管殼式換熱器設計要點綜述

                                 黃偉昌  王　玉

                 (沈陽匯博熱能設備有限公司,遼寧沈陽　110043)

    摘要：管殼式換熱器屬于多腔容器,且因含管板計算,因此設計復雜。文中通過對管殼式換熱器設計要點分類分析,對一些不容易把握的設計問題,提出了建議。文中提出的問題,均來自多年的設計案例。文中還簡要介紹了引進設備設計改造的注意事項。文中示例有助于對設計所涉及問題的處置。

    關鍵詞：管殼式;換熱器;鋼管

    中圖分類號：TE974·4　　文獻標識碼：A　　文章編號：1004-9614(2009)06-0032-03

    1·鋼板、鋼管負偏差問題

    GB150-1998規定:當鋼材的厚度負偏差不大于0·25 mm,且不超過名義厚度的6%時,鋼材厚度負偏差可忽略不計。負偏差的問題,在設計上錯誤出現頻率較高,可使殼體壁厚小一檔,還可能引起開孔補強不足,應務必引起注意。新版GB713-2008規定的負偏差是0·30mm,鋼材厚度負偏差就不能忽略不計了。鋼管負偏差問題,主要涉及到兩項內容:管束的級別問題(采用普通級的碳素鋼、低合金鋼冷拔鋼管做換熱管為Ⅱ級,其余均為Ⅰ級),會影響到管板和折流板管孔的公差精度,還應注意不同材質的換熱管所對應的管孔公差是不同的;影響到開孔補強效果,鋼管的負偏差均按壁厚的一定比例給出。對于常用的強度計算軟件, SW6由程序自帶負偏差數據,LANSYS需設計者根據所選板、管標準,輸入相應數據。

    2·殼體、管板、設備法蘭、管法蘭的設計

    2·1　殼體

    按GB151-1999表8、表9,一般在較低的設計壓力下,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,最小厚度還應相應增加。

    2·2　管板

    設計管板時應注意兩點:管板的布管數要足夠;延長部分兼作法蘭的管板,其許用應力的選取,一定要注意GB150-1998第4章表4-1注4、表4-5注2,即不得選用該行數據,否則,設計將出現重大錯誤。在管板計算時,換熱管受壓失穩的當量長度lcr,應按GB151-1999圖32所示5種情況,比較得出最大值。有些設計計算書中,輸入的并不是lcr的最大值。當管板本身具有凸肩并與圓筒(或封頭)對接連接時,應采用鍛件;用鋼板作管板,對于厚度大于50mm的20R、16MnR材料,應在正火狀態下使用。

    2·3　設備法蘭、管法蘭

    選用設備法蘭時,應詳細了解JB/T4700-2000規定內容,特別應注意法蘭類型、材料、溫度、墊片的關系。現實中,有甲型法蘭配纏繞墊和選用不銹鋼材料不經過計算的錯誤。對長頸法蘭,當工作壓力大于或等于0·8倍該標準中規定的最大允許工作壓力時,法蘭與圓筒的對接焊縫必須進行100%的射線或超聲檢測,按JB/T4730. 2~4730. 3-2005檢測。射線檢測Ⅱ級合格,超聲檢測I級合格。當法蘭所在容器圖樣的容器的檢測未能滿足要求時,則該要求應在圖樣中標明。也就是說,當滿足上述使用條件,環縫采用100%的射線或超聲檢測時,可以不必強調這項要求,但如果除此環縫外,其他環縫與此有差別,該條一定特殊提出來。

    與長頸法蘭相連接的圓筒厚度應大于等于JB/T4703-2000中規定的對接筒體最小厚度δ0,且筒節長度不小于。當對接圓筒厚度小于δ0時,應按JB/T4703-2000中的表3要求,調整法蘭總高度H,并同時標明法蘭厚度。該項應選擇經濟效益好的方案。

    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。對板式法蘭應謹慎選用,有關管法蘭的技術要求一定遵循HG20603(20624)-1997和HG20604(20625)-1997規定。現實中,有帶頸平焊直接用厚板加工和鍛件級別選錯的情況。

    設備法蘭、管法蘭選用與設計,一定要注意配套的墊片與介質的相容性、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、程數

    容規對多腔壓力容器(如換熱器的管程和殼程)按照類別高的壓力腔作為該容器的類別進行管理。但應按照每個壓力腔各自的類別分別提出設計、制造技術要求。對各壓力腔進行類別劃定時,設計壓力取該壓力腔的設計壓力,容積取該壓力腔的幾何容積。　　

    管程分程是設備實現工藝性能的結構要求,GB151-1999只羅列了1、2、4、6、8、10、12 7種,遠遠不能滿足工藝要求,為了實現換熱的最優化,也可設計除單程以外的其他奇數程數,引進設備的奇數程數和超過12管程數明顯多于國內的。限于國內的配件實際配套能力,設計時應盡可能選用有標準型墊片供應的管程數。

    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,應謹慎選用。引進設備多以重疊形式來實現多殼程目的。

    4·膨脹節、防沖板設計

    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置膨脹節,設計時可直接按GB16749-1997給出的參數進行校核確定,一般以單層單波為主。但在希望膨脹節剛度較小的場合,可選擇多波或多層。在壓力高和腐蝕嚴重的場合,應避免采用膨脹節,要選用其他不含膨脹節的換熱器結構型式,或將管、殼程介質進行調換。防沖設計是管殼式換熱器設計的重要組成部分。實際上,許多由于振動損壞的問題,應歸于防沖板的設計不合理。也曾有防沖板掉下來的情況發生。推薦使用帶導流的防沖結構型式。另外,從大量的引進設備發現,除外導流結構型式外,防沖板很少與殼體直接連接,一般均設置在管束上。這樣有兩個好處,進口流體通道更為通暢;管束的的安裝方向不受限制。

