管殼式換熱器設(shè)計(jì)要點(diǎn)綜述

                            管殼式換熱器設(shè)計(jì)要點(diǎn)綜述

                                 黃偉昌  王　玉

                 (沈陽(yáng)匯博熱能設(shè)備有限公司,遼寧沈陽(yáng)　110043)

    摘要：管殼式換熱器屬于多腔容器,且因含管板計(jì)算,因此設(shè)計(jì)復(fù)雜。文中通過(guò)對(duì)管殼式換熱器設(shè)計(jì)要點(diǎn)分類(lèi)分析,對(duì)一些不容易把握的設(shè)計(jì)問(wèn)題,提出了建議。文中提出的問(wèn)題,均來(lái)自多年的設(shè)計(jì)案例。文中還簡(jiǎn)要介紹了引進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)改造的注意事項(xiàng)。文中示例有助于對(duì)設(shè)計(jì)所涉及問(wèn)題的處置。

    關(guān)鍵詞：管殼式;換熱器;鋼管

    中圖分類(lèi)號(hào)：TE974·4　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　文章編號(hào)：1004-9614(2009)06-0032-03

    1·鋼板、鋼管負(fù)偏差問(wèn)題

    GB150-1998規(guī)定:當(dāng)鋼材的厚度負(fù)偏差不大于0·25 mm,且不超過(guò)名義厚度的6%時(shí),鋼材厚度負(fù)偏差可忽略不計(jì)。負(fù)偏差的問(wèn)題,在設(shè)計(jì)上錯(cuò)誤出現(xiàn)頻率較高,可使殼體壁厚小一檔,還可能引起開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)不足,應(yīng)務(wù)必引起注意。新版GB713-2008規(guī)定的負(fù)偏差是0·30mm,鋼材厚度負(fù)偏差就不能忽略不計(jì)了。鋼管負(fù)偏差問(wèn)題,主要涉及到兩項(xiàng)內(nèi)容:管束的級(jí)別問(wèn)題(采用普通級(jí)的碳素鋼、低合金鋼冷拔鋼管做換熱管為Ⅱ級(jí),其余均為Ⅰ級(jí)),會(huì)影響到管板和折流板管孔的公差精度,還應(yīng)注意不同材質(zhì)的換熱管所對(duì)應(yīng)的管孔公差是不同的;影響到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)效果,鋼管的負(fù)偏差均按壁厚的一定比例給出。對(duì)于常用的強(qiáng)度計(jì)算軟件, SW6由程序自帶負(fù)偏差數(shù)據(jù),LANSYS需設(shè)計(jì)者根據(jù)所選板、管標(biāo)準(zhǔn),輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)。

    2·殼體、管板、設(shè)備法蘭、管法蘭的設(shè)計(jì)

    2·1　殼體

    按GB151-1999表8、表9,一般在較低的設(shè)計(jì)壓力下,在耐壓能力方面,殼體是偏厚的。這主要是為了保證殼體剛度,浮頭式和U形管式還要考慮一定的磨損量,所以,比固定管板式還厚。如果厚度附加量C2大于1,最小厚度還應(yīng)相應(yīng)增加。

    2·2　管板

    設(shè)計(jì)管板時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn):管板的布管數(shù)要足夠;延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板,其許用應(yīng)力的選取,一定要注意GB150-1998第4章表4-1注4、表4-5注2,即不得選用該行數(shù)據(jù),否則,設(shè)計(jì)將出現(xiàn)重大錯(cuò)誤。在管板計(jì)算時(shí),換熱管受壓失穩(wěn)的當(dāng)量長(zhǎng)度lcr,應(yīng)按GB151-1999圖32所示5種情況,比較得出最大值。有些設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)中,輸入的并不是lcr的最大值。當(dāng)管板本身具有凸肩并與圓筒(或封頭)對(duì)接連接時(shí),應(yīng)采用鍛件;用鋼板作管板,對(duì)于厚度大于50mm的20R、16MnR材料,應(yīng)在正火狀態(tài)下使用。

