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1高压U形管式换热器管箱设计赵峰摘要：介绍高压U形管式换热器管箱主要受压元件的结构和强度设计方案，设计特点及要点关键词：高压U形管式换热器管箱目前，随着化学工业的迅速发展，为满足化工生产要求，缩短生产周期，提高生产效率，保证产品质量，大量高温、高压设备被采用。由于U形管式换热器只有一块管板，管束可自由伸缩，密封面少，可抽芯更换，故适用于管壳程流体温差大，高温、高压的场合。本文讨论的高压U形管式换热器是用于年产10万吨1，4-丁二醇项目中的BDO反应加热器，它通过壳程蒸汽将管程BDO溶液加热，以达到进入BDO反应器所需介质温度。一．设计参数：壳程管程工作介质高压蒸汽BDO溶液设计压力MPa2.834.8工作压力MPa1.830.4设计温度℃247247工作温度（进口/出口）℃210/209.893/140换热面积m221.3公称直径mm450图1工艺外形示意图接管号名称○1蒸汽入口○2冷凝液出口○3BDO出口○4BDO入口○5放空口2二．设计方案及特点：1.管箱密封结构选取。平封头在压力容器中使用很广泛，特别是压力较高直径较小的高压容器及超高压容器，几乎全采用平封头。而高压容器中常用的平封头以及其相应的密封结构形式有：和C形垫、平垫、O形垫、双锥垫等相配合的平封头，和N.E.C.式密封结构相配合的平封头，和卡扎里密封结构相配合的平封头，以及和卡箍结构相配合的平封头等，其中以平垫、O形垫，双锥垫居多。根据双锥密封适用范围：设计压力为：6.4～35MPa；设计温度为：0～400℃；内直径为：Φ400～Φ2000mm。本设备设计参数与此条件吻合，因此管箱密封采用双锥密封。双锥密封结构简单，制造容易，加工精度要求不太高，因而生产周期较短。在预紧时，它靠拧紧螺栓而对密封面施加压紧力以达到密封（强制密封）；在操作时，由压力升起，除螺栓产生的压紧力减小，由于垫片的径向变形而使密封面上的压紧力更大，密封性越好（自紧密封）。双锥密封设计主要根据强制密封和自紧密封两种密封原理，确定在预紧状态和操作状态的主螺栓载荷Wa和Wp，为主螺栓设计提供依据；并根据主螺栓载荷，为和密封结构相关的零部件（包括顶盖、筒体端部法兰等）的设计提供依据。2.主螺栓设计由设计参数，可根据GB151-1998附录G的表G6双锥环的系列机构尺寸，选用设计压力35MPa系列，其中考虑到管板与壳程设备法兰连接尺寸以及设备的经济合理，制造维修方便等因素，选取封口内径Di=800mmA=76mmB=31mmC=38mmD1=760mmα=30°预紧状态的主螺栓载荷由公式ραραπcoscos)sin()(2Ga+−⋅=yCADWαtgCABDD221G−−+=式中：ρ——垫片与平封头或筒体端部材料之间的摩擦角图2双锥示意图y——垫片的预紧比压(MPa)3操作状态的主螺栓载荷由公式cppFFFW++=内压轴向力：c2G785.0pDF⋅=cp——计算压力(MPa)锥环自紧轴向分力：)(2Gpραπ−⋅⋅⋅=tgpbDFc式中：2CAb+=锥环回弹力的轴向分力：)(214.31cρα−=EtgDgfF式中：αtgCAABf22⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−=E——设计温度下材料弹性模量(MPa)g——双锥环内圆柱表面和封头凸出部分外圆柱表面之间的径向间隙g=（01%～0.15%）D1得到预紧状态的主螺栓载荷Wa和操作状态的主螺栓载荷Wp后，根据GB150-1998第9.5.2.3预紧状态下需要的最小螺栓面积：[]baaσWA=[]bσ——常温下螺栓材料许用应力(MPa)操作状态下需要的最小螺栓面积：[]tbppσWA=[]tbσ——设计温度下螺栓材料许用应力(MPa)需要的螺栓面积Am取Aa和Ap之大值图3筒体端部示意图主螺栓光杆部分直径：nAdmo14.34=n为螺栓数量，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均匀并降低应力集中，因而取螺栓数量为偶数（一般为4的倍数），并选用细牙螺纹，同时要求螺纹有较高的加工精度和较低的粗糙度。螺栓数量n值一般先假设，如果选用的n值多，则垫片承压均匀，有利于密封；但n过多，导致螺栓间距减小，可能放不下上紧装置，所以需根据已确定的设备内径调整取值。这里选用n=16，再根据计算出的螺栓光杆部分直径及以上原由，选用细牙螺纹M105×4这样筒体端部结构可由以下要求确定：4主螺栓中心圆直径：Db≥D2+1.5dB筒体端部外径：Do≥Db+1.8dB得出的Db,Do除满足结构尺寸外，还需筒体端部的强度校核来验证，如强度不满足，则需重新调整Db,Do取值。3.筒体端部法兰设计：双锥垫密封采用大螺栓连接的法兰强度计算，是将端部法兰沿纵向剖开，所受的轴向载荷在纵向剖面上构成弯矩，引起沿端部法兰周向分布的弯曲应力，将此弯曲应力限制在材料的许用应力以下为满足。筒体端部与筒体连接处的厚度nδ按薄壁内压圆筒公式[]cticpDp−=ϕσδ2计算，算得的壁厚和厚度附加量之和不小于与其对接的筒节的名义厚度。