[doc] 高压换热器的设计

[doc] 高压换热器的设计 高压换热器的设计 ? 42? 贵州化工 GuizhouChemicalIndustry 2007年6月 第32卷第3期 高压换热器的设计 陈可华舒强 (贵州石油化工机械厂,贵州贵阳,550002) 摘要换热器的设计在满足工艺条件的情况下必须符合GBIS0—1998(钢制压力容器》,GBIS1—1999(管壳 式换热器》及《压力容器安全技术监察规程》的规定,本文着重介绍 了高压换热器的设计. 关键词高压换热器设计 中图分类号T2016.54文献标识码B文章编号1008—9411(2007)03—0042—03 1引言 在石油炼制,石油化工生产中,换熟器是保证生 产加工过程正常运转不可缺少的设备.据统计,在 石油化工行业中,换热器的吨位约占整个工艺设备 的20%,有的高达30%,在炼油厂中甚至占设备总 重量的40%.换热器在化工,石油及其他许多工业 部门中得以广泛应用,使热量从温度较高的流体传 给另一温度较低的流体,从而实现热量传递,达到工 艺目的.其类型与结构也很多,常用的换热器形式 有固定管板式换热器,浮头式换热器,u形管式换热 器,需根据具体情况对其进行选型设计,本文着重介 绍了在下列工艺条件下换热器的选型,设计,试验要 求等. 此换热器是为新疆英买力气田群地面建设工程 设计的一台凝析油处理装置,设计工艺条件如下: 壳程设计压力(MPa):2.50 管程设计压力(MPa):12.00 壳程设计温度(cc):280.00 ? 管程设计温度(cc):50.00 筒体公称直径(mm):500.00 换热面积(m):40 壳程进口温度(cc):240 管程进口温度(cc):30 壳程出口温度(cc):200 管程出口温度(cc):58.7 壳程物料名称:导热油 管程物料名称:稳前凝析油 壳程物料流速(m/s):1.51 壳程进口物料密度(Kg/m):737.32 2设备选型 由于给定的工艺条件管程设计压力很大,管壳 程温差也很大,若采用固定管板换热器,为降低换热 器各元件(管板,管子,壳体)在很大管壳程温差载 荷作用下的应力,必须设置膨胀节,但膨胀节的设 置,又使管子和管板在很高管程压力作用下,引起极 大的应力,使他们无法满足条件,因此不宜采用固定 管板换热器;而浮头式换热器由于管程压力很高,导 致固定管板及浮动管板,钩圈,浮动法兰厚度均很 厚,整个设备很笨重;从经济角度上和满足工艺条件 方面考虑ju形管式换热器和浮头式换热器比较少 了浮动管板,钩圈,浮动法兰这几个部件,从而简化 了设备,节约了资金,因此选用u形管式换热器. 3设备设计 3.1材料选择 根据设计条件,此换热器板材选用16MnR材 料,锻件材质与板材相同,选用16Mn锻件,换热管 由于压力较高,选用20G高压管(GB5310). 3.2管箱封头的选择 由于管程设计压力较大,封头名义厚度较厚,制 造封头时厚度减薄率在12%以上,为保证成形后封 头的最小厚度,所用的钢板厚度必定要比封头名义 厚度厚,根据设计条件,管箱简体计算厚度为 PD, ?姗 管箱简体名义厚度为24mm,即计算厚度加上厚度附 加量后圆整的数值;如用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 椭圆形封头,封头计算 厚度为 : :肇:18.75mmD芝_=?)nn 管箱封头最小厚度为22.75mm,即计算厚度加上厚 度附加量后的数值;如用半球形封头,封头计算厚度 为 : 芒一:8.98mm一 管箱封头最小厚度为12.98mm,即计算厚度加上厚 度附加量后的数值;为了与管箱筒体焊接,取封头名 义厚度为24mm,由于制造时存在厚度减薄率,标准 椭圆形封头就不能满足强度要求,若满足强度要求 2007年6月 第32卷第3期陈可华等:高压换热器的设计?43? 成形封头厚度又太厚,造成浪费,故选用半球形封 头,但要注意半球形封头直边段厚度应满足管箱简 体名义厚度. 