    2·3　設(shè)備法蘭、管法蘭

    選用設(shè)備法蘭時(shí),應(yīng)詳細(xì)了解JB/T4700-2000規(guī)定內(nèi)容,特別應(yīng)注意法蘭類(lèi)型、材料、溫度、墊片的關(guān)系?，F(xiàn)實(shí)中,有甲型法蘭配纏繞墊和選用不銹鋼材料不經(jīng)過(guò)計(jì)算的錯(cuò)誤。對(duì)長(zhǎng)頸法蘭,當(dāng)工作壓力大于或等于0·8倍該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大允許工作壓力時(shí),法蘭與圓筒的對(duì)接焊縫必須進(jìn)行100%的射線或超聲檢測(cè),按JB/T4730. 2~4730. 3-2005檢測(cè)。射線檢測(cè)Ⅱ級(jí)合格,超聲檢測(cè)I級(jí)合格。當(dāng)法蘭所在容器圖樣的容器的檢測(cè)未能滿足要求時(shí),則該要求應(yīng)在圖樣中標(biāo)明。也就是說(shuō),當(dāng)滿足上述使用條件,環(huán)縫采用100%的射線或超聲檢測(cè)時(shí),可以不必強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)要求,但如果除此環(huán)縫外,其他環(huán)縫與此有差別,該條一定特殊提出來(lái)。

    與長(zhǎng)頸法蘭相連接的圓筒厚度應(yīng)大于等于JB/T4703-2000中規(guī)定的對(duì)接筒體最小厚度δ0,且筒節(jié)長(zhǎng)度不小于。當(dāng)對(duì)接圓筒厚度小于δ0時(shí),應(yīng)按JB/T4703-2000中的表3要求,調(diào)整法蘭總高度H,并同時(shí)標(biāo)明法蘭厚度。該項(xiàng)應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)效益好的方案。

    管法蘭主要有歐洲和美洲兩大體系,其中HG20592~20635-1997最具代表性。對(duì)板式法蘭應(yīng)謹(jǐn)慎選用,有關(guān)管法蘭的技術(shù)要求一定遵循HG20603(20624)-1997和HG20604(20625)-1997規(guī)定?，F(xiàn)實(shí)中,有帶頸平焊直接用厚板加工和鍛件級(jí)別選錯(cuò)的情況。

    設(shè)備法蘭、管法蘭選用與設(shè)計(jì),一定要注意配套的墊片與介質(zhì)的相容性、墊片與法蘭的配套性。要注意隨著溫度升高,法蘭的耐壓能力急劇下降。

    3·劃類(lèi)、程數(shù)

    容規(guī)對(duì)多腔壓力容器(如換熱器的管程和殼程)按照類(lèi)別高的壓力腔作為該容器的類(lèi)別進(jìn)行管理。但應(yīng)按照每個(gè)壓力腔各自的類(lèi)別分別提出設(shè)計(jì)、制造技術(shù)要求。對(duì)各壓力腔進(jìn)行類(lèi)別劃定時(shí),設(shè)計(jì)壓力取該壓力腔的設(shè)計(jì)壓力,容積取該壓力腔的幾何容積?！　?br />
    管程分程是設(shè)備實(shí)現(xiàn)工藝性能的結(jié)構(gòu)要求,GB151-1999只羅列了1、2、4、6、8、10、12 7種,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工藝要求,為了實(shí)現(xiàn)換熱的最優(yōu)化,也可設(shè)計(jì)除單程以外的其他奇數(shù)程數(shù),引進(jìn)設(shè)備的奇數(shù)程數(shù)和超過(guò)12管程數(shù)明顯多于國(guó)內(nèi)的。限于國(guó)內(nèi)的配件實(shí)際配套能力,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選用有標(biāo)準(zhǔn)型墊片供應(yīng)的管程數(shù)。

    殼程雖然也可以分程,但不及管程普遍,加之程間的密封效果差,應(yīng)謹(jǐn)慎選用。引進(jìn)設(shè)備多以重疊形式來(lái)實(shí)現(xiàn)多殼程目的。

    4·膨脹節(jié)、防沖板設(shè)計(jì)

