張守圣
(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司換熱裝備研究部)
由固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板組成的板式換熱器壓緊板不僅是可拆式板式換熱器、板式蒸發(fā)器和板式冷凝器的重要組成部分,也是不可拆板式換熱器的重要組成部分。不可拆板式換熱器是指不能用常規(guī)拆卸方法將板片包拆解成單一板片的板式換熱器,包括釬焊式板式換熱器、半焊和全焊板式換熱器。釬焊板式換熱器和半焊板式換熱器主要用于制冷行業(yè),而全焊板式換熱器則可用于石油化工領(lǐng)域溫度和壓力較高的情況。
在ASME第VIII第一分篇對(duì)技術(shù)咨詢的第12號(hào)解答中,首先提出對(duì)完工后的板式換熱器可以用U符號(hào)作標(biāo)記。AD規(guī)范第二章也將板式換熱器列為特殊壓力容器,同時(shí)規(guī)定:由可拆卸的板片組成的板式換熱器,在許可操作壓力高于100kPa時(shí),不論其壓力與容積的乘積為多少,均應(yīng)有專家對(duì)該熱交換器的承壓構(gòu)建進(jìn)行預(yù)檢。因此壓緊板是可拆式板式換熱器、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器和不可拆板式換熱器的主要受壓元件[1],對(duì)其進(jìn)行科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)是非常重要的。
我國(guó)板式換熱器的規(guī)范ZBJ 74001- 1987和JB/T 53256- 94適用于最大傳熱面積不大于360m2、設(shè)計(jì)壓力不大于1.6MPa、設(shè)計(jì)溫度不大于250℃的板式換熱器;JB/T 8701- 1998[2]適用于以液化氣體為制冷劑,設(shè)計(jì)壓力不高于4.0MPa,設(shè)計(jì)溫度在0~200℃的制冷裝置中與制冷劑接觸而承受制冷劑壓力的板式換熱器;NB/T 47004- 2009[3]僅適用于設(shè)計(jì)壓力不大于2.5MPa的可拆卸板式換熱器。
這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中,NB/T 47004- 2009只對(duì)夾緊螺柱進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,框架板和壓緊板的計(jì)算僅給出了提示附錄;JB/T 8701- 1998不但對(duì)夾緊螺柱提供了設(shè)計(jì)計(jì)算,而且對(duì)固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板做了相應(yīng)的厚度設(shè)計(jì)。此外,國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)API 662- 2006[4]也沒(méi)有對(duì)固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
筆者以圖1所示型號(hào)的板式換熱器為例,分別用JB/T 8701- 1998、ASME、有限元分析法對(duì)固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板開孔進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)時(shí),在計(jì)算載荷螺柱方面均按照各個(gè)國(guó)家相應(yīng)的壓力容器規(guī)范。
2.1壓緊板設(shè)計(jì)參數(shù)
依據(jù)JB/T 8701- 1998預(yù)設(shè)壓緊板參數(shù):設(shè)計(jì)壓力p=1.6MPa,設(shè)計(jì)溫度t=120℃;材料為16Mn DR,[σ]0=163MPa,[σ]t=163MPa。
2.2壓緊板厚度計(jì)算
2.2.1依據(jù)JB/T 8701- 1998
作用于板片投影面積a2上的流體靜壓力F0
圖1 板式換熱器結(jié)構(gòu)
為:
F0=a2·p
(1)
式中p——設(shè)計(jì)壓力。
工作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力Fp為:
Fp=2lBmp
(2)
式中B——膠墊的寬度;
l——墊片中心線展開長(zhǎng)度,l=2l1+3l2,l1為膠墊左右長(zhǎng)度,l2為膠墊上下中心間距;
m——墊片系數(shù),m=1.0。
預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱載荷Wa為:
Wa=lBy
(3)
其中,墊片比壓力y=1.4MPa。
工作狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱載荷Wp為:
Wp=F0+Fp
(4)
預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱總截面積Aa為:
(5)
工作狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱總截面積Ap為:
(6)
需要的夾緊螺柱面積Am為:
Am=max(Aa,Ap)
(7)
實(shí)際夾緊螺柱總截面積Ab為:
(8)
式中d1——夾緊螺柱直徑;
n——夾緊螺柱數(shù)量,n=6。
預(yù)緊狀態(tài)下螺柱設(shè)計(jì)載荷W為:
(9)
工作狀態(tài)下螺柱設(shè)計(jì)載荷W為:
W=Wp
(10)
常溫下實(shí)際使用的最大許用應(yīng)力S0為:
S0=1.5[σ]0
(11)
設(shè)計(jì)溫度下實(shí)際使用的最大許用應(yīng)力St為:
St=1.5[σ]t
(12)
預(yù)緊狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K1為:
(13)
式中a——夾緊板寬度方向的墊片跨度;
L——夾緊螺柱中心連線周長(zhǎng),L=L1+L2,L1為夾緊螺栓上下孔間距,L2為夾緊螺栓左右孔間距;
SG——夾緊螺柱中心至墊片壓緊力作用中心線的距離,SG=(L2-a)/2。
預(yù)緊狀態(tài)下無(wú)孔板的計(jì)算厚度δp1為:
(14)
通過(guò)計(jì)算,得到δp1=22.00mm。
工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K2為:
(15)
其中,壓緊板形狀系數(shù)Z=3.4-2.4a/B且Z≤2.5。
工作狀態(tài)下無(wú)孔板的計(jì)算厚度δp2為:
(16)
通過(guò)計(jì)算,得到δp2=28.83mm。
無(wú)孔板的計(jì)算厚度δp為:
δp=max(δp1,δp2)
(17)
則δp= 28.83mm。開孔位于中央時(shí),計(jì)算板厚應(yīng)考慮補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)C1:
(18)
其中,d2為壓緊板接管孔直徑,d2=100mm;f為壓緊板寬度,f=494mm。計(jì)算得到補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)C1=1.296。
開口位置位于四角時(shí),縮減系數(shù)C2為:
(19)
其中,La為壓緊板上接管孔間的最小距離,La=127mm。計(jì)算得到縮減系數(shù)C2=0.858。
有孔板的計(jì)算厚度δh為:
δh=C1C2δp
(20)
計(jì)算得到δh=32.06mm。可以得到未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為28.83mm和32.06mm。
2.2.2依據(jù)ASME規(guī)范
在常溫下實(shí)際使用的最大許用應(yīng)力S0為:
S0=[σ]0
(21)
設(shè)計(jì)溫度下實(shí)際使用的最大許用應(yīng)力St為:
St=[σ]t
(22)
其他參數(shù)的計(jì)算方法可參照B/T 8701- 1998,將參數(shù)代入式(1)~(10)、(13)~(22)可以得到未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為35.31mm和49.94mm。
2.3計(jì)算結(jié)果對(duì)比
陳永東按照瑞典壓力容器規(guī)范求得的壓緊板最小厚度為35.50mm,按照德國(guó)AD規(guī)范求得的未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為31.69、35.85mm[5];按照有限元分析法求得的固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的厚度分別為36.70、45.00mm[6];采用標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8701- 1998求得的未孔板壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為28.83、32.06mm;采用ASME規(guī)范求得的未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為35.31、49.94mm。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),采用ASME和有限元分析法計(jì)算的厚度很保守。
采用ASME和有限元分析法計(jì)算的壓緊板厚度很保守,而采用瑞典壓力容器規(guī)范、AD規(guī)范和JB/T 8701- 1998計(jì)算的壓緊板厚度相差不大。國(guó)內(nèi)板式換熱器設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)JB/T 8701- 1998提供的依據(jù)計(jì)算板式換熱器固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的厚度;國(guó)外產(chǎn)品,若為歐盟產(chǎn)品,可以借助AD規(guī)范計(jì)算固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的厚度;如果客戶要求是ASME產(chǎn)品,則可以根據(jù)ASME常規(guī)算法和有限元算法求得固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的厚度,但用常規(guī)ASME方法算得的厚度會(huì)更保守些。我國(guó)板式換熱器的設(shè)計(jì)規(guī)范已取得了一定的進(jìn)展,但應(yīng)盡快完善。
[1] ASME Ⅷ- 1,壓力容器建造規(guī)則[S].北京:中國(guó)石化出版社,2010.
[2] JB/T 8701- 1998,制冷用板式換熱器[S].北京:機(jī)械工業(yè)部機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化研究所,1998.
[3] NB/T 47004- 2009,板式熱交換器[S].北京:全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì),2009.
[4] API 662- 2006,Plate Heat Exchangers for General Refinery Services[S].Washington:American Petroleum Institute, 2006.
[5] 陳永東.板式換熱器受壓元件強(qiáng)度分析[J].壓力容器,1997,14(6):30~33,88.
[6] 楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.