作用在纵向断面上的弯曲应力由公式[]tZMσσ≤=gm计算，其中作用在纵向断面上的弯矩()()0pGbGbDi2n323121JHpDFFDDFDDFDCMgic−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−⋅⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−=δπ由以下5项载荷引起:图4筒体端部计算图(1).内压所引起在圆筒截面上的载荷(2).在操作状态时作用在垫片上的工作密封比压(3).操作压力作用在垫片压紧力作用中心圆直径DG和圆筒内径Di之间环隙上所构成的轴向力(4).主螺栓在操作状态时的轴向力(5).作用在筒体端部投影面上的内压所引起的水平力式中：c2785.0pDFiD⋅=gZ——筒体端部截面的抗弯断面模数，ccJIZ=gcI——筒体端部总截面惯性矩，见图4，可有矩形和梯形两截面根据移轴原理计算而得cJ——筒体端部总截面的最低（或最高）点至总截面形心O处的距离5其余参数可参见GB150-1998第9章9.8.4节内容。由以上对筒体端部的强度校核，可最终确定Db,Do值。在此设备取值Do=1300mmDb=1095mmnδ=150mm4.平封头设计：用于高压的平封头其D/δ比值一般超过了0.2，不能按平板理论导出的结果进行分析。目用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,以最大弯曲应力最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,对平盖径向断面的弯曲应力、并对薄弱处环向断面的弯曲和剪切应力进行校核，俗称Bach法。顶盖平封头厚度由GB150-1998第7章式（7-29）计算，式中Dc以DG代入[]φσδtccpKpD=按表7-7，选取14号所示平盖，取预紧状态的3GcGa78.1DplWK⋅⋅=，操作状态3GcGp78.13.0DplWK⋅⋅+=图5顶盖图式中：LG——螺栓中心至垫片压紧力作用中心线的径向距离(mm)W——预紧状态或操作状态时的螺栓设计载荷（N）预紧状态时的计算厚度和操作状态时的计算厚度取大值，加上腐蚀裕量，得到设计厚度，圆整后得到名义厚度，然后根据双锥环结构尺寸，确定出h1值。然后校核径向断面的弯曲应力截面上的总弯矩：()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=cmFFDDFDDMpGbGb13221π截面的抗弯断面模量：()()[]2121o221261hdDDdDWkpi−−+−=∑δ式中∑id=d1+d2+d3+…dk——螺栓孔直径则截面的弯曲应力为：WMm11m=σ校核条件为[]tσσ7.01m≤此外还需对周向危险截面的当量应力进行校核,此截面在平盖与双锥环所配6合密封处。此截面的弯曲应力：21GGbp14.3))((3amhDDDFF−+=σ此截面的剪切应力：1Gpa14.3hDFF+=τ此危险截面的当量应力：2a2maoa3τσσ+=校核条件为oaσ[]t7.0σ≤这样经过对这两个应力的校核，最终可确定合格的平盖厚度。5.管板的设计这种U形管式换热器管箱结构很特殊，因管程压力高，管板和管箱筒体间采用焊接连接，且没有兼做法兰的延伸部分。考虑可抽芯更换等需要，管板和壳程间采用法兰连接。这种结构（见图6）在GB151-1999中找不到管板计算方法。对于这样的U形管板，由于只有一块管板，管束可自由伸缩，形不成弹性基础，所以既没有管束的弹性支撑，图6管箱图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。如图6中所示意的管板，我们可用GB150-1998第7章按表7-7，选取2号所示平盖，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，所以可保守的考虑管板只受管程高压作用，由此可用GB150-1998第7章式（7-29）[]φσδtccpKpD=（K=0.27）进行管板计算。另一方面，考虑管孔开孔的削弱，引入管板强度削弱系数μ，按GB151-1999取μ=0.4。再根据GB151对管板的许用应力可调整为1.5倍，则[]φσδtccppD5.14.027.0×=，根据此公式，可得出管板计算厚度pδ=276.8mm，加上腐蚀裕量C2=6mm再圆整，最终管板名义厚度取值nδ=290mm。7三．结束语通过以上对高压U形管式换热器管箱主要受压元件（双锥垫、主螺栓、端部法兰，平盖封头以及管板）结构和强度的设计，我们可以看出这样的高压设备设计计算也是建立在简单的力学基础上的，它关键在于载荷分析和力学模型的建立，做好了这两点，设计起来就能得心应手。参考文献：［1］GB150-1998钢制压力容器［2］GB151-1999管壳式换热器［3］丁伯民黄正林化工设备设计全书——高压容器化学工业出版社2002.10［4］桑如苞徐鸣镝高压U行管换热器的管板计算石油华工设备技术2010，31（1）