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甲烷化气换热器改造设计及参数优化
陆博福 中国一重(集团)有限责任公司 齐齐哈尔 161042
陆 平 东方市政建设开发集团公司 佳木斯 154003
摘要：本文阐述在换热设备改造设计中选择壳体结构的变径锥体型式和参数调整方案。通过评估、调整设备结构参数,使新设计的设备既满足新设计标准的要求,同时又满足装置的使用条件。
关键词：换热器 改造设计 新标准 参数选择
甲烷化气换热器是某化肥生产装置的主要设备。由于运行多年后,换热管出现严重泄漏,堵塞泄漏换热管又使换热效率严重下降,造成装置产量下降。为了保证生产装置能够正常、稳定地运行,决定重新设计制造一台甲烷化气换热器,更换不能正常运行的老设备。新设备投入使用后,使用效果良好,各项性能达到工艺要求,实现了安全、稳定运行的目标。
1 改造设计原则
(1)按照提高后的设计压力和设计温度设计。
(2)换热器的其它工艺条件不变。
(3)不增加设备基础的载荷。
(4)保持设备结构、安装、定位尺寸不变;保证与原外部设备、基础、管道的连接尺寸不变。
(5)符合现行国家及行业标准及安全监察规范。
(6)采用国内现行标准中的材料。
2 设计条件
甲烷化气换热器改造设计条件见表1。
3 设计标准
原设备是1977年设计和制造的,距今已有30多年。新设计的甲烷化气换热器应满足最新的压力容器及换热器设计标准,采用符合这些标准的新材料。
4 材料的选用
由于管程为氢腐蚀环境工况,因此,根据氢分压及设计温度,查耐尔森曲线确定与管程介质接触的材料均采用Cr-Mo钢,以满足工艺条件的要求。壳程材料采用碳钢。确定的换热器主要材料为:
换热管: 15CrMo
管板: 15CrMo III
管箱法兰: 15CrMo III
管箱封头: 15CrMoR
壳程筒体: 16MnR
5 设备结构及规格
为保证新设备顺利安装到原基础上,设备的重量不能增加太多。这意味着设备的管程、壳程筒体的厚度应尽可能保持原名义厚度。同时,还应保证新设备与基础及管线的连接尺寸和定位尺寸不变。
6 壳程筒体厚度计算
6·1 壳程直筒体
6·1·1 DN 1000筒体
筒体厚度按式(1)计算:
δn=δ+C1+C2=6·66+0+3=9·66 mm
式中, [6]为16MnR材质的许用应力,取151·2MPa; Ps为壳程设计压力,取1·7MPa;δ为计算厚度, mm; C1、C2分别为厚度附加量,取C1=0mm, C2=3mm。
根据GB 151-1999表8及原设备规格,名义厚度最终取值为12mm,与原设计相同。
6·1·2 DN1200筒体
用上式计算得出:
δn=δ+C1+C2=8+0+3=11 mm
取名义厚度值为16mm,与原设计相同。
6·2 原设计壳程锥体验算
验算原锥体结构两端折边变径锥体设计。改造前,甲烷化气换热器变径锥体部分内径及厚度尺寸见图1。
6·2·1 大端过渡段厚度
大端过渡段厚度按式(2)计算:
6·2·2 大端与过渡段相接处的锥壳厚度
大端与过渡段相接处的锥壳厚度按式(3)计算:
式中, Di=1200 mm;锥半角α=40°(α按原始数据计算)。
根据GB 150-1998大端应采用带折边结构,且折边半径为:
r=10%×Di=0·1×1200=120 mm但实际的r=100 mm,不符合标准的要求。r/Di=100/1200=0·083
无法查到需要的K和f系数值,说明原设计是不合理的。
6·2·3 小端厚度
小端厚度按式(4)计算:
查图7-14,取Q=2·5。
原设计的锥壳大端折边半径小于标准GB150-1998的规定,结构不合理,必须修改。设计厚度为:
δn=δ+C1+C2=16·64+0+2=18·64 mm
结果大于原始设计中的名义厚度16mm,不符合要求,必须修改。
6·3 壳程锥体改造设计
从以上验算和分析可以看出,原设计的锥体结构不合理,必须按新的标准进行结构修改。同时为保持新设备的壳体名义厚度与原设计中的名义厚度一致,需要对原设计结构进行调整。根据对锥体计算厚度和应力分析,对原变径段折边锥体进行修改,并符合GB 150-1998的规定,从而保证与原设计厚度一致,以便不增加设备重量和原基础载荷。
6·3·1 改造措施
(1)将原小端过渡段转角半径r由70mm减小为50mm。
(2)将大端过渡段转角半径r由100mm增大为120mm。
(3)将锥壳半顶角由原来的40°减小为35°。
(4)对锥壳的拼接焊缝进行100%的射线探伤,按GB/T 4730-2005的II级检验合格,即调整为Φ=1。
6·3·2 锥体厚度
根据以上改造措施调整数据后,重新计算锥体壳体厚度。
根据以上(1) ~ (3)条对锥体各部分的计算,取其中最大计算厚度来确定锥体的设计厚度和名义厚度,设计厚度为:
δn=δ+C1+C2=13+0+2=15 mm
实际取值为16mm,与原设计图纸中的名义厚度一致。
6·3·3 小端与过渡段连接筒体长度
小端与过渡段连接筒体长度L按式(8)计算:
实际取值L=200 mm。
改造后甲烷化气换热器变径锥体部分见图2。
7 管箱封头厚度
8 设备法兰选用及措施
为使设备法兰选用符合新标准的要求,同时还应保证与原结构尺寸相符。
按《长颈对焊法兰》JB 4703-2000,选择DN1000, PN2·5长颈对焊法兰。由于原设备管箱法兰总高为190mm,而新标准法兰为155mm,为了保证新管箱与原管箱高度相同,保证管箱腔体内介流通空间相同,并保证接管安装尺寸不变,考虑到新旧标准法兰的差值35mm,将采用的标准法兰总高度H增高到190mm,增加筒段的长度35mm,厚度δ=20mm。加高后法兰直筒段厚度校核计算如下:
9 管板厚度计算与参数调整
管板厚度计算采用PV18计算机程序运算。为使管板厚度减少,降低设备造价而调整参数。经过工艺核算,可以将折流板由原来的5件增加到7件,其中,环形折流板为4件,圆形为3件,使换热管受压失稳当量长度Ler下降,从而实现减薄管板厚度目的,见图3。
经计算后管板由原来参数计算厚度120mm降到改后的95mm,使两件管板重量减少450kg,从而降低设备造价成本和总的设备重量。为增加管束的刚度和换热面积,新设备通过工艺计算调整,调整排管最终增加了12根6m长换热管,增大面积为5·7m2,提高了换热器的换热能力,总的设备重量没有增加。
10 结语
(1)改造甲烷化气换热器设备是在不改变原有设备设定结构和工艺、装置的布置、管道、基础载荷的条件下,对其进行重新设计和制造。
(2)对原设计图中不符合现行标准结构进行改进,保证替代设备完全符合原设计和新调整设计条件的要求,并与原装置较好衔接。
(3)经过对结构参数进行优化选择设计,并经实际制造安装使用,现已运行多年,效果良好,使生产工艺状况大为改观,达到设备稳定运行的目的。
事实说明,在压力容器设备设计中,通过调整技术参数,满足规范标准要求,同时保证其实用性和经济性有重要意义。
参 考 文 献
1·GB 150-1998,钢制压力容器[S].
2·GB 151-1999,管壳式换热器[S].
3·JB/T 4703-2000,压力容器法兰[S].
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