高壓換熱器的設(shè)計

                                   陳可華　舒強(qiáng)

                        (貴州石油化工機(jī)械廠,貴州貴陽, 550002)

    摘　要：換熱器的設(shè)計在滿足工藝條件的情況下必須符合GBl50-1998《鋼制壓力容器》、GBl51-1999《管殼式換熱器》及《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定,本文著重介紹了高壓換熱器的設(shè)計。

    關(guān)鍵詞：高壓　換熱器　設(shè)計

    中圖分類號：T2016. 54　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B　　文章編號：1008-9411(2007)03-0042-03

    1　引言

    在石油煉制、石油化工生產(chǎn)中,換熟器是保證生產(chǎn)加工過程正常運(yùn)轉(zhuǎn)不可缺少的設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計,在石油化工行業(yè)中,換熱器的噸位約占整個工藝設(shè)備的20%,有的高達(dá)30%,在煉油廠中甚至占設(shè)備總重量的40%。換熱器在化工、石油及其他許多工業(yè)部門中得以廣泛應(yīng)用,使熱量從溫度較高的流體傳給另一溫度較低的流體,從而實(shí)現(xiàn)熱量傳遞,達(dá)到工藝目的。其類型與結(jié)構(gòu)也很多,常用的換熱器形式有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器,需根據(jù)具體情況對其進(jìn)行選型設(shè)計,本文著重介紹了在下列工藝條件下?lián)Q熱器的選型、設(shè)計、試驗(yàn)要求等。此換熱器是為新疆英買力氣田群地面建設(shè)工程設(shè)計的一臺凝析油處理裝置,設(shè)計工藝條件如下:

              

    2　設(shè)備選型

    由于給定的工藝條件管程設(shè)計壓力很大,管殼程溫差也很大,若采用固定管板換熱器,為降低換熱器各元件(管板、管子、殼體)在很大管殼程溫差載荷作用下的應(yīng)力,必須設(shè)置膨脹節(jié),但膨脹節(jié)的設(shè)置,又使管子和管板在很高管程壓力作用下,引起極大的應(yīng)力,使他們無法滿足條件,因此不宜采用固定管板換熱器;而浮頭式換熱器由于管程壓力很高,導(dǎo)致固定管板及浮動管板、鉤圈、浮動法蘭厚度均很厚,整個設(shè)備很笨重;從經(jīng)濟(jì)角度上和滿足工藝條件方面考慮,U形管式換熱器和浮頭式換熱器比較少了浮動管板、鉤圈、浮動法蘭這幾個部件,從而簡化了設(shè)備,節(jié)約了資金,因此選用U形管式換熱器。

    3　設(shè)備設(shè)計

    3. 1　材料選擇

    根據(jù)設(shè)計條件,此換熱器板材選用16MnR材料,鍛件材質(zhì)與板材相同,選用16Mn鍛件,換熱管由于壓力較高,選用20G高壓管(GB5310)。

    3. 2　管箱封頭的選擇

    由于管程設(shè)計壓力較大,封頭名義厚度較厚,制造封頭時厚度減薄率在12%以上,為保證成形后封頭的最小厚度,所用的鋼板厚度必定要比封頭名義厚度厚,根據(jù)設(shè)計條件,管箱筒體計算厚度為：

               

    管箱簡體名義厚度為24mm,即計算厚度加上厚度附加量后圓整的數(shù)值;如用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,封頭計算厚度為：

               

    管箱封頭最小厚度為22. 75mm,即計算厚度加上厚度附加量后的數(shù)值;如用半球形封頭,封頭計算厚度為：

               
    管箱封頭最小厚度為12. 98mm,即計算厚度加上厚度附加量后的數(shù)值;為了與管箱筒體焊接,取封頭名義厚度為24mm,由于制造時存在厚度減薄率,標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭就不能滿足強(qiáng)度要求,若滿足強(qiáng)度要求,成形封頭厚度又太厚,造成浪費(fèi),故選用半球形封頭,但要注意半球形封頭直邊段厚度應(yīng)滿足管箱筒體名義厚度。