    5·管程、殼程壓力不同時設計處理辦法

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

    (2)當管程試驗壓力大于殼程,又無法提高殼程試驗壓力時,應在殼程壓力試驗完成后,選用其他的輔助辦法,對管接頭進行必要的檢查,如HG 20584-1998附錄A壓力容器氨滲漏試驗方法中的B法。

    (3)對殼側需升壓試驗的場合,應按GB150 -1998中3. 8. 2要求進行應力校核,并滿足規定條件。還應校核殼側管法蘭,是否滿足升壓試驗壓力指標。安裝在設備上的管法蘭,其水壓試驗壓力一般應不大于該管法蘭在20℃時最高無沖擊工作壓力的1·5倍。還應對殼側的膨脹節、補強、管板進行耐壓能力判定。　　

    6·熱處理問題

    (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向開孔超過1/3圓筒內徑的管箱需進行熱處理。

    (2)有耐應力腐蝕時,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的直管段應進行熱處理。冷軋的強化換熱管也需進行熱處理。

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

    7·標準未明確的幾個問題

    (1)墊片問題。GB150-1998表9-2給出常用的墊片性能,但不能完全滿足設計要求。HG20592~20635-1997編制說明中表10,給出了幾種新材料的墊片系數m和比壓力數值y,設計時可參考。

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

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

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

    (5)管板使用爆炸復合板時,應按結合率100%提出技術要求。立式換熱器的拉桿固定端,應盡可能設置在上管板上。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)當設計壓力較高時,GB151-1999給出浮頭式換熱器中的浮頭法蘭和勾圈外徑,已經無法滿足螺柱直徑的增大,此時,應適當加大兩者外徑。

    (7)強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·引進設備國產化改造問題

    引進設備大多是按照ASMEⅧ-1設計的,國產化首先遇到的是體系的變化,具體包括材料的改變,直徑的調整(用英寸的應轉化成通用的mm,并盡可能按公稱系列進行圓整)。

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

    

    式中:p1為最大允許工作壓力(或設計壓力);S1為容器試驗溫度下材料的應力值;S2為容器設計溫度下材料的應力值。

    GB150-1998規定的水壓試驗壓力為

    

    式中:p2為設計壓力;S3為容器元件材料在試驗溫度下的許用應力;S4為容器元件材料在設計溫度下的許用應力。

    實際上,由于安全系數及計算公式不同,按ASMEⅧ-1計算的殼體厚度要比按GB150-1998計算的厚。

    例如,某管殼式換熱器殼程材料為SA516-70(相當于國內16MnR),內直徑800 mm,設計溫度200℃,設計內壓力2·5MPa,腐蝕裕度k=2·0 mm,焊接接頭系數0·85,材料的許用應力為138 MPa(170 MPa)。試按ASMEⅧ-1和GB150-1998分別計算殼體最小厚度和試驗壓力。

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

    

    

    系數取1·3,則試驗壓力為3·25MPa.

    (2)按GB150-1998計算得:

    

    管接頭與管板的連接形式大多為強度脹及強度脹+密封焊,國內多以強度焊+貼脹為主。另外,國外的管間距比GB151-1999規定小,如GB151-1999規定Φ19管間距為25,國外普遍為23·8 mm.還有,國外均以極端條件設計設備,在轉化時要注意。國外設備大多用一張圖來表達,國內習慣總圖加零部件圖來設計制造。

    在最大限度地保證原設備的結構形式、方位尺寸情況下,應重新按國內標準體系進行設計。大多數情況下,不改變原設備的管法蘭體系和壓力等級。設計時,還應考慮國內的制造工藝水平。必要時,需對設計方案進行調整。

    一般情況下,不管有無原設備圖紙,均需現場測繪復核驗證,以現場測繪數據和銘牌數據為準。由于設計體系上的差異,GB151-1999尚無法解決一些特殊結構的管板計算問題,可按JB4732-1995附錄I給出的方法或是有限單元分析設計方法處理。

    9·示例

    設計一立式固定管板換熱器,耳式支座,型號為BEM800-2. 5/1. 6-102-3/25-2I,設計參數見表1。

              

    形成的總圖基本結構見圖1。

             

    除按正常的強度計算內容外,該換熱器主要技術要求必須包含下述內容: 

    (1)根據該換熱器設計參數,殼程不需劃類,管程需劃類。綜合分析,該換熱器應劃為二類容器。 

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

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

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

    (5)設備法蘭如選用長頸法蘭(16MnII, 2·5MPa),其與管箱短節的環焊縫應按JB/T4730. 2-2005, 100%檢測,Ⅱ級合格(依據JB/T 4700-2000 6.6.1.2)。

    (6)如校核通過,殼程應進行升壓試驗(不低于管程試驗壓力)來檢驗換熱管接頭;如不通過,應按HG20584-1998附錄中的B法檢驗換熱管接頭。

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[17]　JB 4732—1995　鋼制壓力容器分析設計標準.

作者簡介:黃偉昌(1977—),工程師,主要從事管殼式換熱器的選型、設計、制造工作。