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    高压U形管式换热器的管箱设计探讨.pdf

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    高压U形管式换热器的管箱设计探讨.pdf

    CHE ⅡCAL ENGINEERING DESIGN 高压U形管式换热器的管箱设计探讨 杨东升 崔建波张秀艳镇海石化工程股份有限公司 宁波315042 摘要 以一台小直径高压u形管式换热器的管箱设计为例,探讨在应用GB151中的b型管板时,校核与 其直接相连的法兰时附加弯矩的计算,同时简要介绍了当/D值较小时,平盖计算应注意的问题。 关键词高压b型管板法兰弯矩平盖厚度当量应力 1 设备概述 某装置中有一台高压u形管式换热器,其设 计参数见表1。 表1 U形管式换热器设计参数 本设备管程介质中含少量甲酸约0.1%, 因此管箱内部需堆焊316L不锈钢做耐蚀层,若采 用夹持管板GB151中的a型管板,不但需要一 对法兰,而且法兰轴向长度加上管箱简体设置物 料进出口所必须的长度,将超过700mm,而设备 内径仅为304mm。 经过方案比较,本设计采用图l的焊接管板 GB151中b型管板和平盖封头的型式,焊接管 板直接与管箱法兰小端焊接,将所有管程开孔均 移至平盖上,这样虽然管板厚度较大,但缩短了 管箱的轴向长度,便于检修换热管与管板的接头, 同时有利于保证分程隔板与管箱的焊接质量,也 节省了管箱段的锻件用量。 由于管程物料有微毒性,设计上应采用可靠 的密封型式,Q环密封可以实现零泄漏,而且, 加工比较简单。通常在换热器上应用的Q环密封, 在分程隔板的密封上采用了C形弹性密封结构, 见图2。这种密封依靠C形管的回弹实现了分程隔 图1管箱结构 板与管板或平盖间的密封,但在法兰与平盖连接 处由于结构不连续而无法实现有效的密封,造成 这里的介质短路,影响了换热 的效果。 图2 C型弹性密封结构 本设备的设计采用了波齿复合垫与Q环的组 合式密封,波齿复合垫为两管程管箱垫片型式, 骨架材料为O22Cr17 Ni12M02,填充材料为柔性石 墨。按GB/T19066.1制作。垫片宽度为30mm,隔 板处垫片宽度为14mm,见图3。使用波齿复合垫 密封虽然增大了法兰及平盖的计算力矩,引起尺 寸增加,但这种结构可以避免管程间的泄漏。而 且,这种组合结构可以克服使用Q环密封结构在 液压试验和操作过程中残存的积液无法排除的 缺点。 杨东升工程师。1998年毕业于西安交通大学化工机械与设备专业。从事压力容器设计工作。联系电话 mailyangdsi ec.eom。 杨东升等 高压U形管式换热器的管箱设计探讨 45 2管板的计算 图3管箱垫片 管板在管程压力Pt作用下,其直径断面将按 图4虚线所示方向变形,由于管板与管箱和壳体直 接焊接本例管箱筒体为法兰,其变形受到法兰 的约束,同时受到壳程简体的约束。即存在弯矩M 的支承作用,使管板的受力状态为Pt作用下受 管孔开孔削弱及周边弹性支承的圆平板。这是u 形管式换热器b型管板与a型管板受力状态的 区别。 图4管板约束示意 在周边简支状态下,管板周边径向应力为零, 管板的最大应力发生在管板中心,计算式为 ‰0.309P 1 go 式中,P为管板计算压力,本例取18.9MPa;D为 管板当量直径,本例取其与法兰连接部位中性面 直径350.5mm; 为强度削弱系数,按GB151规 定,取0.4;8为管板有效厚度,本例取97mm。 由于换热器管板为轴对称结构,周边约束为 均布力矩。圆平板在该力矩作用下,处处产生相 等的径向和环向弯曲应力。该弯曲应力与Pt产生 的弯曲应力叠加的结果是除非周边约束使得管 板边界条件接近于固支,一般情况下,管板最大 应力仍在中心处,但其值较纯周边简支时的最大 应力要小,此即b型管板较a型管板薄的原因。 由于管箱法兰对管板施加了均布弯矩,法兰 也必然受到相等弯矩的反作用,因此在校核管箱 法兰时,必须考虑该弯矩的反作用,下面求解这 一弯矩的大小。本例中壳程筒体较薄采用规格 为中32510的无缝管,在与管箱简体对管板的 联合约束中作用较小。本例计算中壳程简体和管 箱圆筒分别与管板的旋转刚度值之比,前者仅为 后者的1/15,因此假定壳程筒体对管板的约束均 由管箱筒体提供,即对法兰所受弯矩数值略作放 大,对法兰的核算结果是偏安全的。忽略与管板 固定相连的管箱或壳体对管板的约束支承作 用在ASMEⅧ一1中也有考虑,按UHX一12.6中 提供的思路,将使管板的计算厚度增大,但同时 可以免除对与管板相连的壳体产生的附加轴向弯 曲应力的校核,而管板对与其固定相连的管箱或 壳体的附加轴向弯曲应力是GB151所没有考虑的。 