陸博福

(中國一重(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)質(zhì)量部,黑龍江富拉爾基 161042)

煮沸換熱器改造設(shè)計及變徑錐殼選擇

陸博福

(中國一重(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)質(zhì)量部,黑龍江富拉爾基 161042)

在化工設(shè)備換熱器設(shè)計中,殼體上的變徑錐體結(jié)構(gòu)選擇,關(guān)系到設(shè)備安全,經(jīng)濟(jì)合理性。一般情況,當(dāng)錐殼半頂角α≤30°、且設(shè)計壓力p≤2MPa時選用無折邊錐形封頭降低錐角度,可減小殼體厚度;如何選擇錐殼封頭的焊縫系數(shù)對殼體厚度影響較大。當(dāng)錐殼封頭A類焊縫采用RT100%、Ⅱ級合格,焊縫系數(shù)取Φ=1則是最為經(jīng)濟(jì)的明智選擇,從而節(jié)省錐封頭折邊成型加工費用,降低制造成本。

換熱器;變徑錐殼;改造;選擇

0 引 言

在化工設(shè)備換熱器設(shè)計中,為了滿足化工工藝要求,在介質(zhì)進(jìn)出口處應(yīng)設(shè)置變徑擴(kuò)容空間,通常是采用變徑折邊錐殼封頭來實現(xiàn)這種擴(kuò)容空間結(jié)構(gòu)的。對于采用何種結(jié)構(gòu)形式的變徑錐體對設(shè)備殼體厚度和重量影響極大,同時直接關(guān)系到設(shè)備工程造價高低。

煮沸器下段換熱器是不銹鋼Ⅱ類壓力容器,是化肥生產(chǎn)裝置的主要設(shè)備,其直徑為1500mm/ 1300mm,下段換熱器長度為4190mm。該設(shè)備是1989年設(shè)計制造的,設(shè)備運行13a后于2002年10月中旬,由于連續(xù)發(fā)生管束泄漏而被迫停車檢修處理,當(dāng)時正處于生產(chǎn)維持狀態(tài)。為了確保化肥裝置穩(wěn)定運行,經(jīng)研究探索對1989年版設(shè)備圖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計,選擇最佳結(jié)構(gòu)方案,將殼體上的4個折邊錐形封頭,改為無折邊錐形封頭,節(jié)省錐形封頭折邊加工費用為當(dāng)時市場價格7000多元,同時使設(shè)備主體重量在原設(shè)備基礎(chǔ)上又減少了310kg。其新設(shè)備的改造設(shè)計要點闡述如下。

1 改造設(shè)計條件

煮沸換熱器設(shè)備設(shè)計技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 煮沸換熱器技術(shù)參數(shù)表

2 新煮沸換熱器設(shè)計方案確定

考慮到該設(shè)備與原工藝管線安裝尺寸其設(shè)備的外連接口應(yīng)與原始保持不變。

考慮到該設(shè)備應(yīng)按照新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計,其殼體將會增厚,為減少重量將變徑折邊錐殼封頭改為A類焊縫RT100%的無折邊錐殼封頭。由于錐半角與原折邊錐封頭減少5°之多,從而使殼體厚度相應(yīng)減薄。

考慮到減少制造加工的工作量,將原設(shè)計1989年版設(shè)備圖中的中間筒節(jié)由原三節(jié)直徑1300×18/ 14改為一節(jié)直徑1300×16筒節(jié),從而去掉兩道環(huán)焊縫長達(dá)8.28m。

3 煮沸換熱器下段殼體設(shè)計

3.1 按原煮沸器結(jié)構(gòu)選擇折邊錐形封頭設(shè)計計算

大端錐殼過渡段厚度計算:

式中:[σ]t——許用應(yīng)力(0Cr18Ni10Ti材質(zhì))取

125MPa;

Di——錐形封頭直徑大端1500mm(圖1)

C1鋼板負(fù)偏差取;

C2腐蝕裕度=0;

K——系數(shù),用r/Di=150/1500=0.1查表取

0.707;

Ф——焊縫系數(shù)取0.85;

pc——設(shè)計計算壓力1.6MPa。

圖1 改前原設(shè)備折邊錐封頭圖

折邊小端厚度計算:

