中間冰機設計要點

鄭燕（四川晨光工程設計院，四川 成都 610041）

中間冰機設計要點

鄭燕（四川晨光工程設計院，四川 成都 610041）

根據中間冰機在化工生產裝置中具體的使用工況，本文以如何設計該設備為出發點，圍繞設備技術特征和結構特點具體從設計參數的確定、材料選擇、結構分析設計以及制造檢驗要求四個方面重點進行分析和闡述。

釜式U型管式換熱設備、低溫材料、低溫結構、制造檢驗

中間冰機是某有機硅廠冷凍系統技術改造項目新增設計的一臺釜式U型管換熱設備，是該冷凍系統的關鍵設備之一。本文以下就該設備在設計上的四個關鍵方面分別進行介紹。

1 本設備主要技術參數

工作溫度：管程：正常溫度：-15°C；最高溫度：-20°C;

殼程:正常溫度：-30°C；最高溫度40°C。

工作壓力：管程：正常壓力0.4MPa；最高壓力0.5MPa；

殼程:正常壓力0.02MPa/最高壓力1.4MPa。

根據上述操作工況和設計參數，根據GB150.1～150.4-2011《壓力容器》標準“設計溫度不得低于金屬在工作狀態可能達到的最高溫度和設計溫度不得高于金屬在工作狀態可能達到的最低溫度”的規定，將本設備的設計參數確定為：

管程設計溫度：-30°C; 管程設計壓力：0.6MPa

殼程設計溫度：-35/50°C;管程設計壓力：1.97/-0.1MPa這里值得說明的是：

管程的設計壓力是按常規法（工作壓力乘以安全系數）取為0.6MPa；

殼程設計壓力是按兩種工況考慮：

（1）操作狀態：取液氨在設計溫度50°C下的飽和蒸汽壓1.97MPa作為殼程的設計壓力；

（2）檢修狀態：取設備充氮保護抽真空時的負壓-0.1MPa作為殼程的設計壓力。

2 設備選材

操作時，本設備在-20°C～-30°C低溫下運行，這種工作環境要求材料具有足夠低溫韌性。

（1）首先判斷設備殼體及其主要受壓元件是否是在低溫低應力工況下工作；如果屬于低溫低應力工況，則設備不必遵循低溫設備設計要求。

（2）低溫設備的免除判斷：

設備主體材料：16MnDR；壁厚δn=14mm；

查取16MnDR材料標準常溫屈強度為315MPa

按GB150.3《壓力容器》中圓筒的計算應力公式進行計算：

σt=Pc(Di+δe)/2δe=1.97x（1200+14-3-0.3）/2(14-3-0.3）= 111.5MPa

由于σt=111.5MPa＞315/6=52.5MPa，即雖然設計溫度低于-20°C，但在該設計條件下容器元件所承受的最大一次總體薄膜應力大于鋼材標準常溫屈強度的1/6且大于50MPa，不能免除低溫設計，設計中應嚴格按低溫容器的要求設計。

（3）作為低溫設備設計選材，本設備充分考慮以下4個方面：

a.低溫用鋼要求鋼材的顯微組織均勻和無塑性轉變溫度低，因此要求所用鋼材：板材（16MnDR）和管材（Q345E）的供貨狀態為正火狀態；鍛件（16MnD）的供貨狀態為淬火+回火狀態。

b.為保證材料的低溫韌性，滿足符合規定的低溫沖擊功指標，本設備殼體用16MnDR(正火)板材應進行-40℃夏比(V型缺口)沖擊試驗,沖擊吸收能量≥47J；本設備用Q345E(正火)管材的化學成分應符合P≤0.025%,S≤0.01%,且管程用?108x7管材應進行-40℃夏比(V型缺口)沖擊試驗,縱向沖擊吸收能量≥40J；本設備用16MnD鍛件應進行-45℃夏比(V型缺口)沖擊試驗,沖擊吸收能量≥47J；設備法蘭螺柱及管口配對螺柱應進行-35°C下的低溫V型缺口沖擊試驗,平均沖擊吸收能量≥41J。

c.本設備的焊接材料應選用與母材成分和性能相近的或相同的具有較好低溫性能的材料，焊條應選用低氫堿性焊條，焊劑應選用堿性或中性焊劑，且應按規定進行熔敷金屬擴散氫試驗或薄皮含水量復驗。

d.本設備選材除了考慮低溫對材料的要求，還應考慮液氨的應力腐蝕對材料的特殊要求；主要包括三方面：一是要求材料標準規定下的屈服強度ReL≤355MPa；二是要求材料的實測抗拉強度Rm≤630MPa；三是要求材料的碳當量Ce≤0.45。

