高压换热器的设计

来源：发布时间：2014-07-12 11:39:52点击率：

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:



    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,U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,管箱筒体计算厚度为：



    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;如用标准椭圆形封头,封头计算厚度为：



    管箱封头小厚度为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：


    管箱封头小厚度为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,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筒体名义厚度。

    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,而嵌入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/T4700~4707-2000《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. 25 MPa~4. 0 MPa,聚四氟乙烯包垫片所适用的公称压力为0. 6 MPa~4. 0MPa,柔性石墨复合垫片所适用的公称压力为1.0MPa~6. 3MPa,金属包覆垫片所适用的公称压力为2. 5MPa~10. 0 MPa,缠绕式垫片所适用的公称压力为1. 6MPa~16. 0MPa,齿形组合垫所适用的公称压力为1. 6MPa~25. 0MPa,金属环垫所适用的公称压力为6. 3MPa~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50,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, 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。



    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

    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GBl51的规定进行压力试验,试验顺序如下:

    ①用试验压环进行壳程试压,同时检查换热管与管板的接头;

    ②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,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。

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