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      螺紋鎖緊環(huán)換熱器接管過渡短節(jié)的應(yīng)用分析

      2020-06-12 09:46:20張昆
      化工設(shè)備與管道 2020年2期
      關(guān)鍵詞:短節(jié)端部剪應(yīng)力

      張昆

      (蘭州蘭石重型裝備股份有限公司設(shè)計(jì)部(青島),山東青島 266520)

      隨著近幾年國內(nèi)外煉油企業(yè)的加氫裂化和加氫脫硫裝置趨于大型化,螺紋鎖緊環(huán)式高壓換熱器的應(yīng)用也越來越廣泛。螺紋環(huán)式換熱器接管與外部管道的連接主要分為法蘭連接、接管與對接管道直接焊接、接管通過過渡短節(jié)與對接管道焊接三種方式。為了降低換熱器與管道連接處的泄漏風(fēng)險(xiǎn),又便于接管與對接管道焊接,采用過渡短節(jié)連接換熱器接管和對接管道的方式越來越常見,如圖1 所示。本文分析了換熱器接管采用過渡短節(jié)與對接管道連接時(shí)的受力變化,并且總結(jié)了制造過程中的不同之處,為以后的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。

      圖1 接管通過過渡短節(jié)與對接管道連接Fig.1 Detail of nozzle and external pipeline connection using transitional short section

      1 采用過渡短節(jié)與不采用過渡短節(jié)的受力分析對比

      現(xiàn)以一臺(tái)高壓螺紋環(huán)換熱器管程設(shè)計(jì)條件進(jìn)行具體分析:設(shè)計(jì)壓力Pi=16.5 MPa,設(shè)計(jì)溫度250℃,鍛管材料14Cr1Mo 鍛件,接管端部受力如圖2 所示,L=200 mm, Fx=24 510 N,F(xiàn)y=24 510 N,F(xiàn)z= 24 510 N,Mx=22 760 000 N·mm,My=22 760 000 N·mm, Mz=22 760 000 N·mm,鍛管設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力[σ]t=153 MPa,接管端部外徑D=242 mm,接管內(nèi)徑d=202 mm。

      圖2 帶短節(jié)接管受力Fig.2 Diagram of force on nozzle with transitional short section

      1.1 采用過渡短節(jié)時(shí),接管端部即圖2中B-B截面受力分析

      1.1.1 軸向拉應(yīng)力

      (1)由彎矩引起的軸向拉應(yīng)力σω:

      ∑My= My-Fz×L

      ∑Mz= Mz-Fy×L

      總彎矩:

      彎矩引起的軸向拉應(yīng)力:

      (2)Fx作用的軸向拉應(yīng)力

      (3)由內(nèi)壓對B-B 截面產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力

      (4)組合軸向拉應(yīng)力

      1.1.2 由內(nèi)壓引起的環(huán)向拉應(yīng)力

      σI= Pi× ( d +δ ) / 2δ = 91.575 MPa ≤[σ]t

      1.1.3 剪應(yīng)力

      (1)扭矩引起的剪應(yīng)力τπ

      (2)外力Fy,F(xiàn)z引起的剪應(yīng)力

      (3)組合剪應(yīng)力

      τ = τn+ τF= 18.38 MPa ≤0.6 [σ]t

      1.1.4 組合應(yīng)力

      操作時(shí)最大主應(yīng)力:

      停工時(shí)最大主應(yīng)力:

      1.2 不采用過渡短節(jié)時(shí),接管端部即圖3中A-A截面受力分析

      1.2.1 軸向拉應(yīng)力:

      (1)由彎矩引起的軸向拉應(yīng)力σω

      總彎矩:

      圖3 不帶短節(jié)接管受力Fig.3 Diagram of force on nozzle without transitional short section

      彎矩引起的軸向拉應(yīng)力:

      (2)Fx作用的軸向拉應(yīng)力

      (3)由內(nèi)壓對A-A 截面產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力

      (4)組合軸向拉應(yīng)力

      1.2.2 由內(nèi)壓引起的環(huán)向拉應(yīng)力

      σI= Pi×( d + δ ) / 2δ = 91.575 MPa ≤[σ]t

      1.2.3 剪應(yīng)力

      (1)扭矩引起的剪應(yīng)力τπ

      (2)外力Fy,F(xiàn)z引起的剪應(yīng)力τF

      (3)組合剪應(yīng)力

      通常原子以光子的形式吸收輻射,這使其電子躍遷到高能態(tài),然后這些電子自發(fā)降到低能態(tài),釋放出光子,這就是“自發(fā)發(fā)射”。但是,如果把足夠的電子放到一種介質(zhì)中,使其處于受激態(tài),新光子會(huì)使電子降到低能態(tài),釋放出光子而不吸收光子。在這種情況下,適當(dāng)調(diào)諧的光子具有特定的波長、相位和方向,會(huì)誘導(dǎo)受激電子釋放出具有同樣性質(zhì)的光子?,F(xiàn)代的激光器中包含激發(fā)電子的輸入能源裝置,這種裝置處于一種類似晶體的介質(zhì)中,這種介質(zhì)位于兩塊鏡子之間,其中的一塊鏡子只是局部反射光線。在兩塊鏡子之間持續(xù)反射的光不斷受激發(fā)射,形成通過局部反射的鏡子射出的單色光(激光)。

