U型管換熱器管箱法蘭強度校核方法探討

邱硯明 ,徐樹林, 張渲楠

(1.哈電集團中央研究院，黑龍江 哈爾濱 150028；2.原興核技術(北京)有限公司，北京市 102488)

0 前言

U型管換熱器(見圖1)管箱法蘭，其墊片有2個性能參數，墊片系數m及墊片比壓力y。管箱法蘭密封面連帶隔板處的密封面，它們是同時實現密封的，其密封面壓緊力都是通過法蘭環螺柱的壓緊力實現的。由于分程隔板處也有密封，其螺柱的密封緊固力與僅有外環密封面是不一樣的。法蘭環與管板處的壓緊力也不一定相同。管箱法蘭密封面和管板密封面有可能是一次加工成型的，也有可能是二次加工的，環形先采用車削加工，然后分程隔板密封面銑削加工；也有可能是一次銑削加工而成的，環向密封面和分程隔板密封面銑削一次加工而成。法蘭密封面與分程隔板密封面原則上是在同一個平面內，但因加工方式的不同，分程隔板密封面有可能和法蘭密封面就不在同一個平面內，這時螺栓預緊后這兩個密封面墊片的壓應力就不相同，也就是法蘭密封面處的墊片系數y和m與分程隔板密封面的墊片系數y′和m′不相同。由于加工工序的原因，這兩種密封面如果是二次加工而成的，這樣外圈環形密封面與分程隔板密封面就一定不會在同一個水平面上。計算式中的墊片系數m和密封比壓力y要有區別。具體如何處理看本案下面的闡述。

1 U型管換熱器管箱法蘭有分程隔板密封情況下的校核方法

GB/T 151-2014《熱交換器》沒有提到這種情況，當然也就沒有處理的方法；而美國的列管式換熱器制造商協會標準TEMA給出了處理方法[1]。

圖1 U型管換熱器結構示意圖

預緊狀態下需要的最小墊片壓緊力,N：

(1)

br——分程隔板處有效密封寬度，mm，取墊片實際密封寬度的一半，見圖2；

rl——分程隔板處墊片總長,mm；

y′——分程隔板處墊片比壓力，MPa；

注：本文未說明的字符含義及單位同GB 150-2011《壓力容器》。

圖2 U型管換熱器分程隔板處結構示意圖

操作態下需要的最小墊片壓緊力,單位N：

(2)

m′——分程隔板處墊片系數,單位：無量綱；

從上面的式(1)和(2)看出，它們計算的不同之處就是多了一項分程隔板處墊片壓緊力值，而這個值的求取，關鍵是求取分程隔板處的墊片系數值m′和y′。

2 分程隔板處的墊片系數值m′和y′求取方法探討

2.1 墊片最佳承壓壓力值的探討

令沒有分程隔板墊片前的Fa和Fp相等，見下面的式(3)：

令Fa=Fp

→πDGby=2πDGbmpc

(3)

看式(3)，當法蘭的操作(計算)壓力等于y/2m時，墊片預緊和操作狀態下的墊片壓緊力是相同的，這樣墊片始終工作在能夠保證密封的壓應力狀態下。當操作壓力大于y/2m時，說明操作狀態下需要的墊片壓緊力大于墊片的初始預緊力，這時設計者要考慮墊片在大于密封預緊壓力的情況下是否還能長時間正常保持密封狀態，如果預緊力過大，墊片在預緊力作用下沒有回彈，會造成操作狀態下密封失效。因此本案討論的是墊片完全處在正?；貜椀姆秶鷥?，也就是操作壓力小于y/2m值。至于操作壓力大于y/2m多少值墊片喪失回彈能力，這需要實驗值，或者是使用經驗值，本案不討論這個問題.

