煮沸換熱器改造設計及變徑錐殼選擇

陸博福

(中國一重(集團)有限責任公司技術質量部,黑龍江富拉爾基 161042)

煮沸換熱器改造設計及變徑錐殼選擇

陸博福

(中國一重(集團)有限責任公司技術質量部,黑龍江富拉爾基 161042)

在化工設備換熱器設計中,殼體上的變徑錐體結構選擇,關系到設備安全,經濟合理性。一般情況,當錐殼半頂角α≤30°、且設計壓力p≤2MPa時選用無折邊錐形封頭降低錐角度,可減小殼體厚度;如何選擇錐殼封頭的焊縫系數對殼體厚度影響較大。當錐殼封頭A類焊縫采用RT100%、Ⅱ級合格,焊縫系數取Φ=1則是最為經濟的明智選擇,從而節省錐封頭折邊成型加工費用,降低制造成本。

換熱器;變徑錐殼;改造;選擇

0 引 言

在化工設備換熱器設計中,為了滿足化工工藝要求,在介質進出口處應設置變徑擴容空間,通常是采用變徑折邊錐殼封頭來實現這種擴容空間結構的。對于采用何種結構形式的變徑錐體對設備殼體厚度和重量影響極大,同時直接關系到設備工程造價高低。

煮沸器下段換熱器是不銹鋼Ⅱ類壓力容器,是化肥生產裝置的主要設備,其直徑為1500mm/ 1300mm,下段換熱器長度為4190mm。該設備是1989年設計制造的,設備運行13a后于2002年10月中旬,由于連續發生管束泄漏而被迫停車檢修處理,當時正處于生產維持狀態。為了確保化肥裝置穩定運行,經研究探索對1989年版設備圖的結構進行改進設計,選擇最佳結構方案,將殼體上的4個折邊錐形封頭,改為無折邊錐形封頭,節省錐形封頭折邊加工費用為當時市場價格7000多元,同時使設備主體重量在原設備基礎上又減少了310kg。其新設備的改造設計要點闡述如下。

1 改造設計條件

煮沸換熱器設備設計技術參數見表1。

表1 煮沸換熱器技術參數表

2 新煮沸換熱器設計方案確定

考慮到該設備與原工藝管線安裝尺寸其設備的外連接口應與原始保持不變。

考慮到該設備應按照新標準進行設計,其殼體將會增厚,為減少重量將變徑折邊錐殼封頭改為A類焊縫RT100%的無折邊錐殼封頭。由于錐半角與原折邊錐封頭減少5°之多,從而使殼體厚度相應減薄。

考慮到減少制造加工的工作量,將原設計1989年版設備圖中的中間筒節由原三節直徑1300×18/ 14改為一節直徑1300×16筒節,從而去掉兩道環焊縫長達8.28m。

3 煮沸換熱器下段殼體設計

3.1 按原煮沸器結構選擇折邊錐形封頭設計計算

大端錐殼過渡段厚度計算:

式中:[σ]t——許用應力(0Cr18Ni10Ti材質)取

125MPa;

Di——錐形封頭直徑大端1500mm(圖1)

C1鋼板負偏差取;

C2腐蝕裕度=0;

K——系數,用r/Di=150/1500=0.1查表取

0.707;

Ф——焊縫系數取0.85;

pc——設計計算壓力1.6MPa。

圖1 改前原設備折邊錐封頭圖

折邊小端厚度計算:

式中:Q——系數,用pc/[б]tΦ=(1.6/125×0.85)=

0.013查取Q=1.74折邊小端有效厚度:δtr=

δr+C1+C2=17.16+0.8=17.96取名義厚度

δm=18mm

連接筒體與錐體加強同等厚度為18mm。

3.2 按新煮沸器結構選擇無折邊錐形封頭計算

為了降低設備制造費用,將原折邊錐形封頭改為無折邊錐形封頭,其設計計算如下(圖2)。

圖2 改后新無折邊錐封頭圖

(1)錐體半錐角α

(2)直徑Di1500筒體計算

筒體有效厚度δN15=δ15+C1+C2=11.38+0.8 =12.18,按變徑段錐形封頭厚度取名義厚度為16mm。

(3)變徑段錐殼體設計計算

錐殼體大端判別是否在筒體連接處加強確定:

用pc/[σ]tφ=(1.6/125×0.85)=0.015查GB150-1998《鋼制壓力容器》曲線(圖7-11),可不用加強連接筒體壁厚。

錐殼體小端判別是否在筒體連接處加強確定:

用pc/[σ]tφ=(1.6/125×0.85)=0.015查GB150-1998《鋼制壓力容器》曲線(圖7-13),應對連接筒體壁厚進行加強厚度。

錐殼大端厚度計算:

考慮到減薄筒體厚度,加之此A類焊縫長度實際只有344mm,為此取RT100%探傷焊縫系數Φ=1;用pc/[σ]tφ=(1.6/125×1)=0.013,取Q=1.6

筒體有效厚度δn=δr1+C1+C2=13.4+0.8= 14.2,筒體與小端錐體連接處取名義厚度為16mm

(4)直徑Di1300筒體計算

筒體有效厚度δT=δ13+C1+C2=9.86+0.8= 10.66mm,考慮到變徑錐形封頭小端厚度加強,為此應按變徑錐形封頭名義厚度選取筒體名義厚度為16mm。

4 新舊煮沸換熱器殼體設計經濟分析

4.1 錐殼封頭加工費用分析

原設備殼體由兩種4件折邊錐形封頭構成,因公司廠內加工能力有限封頭成形只靠外委加工解決,加工費用在當時的市場價格為7000元以上,還有遠程運輸費用等。新煮沸器采用了無折邊錐形結構,取消了折邊成形加工工序的費用支出,節省了資金,縮短設備制造周期。

4.2 筒體制造費用分析

在舊設備的筒體中有多個筒節組成,焊接工作量較大,而且重量高于新設計的煮沸器設備重量127kg其材料費用差在數千元左右。

綜上所述,新設備與舊設備相比具有技術可靠,經濟實用,加工周期短等特點(圖3)。

圖3 不銹鋼換熱器簡圖

5 結 語

化工設備煮沸換熱器的變徑錐殼封頭結構方案選擇確定對殼體厚度影響極大,選擇最佳方案則可減薄筒體厚度和重量,一般情況,當錐殼半頂角α≤30°、且設計壓力p≤2MPa時選用無折邊錐形封頭較為經濟。應用該技術設計制造的新煮沸換熱器,其結構安全合理,經濟實用,可為企業節省錐封頭折邊加工成形費用和焊接工作量(取消兩道直徑1300mm環向焊縫)。如何選擇錐形封頭焊縫系數對殼體厚度影響較大。相對而言,當錐殼封頭A類焊縫長度不大于500mm時,采用RT100%Ⅱ級合格,焊縫系數取Φ= 1是最為經濟的明智選擇。

實踐證明,在化工設備換熱處器設計中,采用最佳變徑錐殼封頭結構方案,這對化工企業容器設備設計與制造具有重大作用和經濟實用性。

[1] GB150-1998.鋼制壓力容器.

[2] GB151-1999.管殼式換熱器.

TQ051.5

A

1003-6490(2010)01-0041-03

2009-09-18

陸博福(1954.5-)男,漢族,遼寧省遼陽人,高級工程師,多年從事壓力容器設計與制造工作,現從事壓力容器、機械產品檢測儀器、質量管理工作。