    一般情況下,適于GB151-1999的4種換熱器中,只有固定管板式在有些情況下殼體須設(shè)置膨脹節(jié),設(shè)計(jì)時(shí)可直接按GB16749-1997給出的參數(shù)進(jìn)行校核確定,一般以單層單波為主。但在希望膨脹節(jié)剛度較小的場(chǎng)合,可選擇多波或多層。在壓力高和腐蝕嚴(yán)重的場(chǎng)合,應(yīng)避免采用膨脹節(jié),要選用其他不含膨脹節(jié)的換熱器結(jié)構(gòu)型式,或?qū)⒐堋こ探橘|(zhì)進(jìn)行調(diào)換。防沖設(shè)計(jì)是管殼式換熱器設(shè)計(jì)的重要組成部分。實(shí)際上,許多由于振動(dòng)損壞的問(wèn)題,應(yīng)歸于防沖板的設(shè)計(jì)不合理。也曾有防沖板掉下來(lái)的情況發(fā)生。推薦使用帶導(dǎo)流的防沖結(jié)構(gòu)型式。另外,從大量的引進(jìn)設(shè)備發(fā)現(xiàn),除外導(dǎo)流結(jié)構(gòu)型式外,防沖板很少與殼體直接連接,一般均設(shè)置在管束上。這樣有兩個(gè)好處,進(jìn)口流體通道更為通暢;管束的的安裝方向不受限制。

    5·管程、殼程壓力不同時(shí)設(shè)計(jì)處理辦法

    (1)殼程試驗(yàn)壓力大于等于管程時(shí),可遵循GB151-1999試驗(yàn)順序先后試壓。

    (2)當(dāng)管程試驗(yàn)壓力大于殼程,又無(wú)法提高殼程試驗(yàn)壓力時(shí),應(yīng)在殼程壓力試驗(yàn)完成后,選用其他的輔助辦法,對(duì)管接頭進(jìn)行必要的檢查,如HG 20584-1998附錄A壓力容器氨滲漏試驗(yàn)方法中的B法。

    (3)對(duì)殼側(cè)需升壓試驗(yàn)的場(chǎng)合,應(yīng)按GB150 -1998中3. 8. 2要求進(jìn)行應(yīng)力校核,并滿足規(guī)定條件。還應(yīng)校核殼側(cè)管法蘭,是否滿足升壓試驗(yàn)壓力指標(biāo)。安裝在設(shè)備上的管法蘭,其水壓試驗(yàn)壓力一般應(yīng)不大于該管法蘭在20℃時(shí)最高無(wú)沖擊工作壓力的1·5倍。還應(yīng)對(duì)殼側(cè)的膨脹節(jié)、補(bǔ)強(qiáng)、管板進(jìn)行耐壓能力判定?！　?br />
    6·熱處理問(wèn)題

    (1)管箱、浮頭蓋的熱處理。碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱和浮頭蓋以及管箱的側(cè)向開(kāi)孔超過(guò)1/3圓筒內(nèi)徑的管箱需進(jìn)行熱處理。

    (2)有耐應(yīng)力腐蝕時(shí),碳鋼、低合金鋼鋼管制的冷彎U型管的彎管段及至少包括150 mm的直管段應(yīng)進(jìn)行熱處理。冷軋的強(qiáng)化換熱管也需進(jìn)行熱處理。

    (3)部分有色金屬冷軋的強(qiáng)化換熱管,如黃銅需進(jìn)行熱處理。除不銹鋼外,拼接后的管板應(yīng)作消除應(yīng)力熱處理。滿足GB150-1998中10. 4條款及容規(guī)要求需要熱處理的。

    7·標(biāo)準(zhǔn)未明確的幾個(gè)問(wèn)題

    (1)墊片問(wèn)題。GB150-1998表9-2給出常用的墊片性能,但不能完全滿足設(shè)計(jì)要求。HG20592~20635-1997編制說(shuō)明中表10,給出了幾種新材料的墊片系數(shù)m和比壓力數(shù)值y,設(shè)計(jì)時(shí)可參考。