    3. 3　管箱接管補(bǔ)強(qiáng)形式選擇

    由于管程設(shè)計壓力較大,補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)只適用于中、低壓壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng),而嵌入式補(bǔ)強(qiáng)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)制造繁瑣,成本較高,只在重要設(shè)備中使用,如該容器及材料屈服強(qiáng)度在500MPa以上的容器等,因此選用整體補(bǔ)強(qiáng);若增加殼體厚度,通過計算可知所需厚度為46mm,造成材料浪費(fèi)很大,因此選用厚壁接管補(bǔ)強(qiáng),此種補(bǔ)強(qiáng)形式所有用來加強(qiáng)的材料都直接處在應(yīng)力最大的區(qū)域,因而能更有效的降低應(yīng)力集中程度,由于此種結(jié)構(gòu)使接管外伸高度太大,因此我們選用整體厚壁接管法蘭補(bǔ)強(qiáng)。

    3. 4　管板密封面形式的選擇

    管板的密封面形式有全平面密封、突面密封、凸凹面密封、榫槽面密封,環(huán)連接面密封,根據(jù)JB/T4700~4707-2000《壓力容器法蘭》規(guī)定,此標(biāo)準(zhǔn)只適用于公稱壓力小于等于6. 4MPa的法蘭,而化工部標(biāo)準(zhǔn)HG20592~20635-97《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》,使用法蘭公稱壓力最高可達(dá)42. 0MPa,此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)公稱壓力大于等于10. 0MPa時,可使用的密封面形式為突面和環(huán)連接面兩種,且非金屬平墊片所適用的公稱壓力為0. 25 MPa~4. 0 MPa,聚四氟乙烯包墊片所適用的公稱壓力為0. 6 MPa~4. 0MPa,柔性石墨復(fù)合墊片所適用的公稱壓力為1.0MPa~6. 3MPa,金屬包覆墊片所適用的公稱壓力為2. 5MPa~10. 0 MPa,纏繞式墊片所適用的公稱壓力為1. 6MPa~16. 0MPa,齒形組合墊所適用的公稱壓力為1. 6MPa~25. 0MPa,金屬環(huán)墊所適用的公稱壓力為6. 3MPa~25. 0MPa,此換熱器管程設(shè)計壓力為12. 0MPa,可用纏繞式墊片、齒形組合墊及金屬環(huán)墊,由于換熱器屬于經(jīng)常拆卸的壓力容器,而纏繞式墊片和齒形組合墊屬于一次性物品,相比之下,金屬環(huán)墊既耐磨,又易于加工,因此,此換熱器選擇使用金屬環(huán)墊,而與之配用的密封面形式為環(huán)連接面密封。由于金屬環(huán)墊不帶隔板密封墊,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用柔軟有彈性的鋁管作為此分程隔板的密封墊片。

    3. 5　排管形式的選擇

    管子的布置,有三角形排列和正方形排列兩種,三角形排列用于殼側(cè)流體清潔,不易結(jié)垢,或者殼側(cè)污垢可以用化學(xué)處理除掉的場合;而正方形排列可以用機(jī)械的方法清掃管外,可用于易結(jié)垢的流體,因此選用正方形排列。U形管彎管段的彎曲半徑不小于兩倍的換熱管外徑,此換熱器所用換熱管外徑為25,即U形管彎管段的彎曲半徑不小于50,分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距根據(jù)GB151為44,換熱管中心距為32,根據(jù)工藝條件的要求和結(jié)構(gòu)的限制,因此,第一組彎管只能傾斜排列,第二組彎管若垂直排列,相鄰管中心距為89,也不能滿足U形管彎管段的最小彎曲半徑,因此,第二組彎管也只能傾斜排列,注意排列時管與管之間不能碰撞,且必須在布管限定圓內(nèi),見圖1。

              

    4　設(shè)備檢驗(yàn)

    換熱器在制造過程中及制造完畢后都應(yīng)按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行檢驗(yàn)、驗(yàn)收,這也是我們在換熱器設(shè)計中必須考慮的問題。

