重疊式浮頭換熱器設(shè)計(jì)

王云峰

（陜西紫兆裝備股份有限公司 陜西渭南 714000）

浮頭式換熱器由于管束可抽可進(jìn)行殼程管間機(jī)械清洗適用于易結(jié)焦及堵塞的場(chǎng)合；浮動(dòng)端管板可以自由移動(dòng)，故不考慮溫差應(yīng)力，可用于大溫差的場(chǎng)合，但因其結(jié)構(gòu)特殊給設(shè)計(jì)制造增加了難度。重疊式浮頭換熱器設(shè)計(jì)中，浮頭的設(shè)計(jì)和重疊雙鞍座的計(jì)算是很重要的兩部分，本文對(duì)使用SW6-5.0軟件確定浮頭（包括浮頭法蘭和球冠型封頭）結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度計(jì)算，重疊雙鞍座計(jì)算參數(shù)的取值進(jìn)行說(shuō)明。

1 浮頭法蘭尺寸的確定

圖1

1.1 浮頭法蘭的內(nèi)外徑及墊片寬度，按GB/T151-20146.9.1的規(guī)定確定如下，

De-浮動(dòng)管板外徑，De= Di-2b1式中b1按GB/T151表6-5選??；

表6-5

?

Dfo-浮頭法蘭的外直徑, Dfo=Di+80mm；

D f i-浮頭法蘭和鉤圈內(nèi)徑，D f i= D i-2(b1+b2)+3= Di-2(b1+bn)式中

bn-為墊片的寬度按照表6-5選取，標(biāo)準(zhǔn)給出的bn是最小值，需要設(shè)計(jì)人根據(jù)實(shí)際情況給出具體值（按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T29463-2012管殼式熱交換器用墊片選用，參照GB/T19066.1-2008柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片自行設(shè)計(jì)），當(dāng)bn確定后，法蘭的內(nèi)外徑即可確定。注：選用纏繞墊時(shí)，bn應(yīng)計(jì)入內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的寬度。因此，浮頭墊片的外徑等于Do，內(nèi)徑等于Dfi，當(dāng)考慮腐蝕余量C2時(shí)，腐蝕后的墊片減小寬度為（bn-2C2），則浮頭墊片的寬度不小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小值加上2 倍C2。

1.2 法蘭螺栓圓中心直徑

由于浮頭法蘭應(yīng)滿足GB/T150表7-3中的Le值（法蘭螺栓中心至法蘭邊緣的距離）的規(guī)定，再考慮腐蝕余量，浮頭法蘭螺栓圓直徑Db(max)=Dfo-2Le(標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小值+ C2)，螺栓中心圓的直徑的下限值Db(min)需要考慮K至（法蘭內(nèi)徑凸臺(tái)外邊緣至螺栓孔外邊緣的距離）6～7mm。

表7-3 LA,Le,∧L的最小值

1.3 雙頭螺柱

螺柱的規(guī)格和數(shù)量可以參考?xì)んw法蘭（直徑Di）的螺栓規(guī)格和數(shù)量n，根據(jù)螺栓規(guī)格查表7-3確定Le值，計(jì)算Db(max)= Dfo-2Le，L=π·Db/n的值，通過(guò)比較計(jì)算值與表列值的大小，判斷L值是否符合規(guī)定。如計(jì)算值小于表7-3所列L值的最小值時(shí)，可適當(dāng)減少螺栓數(shù)量來(lái)增大L值；當(dāng)減少螺栓數(shù)量后計(jì)算出現(xiàn)螺栓截面積不夠時(shí)，可以減小螺栓規(guī)格尺寸，增加螺栓數(shù)量的方法，再次核算螺栓間距是否滿足表7-3規(guī)定的最小值，直到計(jì)算合格。螺栓規(guī)格益小不宜大，螺栓數(shù)量益多不宜少。浮頭螺柱柱益采用低合金鋼螺柱不宜使用不銹鋼螺柱，大多數(shù)情況計(jì)算截面積不夠，調(diào)整困難，而且浮頭螺柱一般不考慮腐蝕余量，只需滿足設(shè)備一個(gè)檢修周期即可，檢修時(shí)根據(jù)實(shí)際腐蝕情況進(jìn)行更換。

