。選取螺距P=23.8 125 mm的矮牙愛克母梯形螺紋［16］，此螺紋具有抗剪、抗彎能力強(qiáng)，嚙合高度大的特點(diǎn)。螺紋公差的選擇應(yīng)考慮操作工況下材料的熱膨脹性能、螺紋制造廠家的加工水平，并參考同類產(chǎn)品的使用經(jīng)驗(yàn)，以確保螺紋鎖緊環(huán)的順利拆裝。

基于結(jié)構(gòu)尺寸（圖3），按照式（6）～式（10）進(jìn)行梯形大螺紋上的應(yīng)力校核計(jì)算。

圖3 梯形大螺紋結(jié)構(gòu)尺寸示圖

式（6）～式（10）中，F(xiàn)6為管程設(shè)計(jì)壓力傳遞到大螺紋上的載荷，F(xiàn)為管程、殼程傳遞到大螺紋上的載荷，F(xiàn)1為頂壓螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷，F(xiàn)2頂壓螺栓預(yù)緊狀態(tài)螺栓載荷,N；σf2為大螺紋上的彎曲應(yīng)力，τ2為大螺紋上的切應(yīng)力，σ2為σf2與τ2的組合應(yīng)力，σb1為作用到大螺紋上的壓應(yīng)力，MPa；h1為載荷作用位置，D6為螺紋鎖緊環(huán)的大螺紋小徑，D7為螺紋鎖緊環(huán)的大螺紋大徑，D8為管箱大螺紋小徑，a為大螺紋根部的厚度，mm；n為大螺紋扣數(shù)。

管程設(shè)計(jì)壓力pt=16.7 MPa，大螺紋材料選用12Cr2Mo1鍛件，已知材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[σ]2t=147 MPa，頂壓螺栓操作狀態(tài)螺栓載荷F1=3 349 451 N，頂壓螺栓預(yù)緊狀態(tài)螺栓載荷F2=1 182 577 N，帶入h1=4.7 mm、D6=1 083.5 mm、D7=1 098.8 mm、D6=1 086.9 mm、a=13.5、n=11 計(jì)算。

經(jīng)核算，σ2=105.1MPa≤0.9[σ]2t=132.3MPa, 說(shuō)明組合應(yīng)力校核合格。σb1=87.5 MPa≤1.5[σ]2t=220.5 MPa,壓應(yīng)力校核合格。假定大螺紋扣數(shù)n=11時(shí)，經(jīng)核算，大螺紋處的應(yīng)力校核合格?？紤]到梯形大螺紋內(nèi)側(cè)少數(shù)齒的應(yīng)力很大，越往外齒上的應(yīng)力越來(lái)越小的應(yīng)力分布特征［17］，實(shí)際扣數(shù)在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上多取2扣，為13扣。

3.2.7 螺紋鎖緊環(huán)

螺紋鎖緊環(huán)是H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器中結(jié)構(gòu)和受力最復(fù)雜的部件。傳遞到螺紋鎖緊環(huán)上的載荷有外圈螺栓壓緊力、內(nèi)圈螺栓壓緊力、管程內(nèi)壓傳遞到螺紋鎖緊環(huán)上的作用力以及管程內(nèi)壓傳遞到管箱平蓋上的作用力。螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸示意圖見圖4。

圖4 螺紋鎖緊環(huán)結(jié)尺寸構(gòu)示圖

按照式（11）～式（15）進(jìn)行螺紋鎖緊環(huán)厚度校核計(jì)算。

式（11）～式（15）中，F(xiàn)7為內(nèi)圈壓緊螺栓的反作用力，F(xiàn)8為外圈壓緊螺栓的反作用力，F(xiàn)9為管程內(nèi)壓傳遞到鎖緊環(huán)上的作用力，F(xiàn)10為管程內(nèi)壓傳遞到平蓋上的作用力，N；δ3為螺紋鎖緊環(huán)的厚度，D9為螺紋鎖緊環(huán)內(nèi)徑，D10為螺紋鎖緊環(huán)與管箱蓋板配合處的直徑，D11為螺紋鎖緊環(huán)與外壓圈配合處的直徑，mm。

外圈壓緊螺栓在操作狀態(tài)下的螺栓載荷F4=3 838 038 N，外圈壓緊螺栓在預(yù)緊狀態(tài)所需的螺栓載荷F5=1 286 885 N。帶入D9=746 mm、D10=818 mm、D11=974 mm、Y=5.4、L1=36.4 mm、L2=L3=100.4 mm、L4=153.4 mm計(jì)算，經(jīng)核算并圓整后，取螺紋鎖緊環(huán)的厚度δ3=345 mm。

