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关于管壳式换热器设计压力的讨论点击：2632 日期：[ 2014-04-26 21:14:11 ] |
| 关于管壳式换热器设计压力的讨论 余刚，王伯，张光 （中国石油辽阳石油化纤公司机械厂，辽宁辽阳１１１００３） 摘要：设计压力是压力容器设计的前提，也是设计换证施工图重点审查的指标，设计压力的确定直接关系容器的安全可靠与经济合理。文章以管壳式换热器设计为例，对设计压力的确定进行了讨论，提出《换热器数据表》不仅要给出容器的工作压力，尚应考虑“系统附加条件”后给出容器的设计压力。 关键词：换热器 施工图 设计压力 １·问题的提出 近年来，辽阳石油化纤公司机械厂多次承接标准管壳式换热器制造，大多是新建或扩建的石化装置用设备。为了承接制造，厂设计部门按设计院工艺专业提供的《换热器数据表》及换热器型号进行施工图设计。设计中由于对整个装置的工艺系统不了解，故此对设计压力的确定频为困难，或是以《换热器数据表》中工作压力按ＳＨ／Ｔ３０７４表１选取［１］；或是干脆按换热器型号参数确定。前者可能危险冒进，而后者又可能保守浪费，对此有必要进行讨论。 ２·实例讨论 一台碳钢Ｕ形管式换热器，《换热器数据表》中的型号为ＢＩＵ６００－Ｘ．０－８５－６／２５－４Ｉ，工艺参数见表１，现对三种不同作法进行讨论。 ２．１ 按工艺参数设计（实例１） 按ＳＨ／Ｔ ３０７４的表１中炼油设备确定设计压力见表２。由《Ｕ形管式换热器系列型式与参数》表１［２，３］和ＨＧ／Ｔ ２０５９２表７．０．１－５知，换热器主要受压元件选用１６Ｍｎ系材料时，换热器型号若选为ＢＩＵ６００－２．５－８５－６／２５－４Ｉ，即能满足表２设计参数下的强度要求（包括管口法兰选用ＰＮ２５级）。 若按表２设计参数通过ＳＷ６－１９９８Ｖ６．０版强度计算软件［４］计算校核，Ｕ形管式换热器的壳体法兰、圆筒／封头及管板厚度见表３。 表３中壳体法兰厚度是在标准法兰ＪＢ／Ｔ４７０３的ＦＭ６００－４．０［５］结构尺寸基础上进行的校核计算，并考虑与管板厚度匹配而确定的厚度，法兰材料为１６ＭｎⅢ。管箱垫片为ＪＢ／Ｔ ４７１９缠绕垫Ｇ５３－６００－２．５－４，壳体垫片为缠绕垫Ｃ５３－６００－２．５，相应螺柱材料为ＪＢ／Ｔ ４７０７的３５ＣｒＭｏＡ，螺母为ＨＧ／Ｔ ２０６３４的３０ＣｒＭｏＡ。 壳体圆筒厚度是按ＧＢ １５１－表８的圆筒最小厚度［６］选用１０ｍｍ Ｑ３４５Ｒ钢板，而壳体封头则考虑成形减薄量及钢板采购规格的统一，封头厚度与壳体圆筒相同，也为１０ｍｍ（封头成形后的最小厚度为８．５ｍｍ）。管板为Ｑ３４５Ｒ钢板与１０号钢换热管采用强度焊加贴胀。 ２．２ 按型号参数设计（实例２） 按《Ｕ形管式换热器系列型式与参数》ＢＩＵ６００－４．０－８５－６／２５－４Ｉ型号确定设计压力见表４。 按表４设计参数通过ＳＷ６－１９９８Ｖ６．０版强度计算软件计算校核，Ｕ形管式换热器的壳体法兰、圆筒／封头及管板厚度见表５。 表５中壳体法兰厚度是在标准法兰ＪＢ／Ｔ４７０３的ＦＭ６００－４．０结构尺寸基础上进行的校核计算，并考虑与管板厚度匹配而确定的厚度，法兰材料为１６ＭｎⅢ。管箱垫片为ＪＢ／Ｔ ４７１９缠绕垫Ｇ５３－６００－４．０－４，壳体垫片为缠绕垫Ｃ５３－６００－４．０，相应螺柱材料为ＪＢ／Ｔ ４７０７的３５ＣｒＭｏＡ，螺母为ＨＧ／Ｔ ２０６３４的３０ＣｒＭｏＡ。 壳体圆筒厚度按ＪＢ／Ｔ ４７０３－表１中ＰＮ４．０的对接圆筒最小厚度取为１２ｍｍ Ｑ３４５Ｒ钢板，因为计算厚度为８．４２ｍｍ（焊接接头系数φ为０．８５），考虑厚度附加量后超过ＧＢ １５１的圆筒最小厚度要求。而壳体封头则考虑成形减薄量及钢板采购规格的统一，封头厚度也为１２ｍｍ（封头成形后的最小厚度为１０．５ｍｍ）。管板为１６ＭｎⅢ与１０号钢换热管采用强度焊加贴胀。 ２．３ 按工艺系统参数设计（实例３） 按工艺系统参数并考虑提高壳程试验压力等于管程试验压力后确定的设计压力见表６。 表６中的壳程设计压力是取壳程试验压力等于管程试验压力后按ＧＢ １５１—３．１７．１式（３）求得的设计压力。 