重叠式浮头换热器设计

王云峰

（陕西紫兆装备股份有限公司 陕西渭南 714000）

浮头式换热器由于管束可抽可进行壳程管间机械清洗适用于易结焦及堵塞的场合；浮动端管板可以自由移动，故不考虑温差应力，可用于大温差的场合，但因其结构特殊给设计制造增加了难度。重叠式浮头换热器设计中，浮头的设计和重叠双鞍座的计算是很重要的两部分，本文对使用SW6-5.0软件确定浮头（包括浮头法兰和球冠型封头）结构尺寸和强度计算，重叠双鞍座计算参数的取值进行说明。

1 浮头法兰尺寸的确定

图1

1.1 浮头法兰的内外径及垫片宽度，按GB/T151-20146.9.1的规定确定如下，

De-浮动管板外径，De= Di-2b1式中b1按GB/T151表6-5选取；

表6-5

?

Dfo-浮头法兰的外直径, Dfo=Di+80mm；

D f i-浮头法兰和钩圈内径，D f i= D i-2(b1+b2)+3= Di-2(b1+bn)式中

bn-为垫片的宽度按照表6-5选取，标准给出的bn是最小值，需要设计人根据实际情况给出具体值（按照标准GB/T29463-2012管壳式热交换器用垫片选用，参照GB/T19066.1-2008柔性石墨金属波齿复合垫片自行设计），当bn确定后，法兰的内外径即可确定。注：选用缠绕垫时，bn应计入内加强环的宽度。因此，浮头垫片的外径等于Do，内径等于Dfi，当考虑腐蚀余量C2时，腐蚀后的垫片减小宽度为（bn-2C2），则浮头垫片的宽度不小于标准规定最小值加上2 倍C2。

1.2 法兰螺栓圆中心直径

由于浮头法兰应满足GB/T150表7-3中的Le值（法兰螺栓中心至法兰边缘的距离）的规定，再考虑腐蚀余量，浮头法兰螺栓圆直径Db(max)=Dfo-2Le(标准中规定的最小值+ C2)，螺栓中心圆的直径的下限值Db(min)需要考虑K至（法兰内径凸台外边缘至螺栓孔外边缘的距离）6～7mm。

表7-3 LA,Le,∧L的最小值

1.3 双头螺柱

螺柱的规格和数量可以参考壳体法兰（直径Di）的螺栓规格和数量n，根据螺栓规格查表7-3确定Le值，计算Db(max)= Dfo-2Le，L=π·Db/n的值，通过比较计算值与表列值的大小，判断L值是否符合规定。如计算值小于表7-3所列L值的最小值时，可适当减少螺栓数量来增大L值；当减少螺栓数量后计算出现螺栓截面积不够时，可以减小螺栓规格尺寸，增加螺栓数量的方法，再次核算螺栓间距是否满足表7-3规定的最小值，直到计算合格。螺栓规格益小不宜大，螺栓数量益多不宜少。浮头螺柱柱益采用低合金钢螺柱不宜使用不锈钢螺柱，大多数情况计算截面积不够，调整困难，而且浮头螺柱一般不考虑腐蚀余量，只需满足设备一个检修周期即可，检修时根据实际腐蚀情况进行更换。

1.4 球冠型封头

球冠型封头内半径按GB/T151-2014表7-4的规定选取。

表7-4 球冠形封头内半径 mm

表中DN为设备公称直径，Ri为球冠型封头内半径

1.5 封头焊入法兰的深度L值

浮头法兰在管程Pt作用下（内压）工况计算时，法兰总力矩Mp=MD+MG+MT-Mr, Mr=Fr·Lr由图可知式中MD 、MG 、MT 对法兰的力矩均为逆时针方向，Mr对法兰的力矩为顺时针方向，力臂Lr增大时，可以抵消一部分和力矩，相应的法兰计算厚度较小。即封头焊入法兰的深度L值越小，法兰厚度越小。

浮头法兰在壳程Ps作用下（外压）工况计算时，法兰总力矩Mp=MD+MG+MT+Mr, Mr=Fr·Lr由图可知式中MD 、MG 、MT、Mr对法兰的力矩均为逆时针方向,力臂Lr增大时，Mr增大相互叠加使和力矩增大，相应的法兰计算厚度较大。即封头焊入法兰的深度L值越小，法兰厚度越大。

《说文解字》以及段玉裁注所分析者，属于商字的假借义，而商字最主要的字义，或者说其本义，正如罗振玉及王国维二先生所云，当为殷人的国号：

综上所述，管壳程压力作用下封头焊入法兰的深度L值的对法兰计算时，法兰厚度影响是不一致的。而且这种影响是在一定的范围内变化的，因此L的值对法兰的厚度影响非常大，所以L的选取有两种方法：一是按照GB/T151标准释义中的建议l=δn+2其中δn为球冠型封头的名义厚度；另一种是利用SW计算软件设计计算，计算时将L和δn均不输入，程序自动计算出一个值L,然后综合考虑管壳程压力下的法兰计算厚度，同时考虑腐蚀前和腐蚀后两种工况，最终确定L值。