3.2.8 管箱蓋板

管箱蓋板的作用是傳遞壓力。管程內(nèi)壓先從管程傳遞到管箱蓋板上，再由管箱蓋板傳遞到螺紋鎖緊環(huán)上。管箱蓋板厚度按GB/T 150.3—2011中第5.9.3條的平蓋計(jì)算公式計(jì)算，管箱蓋板與螺紋鎖緊環(huán)配合處進(jìn)行了削薄，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力校核。校核計(jì)算在結(jié)構(gòu)尺寸示意圖（圖5）和式（16）～式（19）基礎(chǔ)上進(jìn)行。

圖5 管箱蓋板結(jié)構(gòu)尺寸示圖

式（16）～式（19）中，σf3為削薄處的彎曲應(yīng)力，τ3為削薄處的切應(yīng)力，σ3為σf3與τ3的組合應(yīng)力，σb2為管箱蓋板削薄處環(huán)形截面上的壓應(yīng)力，MPa；D12為管箱蓋板大端直徑，D13為管箱蓋板小端直徑，D14為螺紋鎖緊環(huán)與管箱蓋板接觸處內(nèi)直徑，δ4為管箱平蓋厚度，δ5管箱平蓋削薄處厚度，mm。

帶入D12=816 mm、D13=745 mm、D14=756 mm、δ4=180 mm、δ5=120 mm、h2=20.5 mm 計(jì)算，管箱蓋板削薄處的組合應(yīng)力 σ3=62.6 MPa≤0.7[σ]2t=102.9 MPa,組合應(yīng)力校核合格。σb2=117.9 MPa≤1.5[σ]2t=220.5 MPa,壓應(yīng)力校核合格。

3.2.9 管箱筒體

管箱筒體內(nèi)部包含螺紋鎖緊環(huán)、分合環(huán)、分程箱及管板等零部件，其結(jié)構(gòu)尺寸比較復(fù)雜，校核時(shí)先核算各部位的尺寸，后校核筒體厚度。圖6中，A-A截面位于管箱內(nèi)部，承受管箱內(nèi)壓的作用，因此，A-A截面應(yīng)按GB/T 150.3—2011中內(nèi)壓圓筒公式計(jì)算此處的厚度。B-B截面位于管箱外部，承受梯形大螺紋上的載荷的作用，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力校核。校核計(jì)算在結(jié)構(gòu)尺寸（圖6）和式（20）～式（25）基礎(chǔ)上進(jìn)行。

圖6 管箱筒體結(jié)構(gòu)尺寸示圖

式（20）中，M02按照下面的公式計(jì)算。

式（23）中，α、β分別按照下面的公式計(jì)算。

式（20）～式（25）中，σf4為B-B截面處的彎曲應(yīng)力，σm為B-B截面處的軸向薄膜應(yīng)力，σ4為 σf4與σm的組合應(yīng)力，MPa；R1為A-A截面處筒體內(nèi)半徑，R2為B-B截面處筒體內(nèi)半徑，R3為大螺紋半徑，R4為管箱筒體外半徑，L為大螺紋長(zhǎng)度，δ6為A-A截面處筒體厚度，δ7為B-B截面處筒體厚度，δ8為大螺紋大徑處筒體厚度，mm。

帶入R1=522.5 mm、R2=553 mm、R3=550.3 mm、R4=660 mm、L=335 mm、l=60 mm、δ6=137.5 mm、δ7=107 mm、δ8=109.7 mm計(jì)算，經(jīng)核算，B-B截面處的組合應(yīng)力σ=107.4 MPa≤0.9［σ］t=132.3 MPa,應(yīng)力校核合格。

4 結(jié)語(yǔ)

H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器與普通U形管熱交換器相比，管箱部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)該重視各零部件定尺計(jì)算及強(qiáng)度核算。目前國(guó)內(nèi)各單位采用的計(jì)算和校核程序不完全相同，仍然缺少統(tǒng)一的公認(rèn)設(shè)計(jì)計(jì)算程序。文中的H-H型螺紋鎖緊環(huán)熱交換器主要受壓元件的設(shè)計(jì)計(jì)算思路均可為同類型熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。