高壓U形管式換熱器管箱設計

劉明強（承德江鉆石油機械有限責任公司，河北 承德 067000）

對于高壓管箱的設計，其結構上必須保證強度的可靠性和密封的嚴密性。使管箱在確定壓力及其他載荷作用下，不導致破壞或過量塑性變形，就必須對各受力元件做詳細的分析；為了保證密封的嚴密性，使管箱在操作時不產生泄露，就必須慎重確定密封結構及相關零部件尺寸。

1 設計方案

1.1 管箱密封結構選取

平封頭在壓力容器中使用廣泛，特別用于壓力較高直徑較小的高壓容器。其密封結構有：金屬平墊密封、雙錐密封、八角墊和橢圓墊密封、卡箍緊固結構密封等。其中雙錐密封的使用范圍：設計溫度0-400℃；設計壓力：6.4-35 MPa；內直徑400-3200mm。本設備設計參數與此條件吻合，因此本設備管箱密封采用雙錐密封。

雙錐密封設計主要根據在預緊狀態主螺栓載荷Wa和操作狀態主螺栓載荷的Wp，為主螺栓的設計提供依據，并根據主螺栓載荷，為和密封結構相關的零部件的設計提供依據。

1.2 主螺栓設計

雙錐環的結構尺寸按下式計算：

式中雙錐環中點處的彎曲應力σm＝50MPa-100MPa

另外也可根據GB150.3-2011附錄C.6雙錐環的系列結構尺寸選取設計壓力35 Mpa系列，其中考慮到管板與殼程法蘭的連接尺寸以及設備的經濟合理，制造維修方便等原因，選取封口內徑Di=800mm，A=76mm，B=31mm，C=38mm，D1=760mm，α=30°。

預緊狀態時，在螺栓預緊力的作用下，平封頭有趨勢向筒體端部靠攏，即向下移動，因而除在雙錐環錐面上引起的正壓力G0外，在上下錐面上還分別作用向下、向上平行于錐面的摩擦力F=G0tanr，r為金屬軟墊片的材料和平封頭或筒體端部材料之間的摩擦角。正壓力G0的大小應使錐面上達到足夠的、該金屬軟墊片材料的預緊密封比壓y值。作用在錐面上的正壓力G0和摩擦力F的合力為Q0,Q0的軸向分量即為主螺栓所加的預緊載荷Qa。

由于高壓容器的主螺栓、螺母承受容器頂蓋的軸向力和密封力，負荷很大。為了使每個螺栓的螺紋所分擔的載荷盡可能的均勻并降低應力集中，因而取螺栓的數量為偶數（一般為4的倍數）。螺栓的數值n一般先假設，如果選用的n值多，則墊片承壓均勻，有利于密封，所需要的螺栓直徑也越小；但是n值過多，導致螺栓間距減小，上緊裝置空間不夠。根據已確定的設備內徑調整取值，這里選n=16,再根據主螺栓的最小直徑的計算公式，求得主螺栓的最小直徑。

1.3 筒體端部法蘭設計

雙錐墊密封采用針對受軸向載荷（包括偏心載荷）的端部法蘭的強度計算方法3/4巴赫法，即把端部法蘭沿縱向剖開，所受的軸向載荷在縱向剖面構成彎矩，引起沿端部法蘭軸向分布的彎曲應力，將此彎曲應力限制在材料的許用應力以下。

1.4 平封頭設計

用于高壓的平封頭，其δ D比值一般超過了0.2，不能按照平板理論導出的結果進行分析。目前對于雙錐密封的平蓋，采用彈性理論的小撓度薄板進行推導的計算方法，以最大彎曲應力為失效條件來計算平蓋厚度，并根據材料力學，將平蓋簡化為以直徑斷面為截面的方法，對平蓋縱向斷面的彎曲應力及薄弱周向截面的彎曲和剪切應力進行校核，俗稱Bach法。

預緊狀態時的計算厚度和操作狀態時的計算厚度取最大值，加上腐蝕裕量，得到設計厚度，圓整后得到平封頭的名義厚度，然后根據雙錐結構的尺寸，確定h1值。最后校核縱向斷面得彎曲應力。

1.5 管板設計

這種U形管換熱器管箱結構特殊，因管程壓力高，管板和管箱筒體采用焊接連接，且沒有兼做法蘭的延長部分。考慮可抽芯更換的需要，管板和殼程間采用法蘭連接。這種結構在GB151-1999中未明確管板的計算方法。對于此種U形管換熱器管板，由于只有一塊管板，管束可自由伸縮，形成彈性基礎，所以既沒有管束的彈性支撐又沒有管殼程之間由于溫差引起的載荷作用，因此可視為一個受管孔開孔削弱的圓平板。

我們可用GB150.3-2011按照第5.9章表5-9，選取序號11所示平蓋，在此平蓋計算基礎上附加考慮殼程法蘭的法蘭力矩的作用。它的受力可簡化為受管程高壓作用的簡支圓平板，并在板邊緣作用有兩個均布力矩的計算模型。這兩個力矩一個是管箱筒體在管程高壓作用時由邊界效應引起的力矩，一個是殼程法蘭的法蘭力矩。這兩個力矩引起的變形與管程高壓作用引起的變形剛好相反，所以保守的考慮管板只受管程高壓作用。

2 結語

通過以上對高壓U形管式換熱器管箱主要受壓元件結構和強度的設計，可以看出，高壓設備設計計算也是建立在簡單的力學基礎上的，其關鍵在于載荷分析和力學模型的建立，做好這兩點，設計起來才能得心應手。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會發布GB 150.1-GB 150.4-2011《壓力容器》.

[2]國家質量技術監督局發布GB 151-1999《管殼式換熱器》.

[3]楊東升，崔建波，張秀艷.高壓U形管式換熱器的管箱設計探討[J].化工設計，2013（1）.