式中:Q——系數(shù),用pc/[б]tΦ=(1.6/125×0.85)=

0.013查取Q=1.74折邊小端有效厚度:δtr=

δr+C1+C2=17.16+0.8=17.96取名義厚度

δm=18mm

連接筒體與錐體加強(qiáng)同等厚度為18mm。

3.2 按新煮沸器結(jié)構(gòu)選擇無折邊錐形封頭計算

為了降低設(shè)備制造費用,將原折邊錐形封頭改為無折邊錐形封頭,其設(shè)計計算如下(圖2)。

圖2 改后新無折邊錐封頭圖

(1)錐體半錐角α

(2)直徑Di1500筒體計算

筒體有效厚度δN15=δ15+C1+C2=11.38+0.8 =12.18,按變徑段錐形封頭厚度取名義厚度為16mm。

(3)變徑段錐殼體設(shè)計計算

錐殼體大端判別是否在筒體連接處加強(qiáng)確定:

用pc/[σ]tφ=(1.6/125×0.85)=0.015查GB150-1998《鋼制壓力容器》曲線(圖7-11),可不用加強(qiáng)連接筒體壁厚。

錐殼體小端判別是否在筒體連接處加強(qiáng)確定:

用pc/[σ]tφ=(1.6/125×0.85)=0.015查GB150-1998《鋼制壓力容器》曲線(圖7-13),應(yīng)對連接筒體壁厚進(jìn)行加強(qiáng)厚度。

錐殼大端厚度計算:

考慮到減薄筒體厚度,加之此A類焊縫長度實際只有344mm,為此取RT100%探傷焊縫系數(shù)Φ=1;用pc/[σ]tφ=(1.6/125×1)=0.013,取Q=1.6

筒體有效厚度δn=δr1+C1+C2=13.4+0.8= 14.2,筒體與小端錐體連接處取名義厚度為16mm

(4)直徑Di1300筒體計算

筒體有效厚度δT=δ13+C1+C2=9.86+0.8= 10.66mm,考慮到變徑錐形封頭小端厚度加強(qiáng),為此應(yīng)按變徑錐形封頭名義厚度選取筒體名義厚度為16mm。

4 新舊煮沸換熱器殼體設(shè)計經(jīng)濟(jì)分析

4.1 錐殼封頭加工費用分析

原設(shè)備殼體由兩種4件折邊錐形封頭構(gòu)成,因公司廠內(nèi)加工能力有限封頭成形只靠外委加工解決,加工費用在當(dāng)時的市場價格為7000元以上,還有遠(yuǎn)程運輸費用等。新煮沸器采用了無折邊錐形結(jié)構(gòu),取消了折邊成形加工工序的費用支出,節(jié)省了資金,縮短設(shè)備制造周期。

4.2 筒體制造費用分析

在舊設(shè)備的筒體中有多個筒節(jié)組成,焊接工作量較大,而且重量高于新設(shè)計的煮沸器設(shè)備重量127kg其材料費用差在數(shù)千元左右。

綜上所述,新設(shè)備與舊設(shè)備相比具有技術(shù)可靠,經(jīng)濟(jì)實用,加工周期短等特點(圖3)。

圖3 不銹鋼換熱器簡圖

5 結(jié) 語

化工設(shè)備煮沸換熱器的變徑錐殼封頭結(jié)構(gòu)方案選擇確定對殼體厚度影響極大,選擇最佳方案則可減薄筒體厚度和重量,一般情況,當(dāng)錐殼半頂角α≤30°、且設(shè)計壓力p≤2MPa時選用無折邊錐形封頭較為經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計制造的新煮沸換熱器,其結(jié)構(gòu)安全合理,經(jīng)濟(jì)實用,可為企業(yè)節(jié)省錐封頭折邊加工成形費用和焊接工作量(取消兩道直徑1300mm環(huán)向焊縫)。如何選擇錐形封頭焊縫系數(shù)對殼體厚度影響較大。相對而言,當(dāng)錐殼封頭A類焊縫長度不大于500mm時,采用RT100%Ⅱ級合格,焊縫系數(shù)取Φ= 1是最為經(jīng)濟(jì)的明智選擇。

實踐證明,在化工設(shè)備換熱處器設(shè)計中,采用最佳變徑錐殼封頭結(jié)構(gòu)方案,這對化工企業(yè)容器設(shè)備設(shè)計與制造具有重大作用和經(jīng)濟(jì)實用性。

[1] GB150-1998.鋼制壓力容器.

[2] GB151-1999.管殼式換熱器.

TQ051.5

A

1003-6490(2010)01-0041-03

2009-09-18

陸博福(1954.5-)男,漢族,遼寧省遼陽人,高級工程師,多年從事壓力容器設(shè)計與制造工作,現(xiàn)從事壓力容器、機(jī)械產(chǎn)品檢測儀器、質(zhì)量管理工作。