煮沸换热器改造设计及变径锥壳选择

陆博福

(中国一重(集团)有限责任公司技术质量部,黑龙江富拉尔基 161042)

煮沸换热器改造设计及变径锥壳选择

陆博福

(中国一重(集团)有限责任公司技术质量部,黑龙江富拉尔基 161042)

在化工设备换热器设计中,壳体上的变径锥体结构选择,关系到设备安全,经济合理性。一般情况,当锥壳半顶角α≤30°、且设计压力p≤2MPa时选用无折边锥形封头降低锥角度,可减小壳体厚度;如何选择锥壳封头的焊缝系数对壳体厚度影响较大。当锥壳封头A类焊缝采用RT100%、Ⅱ级合格,焊缝系数取Φ=1则是最为经济的明智选择,从而节省锥封头折边成型加工费用,降低制造成本。

换热器;变径锥壳;改造;选择

0 引 言

在化工设备换热器设计中,为了满足化工工艺要求,在介质进出口处应设置变径扩容空间,通常是采用变径折边锥壳封头来实现这种扩容空间结构的。对于采用何种结构形式的变径锥体对设备壳体厚度和重量影响极大,同时直接关系到设备工程造价高低。

煮沸器下段换热器是不锈钢Ⅱ类压力容器,是化肥生产装置的主要设备,其直径为1500mm/ 1300mm,下段换热器长度为4190mm。该设备是1989年设计制造的,设备运行13a后于2002年10月中旬,由于连续发生管束泄漏而被迫停车检修处理,当时正处于生产维持状态。为了确保化肥装置稳定运行,经研究探索对1989年版设备图的结构进行改进设计,选择最佳结构方案,将壳体上的4个折边锥形封头,改为无折边锥形封头,节省锥形封头折边加工费用为当时市场价格7000多元,同时使设备主体重量在原设备基础上又减少了310kg。其新设备的改造设计要点阐述如下。

1 改造设计条件

煮沸换热器设备设计技术参数见表1。

表1 煮沸换热器技术参数表

2 新煮沸换热器设计方案确定

考虑到该设备与原工艺管线安装尺寸其设备的外连接口应与原始保持不变。

考虑到该设备应按照新标准进行设计,其壳体将会增厚,为减少重量将变径折边锥壳封头改为A类焊缝RT100%的无折边锥壳封头。由于锥半角与原折边锥封头减少5°之多,从而使壳体厚度相应减薄。

考虑到减少制造加工的工作量,将原设计1989年版设备图中的中间筒节由原三节直径1300×18/ 14改为一节直径1300×16筒节,从而去掉两道环焊缝长达8.28m。

3 煮沸换热器下段壳体设计

3.1 按原煮沸器结构选择折边锥形封头设计计算

大端锥壳过渡段厚度计算:

式中:[σ]t——许用应力(0Cr18Ni10Ti材质)取

125MPa;

Di——锥形封头直径大端1500mm(图1)

C1钢板负偏差取;

C2腐蚀裕度=0;

K——系数,用r/Di=150/1500=0.1查表取

0.707;

Ф——焊缝系数取0.85;

pc——设计计算压力1.6MPa。

图1 改前原设备折边锥封头图

折边小端厚度计算:

式中:Q——系数,用pc/[б]tΦ=(1.6/125×0.85)=

0.013查取Q=1.74折边小端有效厚度:δtr=

δr+C1+C2=17.16+0.8=17.96取名义厚度

δm=18mm

连接筒体与锥体加强同等厚度为18mm。

3.2 按新煮沸器结构选择无折边锥形封头计算

为了降低设备制造费用,将原折边锥形封头改为无折边锥形封头,其设计计算如下(图2)。

图2 改后新无折边锥封头图

(1)锥体半锥角α

(2)直径Di1500筒体计算

筒体有效厚度δN15=δ15+C1+C2=11.38+0.8 =12.18,按变径段锥形封头厚度取名义厚度为16mm。

(3)变径段锥壳体设计计算

锥壳体大端判别是否在筒体连接处加强确定:

用pc/[σ]tφ=(1.6/125×0.85)=0.015查GB150-1998《钢制压力容器》曲线(图7-11),可不用加强连接筒体壁厚。

锥壳体小端判别是否在筒体连接处加强确定:

用pc/[σ]tφ=(1.6/125×0.85)=0.015查GB150-1998《钢制压力容器》曲线(图7-13),应对连接筒体壁厚进行加强厚度。

锥壳大端厚度计算:

考虑到减薄筒体厚度,加之此A类焊缝长度实际只有344mm,为此取RT100%探伤焊缝系数Φ=1;用pc/[σ]tφ=(1.6/125×1)=0.013,取Q=1.6

筒体有效厚度δn=δr1+C1+C2=13.4+0.8= 14.2,筒体与小端锥体连接处取名义厚度为16mm

(4)直径Di1300筒体计算

筒体有效厚度δT=δ13+C1+C2=9.86+0.8= 10.66mm,考虑到变径锥形封头小端厚度加强,为此应按变径锥形封头名义厚度选取筒体名义厚度为16mm。

4 新旧煮沸换热器壳体设计经济分析

4.1 锥壳封头加工费用分析

原设备壳体由两种4件折边锥形封头构成,因公司厂内加工能力有限封头成形只靠外委加工解决,加工费用在当时的市场价格为7000元以上,还有远程运输费用等。新煮沸器采用了无折边锥形结构,取消了折边成形加工工序的费用支出,节省了资金,缩短设备制造周期。

4.2 筒体制造费用分析

在旧设备的筒体中有多个筒节组成,焊接工作量较大,而且重量高于新设计的煮沸器设备重量127kg其材料费用差在数千元左右。

综上所述,新设备与旧设备相比具有技术可靠,经济实用,加工周期短等特点(图3)。

图3 不锈钢换热器简图

5 结 语

化工设备煮沸换热器的变径锥壳封头结构方案选择确定对壳体厚度影响极大,选择最佳方案则可减薄筒体厚度和重量,一般情况,当锥壳半顶角α≤30°、且设计压力p≤2MPa时选用无折边锥形封头较为经济。应用该技术设计制造的新煮沸换热器,其结构安全合理,经济实用,可为企业节省锥封头折边加工成形费用和焊接工作量(取消两道直径1300mm环向焊缝)。如何选择锥形封头焊缝系数对壳体厚度影响较大。相对而言,当锥壳封头A类焊缝长度不大于500mm时,采用RT100%Ⅱ级合格,焊缝系数取Φ= 1是最为经济的明智选择。

实践证明,在化工设备换热处器设计中,采用最佳变径锥壳封头结构方案,这对化工企业容器设备设计与制造具有重大作用和经济实用性。

[1] GB150-1998.钢制压力容器.

[2] GB151-1999.管壳式换热器.

TQ051.5

A

1003-6490(2010)01-0041-03

2009-09-18

陆博福(1954.5-)男,汉族,辽宁省辽阳人,高级工程师,多年从事压力容器设计与制造工作,现从事压力容器、机械产品检测仪器、质量管理工作。