周边弹性支承的圆平板,可将计算载荷分解 为两部分,一是在周边简支的圆平板上,最大弯 曲应力在中心;二是在受周边均布支承弯矩作用 的圆平板上,弯曲应力处处相等。由于两者符号 相反,管板对法兰所施加的弯矩数值,可通过求 取管板因该弯矩的作用,而使最大应力ormax得以 减小的数值绝对值,此值即为该弯矩单独作用 在管板土时,产生的弯曲应力,进而可以求得这 一弯矩的大小。计算式为 P 一 , 2 式中,盯为周边简支管板有无均布弯矩时最大应 力的差值;or 为周边简支管板最大应力值,按 1式计算,其值为190.6MPa;or 为管板在周边 简支状态且有均布弯矩时最大应力值,按GB151 计算,采用SW6计算软件,控制or ≤1.5[or] ,并 保留一定的安全裕度,其值为108.3MPa。 计算结果仃为82.3MPa。在计算中为忽略壳 程筒体的支承作用,可令壳程简体的弹性模量E 仅取10.0MPa。 根据圆平板上作用的均布弯矩与弯曲应力的 关系,可由应力计算弯矩 m 3 式中,8为管板有效厚度,本例取97mm; 为强 度削弱系数,取0.4。 此值为管板圆周单位长度上的弯矩值,乘以 圆周长度后,求得管板施加在法兰上的弯矩值为 5.6910’N1TIITI,其方向与法兰所承受的弯矩方 向相同,在校核法兰各项应力时,应计人此弯矩。 CHEⅡCAL ENGINEER耵 G DESIGN 校核法兰的各向应力可用SW6计算软件。 3管箱平盖的计算 本例中管箱封头为一个平盖,由于其固定方 法为螺栓连接,可按GB150中的平封头计算。由 于其作为管箱的平盖,在保证强度的同时,在管 箱内有隔板时,必须保证平盖的刚度要求,中心 点的挠度控制在0.75mm之内。经计算,本例平盖 的最大计算厚度不取决于中心点挠度控制,而是 取决于操作工况下的平盖厚度计算。此时,平盖 的结构特征系数K为0.81。 由于平盖上设有管程物料进出口,设备直径 很小,如果采用外加补强元件来补平盖开孔的弯 曲强度,势必造成厚壁管之间的距离很近,热影 响区重叠,影响强度。因此,平盖的开孔补强采 用加厚平盖的方法计算。开孔接管采用安放式结 构,见图5。内孔在接管焊接完毕后镗孔至设计尺 寸,这样不但内壁齐整,而且可以消除焊根部位 的焊接缺陷,保证接管焊接质量。 I \ , // \\\ } l I I 图5安放式开孔结构 GBI50中螺栓连接的平盖计算是基于受均匀 压力作用,平盖结构见图6。边界条件为周边简支 均布弯矩作用的圆平板的模型计算,该模型的前 图6平盖结构 提是弹性理论的小挠度薄板进行推倒计算。薄板 的模型是假定厚度与直径之比8/D值小于1/5,当 不符合这一条件时,不仅要考虑在平盖中弯曲应 力,还要考虑剪应力,因此要计算其中心处最大应 力的同时,还应校核其最薄弱截面的剪应力,并校 核该剪应力与此处弯曲应力组合时的当量应力。 该危险截面在螺栓中心圆与垫片作用圆之间 的周向平面上,该处总剪应力为全部介质压力和 全部垫片力之和一r,所受的弯曲应力为螺栓力在该 截面上产生的弯矩在内外表面上产生的应力和, 其当量应力为 or。 4 式中, 为危险截面最大弯曲应力,本例中为 51.4MPa;T为危险截面剪应力,本例中为 21.3MPa; 。为危险截面当量应力,本例中为 63.3MPa,使其控制在叮。≤70[ ] 80.4MPa。 工程上为简便起见,仍采用GB150的方法计 算高压容器的厚平盖,相当于近似地用薄板理论 进行处理,并取一定的安全系数来保证平盖的强 度,按这种方式计算出的平盖厚度再来校核危险 截面的当量应力。 4结语 通过对设计实例的分析,探讨了当应用b型管 板时,应考虑管板对与其直接焊接的简体或法 兰、简体端部的作用。对小直径高压u形管式 换热器,当简体厚度超过换热器内径10%造成1 或∞”超界时的计算具有参考意义。对于小直径的 高压容器应用平盖或管板时,且8/D值大于 1/5时,不但要计算最大弯曲应力,还应校核最大 剪应力及最大剪应力发生处该剪应力与此处弯曲 应力组合作用的当量应力,且其值应≤0.7[叮] 。 参考文献 1 GB 1502011,压力容器[S].中国标准出版社出 版,2012.3. 2 GB 1511998.管壳式换热器[S].中国标准出版社出 版,1998. 3压力容器设计工程师培训教程[M].新华出版社出 版,2005. 4 化工设备设计全书一高压容器[M].化学工业出版社出 版,2003. 5李建国编著.压力容器设计的力学基础及其标准应用 [M].机械工业出版社出版,2005. 修改回稿2013一O108

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