鄭燕(四川晨光工程設(shè)計院,四川 成都 610041)
中間冰機設(shè)計要點
鄭燕(四川晨光工程設(shè)計院,四川 成都 610041)
根據(jù)中間冰機在化工生產(chǎn)裝置中具體的使用工況,本文以如何設(shè)計該設(shè)備為出發(fā)點,圍繞設(shè)備技術(shù)特征和結(jié)構(gòu)特點具體從設(shè)計參數(shù)的確定、材料選擇、結(jié)構(gòu)分析設(shè)計以及制造檢驗要求四個方面重點進(jìn)行分析和闡述。
釜式U型管式換熱設(shè)備、低溫材料、低溫結(jié)構(gòu)、制造檢驗
中間冰機是某有機硅廠冷凍系統(tǒng)技術(shù)改造項目新增設(shè)計的一臺釜式U型管換熱設(shè)備,是該冷凍系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。本文以下就該設(shè)備在設(shè)計上的四個關(guān)鍵方面分別進(jìn)行介紹。
工作溫度:管程:正常溫度:-15°C;最高溫度:-20°C;
殼程:正常溫度:-30°C;最高溫度40°C。
工作壓力:管程:正常壓力0.4MPa;最高壓力0.5MPa;
殼程:正常壓力0.02MPa/最高壓力1.4MPa。
根據(jù)上述操作工況和設(shè)計參數(shù),根據(jù)GB150.1~150.4-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)“設(shè)計溫度不得低于金屬在工作狀態(tài)可能達(dá)到的最高溫度和設(shè)計溫度不得高于金屬在工作狀態(tài)可能達(dá)到的最低溫度”的規(guī)定,將本設(shè)備的設(shè)計參數(shù)確定為:
管程設(shè)計溫度:-30°C; 管程設(shè)計壓力:0.6MPa
殼程設(shè)計溫度:-35/50°C;管程設(shè)計壓力:1.97/-0.1MPa這里值得說明的是:
管程的設(shè)計壓力是按常規(guī)法(工作壓力乘以安全系數(shù))取為0.6MPa;
殼程設(shè)計壓力是按兩種工況考慮:
(1)操作狀態(tài):取液氨在設(shè)計溫度50°C下的飽和蒸汽壓1.97MPa作為殼程的設(shè)計壓力;
(2)檢修狀態(tài):取設(shè)備充氮保護(hù)抽真空時的負(fù)壓-0.1MPa作為殼程的設(shè)計壓力。
操作時,本設(shè)備在-20°C~-30°C低溫下運行,這種工作環(huán)境要求材料具有足夠低溫韌性。
(1)首先判斷設(shè)備殼體及其主要受壓元件是否是在低溫低應(yīng)力工況下工作;如果屬于低溫低應(yīng)力工況,則設(shè)備不必遵循低溫設(shè)備設(shè)計要求。
(2)低溫設(shè)備的免除判斷:
設(shè)備主體材料:16MnDR;壁厚δn=14mm;
查取16MnDR材料標(biāo)準(zhǔn)常溫屈強度為315MPa
按GB150.3《壓力容器》中圓筒的計算應(yīng)力公式進(jìn)行計算:
σt=Pc(Di+δe)/2δe=1.97x(1200+14-3-0.3)/2(14-3-0.3)= 111.5MPa
由于σt=111.5MPa>315/6=52.5MPa,即雖然設(shè)計溫度低于-20°C,但在該設(shè)計條件下容器元件所承受的最大一次總體薄膜應(yīng)力大于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈強度的1/6且大于50MPa,不能免除低溫設(shè)計,設(shè)計中應(yīng)嚴(yán)格按低溫容器的要求設(shè)計。
(3)作為低溫設(shè)備設(shè)計選材,本設(shè)備充分考慮以下4個方面:
a.低溫用鋼要求鋼材的顯微組織均勻和無塑性轉(zhuǎn)變溫度低,因此要求所用鋼材:板材(16MnDR)和管材(Q345E)的供貨狀態(tài)為正火狀態(tài);鍛件(16MnD)的供貨狀態(tài)為淬火+回火狀態(tài)。
b.為保證材料的低溫韌性,滿足符合規(guī)定的低溫沖擊功指標(biāo),本設(shè)備殼體用16MnDR(正火)板材應(yīng)進(jìn)行-40℃夏比(V型缺口)沖擊試驗,沖擊吸收能量≥47J;本設(shè)備用Q345E(正火)管材的化學(xué)成分應(yīng)符合P≤0.025%,S≤0.01%,且管程用?108x7管材應(yīng)進(jìn)行-40℃夏比(V型缺口)沖擊試驗,縱向沖擊吸收能量≥40J;本設(shè)備用16MnD鍛件應(yīng)進(jìn)行-45℃夏比(V型缺口)沖擊試驗,沖擊吸收能量≥47J;設(shè)備法蘭螺柱及管口配對螺柱應(yīng)進(jìn)行-35°C下的低溫V型缺口沖擊試驗,平均沖擊吸收能量≥41J。
c.本設(shè)備的焊接材料應(yīng)選用與母材成分和性能相近的或相同的具有較好低溫性能的材料,焊條應(yīng)選用低氫堿性焊條,焊劑應(yīng)選用堿性或中性焊劑,且應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行熔敷金屬擴散氫試驗或薄皮含水量復(fù)驗。
d.本設(shè)備選材除了考慮低溫對材料的要求,還應(yīng)考慮液氨的應(yīng)力腐蝕對材料的特殊要求;主要包括三方面:一是要求材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下的屈服強度ReL≤355MPa;二是要求材料的實測抗拉強度Rm≤630MPa;三是要求材料的碳當(dāng)量Ce≤0.45。
(1)管殼程的連接設(shè)計:本設(shè)備為殼程單斜錐具有蒸發(fā)空間的釜式夾持型U型管換熱器。作為夾持型U型管換熱器,設(shè)計上必須考慮夾持管板的管殼程法蘭的受力均勻,因此這里采用高頸法蘭、金屬纏繞墊和低合金高強鋼螺柱螺母組合結(jié)構(gòu),以保證管殼程連接的有效性;且其中兩顆螺柱設(shè)計為帶肩雙頭螺柱,以利于操作安裝檢修方便。