1.6 布管限定圆直径DL

由于浮头结构压缩了布管区域，使布管数量减少，浮头结构尺寸直接影响布管限定圆直径DL尺寸大小，其计算式：DL=Di-2（b1+b2+b）

式中b-实际布管限定圆直径DL与浮动管板密封面凸台外圆之间的距离，按GB/T151-2014第6.3.1.3表6-4的规定选取。

表6-4 b的取值

2 重叠换热器鞍座的计算

重叠换热器鞍座的计算采用SW6中的非对称双鞍座及多鞍座卧式容器模块M41进行校核，M41模块允许最多5个集中质量，1组均布质量，质量模型见下图。

集中质量、均布质量、支座反力示意图

图中：mj-集中质量，qk-均布质量，fi-支座的反力

均布与设备全长上的附加质量：保温层、小接管、盘管等。换热管管束由折流板支撑且不是均布设备的全长，应作为附加均布质量。

附加均布质量：不是均布与设备全长的质量，如换热器的管束、长条形的平台等。

2.1 计算流程

2.1.1 计算上部换热器包括设计工况（无地震载荷）、设计工况（有地震载荷）、压力试验工况。一般来说，管程或者壳程单独进行水压试验时，载荷小于两侧同时进行水压试验时，不必计算后两种。

2.1.2 如上部换热器有不合格项目，应调整至全部合格。生成上部换热器强度计算书。

2.1.3 计算下部换热器。此时将上部换热器作为集中质量考虑。下部换热器一共需要计算3次：

①取上部换热器设计工况下（无地震载荷）支座反力(N)除以9.81（重力加速度）得到质点质量(kg),加上下部换热器自身的均布载荷和集中载荷，计算书只保留输入数据和设计工况无地震载荷）的部分。

②取上部换热器设计工况下（有地震载荷）支座反力作同上的计算。

③取上部换热器压力试验工况下支座反力作同上的计算。

④将上部换热器的计算书和上述3部分计算书合并，即为整个设备支座计算部分的计算书。

在计算下部换热器时，由于多了3个集中质量，有可能产生多余5个集中质量，此时可以合并一些集中质量。

注：当计算下部换热器时，集中质量数目多余5个时，可以合并一些集中质量，合并时质量直接相加，组合质量的水平位置和竖直位置按重量加权平均。优先合并距离较近的质量。

3 腐蚀裕量

3.1 GB/T151-2014第4.4.5.4条腐蚀裕量的考虑原则中与浮头换热器相关的规定：对于管板、浮头法兰、球冠型封头的两面均应考虑腐蚀裕量；换热管、钩圈、浮头螺栓一般不考虑腐蚀裕量；分程隔板的两面均应考虑腐蚀裕量。

3.2对于浮头法兰受管壳程介质作用，四面与介质接触，应在内外径、厚度方向均需考虑腐蚀裕量；对于钩圈、浮头的紧固件可以少考虑甚至不考虑腐蚀裕量，尤其是浮头螺栓是否考虑腐蚀对计算影响很大，可以在维持装置一个检修周期内根据实际的腐蚀情况进行更换。如壳程介质对螺栓有腐蚀时个人认为应在图纸中注明每次大修更换浮头螺栓的要求。对于腐蚀后的工况，应考虑法兰和管板腐蚀后应满足垫片接触内外径尺寸。

4 重叠热交换器支座的安装形式、要求如下：

a) 重叠热交换器之间的支座应设置调整高度的垫板；

b)支座底板到设备中心线的距离应比接管法兰密封面到设备中心线的距离至少小5mm;

c)当重叠热交换器质量较大时，可增设一组重叠支座；

d)在不移动热交换器的情况下，重叠热交换器的中心应满足拆装接管法兰螺栓的要求。

5 浮头式换热器耐压试验顺序；

a)用试压环和浮头专用试压工具进行管头试压

b)管程试压

c)壳程试压

重叠式浮头换热器的管头耐压试验和泄露试验允许单台进行。当各台换热器管壳程间分别连通时，管程和壳程试压还应在重叠组装后进行。固定管板端环形试压胎具的计算应按照不带颈松式法兰计算，不需要校核刚度系数J＜1，且材料许用应力可以取水压试验条件下0.8倍的材料屈服强度。浮头端的专用胎具可以设计成填料函形式或采用自紧密封橡胶环形式。