滿液式蒸發器低溫低應力工況下的設計探討①

范靜超

(大連冷凍機股份有限公司，遼寧大連 116033）

滿液式蒸發器低溫低應力工況下的設計探討①

范靜超

(大連冷凍機股份有限公司，遼寧大連 116033）

在滿液式蒸發器的設計過程中，應按設計溫度、設計壓力進行強度計算及應力校核，然后在最低使用溫度 (加50℃后，應高于－20℃）相對應的飽和壓力下進行低溫低應力工況的強度計算及應力校核，以確定不必遵循“低溫壓力容器”的設計參數。

蒸發器;強度計算;應力校核;低溫低應力工況

1 問題的提出

滿液式蒸發器廣泛應用于制冷系統中。在蒸發溫度小于－20℃的低溫工況運行時，有的用戶條件按低溫換熱器提出。而依據TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》、GB 150—1998《鋼制壓力容器》、GB 151—1999《管殼式換熱器》等國家標準規范和制冷行業標準，應用低溫低應力工況下的設計，則能在保證設備合理、安全、經濟的基礎上，便于材料采購，設備的設計、制造、檢驗和驗收，以達到降低成本、縮短工期、保護用戶利益，增強企業競爭力的目的。

2 低溫低應力的概念

“GB 150”、 “GB 151”關于“低溫低應力工況”的定義是:殼體或其受壓元件的設計溫度雖然低于或等于－20℃，但其環向應力小于或等于鋼材標準常溫屈服點的六分之一，且不大于50 MPa時的工況。

當殼體或其受壓元件使用在“低溫低應力工況”下，若其設計溫度加50℃后，高于－20℃時，不必遵循“GB 150”附錄C《低溫壓力容器》、“GB 151”附錄A《低溫管殼式換熱器》的規定。

因為處于低應力水平的鋼材會大大降低它的低溫脆斷傾向，而低溫低應力工況下的低溫容器可以降低材料的允許使用溫度。標準規范中給出的允許最低使用溫度是指容器材料 (碳素鋼和低合金鋼）工作在滿應力狀態 (即工作在設計條件下，殼體內的總體薄膜拉伸應力接近或等于材料許用應力時的應力狀態）時在該最低使用溫度下仍具有抗低溫脆斷的足夠韌性。

3 滿液式蒸發器低溫低應力工況分析

以一臺氨滿液式蒸發器為例，內徑Di=1000mm，冷卻水進水－40℃，冷卻水出水－35℃，焊接接頭系數Φ=0.85，容器類別Ⅱ，換熱管Φ25× 2.5×5000，材料10號鋼，分析它在低溫低應力工況下，不必遵循“低溫壓力容器”的設計參數。

3.1 主要受壓元件材料的選取

滿足低溫低應力工況的鋼材標準抗拉強度值應小于540 MPa。依據TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》壓力容器專用鋼中對碳素鋼和低合金鋼其磷、硫含量的要求，P≤0.030%、S≤0.020%，考慮材料的安全性、經濟性，主要受壓元件材料選用Q245R(板材）。

3.2 殼程圓筒強度計算、應力校核

3.2.1 殼程圓筒設計壓力，設計溫度下的強度計算、應力校核

殼側介質R717，設計壓力Pc=1.6 MPa，設計溫度t=43℃，工作壓力1.4 MPa，工作溫度38℃;Q245R(板材）:試驗溫度許用應力 ［σ］ = 148 MPa，設計溫度許用應力 ［σ］t=147.71 MPa，試驗溫度下屈服點σs=245 MPa，鋼板負偏差C1= 0.3 mm，腐蝕裕量C2=0.6 mm。

筒體名義厚度8 mm大于或等于“GB 151”中規定的最小厚度7.60 mm

結論:合格

3.2.2 殼程圓筒最低使用溫度及相應飽和壓力下的強度計算、應力校核

殼程側根據介質 R717特性，最低使用溫度－40℃(加50℃后，高于－20℃）時的飽和壓力為0.071 MPa。

此時滿足最低使用溫度下的圓筒計算厚度

結論:合格

3.2.3 分析總結

殼程介質為R717，設計壓力Pc=1.6 MPa，取設計溫度43℃和最低使用溫度－40℃(加50℃后，高于－20℃）為溫度驗算點，進行內壓圓筒的強度計算及應力校核。因為設計溫度下的圓筒名義厚度取8 mm，在其最低使用溫度及飽和壓力下的圓筒名義厚度取8 mm時，(σt=5.04 MPa）＜(1/6σs= 40.83 MPa）且不大于50 MPa，“GB151”規定筒體名義最小厚度7.6 mm。則同時滿足前三項的圓筒名義厚度取8 mm的Q245R鋼板，滿足不必遵循“低溫壓力容器”的設計規定。

