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關于管殼式換熱器設計壓力的討論

點擊:2071 日期:[ 2014-04-26 21:14:11 ]
                     關于管殼式換熱器設計壓力的討論                           余剛,王伯,張光          (中國石油遼陽石油化纖公司機械廠,遼寧遼陽111003)     摘要:設計壓力是壓力容器設計的前提,也是設計換證施工圖重點審查的指標,設計壓力的確定直接關系容器的安全可靠與經濟合理。文章以管殼式換熱器設計為例,對設計壓力的確定進行了討論,提出《換熱器數據表》不僅要給出容器的工作壓力,尚應考慮“系統附加條件”后給出容器的設計壓力。     關鍵詞:換熱器 施工圖 設計壓力     1·問題的提出     近年來,遼陽石油化纖公司機械廠多次承接標準管殼式換熱器制造,大多是新建或擴建的石化裝置用設備。為了承接制造,廠設計部門按設計院工藝專業提供的《換熱器數據表》及換熱器型號進行施工圖設計。設計中由于對整個裝置的工藝系統不了解,故此對設計壓力的確定頻為困難,或是以《換熱器數據表》中工作壓力按SH/T3074表1選取[1];或是干脆按換熱器型號參數確定。前者可能危險冒進,而后者又可能保守浪費,對此有必要進行討論。     2·實例討論     一臺碳鋼U形管式換熱器,《換熱器數據表》中的型號為BIU600-X.0-85-6/25-4I,工藝參數見表1,現對三種不同作法進行討論。                    2.1 按工藝參數設計(實例1)     按SH/T 3074的表1中煉油設備確定設計壓力見表2。由《U形管式換熱器系列型式與參數》表1[2,3]和HG/T 20592表7.0.1-5知,換熱器主要受壓元件選用16Mn系材料時,換熱器型號若選為BIU600-2.5-85-6/25-4I,即能滿足表2設計參數下的強度要求(包括管口法蘭選用PN25級)。     若按表2設計參數通過SW6-1998V6.0版強度計算軟件[4]計算校核,U形管式換熱器的殼體法蘭、圓筒/封頭及管板厚度見表3。                  表3中殼體法蘭厚度是在標準法蘭JB/T4703的FM600-4.0[5]結構尺寸基礎上進行的校核計算,并考慮與管板厚度匹配而確定的厚度,法蘭材料為16MnⅢ。管箱墊片為JB/T 4719纏繞墊G53-600-2.5-4,殼體墊片為纏繞墊C53-600-2.5,相應螺柱材料為JB/T 4707的35CrMoA,螺母為HG/T 20634的30CrMoA。     殼體圓筒厚度是按GB 151-表8的圓筒最小厚度[6]選用10mm Q345R鋼板,而殼體封頭則考慮成形減薄量及鋼板采購規格的統一,封頭厚度與殼體圓筒相同,也為10mm(封頭成形后的最小厚度為8.5mm)。管板為Q345R鋼板與10號鋼換熱管采用強度焊加貼脹。     2.2 按型號參數設計(實例2)     按《U形管式換熱器系列型式與參數》BIU600-4.0-85-6/25-4I型號確定設計壓力見表4。                   按表4設計參數通過SW6-1998V6.0版強度計算軟件計算校核,U形管式換熱器的殼體法蘭、圓筒/封頭及管板厚度見表5。                  表5中殼體法蘭厚度是在標準法蘭JB/T4703的FM600-4.0結構尺寸基礎上進行的校核計算,并考慮與管板厚度匹配而確定的厚度,法蘭材料為16MnⅢ。管箱墊片為JB/T 4719纏繞墊G53-600-4.0-4,殼體墊片為纏繞墊C53-600-4.0,相應螺柱材料為JB/T 4707的35CrMoA,螺母為HG/T 20634的30CrMoA。     殼體圓筒厚度按JB/T 4703-表1中PN4.0的對接圓筒最小厚度取為12mm Q345R鋼板,因為計算厚度為8.42mm(焊接接頭系數φ為0.85),考慮厚度附加量后超過GB 151的圓筒最小厚度要求。而殼體封頭則考慮成形減薄量及鋼板采購規格的統一,封頭厚度也為12mm(封頭成形后的最小厚度為10.5mm)。管板為16MnⅢ與10號鋼換熱管采用強度焊加貼脹。     2.3 按工藝系統參數設計(實例3)     按工藝系統參數并考慮提高殼程試驗壓力等于管程試驗壓力后確定的設計壓力見表6。                  