2.2 如何獲得墊片的彈性模量值

要想獲得分程隔板處的墊片系數值m′和y′，就要想法獲得墊片在彈性范圍內的彈性模量值，如果沒有資料可以通過試驗獲得。

下面是不銹鋼纏繞墊的試驗結果，從這個實驗結果獲取該墊片的彈性模量值。

該不銹鋼纏繞墊片密封處外徑：OD=520 mm;該不銹鋼纏繞墊片密封處內徑：ID=470 mm;不銹鋼纏繞墊片厚度T=4.5 mm;墊片系數m=3;墊片比壓力y=69 MPa。

墊片的承壓面積為：

(4)

墊片正壓力為：

F=yA=69×38 877.2=2 682 526.8 N

(5)

經施壓上面式(5)的正壓力后，實測墊片剩余厚度T0=3.7mm;

則墊片的彈性模量值為：

(6)

2.3 如何獲得分程隔板處墊片的m′和y′值

一般的要分程隔板處密封面比外圈環形密封面低0.1～0.2 mm,也就是機械加工所說的10～20道的差距。假設分程隔板密封面和法蘭密封面不是同一加工工序加工的，分程隔板密封面是二次加工的，則隔板密封面比法蘭環密封面低0.1～0.2 mm；管板處的分程隔板槽密封面也是二次加工而成的，因此分程隔板槽密封面比管板外環密封面低0.1～0.2 mm。

隔板密封面比法蘭環密封面的最小低0.2 mm(管箱分程隔板低0.1 mm+管板槽低0.1 mm) , 則分程隔板處墊片的m′和y′值為：

(7)

(8)

ΔT——墊片被螺柱緊固后的壓縮量的值，即：ΔT=T-T0;

由上面的式(6)、(7)和(8)有下面的式(9)成立：

(9)

從上面式(9)可以看出，分程隔板處的墊片比壓力值與墊本身的比壓力值的比與相應的壓縮變形量成正比；相應的墊片系數值的比也與相應的壓縮變形量成正比。

2.4 沒有實驗數據，如何獲得分程隔板處墊片的m′和y′值

在我們不知道纏繞墊的彈性模量值的情況下，如何獲得分程隔板處的墊片系數m′及墊片比壓力值y′,看下面的闡述。

圖3 纏繞墊結構尺寸示意圖

依據國家標準見參考文獻[2],其墊片尺寸中的內環和定位環的厚度T1以及墊片厚度T有下面表1的尺寸組合。

表1 基本型纏繞墊片尺寸(單位：mm)

ΔTmax——纏繞墊片的極限壓縮尺寸。

根據操作經驗，纏繞墊片一般壓縮0.8～1.0 mm。

我們設計階段假設以纏繞墊片壓縮0.8 mm后認為墊片達到預緊密封比壓力69 MPa，依據上面的假設我們有下面的公式成立：

(10)

ΔT——墊片被螺柱緊固后的壓縮量的值，這里取0.8 mm;

ΔT′——分程隔板處墊片壓縮量的變動值。

2.5 示例

在沒有實驗數據支持的情況下如何獲取分程隔板處的墊片系數m′及墊片比壓力y′的值。

奧氏體不銹鋼石墨纏繞墊.分程隔板密封面與法蘭密封面一次裝卡加工成型，管板延長部分兼做法蘭的法蘭密封面，與管板分程隔板處的密封面不是一次加工成型的。只有管板的分程隔板密封面比管板延長部分兼做法蘭的法蘭密封面低0.1～0.2 mm，原纏繞墊的墊片系數m=3，墊片比壓力y=69 MPa。我們設計假設纏繞墊片壓縮0.8 mm,即達到預緊密封比壓力69 MPa,設計假設管板的分程隔板密封面比管板延長部分兼做法蘭的法蘭密封面低0.1 mm.則分程隔板處的墊片系數m′及墊片比壓力值y′依據計算式(10)，計算結果見下面的式(11)：

(11)

3 小 結

3.1管箱的設計壓力在y/2m之內，超過此值，設計者要考量墊片在操作工況下是否還處在彈性回彈狀態，或者改進密封結構，設置限位等，或者更換適宜的墊片。

3.2 從2.4的各計算結果可以知道，分程隔板處的墊片系數與原外環處的墊片系數比，正好是墊片壓縮量的比，見式(10)。設計中可以考量墊片達到原比壓力時的預期壓縮量，然后依據分程隔板處的預期壓縮量，就可以估出分程隔板處的墊片系數值。當然，這個預期壓縮量如果能通過實驗獲得的話，就是準確值，如果沒有實驗數據支持的話，設計者只能憑借經驗估計這個墊片的預期壓縮量的值。

3.3如參考文獻[1]的相關章節所述，當所獲得的分程隔板處的墊片系數值小于原來的墊片系數值時，可以采用原來的墊片系數值；因此，對于一些非金屬墊片，因其m和y值本來就比較低，設計者可以考慮采用和原來一樣的值 。