按表６设计参数通过ＳＷ６－１９９８Ｖ６．０版强度计算软件计算校核，Ｕ形管式换热器的壳体法兰、圆筒／封头及管板厚度见表７。 表７中壳体法兰厚度是在标准法兰ＪＢ／Ｔ４７０３的ＦＭ６００－４．０结构尺寸基础上进行的校核计算，并考虑与管板厚度匹配而确定的厚度，法兰材料为１６ＭｎⅢ。管箱垫片为ＪＢ／Ｔ ４７１９缠绕垫Ｇ５３－６００－４．０－４，壳体垫片为缠绕垫Ｃ５３－６００－４．０，相应螺柱材料为ＪＢ／Ｔ ４７０７的３５ＣｒＭｏＡ，螺母为ＨＧ／Ｔ ２０６３４的３０ＣｒＭｏＡ。 壳体圆筒厚度是按ＧＢ １５１－表８的圆筒最小厚度选用１０ｍｍ Ｑ３４５Ｒ钢板，而壳体封头则考虑成形减薄量及钢板采购规格的统一，封头厚度也为１０ｍｍ（封头成形后的最小厚度为８．５ｍｍ）。管板为１６ＭｎⅢ与１０号钢换热管采用强度焊加贴胀。 ３·实例点评 实例１按工艺参数设计的作法较实例３按系统参数设计结果不但可能出现冒进，而且壳程尚需按ＨＧ ２０５８４附录Ａ作氨渗透补充性试验，以检查管接头（换热管与管板连接接头）的质量。值得提示的是，当管程设计压力高于壳程设计压力时，设计应考虑管接头检查的可行性［６］，并优先考虑提高壳程试验压力等于管程试验压力（而不是等于管程的设计压力）的可能性，即须校核壳程受压元件是否能满足在此试验压力下的强度和密封性能要求。若不能提高到管程试验压力时，则只能以壳程允许的最大试验压力试压，随后再在壳程用氨渗透等进行补充性试验［７］。实例１可以考虑提高壳程试验压力等于管程试验压力的可能性，但原设计只是按工艺参数设计，也未提出壳程氨渗透检查管接头的要求，只是要求按壳程设计压力进行气密性试验显然是不合理的。 实例２按型号参数设计较实例３按系统参数设计显然不符合节能降耗轻型化要求，尤其对浮头式换热器设计更加明显，而对固定管板式换热器设计则会增加难度。并且，管口法兰压力等级需要选择公称压力为ＰＮ６３级，因为１６Ｍｎ法兰公称压力ＰＮ值一般是对应设计温度为１００℃的最大许用工作压力，而实例２的管／壳程设计温度均大于１００℃，所以相应设计温度下的最大许用工作压力均小于ＰＮ４０。 实例３是经过与某设计院化工工艺专业沟通后（原《换热器数据表》中的工作压力未考虑装置系统的附加条件）确定的设计参数，符合ＨＧ／Ｔ２０５７０．１的规定：工艺系统专业负责确定容器的设计压力，即根据化工工艺专业提供的正常工况下容器顶部最高压力及系统附加条件（如系统压力变化、安全阀在系统中相对位置对设计压力的影响等情况）来确定［８］。这既符合实际，同时又按换热器型号参数考虑提高壳程试验压力等于管程试验压力的可能性，并可选择管口法兰的公称压力为ＰＮ４０级。 对于容器的设计压力，ＳＨ／Ｔ ３０７４—６．１．１也明确：“工艺系统对容器的设计压力有专门规定时应按其规定确定”。所以，若化工工艺专业直接向制造厂设计部门提供《换热器数据表》，则不仅要给出容器的工作压力，尚应考虑“系统附加条件”后给出容器的设计压力。 随着设计院改制为工程公司［９］，工程公司的工作重点向工程设计转移，而车间制造图设计则向制造厂转移。作为制造图设计条件的《压力容器数据表》或工程图，工程公司提供的深度应到位，以指导制造厂制造图的设计，满足换热器操作要求。 参考文献： ［１］ＳＨ／Ｔ ３０７４—２００７ 石油化工钢制压力容器［Ｓ］． ［２］中国石化北京设计院．Ｕ形管式换热器系列型式与参数［Ｍ］． ［３］关于《Ｕ形管式换热器系列工程图》的说明［Ｊ］石油化工设备技术，２００３，２４（５）：６４－６５． ［４］ＳＷ６—１９９８过程设备强度计算软件［Ｓ］． ［５］ＪＢ／Ｔ ４７００～４７０７—２０００ 压力容器法兰［Ｓ］． ［６］ＧＢ １５１—１９９９ 管壳式换热器［Ｓ］． ［７］李世玉．压力容器设计工程师培训教程［Ｍ］．北京：新华出版社，２００５． ［８］ＨＧ／Ｔ ２０５７０．１—１９９５设备和管道系统设计压力和设计温度的确定［Ｓ］． ［９］费伟．关注与推进压力容器设计体制进入国际化［Ｊ］．压力容器，２０１１，２８（１）：４４－４６． |
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