    (2)GB151-1999內(nèi)5. 15款給出了A型和B型兩種鉤圈,從材料消耗情況來(lái)看, B型鉤圈更省料,且加工精度要高于A型,應(yīng)優(yōu)先選用。

    (3)在GB151-1999內(nèi)5. 14. 5. 3款b項(xiàng)浮頭法蘭計(jì)算表47附圖中,球冠形封頭插入法蘭深度l對(duì)法蘭計(jì)算厚度影響較大。外壓工況下,增加l可使法蘭減薄,但在內(nèi)壓工況下的作用與外壓相反,可按GB151-1999標(biāo)準(zhǔn)釋義取球冠形封頭名義厚度加2 mm.

    (4)GB 151-1999內(nèi)5. 6. 6. 2款圖17,分程隔板槽拐角處,一般不布管。

    (5)管板使用爆炸復(fù)合板時(shí),應(yīng)按結(jié)合率100%提出技術(shù)要求。立式換熱器的拉桿固定端,應(yīng)盡可能設(shè)置在上管板上。鑒于浮頭式換熱器浮頭墊片所處的位置和重要性,不宜選非金屬墊片。

    (6)當(dāng)設(shè)計(jì)壓力較高時(shí),GB151-1999給出浮頭式換熱器中的浮頭法蘭和勾圈外徑,已經(jīng)無(wú)法滿足螺柱直徑的增大,此時(shí),應(yīng)適當(dāng)加大兩者外徑。

    (7)強(qiáng)度焊管接頭承受換熱管軸向剪切載荷和密封要求的焊縫高度應(yīng)大于或等于1·4倍的管子壁厚,還必須是填絲的氬弧焊。

    8·引進(jìn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化改造問(wèn)題

    引進(jìn)設(shè)備大多是按照ASMEⅧ-1設(shè)計(jì)的,國(guó)產(chǎn)化首先遇到的是體系的變化,具體包括材料的改變,直徑的調(diào)整(用英寸的應(yīng)轉(zhuǎn)化成通用的mm,并盡可能按公稱(chēng)系列進(jìn)行圓整)。

    2001版本以前ASMEⅧ-1的水壓試驗(yàn)壓力按式(1)(2001版及以后版1. 5已經(jīng)改為1. 3):

    

    式中:p1為最大允許工作壓力(或設(shè)計(jì)壓力);S1為容器試驗(yàn)溫度下材料的應(yīng)力值;S2為容器設(shè)計(jì)溫度下材料的應(yīng)力值。

    GB150-1998規(guī)定的水壓試驗(yàn)壓力為

    

    式中:p2為設(shè)計(jì)壓力;S3為容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力;S4為容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

    實(shí)際上,由于安全系數(shù)及計(jì)算公式不同,按ASMEⅧ-1計(jì)算的殼體厚度要比按GB150-1998計(jì)算的厚。

    例如,某管殼式換熱器殼程材料為SA516-70(相當(dāng)于國(guó)內(nèi)16MnR),內(nèi)直徑800 mm,設(shè)計(jì)溫度200℃,設(shè)計(jì)內(nèi)壓力2·5MPa,腐蝕裕度k=2·0 mm,焊接接頭系數(shù)0·85,材料的許用應(yīng)力為138 MPa(170 MPa)。試按ASMEⅧ-1和GB150-1998分別計(jì)算殼體最小厚度和試驗(yàn)壓力。

    (1)由Ⅷ-1 UG-27可知, 0·385SE=45·16MPa>2·5MPa.腐蝕后圓筒內(nèi)半徑R=402 mm.

    

    

    系數(shù)取1·3,則試驗(yàn)壓力為3·25MPa.