1.4 球冠型封頭

球冠型封頭內(nèi)半徑按GB/T151-2014表7-4的規(guī)定選取。

表7-4 球冠形封頭內(nèi)半徑 mm

表中DN為設(shè)備公稱直徑，Ri為球冠型封頭內(nèi)半徑

1.5 封頭焊入法蘭的深度L值

浮頭法蘭在管程Pt作用下（內(nèi)壓）工況計(jì)算時(shí)，法蘭總力矩Mp=MD+MG+MT-Mr, Mr=Fr·Lr由圖可知式中MD 、MG 、MT 對(duì)法蘭的力矩均為逆時(shí)針?lè)较颍琈r對(duì)法蘭的力矩為順時(shí)針?lè)较?，力臂Lr增大時(shí)，可以抵消一部分和力矩，相應(yīng)的法蘭計(jì)算厚度較小。即封頭焊入法蘭的深度L值越小，法蘭厚度越小。

浮頭法蘭在殼程Ps作用下（外壓）工況計(jì)算時(shí)，法蘭總力矩Mp=MD+MG+MT+Mr, Mr=Fr·Lr由圖可知式中MD 、MG 、MT、Mr對(duì)法蘭的力矩均為逆時(shí)針?lè)较?力臂Lr增大時(shí)，Mr增大相互疊加使和力矩增大，相應(yīng)的法蘭計(jì)算厚度較大。即封頭焊入法蘭的深度L值越小，法蘭厚度越大。

《說(shuō)文解字》以及段玉裁注所分析者，屬于商字的假借義，而商字最主要的字義，或者說(shuō)其本義，正如羅振玉及王國(guó)維二先生所云，當(dāng)為殷人的國(guó)號(hào)：

綜上所述，管殼程壓力作用下封頭焊入法蘭的深度L值的對(duì)法蘭計(jì)算時(shí)，法蘭厚度影響是不一致的。而且這種影響是在一定的范圍內(nèi)變化的，因此L的值對(duì)法蘭的厚度影響非常大，所以L的選取有兩種方法：一是按照GB/T151標(biāo)準(zhǔn)釋義中的建議l=δn+2其中δn為球冠型封頭的名義厚度；另一種是利用SW計(jì)算軟件設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算時(shí)將L和δn均不輸入，程序自動(dòng)計(jì)算出一個(gè)值L,然后綜合考慮管殼程壓力下的法蘭計(jì)算厚度，同時(shí)考慮腐蝕前和腐蝕后兩種工況，最終確定L值。

1.6 布管限定圓直徑DL

由于浮頭結(jié)構(gòu)壓縮了布管區(qū)域，使布管數(shù)量減少，浮頭結(jié)構(gòu)尺寸直接影響布管限定圓直徑DL尺寸大小，其計(jì)算式：DL=Di-2（b1+b2+b）

式中b-實(shí)際布管限定圓直徑DL與浮動(dòng)管板密封面凸臺(tái)外圓之間的距離，按GB/T151-2014第6.3.1.3表6-4的規(guī)定選取。

表6-4 b的取值

2 重疊換熱器鞍座的計(jì)算

重疊換熱器鞍座的計(jì)算采用SW6中的非對(duì)稱雙鞍座及多鞍座臥式容器模塊M41進(jìn)行校核，M41模塊允許最多5個(gè)集中質(zhì)量，1組均布質(zhì)量，質(zhì)量模型見(jiàn)下圖。

集中質(zhì)量、均布質(zhì)量、支座反力示意圖

圖中：mj-集中質(zhì)量，qk-均布質(zhì)量，fi-支座的反力

均布與設(shè)備全長(zhǎng)上的附加質(zhì)量：保溫層、小接管、盤管等。換熱管管束由折流板支撐且不是均布設(shè)備的全長(zhǎng)，應(yīng)作為附加均布質(zhì)量。

附加均布質(zhì)量：不是均布與設(shè)備全長(zhǎng)的質(zhì)量，如換熱器的管束、長(zhǎng)條形的平臺(tái)等。

2.1 計(jì)算流程

2.1.1 計(jì)算上部換熱器包括設(shè)計(jì)工況（無(wú)地震載荷）、設(shè)計(jì)工況（有地震載荷）、壓力試驗(yàn)工況。一般來(lái)說(shuō)，管程或者殼程單獨(dú)進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，載荷小于兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，不必計(jì)算后兩種。

