高压U形管式换热器管箱设计

2023-03-07

对于高压管箱的设计, 其结构上必须保证强度的可靠性和密封的严密性。使管箱在确定压力及其他载荷作用下, 不导致破坏或过量塑性变形, 就必须对各受力元件做详细的分析;为了保证密封的严密性, 使管箱在操作时不产生泄露, 就必须慎重确定密封结构及相关零部件尺寸。

1 设计方案

1.1 管箱密封结构选取

平封头在压力容器中使用广泛, 特别用于压力较高直径较小的高压容器。其密封结构有:金属平垫密封、双锥密封、八角垫和椭圆垫密封、卡箍紧固结构密封等。其中双锥密封的使用范围:设计温度0-400℃;设计压力:6.4-35 MPa;内直径400-3200mm。本设备设计参数与此条件吻合, 因此本设备管箱密封采用双锥密封。

双锥密封设计主要根据在预紧状态主螺栓载荷Wa和操作状态主螺栓载荷的Wp, 为主螺栓的设计提供依据, 并根据主螺栓载荷, 为和密封结构相关的零部件的设计提供依据。

1.2 主螺栓设计

双锥环的结构尺寸按下式计算:

式中双锥环中点处的弯曲应力σm=50MPa-100MPa

另外也可根据GB150.3-2011附录C.6双锥环的系列结构尺寸选取设计压力35 Mpa系列, 其中考虑到管板与壳程法兰的连接尺寸以及设备的经济合理, 制造维修方便等原因, 选取封口内径Di=800mm, A=76mm, B=31mm, C=38mm, D1=760mm, α=30°。

预紧状态时, 在螺栓预紧力的作用下, 平封头有趋势向筒体端部靠拢, 即向下移动, 因而除在双锥环锥面上引起的正压力G0外, 在上下锥面上还分别作用向下、向上平行于锥面的摩擦力F=G0tanr, r为金属软垫片的材料和平封头或筒体端部材料之间的摩擦角。正压力G0的大小应使锥面上达到足够的、该金属软垫片材料的预紧密封比压y值。作用在锥面上的正压力G0和摩擦力F的合力为Q0, Q0的轴向分量即为主螺栓所加的预紧载荷Qa。

由于高压容器的主螺栓、螺母承受容器顶盖的轴向力和密封力, 负荷很大。为了使每个螺栓的螺纹所分担的载荷尽可能的均匀并降低应力集中, 因而取螺栓的数量为偶数 (一般为4的倍数) 。螺栓的数值n一般先假设, 如果选用的n值多, 则垫片承压均匀, 有利于密封, 所需要的螺栓直径也越小;但是n值过多, 导致螺栓间距减小, 上紧装置空间不够。根据已确定的设备内径调整取值, 这里选n=16, 再根据主螺栓的最小直径的计算公式, 求得主螺栓的最小直径。

1.3 筒体端部法兰设计

双锥垫密封采用针对受轴向载荷 (包括偏心载荷) 的端部法兰的强度计算方法3/4巴赫法, 即把端部法兰沿纵向剖开, 所受的轴向载荷在纵向剖面构成弯矩, 引起沿端部法兰轴向分布的弯曲应力, 将此弯曲应力限制在材料的许用应力以下。

1.4 平封头设计

用于高压的平封头, 其δD比值一般超过了0.2, 不能按照平板理论导出的结果进行分析。目前对于双锥密封的平盖, 采用弹性理论的小挠度薄板进行推导的计算方法, 以最大弯曲应力为失效条件来计算平盖厚度, 并根据材料力学, 将平盖简化为以直径断面为截面的方法, 对平盖纵向断面的弯曲应力及薄弱周向截面的弯曲和剪切应力进行校核, 俗称Bach法。

预紧状态时的计算厚度和操作状态时的计算厚度取最大值, 加上腐蚀裕量, 得到设计厚度, 圆整后得到平封头的名义厚度, 然后根据双锥结构的尺寸, 确定h1值。最后校核纵向断面得弯曲应力。

1.5 管板设计

这种U形管换热器管箱结构特殊, 因管程压力高, 管板和管箱筒体采用焊接连接, 且没有兼做法兰的延长部分。考虑可抽芯更换的需要, 管板和壳程间采用法兰连接。这种结构在GB151-1999中未明确管板的计算方法。对于此种U形管换热器管板, 由于只有一块管板, 管束可自由伸缩, 形成弹性基础, 所以既没有管束的弹性支撑又没有管壳程之间由于温差引起的载荷作用, 因此可视为一个受管孔开孔削弱的圆平板。

我们可用GB150.3-2011按照第5.9章表5-9, 选取序号11所示平盖, 在此平盖计算基础上附加考虑壳程法兰的法兰力矩的作用。它的受力可简化为受管程高压作用的简支圆平板, 并在板边缘作用有两个均布力矩的计算模型。这两个力矩一个是管箱筒体在管程高压作用时由边界效应引起的力矩, 一个是壳程法兰的法兰力矩。这两个力矩引起的变形与管程高压作用引起的变形刚好相反, 所以保守的考虑管板只受管程高压作用。