    4. 1　材料的檢驗(yàn)、驗(yàn)收

    材料的檢驗(yàn)、驗(yàn)收除按一般壓力容器用材的規(guī)定執(zhí)行外,對于此臺設(shè)備須注意的是:因管程設(shè)計壓力為12MPa,故管箱部分殼體用鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測,按JB4730《壓力容器無損檢測》的規(guī)定III級合格;并且因?yàn)榇伺_設(shè)備為第三類壓力容器,管箱部分用鋼板及鍛件應(yīng)按《容規(guī)》第25條的規(guī)定進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

    4. 2　設(shè)備制造過程中的檢驗(yàn)、驗(yàn)收

    設(shè)備制造過程中的檢驗(yàn)、驗(yàn)收應(yīng)嚴(yán)格按照GB151第6條執(zhí)行。

    4. 3　壓力試驗(yàn)

    壓力試驗(yàn),亦稱耐壓試驗(yàn)或強(qiáng)度試驗(yàn),它是壓力容器制造完畢后出廠前,按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行的最終綜合性檢驗(yàn),也是壓力容器驗(yàn)收的重要依據(jù)。此臺高壓換熱器按GBl51的規(guī)定進(jìn)行壓力試驗(yàn),試驗(yàn)順序如下:

    ①用試驗(yàn)壓環(huán)進(jìn)行殼程試壓,同時檢查換熱管與管板的接頭;

    ②管程試壓;

    對于此臺設(shè)備試壓難點(diǎn)是進(jìn)行換熱管與管板的接頭的試壓,GBl51規(guī)定“當(dāng)管程試驗(yàn)壓力高于殼程的試驗(yàn)壓力時,接頭試壓應(yīng)按圖樣規(guī)定,或按供需雙方商定的方法進(jìn)行”。這一條文明確了設(shè)計者應(yīng)在制造前考慮解決這個問題。

    管子與管板的焊接是換熱器設(shè)計、制造與檢驗(yàn)的關(guān)鍵,直接決定了換熱器的質(zhì)量優(yōu)劣和使用壽命,但它又是換熱器中相對薄弱的環(huán)節(jié),從設(shè)備的實(shí)際使用情況來看,往往是設(shè)備殼體、法蘭能夠繼續(xù)使用,而換熱器卻由于換熱管腐蝕、管頭泄漏而報廢,因此,正確的選擇管頭的試壓方案,準(zhǔn)確找出漏點(diǎn),是制造高質(zhì)量換熱器的一個關(guān)鍵問題。對于管、殼程設(shè)計壓力相同的換熱器,直接進(jìn)行水壓試驗(yàn),就可以檢驗(yàn)出管頭是否泄漏,而此換熱器由于管程水壓試驗(yàn)壓力大于殼程水壓試驗(yàn)壓力,為檢查管子與管板連接的嚴(yán)密性,可提高殼程試驗(yàn)壓力,使之等于管程試驗(yàn)壓力,但必須核算殼體在試驗(yàn)時產(chǎn)生的應(yīng)力,要求殼體任意點(diǎn)的一次薄膜應(yīng)力的計算值不得超過材料在試驗(yàn)溫度下的90%屈服限(或殘余變形0. 2%的屈服限),同時接管和法蘭等均能滿足壓力試驗(yàn)下的強(qiáng)度要求。由于此換熱器管、殼程設(shè)計壓力相差過大,顯然此方法不能適用,因此我們選用另一方法—氨滲漏試驗(yàn)法。此方法需管、殼程按各自試驗(yàn)壓力試驗(yàn)后,殼程再以1. 05倍殼程設(shè)計壓力的含氨體積約1%的壓縮空氣或低壓純氨進(jìn)行氨滲漏試驗(yàn),這樣,不提高殼程試驗(yàn)壓力,也達(dá)到了檢測管頭是否泄漏的目的,提高了容器的密封性、可靠性和安全性。

    5　結(jié)束語

    在高壓換熱器的設(shè)計中一定要注意各個環(huán)節(jié)的考慮,合理的選擇換熱器的設(shè)備型式,制造及檢驗(yàn)方法,消除安全隱患。同時還要考慮到加工難易、經(jīng)濟(jì)性等因素,才能設(shè)計出高質(zhì)量的壓力容器產(chǎn)品。

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