    (2)按GB150-1998計(jì)算得:

    

    管接頭與管板的連接形式大多為強(qiáng)度脹及強(qiáng)度脹+密封焊,國(guó)內(nèi)多以強(qiáng)度焊+貼脹為主。另外,國(guó)外的管間距比GB151-1999規(guī)定小,如GB151-1999規(guī)定Φ19管間距為25,國(guó)外普遍為23·8 mm.還有,國(guó)外均以極端條件設(shè)計(jì)設(shè)備,在轉(zhuǎn)化時(shí)要注意。國(guó)外設(shè)備大多用一張圖來(lái)表達(dá),國(guó)內(nèi)習(xí)慣總圖加零部件圖來(lái)設(shè)計(jì)制造。

    在最大限度地保證原設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、方位尺寸情況下,應(yīng)重新按國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。大多數(shù)情況下,不改變?cè)O(shè)備的管法蘭體系和壓力等級(jí)。設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)考慮國(guó)內(nèi)的制造工藝水平。必要時(shí),需對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。

    一般情況下,不管有無(wú)原設(shè)備圖紙,均需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪復(fù)核驗(yàn)證,以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)和銘牌數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。由于設(shè)計(jì)體系上的差異,GB151-1999尚無(wú)法解決一些特殊結(jié)構(gòu)的管板計(jì)算問(wèn)題,可按JB4732-1995附錄I給出的方法或是有限單元分析設(shè)計(jì)方法處理。

    9·示例

    設(shè)計(jì)一立式固定管板換熱器,耳式支座,型號(hào)為BEM800-2. 5/1. 6-102-3/25-2I,設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

              

    形成的總圖基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

             

    除按正常的強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)容外,該換熱器主要技術(shù)要求必須包含下述內(nèi)容: 

    (1)根據(jù)該換熱器設(shè)計(jì)參數(shù),殼程不需劃類(lèi),管程需劃類(lèi)。綜合分析,該換熱器應(yīng)劃為二類(lèi)容器。 

    (2)殼程接管法蘭必須采用長(zhǎng)頸對(duì)接型式(滿足GB151-1999 5. 4. 2 c要求,至少2·5MPa級(jí))。

    (3)上管箱必須進(jìn)行焊后熱處理(滿足GB 151-1999 6. 8 a要求)。

    (4)拉桿安置在上管板(在殼程介質(zhì)入口位于上端時(shí),使流體沖擊動(dòng)力與重力方向一致,減輕折流板竄動(dòng)引起管孔磨損換熱管)。

    (5)設(shè)備法蘭如選用長(zhǎng)頸法蘭(16MnII, 2·5MPa),其與管箱短節(jié)的環(huán)焊縫應(yīng)按JB/T4730. 2-2005, 100%檢測(cè),Ⅱ級(jí)合格(依據(jù)JB/T 4700-2000 6.6.1.2)。

    (6)如校核通過(guò),殼程應(yīng)進(jìn)行升壓試驗(yàn)(不低于管程試驗(yàn)壓力)來(lái)檢驗(yàn)換熱管接頭;如不通過(guò),應(yīng)按HG20584-1998附錄中的B法檢驗(yàn)換熱管接頭。

參考文獻(xiàn):

[1]　GB 150—1998　鋼制壓力容器.

[2]　GB 6654—1996　壓力容器用鋼板.

[3]　GB/T 912—1989　碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋薄鋼板及鋼帶.

[4]　GB/T 3274—2007碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板及鋼帶.

[5]　GB/T 4237—2007　不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶.

[6]　GB 713—2008　鍋爐和壓力容器用鋼板.

[7]　GB 151—1999　管殼式換熱器.

[8]　JB/T 4700~4707—2000　壓力容器法蘭.

[9]　JB/T 4730. 1~4730. 6—2005　承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè).

[10]　HG 20592~20635—1997　鋼制管法蘭、墊片、緊固件.

[11]　國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程.北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社, 1999.

[12]　GB 16749—1997　壓力容器波形膨脹節(jié).

[13]　HG 20584—1998　鋼制化工容器制造技術(shù)要求.

[14]　全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 151—1999《管殼式換熱器》標(biāo)準(zhǔn)釋義.昆明:云南科技出版社, 2000.

[15]　李世玉.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程.北京:新華出版社, 2005.

[16]　ASMEⅧ—1　壓力容器建造規(guī)則(2004版).

[17]　JB 4732—1995　鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).

作者簡(jiǎn)介:黃偉昌(1977—),工程師,主要從事管殼式換熱器的選型、設(shè)計(jì)、制造工作。