2.1.2 如上部換熱器有不合格項(xiàng)目，應(yīng)調(diào)整至全部合格。生成上部換熱器強(qiáng)度計(jì)算書。

2.1.3 計(jì)算下部換熱器。此時(shí)將上部換熱器作為集中質(zhì)量考慮。下部換熱器一共需要計(jì)算3次：

①取上部換熱器設(shè)計(jì)工況下（無(wú)地震載荷）支座反力(N)除以9.81（重力加速度）得到質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量(kg),加上下部換熱器自身的均布載荷和集中載荷，計(jì)算書只保留輸入數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)工況無(wú)地震載荷）的部分。

②取上部換熱器設(shè)計(jì)工況下（有地震載荷）支座反力作同上的計(jì)算。

③取上部換熱器壓力試驗(yàn)工況下支座反力作同上的計(jì)算。

④將上部換熱器的計(jì)算書和上述3部分計(jì)算書合并，即為整個(gè)設(shè)備支座計(jì)算部分的計(jì)算書。

在計(jì)算下部換熱器時(shí)，由于多了3個(gè)集中質(zhì)量，有可能產(chǎn)生多余5個(gè)集中質(zhì)量，此時(shí)可以合并一些集中質(zhì)量。

注：當(dāng)計(jì)算下部換熱器時(shí)，集中質(zhì)量數(shù)目多余5個(gè)時(shí)，可以合并一些集中質(zhì)量，合并時(shí)質(zhì)量直接相加，組合質(zhì)量的水平位置和豎直位置按重量加權(quán)平均。優(yōu)先合并距離較近的質(zhì)量。

3 腐蝕裕量

3.1 GB/T151-2014第4.4.5.4條腐蝕裕量的考慮原則中與浮頭換熱器相關(guān)的規(guī)定：對(duì)于管板、浮頭法蘭、球冠型封頭的兩面均應(yīng)考慮腐蝕裕量；換熱管、鉤圈、浮頭螺栓一般不考慮腐蝕裕量；分程隔板的兩面均應(yīng)考慮腐蝕裕量。

3.2對(duì)于浮頭法蘭受管殼程介質(zhì)作用，四面與介質(zhì)接觸，應(yīng)在內(nèi)外徑、厚度方向均需考慮腐蝕裕量；對(duì)于鉤圈、浮頭的緊固件可以少考慮甚至不考慮腐蝕裕量，尤其是浮頭螺栓是否考慮腐蝕對(duì)計(jì)算影響很大，可以在維持裝置一個(gè)檢修周期內(nèi)根據(jù)實(shí)際的腐蝕情況進(jìn)行更換。如殼程介質(zhì)對(duì)螺栓有腐蝕時(shí)個(gè)人認(rèn)為應(yīng)在圖紙中注明每次大修更換浮頭螺栓的要求。對(duì)于腐蝕后的工況，應(yīng)考慮法蘭和管板腐蝕后應(yīng)滿足墊片接觸內(nèi)外徑尺寸。

4 重疊熱交換器支座的安裝形式、要求如下：

a) 重疊熱交換器之間的支座應(yīng)設(shè)置調(diào)整高度的墊板；

b)支座底板到設(shè)備中心線的距離應(yīng)比接管法蘭密封面到設(shè)備中心線的距離至少小5mm;

c)當(dāng)重疊熱交換器質(zhì)量較大時(shí)，可增設(shè)一組重疊支座；

d)在不移動(dòng)熱交換器的情況下，重疊熱交換器的中心應(yīng)滿足拆裝接管法蘭螺栓的要求。

5 浮頭式換熱器耐壓試驗(yàn)順序；

a)用試壓環(huán)和浮頭專用試壓工具進(jìn)行管頭試壓

b)管程試壓

c)殼程試壓

重疊式浮頭換熱器的管頭耐壓試驗(yàn)和泄露試驗(yàn)允許單臺(tái)進(jìn)行。當(dāng)各臺(tái)換熱器管殼程間分別連通時(shí)，管程和殼程試壓還應(yīng)在重疊組裝后進(jìn)行。固定管板端環(huán)形試壓胎具的計(jì)算應(yīng)按照不帶頸松式法蘭計(jì)算，不需要校核剛度系數(shù)J＜1，且材料許用應(yīng)力可以取水壓試驗(yàn)條件下0.8倍的材料屈服強(qiáng)度。浮頭端的專用胎具可以設(shè)計(jì)成填料函形式或采用自緊密封橡膠環(huán)形式。