3.3管箱接管补强形式选择 由于管程设计压力较大,补强圈补强只适用于 中,低压压力容器的开孔补强,而嵌人式补强因为结 构制造繁琐,成本较高,只在重要设备中使用,如该 容器及材料屈服强度在500MPa以上的容器等,因 此选用整体补强;若增加壳体厚度,通过计算可知所 需厚度为46mm,造成材料浪费很大,因此选用厚壁 接管补强,此种补强形式所有用来加强的材料都直 接处在应力最大的区域,因而能更有效的降低应力 集中程度,由于此种结构使接管外伸高度太大,因此 我们选用整体厚壁接管法兰补强. 3.4管板密封面形式的选择 管板的密封面形式有全平面密封,突面密封,凸 凹面密封,榫槽面密封,环连接面密封,根据JB/ T4700—4707—2ooo(压力容器法兰》规定,此标准只 适用于公称压力小于等于6.4MPa的法兰,而化工 部标准HG20592—20635—97《钢制管法兰,垫片,紧 固件》,使用法兰公称压力最高可达42.0MPa,此标 准规定,当公称压力大于等于10.0MPa时,可使用 的密封面形式为突面和环连接面两种,且非金属平 垫片所适用的公称压力为0.25MPa一4.0MPa,聚 四氟乙烯包垫片所适用的公称压力为0.6MPa一 4.0MPa,柔性石墨复合垫片所适用的公称压力为1. 0MPa一6.3MPa,金属包覆垫片所适用的公称压力 为2.5MPa一10.0MPa,缠绕式垫片所适用的公称 压力为1.6MPa一16.OMPa,齿形组合垫所适用的公 称压力为1.6MPa一25.OMPa,金属环垫所适用的公 称压力为6.3MPa一25.0MPa,此换热器管程设计压 力为12.0MPa,可用缠绕式垫片,齿形组合垫及金属 环垫,由于换热器属于经常拆卸的压力容器,而缠绕 式垫片和齿形组合垫属于一次性物品,相比之下,金 属环垫既耐磨,又易于加工,因此,此换热器选择使 用金属环垫,而与之配用的密封面形式为环连接面 密封.由于金属环垫不带隔板密封垫,根据经验选 用柔软有弹性的铝管作为此分程隔板的密封垫片. 3.5排管形式的选择 管子的布置,有三角形排列和正方形排列两种, 三角形排列用于壳侧流体清洁,不易结垢,或者壳侧 污垢可以用化学处理除掉的场合;而正方形排列可 以用机械的方法清扫管外,可用于易结垢的流体,因 此选用正方形排列.U形管弯管段的弯曲半径不小 于两倍的换热管外径,此换热器所用换热管外径为 25,即u形管弯管段的弯曲半径不小于5O,分程隔 板槽两侧相邻管中心距根据GB151为44,换热管中 心距为32,根据工艺条件的要求和结构的限制,因 此,第一组弯管只能倾斜排列,第二组弯管若垂直排 列,相邻管中心距为89,也不能满足u形管弯管段 的最小弯曲半径,因此,第二组弯管也只能倾斜排 列,注意排列时管与管之间不能碰撞,且必须在布管 限定圆内,见图1. 图1弯管的倾斜排列 由于此换热器的壳程进口物料流体速度的平方 和流体密度的乘积为737.32X1.51=1681,小于 2230kg/(m.s),因此在壳程进口管处不需设置防冲 板或导流筒;通过以上分析,此换热器设计见图2. 【下 lFc-,A’lfll0l》. lE翻ItIH?ll筮. 8lJl上 图2高压换热器的设计图 4设备检验 换热器在制造过程中及制造完毕后都应按相应 的标准 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 进行检验,验收,这也是我们在换热器设 计中必须考虑的问题. 4.1材料的检验,验收 材料的检验,验收除按一般压力容器用材的规 定执行外,对于此台设备须注意的是:因管程设计压 力为12MPa,故管箱部分壳体用钢板应逐张进行超 声检测,按JB4730《压力容器无损检测》的规定III 级合格;并且因为此台设备为第三类压力容器,管箱 部分用钢板及锻件应按《容规》第25条的规定进行 复验. 4.2设备制造过程中的检验,验收 ? 44? 