水换热器
热管换热器
新闻动态
ASME高压U型管换热器管束的设计点击：2275 日期：[ 2014-04-26 21:36:03 ] |
| ASME高压U型管换热器管束的设计 刘晓凤1，高春华２，胡文波3 （1.大庆石油化工机械厂，黑龙江大庆163711；2.大庆石化公司乙烯工程指挥部，黑龙江大庆163714；3.大庆石化公司化建公司，黑龙江大庆163714） 摘要：介绍了ASME高压U型管换热器管束设计及制造的工艺要点。若按标准设计制造ASME换热器，因为规范中只给出了管板的计算公式，没有管束制造的详细要求及设计参数，这对于高压换热器还远远不够。结合多年的容器设计经验，文中给出了高压U型管管束具体设计及制造方法。 关键词：ASME；U型管换热器；高压；设计中 图分类号：ASME文献标识码：B文章编号：1671-4962（2010）05-0021-03 大庆炼化公司的第三段气体冷却器属高压U型管式换热器。管板与壳体和管箱都用垫片连接，按照ASME规范［1］设计制造。文中主要说明管束设计制造部分。 该换热器操作参数。壳程：设计压力18.2MPa，设计温度200℃，操作温度为126℃，设备内径308 mm，操作介质是H2；管程：设计压力1.0 MPa，设计温度99℃操作温度38℃，操作介质是水。结构参数：换热管外径：Φ19.05×3.05，管间距23.8 mm，正三角形排列，2管程。 在试压和操作过程中，换热管均承受外压，因此，换热管的外压失稳是这台管束设计制造必须考虑的问题。设备结构见图1。 1·材料选择 壳程为氢腐蚀环境，考虑到操作温度126℃，选择碳钢即可。管板材料为SA-266M-Gr.2，设计温度下的许用应力St=138 MPa；换热管材料为SA-179M，设计温度下的许用应力Sa=92.4 MPa。 2·强度计算 2.1管板强度计算 ASME第Ⅷ卷（第1分册） ［1］计算过程需迭代进行，按UHX-12的规定 ［2］进行管板厚度计算： 首先假定管板厚度： 式中h—管板厚度，mm；μ—用于剪切的基本管孔削弱系数；Do—外排管子布管范围圆的当量直径，mm；S—在设计温度下管板材料的许用应力，MPa；Ps—壳程侧设计内压，MPa；Pt—管程侧设计内压，MPa。 综合考虑压力试验所引起的应力及腐蚀裕量，假定管板的厚度h＝100 mm。管板布管方式见图2。 式中μ*—用于弯曲的有效管孔削弱系数；h′g—管程侧分程隔板槽有效深度；AL—不布管带的总面积，由UHX-11.3［2］及管板图，得出为16 432 mm2；P*—换热管有效节距；P—换热管节距，23.8 mm；d*—管孔有效直径，mm；dt—换热管外径，19.05mm；tt—换热管壁厚，3.05 mm；Et—设计温度下换热管材料弹性模量，19 800；St—设计温度下换热管材料的许用应力，92.4 MPa。 式中Ap—布管区面积，42 446 mm2；Cp—布管区周长，1 019 mm。比较τ＝35.91<0.8Ｓ＝110.4 MPa，所假设的管板厚度对剪切而言是合格的。 如果在步骤7或步骤8中所计算的应力不合格，应重新假定管板厚度，重新进行计算，直至应力合格，以此确定管板的最小厚度。 2.2管子对管板的焊缝强度 按UW-20选择全强度焊缝，具体焊缝强度计算见UW-20，焊角高度及坡口尺寸［3］见图3。 2.3换热管强度计算 换热管强度计算包括2部分：内压计算及外压计算［4］。 式中Pa—对应于t值的最大许用工作外压值，MPa；S—换热管许用应力MPa；D0—换热管外径，mm；t—换热管壁厚，mm；B—由文献［2］查得的系数为95.84。实际上，设计压力为18.2 MPa，水压试验压力为23.7 MPa，均小于25.25 MPa，外压计算合格。 3·特殊制造要求 （1）由于换热管承受主要承受外压，所以应特别注意保证U型管弯制后的圆度公差，防止出现外压失稳问题，可参考文献［3］的要求保证圆度。 （2）壳程介质为H2，根据文献［4］，设计温度大于等于200℃与氢气氛相接触的化工容器用碳素钢于焊后应充分消除应力热处理。所以本台管束在换热管与管板焊接完后应按UCS-56制定热处理工艺，进行焊后消除应力热处理。 4·结论 在文献［1］中没有换热管外压校核及消除应力热处理部分，这就靠设计者根据经验进行设计，在实际设计过程中，往往被忽视。 另外还须考虑在试验压力下的管板及换热管应力的校核，只须在上述各步骤中把设计压力改为水压试验压力，把管板及换热管许用应力改为常温下的许用应力进行校核。在此过程中，如果应力不合格，就应加厚管板或换热管壁厚，直至合格。如果漏掉外压校核或者U型管煨弯后不能保证圆度要求，会造成换热管压扁现象，轻者影响换热效果，重者造成换热管的破坏，后果不堪设想。这在装置运行过程中有过类似的例子。 参考文献： ［1］ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会.ASME第Ⅷ卷（第1分册）压力容器建造规则［S］.北京：中国石化出版社，2007. ［2］ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会.ASME第Ⅷ卷（第1分册）压力容器建造规则（增补UHX篇）［S］.北京：中国石化出版社，2009. ［3］ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会.ASME第Ⅱ卷（Ｄ篇）压力容器建造规则［S］.北京：中国石化出版社，2007. ［4］国家质量技术监督局.GB 151-1999管壳式换热器［S］.北京：中国标准出版社，2004. ［5］国家石油和化学工业局发布.HG 20581-1998钢制化工容器材料选用规定［S］.北京：中国标准出版社，1999. 作者简介：刘晓凤，女，工程师，2001年毕业于大庆石油学院机械制造及自动化专业，现从事压力容器设计工作。 |
| 上一篇：500万t/a常减压装置常压塔顶换热器、常压炉局部改造 | 下一篇：土壤蓄热与土壤源热泵集成系统的数值模拟 |