表6中的殼程設計壓力是取殼程試驗壓力等于管程試驗壓力后按GB 151—3.17.1式(3)求得的設計壓力。     按表6設計參數通過SW6-1998V6.0版強度計算軟件計算校核,U形管式換熱器的殼體法蘭、圓筒/封頭及管板厚度見表7。                   表7中殼體法蘭厚度是在標準法蘭JB/T4703的FM600-4.0結構尺寸基礎上進行的校核計算,并考慮與管板厚度匹配而確定的厚度,法蘭材料為16MnⅢ。管箱墊片為JB/T 4719纏繞墊G53-600-4.0-4,殼體墊片為纏繞墊C53-600-4.0,相應螺柱材料為JB/T 4707的35CrMoA,螺母為HG/T 20634的30CrMoA。     殼體圓筒厚度是按GB 151-表8的圓筒最小厚度選用10mm Q345R鋼板,而殼體封頭則考慮成形減薄量及鋼板采購規格的統一,封頭厚度也為10mm(封頭成形后的最小厚度為8.5mm)。管板為16MnⅢ與10號鋼換熱管采用強度焊加貼脹。     3·實例點評     實例1按工藝參數設計的作法較實例3按系統參數設計結果不但可能出現冒進,而且殼程尚需按HG 20584附錄A作氨滲透補充性試驗,以檢查管接頭(換熱管與管板連接接頭)的質量。值得提示的是,當管程設計壓力高于殼程設計壓力時,設計應考慮管接頭檢查的可行性[6],并優先考慮提高殼程試驗壓力等于管程試驗壓力(而不是等于管程的設計壓力)的可能性,即須校核殼程受壓元件是否能滿足在此試驗壓力下的強度和密封性能要求。若不能提高到管程試驗壓力時,則只能以殼程允許的最大試驗壓力試壓,隨后再在殼程用氨滲透等進行補充性試驗[7]。實例1可以考慮提高殼程試驗壓力等于管程試驗壓力的可能性,但原設計只是按工藝參數設計,也未提出殼程氨滲透檢查管接頭的要求,只是要求按殼程設計壓力進行氣密性試驗顯然是不合理的。     實例2按型號參數設計較實例3按系統參數設計顯然不符合節能降耗輕型化要求,尤其對浮頭式換熱器設計更加明顯,而對固定管板式換熱器設計則會增加難度。并且,管口法蘭壓力等級需要選擇公稱壓力為PN63級,因為16Mn法蘭公稱壓力PN值一般是對應設計溫度為100℃的最大許用工作壓力,而實例2的管/殼程設計溫度均大于100℃,所以相應設計溫度下的最大許用工作壓力均小于PN40。     實例3是經過與某設計院化工工藝專業溝通后(原《換熱器數據表》中的工作壓力未考慮裝置系統的附加條件)確定的設計參數,符合HG/T20570.1的規定:工藝系統專業負責確定容器的設計壓力,即根據化工工藝專業提供的正常工況下容器頂部最高壓力及系統附加條件(如系統壓力變化、安全閥在系統中相對位置對設計壓力的影響等情況)來確定[8]。這既符合實際,同時又按換熱器型號參數考慮提高殼程試驗壓力等于管程試驗壓力的可能性,并可選擇管口法蘭的公稱壓力為PN40級。     對于容器的設計壓力,SH/T 3074—6.1.1也明確:“工藝系統對容器的設計壓力有專門規定時應按其規定確定”。所以,若化工工藝專業直接向制造廠設計部門提供《換熱器數據表》,則不僅要給出容器的工作壓力,尚應考慮“系統附加條件”后給出容器的設計壓力。     隨著設計院改制為工程公司[9],工程公司的工作重點向工程設計轉移,而車間制造圖設計則向制造廠轉移。作為制造圖設計條件的《壓力容器數據表》或工程圖,工程公司提供的深度應到位,以指導制造廠制造圖的設計,滿足換熱器操作要求。 參考文獻: [1]SH/T 3074—2007 石油化工鋼制壓力容器[S]. [2]中國石化北京設計院.U形管式換熱器系列型式與參數[M]. [3]關于《U形管式換熱器系列工程圖》的說明[J]石油化工設備技術,2003,24(5):64-65. [4]SW6—1998過程設備強度計算軟件[S]. [5]JB/T 4700~4707—2000 壓力容器法蘭[S]. [6]GB 151—1999 管殼式換熱器[S]. [7]李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京:新華出版社,2005. [8]HG/T 20570.1—1995設備和管道系統設計壓力和設計溫度的確定[S]. [9]費偉.關注與推進壓力容器設計體制進入國際化[J].壓力容器,2011,28(1):44-46.
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