贵州化工 GuizhouChemicalIndustry 2007年6月 第32卷第3期 设备制造过程中的检验,验收应严格按照 GB151第6条执行. 4.3压力试验 压力试验,亦称耐压试验或强度试验,它是压力 容器制造完毕后出厂前,按标准要求进行的最终综 合性检验,也是压力容器验收的重要依据.此台高 压换热器按GB151的规定进行压力试验,试验顺序 如下: ?用试验压环进行壳程试压,同时检查换热管 与管板的接头; ?管程试压; 对于此台设备试压难点是进行换热管与管板的 接头的试压,GBl51规定”当管程试验压力高于壳程 的试验压力时,接头试压应按图样规定,或按供需双 方商定的方法进行”.这一条文明确了设计者应在 制造前考虑解决这个问题. 管子与管板的焊接是换热器设计,制造与检验 的关键,直接决定了换热器的质量优劣和使用寿命, 但它又是换热器中相对薄弱的环节,从设备的实际 使用情况来看,往往是设备壳体,法兰能够继续使 用,而换热器却由于换热管腐蚀,管头泄漏而报废, 因此,正确的选择管头的试压 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,准确找出漏点, 是制造高质量换热器的一个关键问题.对于管,壳 程设计压力相同的换热器,直接进行水压试验,就可 以检验出管头是否泄漏,而此换热器由于管程水压 试验压力大于壳程水压试验压力,为检查管子与管 板连接的严密性,可提高壳程试验压力,使之等于管 程试验压力,但必须核算壳体在试验时产生的应力, 要求壳体任意点的一次薄膜应力的计算值不得超过 材料在试验温度下的90%屈服限(或残余变形 0.2%的屈服限),同时接管和法兰等均能满足压力 试验下的强度要求.由于此换热器管,壳程设计压 力相差过大,显然此方法不能适用,因此我们选用另 一 方法氨渗漏试验法.此方法需管,壳程按各自 试验压力试验后,壳程再以1.05倍壳程设计压力的 含氨体积约1%的压缩空气或低压纯氨进行氨渗漏 试验,这样,不提高壳程试验压力,也达到了检测管 头是否泄漏的目的,提高了容器的密封性,可靠性和 安全性. 5结束语 在高压换热器的设计中一定要注意各个环节的 考虑,合理的选择换热器的设备型式,制造及检验方 法,消除安全隐患.同时还要考虑到加工难易,经济 性等因素,才能设计出高质量的压力容器产品. 参考文献 [1]GB150—1998(钢制压力容器》[S],国家技术监督局发 布. [2]《压力容器安全技术监察规程》[S],国家质量技术监 督局发布. [3]《压力容器相关标准汇编》[S],全国压力容器标准化 技术委员会编制. [4]《钢制管法兰,垫片,紧固件》[S],化工部工程建设标 ‘ 准编辑中心发布. [5]GB151—1999(管壳式换热器》[S],国家质量技术监督 局发布. [6]《压力容器法兰》[S],国家机械工业局国家石油和化 学工业局发布. [7]HG20580一HG20585—1998《中华人民共和国行业标 准》[S],国家石油和化学工业局发布. (收稿日期200r7一o4—27) 作者简介 陈可华(1962.2),男,工程师,1983年毕业于贵州工学 院机械制造工艺及设备专业,一直从事压力容器的设计,审 核及制造技术指导工作,并多次参加全国和贵州压力容器制 造换证及设计换证的审查工作. 舒强(1956.11),男,工程师,1983年毕业于贵州广播电. 视大学机械制造工艺及设备专业,长期从事压力容器的设计 及制造技术指导工作. DesignofHeatExchangerfor碰ghPressure ChenKehuaShuQiang (GuizhouPetrochemicalMachineryFactory,Huaxi,Guiyang,Guizhou550000) Abstract:Basedonthenationalstandardsanddesignspecifications,Itintroducedthedesignofhigh—pressure heatexchanger. Keywords:High—pressure;heatexchanger;design