      τ = τn+ τF= 18.38 MPa ≤0.6 [σ]t

      1.2.4 組合應(yīng)力

      操作時(shí)最大主應(yīng)力:

      停工時(shí)最大主應(yīng)力:

      1.3 兩種情況受力對比總結(jié)

      通過以上的計(jì)算分析可以看出,增加短節(jié)時(shí),接管端部所受的總彎矩小于不增加短節(jié)時(shí)該處受到的總彎矩,因此彎矩引起的應(yīng)力較小。而由內(nèi)壓引起的應(yīng)力及剪應(yīng)力在兩種情況下,未發(fā)生變化。

      1.1 節(jié)中增加短節(jié)L 后產(chǎn)生的力矩方向與初始力矩方向相反,因此降低了鍛管端部的受力。

      若保持初始力矩大小不變,將方向發(fā)生變化,經(jīng)計(jì)算,增加短節(jié)L 的情況下,接管端部即圖2 中B-B截面所受組合軸向拉應(yīng)力為102.19 MPa,相比不增加短節(jié)時(shí)的92.5 MPa 增加了約20%。

      2 采用過渡短節(jié)與不采用過渡短節(jié)的制造過程對比

      因螺紋鎖緊環(huán)壁厚較大,且多數(shù)為鉻鉬鋼制造,因此設(shè)備制造完畢后需要進(jìn)行整體焊后熱處理。

      不帶過渡短節(jié)的接管與殼體焊接后直接隨設(shè)備進(jìn)行焊后熱處理,而帶過渡短節(jié)的接管,過渡短節(jié)根據(jù)材料不同,與接管相焊的時(shí)機(jī)不同,對接處堆焊的焊材也不同。而過渡短節(jié)材料通常與接管的對接管線材料相對應(yīng)。

      2.1 設(shè)備鍛管為鉻鉬鋼+堆焊(E309L+E347),對接管線為S32168不銹鋼

      過渡短節(jié)材質(zhì)選定為S32168,接管與不銹鋼短節(jié)焊接如圖4,此時(shí)接管與短節(jié)焊接應(yīng)在設(shè)備最終熱處理之后,水壓試驗(yàn)前進(jìn)行。

      圖4 鍛管與短節(jié)焊接Fig.4 Detail of welding forging nozzle and transitional short section

      2.2 設(shè)備接管為鉻鉬鋼+堆焊(E309L+E347),對接管線為SA106.GR.B碳鋼

      過渡短節(jié)材質(zhì)選定為16Mn 鍛件,接管與過渡短節(jié)焊接如圖5,此時(shí)接管與短節(jié)焊接也應(yīng)在設(shè)備最終熱處理之后,水壓試驗(yàn)前進(jìn)行。但接管與短節(jié)焊接完畢后需對環(huán)向焊接接頭進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理。該種情況下,增加過渡短節(jié),就免去了工程現(xiàn)場對管線與接管對接環(huán)縫做局部熱處理的步驟。

      圖5 鍛管與短節(jié)焊接Fig.5 Detail of welding forging nozzle and transitional short section

      3 結(jié)論

      本篇文章在受力和制造兩方面對比了螺紋環(huán)換熱器接管帶過渡短節(jié)與不帶過渡短節(jié)的不同:

      (1)當(dāng)增加短節(jié)后產(chǎn)生的力矩方向與初始力矩方向相反時(shí),會(huì)降低接管端部的受力;反之,受力會(huì)有少許增加,但因?yàn)橥ǔ_^渡短節(jié)長度較短,增加的應(yīng)力不會(huì)太大。

      (2)增加過渡短節(jié),尤其是對接管線為碳鋼時(shí),可以免去工程現(xiàn)場對管線與接管對接環(huán)縫做局部熱處理的步驟。

      綜上,本文分析了螺紋環(huán)換熱器接管采用與不采用過渡短節(jié)與對接管道連接時(shí)的受力,總結(jié)了制造過程中的不同之處,為以后的設(shè)計(jì)和更廣泛的應(yīng)用提供依據(jù)。

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