3.3 管程圓筒強度計算、應力校核

3.3.1 管程圓筒設計壓力，設計溫度下的強度計算、應力校核

管程介質鹽水，設計壓力Pc=1 MPa，設計溫度10℃(－40℃加50℃的調整后溫度），Q245R(板材）:試驗溫度下的許用應力［σ］=148 MPa;設計溫度下的許用應力［σ］t=148 MPa，試驗溫度下屈服點σs=245 MPa;鋼板負偏差C1=0.3 mm;腐蝕裕量C2=1。

筒體名義厚度大于或等于“GB 151”中規定的最小厚度8 mm

結論:合格

3.3.2 管程圓筒最低使用溫度及相應壓力下的強度計算、應力校核

管程鹽水在最低使用溫度－40℃時(加50℃后，高于－20℃），壓力不變(Pc=1 MPa）。

此時滿足最低使用溫度下的圓筒計算厚度

當圓筒名義厚度取8mm:

筒體名義厚度14 mm大于或等于“GB 151”中規定的最小厚度8 mm。

結論:合格

3.3.3 分析總結

管程介質為鹽水，設計壓力Pc=1 MPa，設計溫度10℃，最低使用溫度－40℃(加50℃后，高于－20℃），溫度變化，壓力不變，進行內壓圓筒的強度計算及應力校核。因為設計溫度下的圓筒名義厚度為8 mm，在其最低使用溫度、壓力下圓筒名義厚度取14 mm時，(σt=39.87 MPa）＜ (1/6σs= 40.83 MPa）且不大于50 MPa，“GB 151”規定筒體名義最小厚度8 mm。則同時滿足前三項的圓筒名義厚度取14 mm時的Q245R鋼板，才能滿足不必遵循“低溫壓力容器”的設計規定。

4 結束語

蒸發器為換熱設備，本文對它的管程、殼程圓筒分別進行了強度計算和應力校核，確定了它滿足低溫低應力工況的設計條件為:(1）鋼材標準抗拉強度值小于540 MPa;(2）計算同時滿足設計溫度和最低使用溫度下的材料厚度，校核其環向應力應小于或等于鋼材標準常溫屈服點的六分之一，且不大于50 MPa;(3）換熱器筒體名義厚度應大于或等于“GB 151”中規定的最小厚度;對于滿足低溫低應力工況下的容器，還必須同時滿足最低使用溫度加50℃后，高于－20℃的條件，才能按“常溫壓力容器”考慮選材、設計、制造、檢驗和驗收。

理論上制冷劑氨在至－69℃(調整為－69℃+50℃，即－19℃）的低溫時，溫度下降壓力明顯降低，經計算校核合格后，仍可按“常溫壓力容器”設計。而鹽水、CO2等載冷劑側，溫度降低壓力無下降或無顯著下降，使得鋼板在較高的厚度時才能滿足“常溫壓力容器”設計要求，甚至按“低溫壓力容器”設計。

總之，某些介質的壓力和溫度總是成對出現的。應按設計溫度、設計壓力進行強度計算及應力校核，然后在最低使用溫度(加50℃后，應高于－20℃）相對應的(飽和）壓力下進行低溫低應力工況的強度計算及應力校核，以確定不必遵循“低溫壓力容器”的設計參數。

Discussion About Design For Flooded Evaporator Under Low Tem perature Combined W ith Low Stress

FAN Jingchao
(Dalian Refrigeration Co．，Ltd．，Dalian 116033，China）

During the process of the design for flooded evaporator，it should be calculated for strength and stress by design temperature and pressure at first，then it should be executed by the saturated pressure corresponding to the lowest application temperature(which add 50℃ should be greater than－20℃），so that the design parameters can be confirmed which don't complied with low temperature vessel．

evaporator;strength calculation;stress check;low temperature combined with low stress

TU831.4

A

1007-7804(2012）01-0010-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.01.003

2011-11-23

范靜超，女，大學本科，1987年畢業于大連工學院夜大機械工程專業，畢業后一直從事制冷壓力容器的設計工作。