(2)殼程殼體的設(shè)計:關(guān)于殼程斜錐殼,由于本設(shè)備是低溫設(shè)備負(fù)壓工況,大小端必須采用有折邊結(jié)構(gòu),對錐殼大小端分別進(jìn)行加強計算,對其計算結(jié)果取大值。本設(shè)備對錐殼大小端進(jìn)行加強計算時,將大小端作為支撐圈考慮,因此除了對連接處進(jìn)行加強面積校核外還需對連接處慣性矩進(jìn)行校核,通過計算得出小端筒體所需壁厚16mm,大端筒體所需壁厚18mm。而事實上,滿足大端筒體強度計算的壁厚只需要12mm。設(shè)計上考慮用材的經(jīng)濟性,將大端筒體采用分段設(shè)計,即將連接錐殼大端的筒體分成壁厚18mm和壁厚12mm厚兩段筒體分段制作。
(3)換熱管及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計
a為確保換熱管的有效性,設(shè)計時需考慮如下一些關(guān)于換熱管的基本要求:
換熱管材料:Q345E(正火);管束級別為Ⅰ級且采用冷拔高級管;換熱管不允許拼接;換熱管與管板連接采用強度焊加貼脹,貼脹需采用柔性脹;強度焊采用氬弧焊,焊接不少于兩道,焊接接頭表面進(jìn)行100%-PT檢測Ⅰ級合格;U形管彎管段的圓度偏差應(yīng)不大于2.5mm,彎曲段與彎曲段距離一米范圍內(nèi)直管段應(yīng)作磁粉檢查,沒有裂紋為合格;換熱管彎制后應(yīng)逐根進(jìn)行水壓試驗,試驗壓力取管殼程試驗大者;換熱管采用冷彎,彎制后彎管段及至少150mm直管段范圍應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。
b換熱管的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計
一方面,由于U型換熱管束只有管板側(cè)固定,另一端浮動,則浮動端的支撐距離應(yīng)滿足GB/T151-2014中規(guī)定的最大無支撐跨距要求。
另一方面,由于U型換熱管為可抽式結(jié)構(gòu),檢修時要需要抽芯檢查,為避免換熱器芯子在使用、安裝、檢修過程中變形和便于拆裝,需在支持板上裝滑道,且應(yīng)在殼體底部設(shè)置支撐導(dǎo)軌。
(4)考慮低溫因素在結(jié)構(gòu)上的特殊要求
設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單,以減少焊接件的拘束程度;各部分結(jié)構(gòu)應(yīng)避免產(chǎn)生較大的溫度梯度;結(jié)構(gòu)拐角過渡應(yīng)減少局部的應(yīng)力集中;各類接頭、凸緣等應(yīng)圓滑過渡;支座應(yīng)設(shè)置墊板,避免支座與殼體直接相焊,墊板材料與殼體相同;結(jié)構(gòu)上應(yīng)避免焊縫的集中和交叉;接管的補強采用鍛管補強;A、B、C、D類焊接接頭均要求全截面焊透。
制造檢驗著重按以下方面考慮:
(1)從設(shè)計溫度-35°C,設(shè)計壓力1.97MPa,殼體厚度18mm,設(shè)備類別Ⅱ類,液氨介質(zhì)中度危害等幾方面綜合考慮后,要求對管殼程A、B類焊縫進(jìn)行100%-RT檢測,符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Ⅱ級合格;設(shè)備上公稱直徑DN<250mm的接管與對焊法蘭的A類對接接頭進(jìn)行100%-MT檢測,符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Ⅰ級合格;對管殼程C、D類焊縫應(yīng)進(jìn)行100%-MT檢測,符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Ⅰ級合格。
(2)主要受壓元件用16MnDR(正火)鋼板應(yīng)按爐批進(jìn)行超聲檢測,符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Ⅱ級合格。
(3)本設(shè)備應(yīng)制作A類焊接接頭產(chǎn)品焊接試板,且應(yīng)進(jìn)行-35℃低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗,縱向沖擊吸收能量≥24J。
(4)本設(shè)備應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理;熱處理后應(yīng)對每一承壓焊縫的硬度進(jìn)行測定,硬度測定應(yīng)在焊縫金屬、熱影響區(qū)和臨近焊縫的母材接觸介質(zhì)側(cè)各測三點,測試結(jié)果不超過HB200或相應(yīng)硬度。設(shè)備熱處理后僅允許在墊板上施焊,不允許在設(shè)備本體上施焊。
綜上所述,將具有U型管換熱器和低溫設(shè)備特征的設(shè)備設(shè)計充分展示,以期在這個過程中將設(shè)計得到優(yōu)化,確保設(shè)計產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中安全有效運行的前提下,力求節(jié)能環(huán)保、節(jié)省鋼材、提高化工設(shè)備的經(jīng)濟效益。
[1]GB/T151-2014《熱交換器》.
[2]GB150.1~150.4-2011《壓力容器》.
[3]HG/T20585-2005《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》.
[4]TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》第2版.
鄭燕,女,1992年畢業(yè)于四川輕化工學(xué)院化工設(shè)備與機械專業(yè),工程師,現(xiàn)在四川晨光工程設(shè)計院從事非標(biāo)設(shè)備設(shè)計審核工作。