3 結構分析設計

（1）管殼程的連接設計：本設備為殼程單斜錐具有蒸發空間的釜式夾持型U型管換熱器。作為夾持型U型管換熱器，設計上必須考慮夾持管板的管殼程法蘭的受力均勻，因此這里采用高頸法蘭、金屬纏繞墊和低合金高強鋼螺柱螺母組合結構，以保證管殼程連接的有效性；且其中兩顆螺柱設計為帶肩雙頭螺柱，以利于操作安裝檢修方便。

（2）殼程殼體的設計：關于殼程斜錐殼，由于本設備是低溫設備負壓工況，大小端必須采用有折邊結構，對錐殼大小端分別進行加強計算，對其計算結果取大值。本設備對錐殼大小端進行加強計算時，將大小端作為支撐圈考慮，因此除了對連接處進行加強面積校核外還需對連接處慣性矩進行校核，通過計算得出小端筒體所需壁厚16mm，大端筒體所需壁厚18mm。而事實上，滿足大端筒體強度計算的壁厚只需要12mm。設計上考慮用材的經濟性，將大端筒體采用分段設計，即將連接錐殼大端的筒體分成壁厚18mm和壁厚12mm厚兩段筒體分段制作。

（3）換熱管及其支撐結構設計

a為確保換熱管的有效性，設計時需考慮如下一些關于換熱管的基本要求：

換熱管材料：Q345E（正火）；管束級別為Ⅰ級且采用冷拔高級管；換熱管不允許拼接；換熱管與管板連接采用強度焊加貼脹，貼脹需采用柔性脹；強度焊采用氬弧焊，焊接不少于兩道，焊接接頭表面進行100%-PT檢測Ⅰ級合格；U形管彎管段的圓度偏差應不大于2.5mm，彎曲段與彎曲段距離一米范圍內直管段應作磁粉檢查，沒有裂紋為合格；換熱管彎制后應逐根進行水壓試驗，試驗壓力取管殼程試驗大者；換熱管采用冷彎，彎制后彎管段及至少150mm直管段范圍應進行消除應力熱處理。

b換熱管的支撐結構設計

一方面，由于U型換熱管束只有管板側固定，另一端浮動，則浮動端的支撐距離應滿足GB/T151-2014中規定的最大無支撐跨距要求。

另一方面，由于U型換熱管為可抽式結構，檢修時要需要抽芯檢查，為避免換熱器芯子在使用、安裝、檢修過程中變形和便于拆裝，需在支持板上裝滑道，且應在殼體底部設置支撐導軌。

（4）考慮低溫因素在結構上的特殊要求

設備結構應盡可能簡單，以減少焊接件的拘束程度；各部分結構應避免產生較大的溫度梯度；結構拐角過渡應減少局部的應力集中；各類接頭、凸緣等應圓滑過渡；支座應設置墊板，避免支座與殼體直接相焊，墊板材料與殼體相同；結構上應避免焊縫的集中和交叉；接管的補強采用鍛管補強；A、B、C、D類焊接接頭均要求全截面焊透。

4 制造檢驗要求

制造檢驗著重按以下方面考慮：

（1）從設計溫度-35°C，設計壓力1.97MPa，殼體厚度18mm，設備類別Ⅱ類，液氨介質中度危害等幾方面綜合考慮后，要求對管殼程A、B類焊縫進行100%-RT檢測，符合相應標準中的規定Ⅱ級合格；設備上公稱直徑DN＜250mm的接管與對焊法蘭的A類對接接頭進行100%-MT檢測,符合相應標準中的規定Ⅰ級合格；對管殼程C、D類焊縫應進行100%-MT檢測,符合相應標準中的規定Ⅰ級合格。

（2）主要受壓元件用16MnDR（正火）鋼板應按爐批進行超聲檢測,符合相應標準中的規定Ⅱ級合格。

（3）本設備應制作A類焊接接頭產品焊接試板,且應進行-35℃低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗,縱向沖擊吸收能量≥24J。

（4）本設備應進行焊后熱處理；熱處理后應對每一承壓焊縫的硬度進行測定，硬度測定應在焊縫金屬、熱影響區和臨近焊縫的母材接觸介質側各測三點，測試結果不超過HB200或相應硬度。設備熱處理后僅允許在墊板上施焊，不允許在設備本體上施焊。

5 結語

綜上所述，將具有U型管換熱器和低溫設備特征的設備設計充分展示，以期在這個過程中將設計得到優化，確保設計產品在生產過程中安全有效運行的前提下，力求節能環保、節省鋼材、提高化工設備的經濟效益。

[1]GB/T151-2014《熱交換器》.

[2]GB150.1～150.4-2011《壓力容器》.

[3]HG/T20585-2005《鋼制低溫壓力容器技術規定》.

[4]TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全監察規程》第2版.

鄭燕，女，1992年畢業于四川輕化工學院化工設備與機械專業，工程師，現在四川晨光工程設計院從事非標設備設計審核工作。