夾持管板式換熱器試壓環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 旭，吳忠全

(1.四川瀘天化弘旭工程建設(shè)有限公司 四川瀘州 646300；2.四川瀘州瀘天化化工設(shè)計(jì)有限公司 四川瀘州 646300)

0 前 言

換熱器是進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備，其換熱性能主要取決于換熱器的結(jié)構(gòu)。夾持管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是管束可以抽出來清洗，殼程殼體與換熱管管壁不受溫差的限制，可在高溫、高壓下工作等[1]。為了在壓力試驗(yàn)或泄漏試驗(yàn)時(shí)便于檢查換熱管與管板焊接接頭的焊接質(zhì)量，此類換熱器在制造或檢修過程中需采用試壓環(huán)來代替管箱夾持管板，工程技術(shù)人員往往憑經(jīng)驗(yàn)或根據(jù)管箱法蘭厚度及結(jié)構(gòu)形式隨意確定試壓環(huán)的厚度與結(jié)構(gòu)，造成無(wú)法一次試驗(yàn)獲得成功，浪費(fèi)了人力和物力。

1 試壓環(huán)的作用

夾持管板式換熱器通過螺栓連接管箱法蘭與殼程法蘭來夾持管板，分別保證殼程與管程的密封。但是管箱裝配以后，就無(wú)法在殼程進(jìn)行壓力試驗(yàn)或泄漏試驗(yàn)時(shí)檢查換熱管與管板焊接接頭是否存在缺陷，此時(shí)就需用試壓環(huán)來替代管箱，將管束與殼程法蘭及墊片用螺栓預(yù)緊后進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)檢查換熱管與管板的焊接接頭。試壓環(huán)與管板、殼程法蘭連接示意如圖1所示[2]。

2 受力分析

2.1 管箱法蘭受力分析

管箱法蘭接觸管箱介質(zhì)，受介質(zhì)壓力作用，其應(yīng)力分析簡(jiǎn)化模型如圖2所示。管箱法蘭在操作工況下承受4種載荷，即螺栓設(shè)計(jì)載荷W、墊片載荷FG、作用在法蘭面積上的壓力載荷FD、總的流體靜壓軸向力與作用在法蘭內(nèi)徑面積上壓力載荷之差FT[3]。

2.2 不帶頸活套法蘭受力分析

不帶頸活套法蘭的法蘭環(huán)與圓筒并無(wú)連接關(guān)系，所以法蘭環(huán)在螺栓力所引起的力矩作用下能夠自由旋轉(zhuǎn)，可以將其簡(jiǎn)化為一矩形截面的圓環(huán)受扭矩作用(圖3)，只存在切向彎曲應(yīng)力σT而不存在徑向彎曲應(yīng)力σR，且螺栓力矩不會(huì)傳遞至圓筒，所以圓筒上并無(wú)應(yīng)力[3]。

2.3 試壓環(huán)受力分析

試壓環(huán)通過螺栓將殼程法蘭與墊片把管板夾持住，試壓環(huán)自身不接觸介質(zhì)，也未受到殼程、管程介質(zhì)的壓力作用。壓力試驗(yàn)時(shí)，試壓環(huán)僅承受螺栓載荷和墊片的接觸反力，與強(qiáng)度無(wú)關(guān)，僅與剛度有關(guān)，其受力示意如圖4所示[4]。

通過上述分析可知，試壓環(huán)的受力與管箱法蘭有較大差異，而與不帶頸活套法蘭受力相似，因此可以參考不帶頸活套法蘭進(jìn)行試壓環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以某廠制造的1臺(tái)夾持管板式換熱器為例，設(shè)備外形如圖5所示，管箱、管板和試壓環(huán)外形圖如圖6所示，其設(shè)計(jì)參數(shù)：殼程試驗(yàn)壓力1.03 MPa(表壓)；殼程試驗(yàn)溫度25 ℃；連接螺栓規(guī)格尺寸M24 mm×155 mm，材質(zhì)35號(hào)鋼，數(shù)量為12顆；墊片規(guī)格尺寸Ф外312 mm/Ф內(nèi)273 mm，δ=3 mm，材質(zhì)為XB350。

根據(jù)圖6中管箱和管板的外形尺寸，可以設(shè)計(jì)出試壓環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸，即：外徑Do=Ф 405 mm，內(nèi)徑Di=Ф 273 mm，螺栓孔中心距Db=Ф 355 mm，螺栓孔規(guī)格和數(shù)量分別為Ф 26 mm和12個(gè)。

4 試壓環(huán)厚度δf的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》(GB/T 150.3—2011)中表7-6活套法蘭計(jì)算表的計(jì)算內(nèi)容，結(jié)合試壓環(huán)實(shí)際受力情況，代入夾持管板式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)和試壓環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，重新整理后的試壓環(huán)計(jì)算過程如圖7所示，圖7中所用符號(hào)參見GB/T 150.3—2011。

按照?qǐng)D7進(jìn)行計(jì)算，得到的試壓環(huán)厚度為36.4 mm，圓整后試壓環(huán)厚度取38.0 mm。從圖6可知，管箱法蘭有效厚度為22.0 mm，因此，計(jì)算結(jié)果證明僅以管箱法蘭厚度決定試壓環(huán)厚度是不合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過上述對(duì)試壓環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，證明僅憑經(jīng)驗(yàn)決定試壓環(huán)厚度的方法是不合理的。建議試壓環(huán)接觸墊片的表面在使用前進(jìn)行精密加工，使其表面粗糙度控制在12.5～25.0 μm范圍內(nèi)，保證試壓環(huán)與墊片接觸表面平整，以免造成螺栓預(yù)緊時(shí)受力不均或因裝配不當(dāng)而造成壓力試驗(yàn)失敗。

試驗(yàn)壓力Pc1.03MPa試驗(yàn)溫度t25℃試壓環(huán)材料Q235B螺栓材料35試壓環(huán)許用應(yīng)力試驗(yàn)溫度[σ]tf116MPa室溫[σ]f116MPa螺栓許用應(yīng)力試驗(yàn)溫度[σ]tb118MPa室溫[σ]f118MPa當(dāng)b0≤6.4mm時(shí),b=b0當(dāng)b0>6.4mm時(shí),b=2.53(b0)0.5N19.5mmb09.75mmb7.9mmy11MPam2.00Wa=πbDGy=80864(N)Fp=6.28DGmPc=3832(N)Am=max(Wa[σ]b,Fp[σ]tb)=685(mm2)Ab=nπd2根4=4078(mm2)W=(Am+Ab)[σ]b/2=281017(N)預(yù)緊螺栓工況FG=W=281017(N)LG=(Db-DG)/2=29.4(mm)Ma=FG·LG=8261900(N·mm)操作工況FG=Fp=3832(N)LG=(Db-DG)/2=29.4(mm)Mp=FG·LG=112661(N·mm)Mo=max(Mp,Ma[σ]tf/[σ]f)=8261900(N·mm)K=Do/Di=1.484Y=5.09(查GB/T150.3—2011中表7-9)δf=YM0[σ]tfDi=36.4(mm)

圖7 試壓環(huán)計(jì)算過程