甲烷化氣換熱器改造設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

陸博福

中國(guó)一重(集團(tuán))有限責(zé)任公司 齊齊哈爾 161042

陸 平

東方市政建設(shè)開(kāi)發(fā)集團(tuán)公司 佳木斯 154003

甲烷化氣換熱器是某化肥生產(chǎn)裝置的主要設(shè)備。由于運(yùn)行多年后，換熱管出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏，堵塞泄漏換熱管又使換熱效率嚴(yán)重下降，造成裝置產(chǎn)量下降。為了保證生產(chǎn)裝置能夠正常、穩(wěn)定地運(yùn)行，決定重新設(shè)計(jì)制造一臺(tái)甲烷化氣換熱器，更換不能正常運(yùn)行的老設(shè)備。新設(shè)備投入使用后，使用效果良好，各項(xiàng)性能達(dá)到工藝要求，實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

1 改造設(shè)計(jì)原則

(1)按照提高后的設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)。

(2)換熱器的其它工藝條件不變。

(3)不增加設(shè)備基礎(chǔ)的載荷。

(4)保持設(shè)備結(jié)構(gòu)、安裝、定位尺寸不變；保證與原外部設(shè)備、基礎(chǔ)、管道的連接尺寸不變。

(5)符合現(xiàn)行國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及安全監(jiān)察規(guī)范。

(6)采用國(guó)內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的材料。

2 設(shè)計(jì)條件

甲烷化氣換熱器改造設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表1。

3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

原設(shè)備是1977年設(shè)計(jì)和制造的，距今已有30多年。新設(shè)計(jì)的甲烷化氣換熱器應(yīng)滿足最新的壓力容器及換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用符合這些標(biāo)準(zhǔn)的新材料。

表1 甲烷化氣換熱器改造設(shè)計(jì)條件

4 材料的選用

由于管程為氫腐蝕環(huán)境工況，因此，根據(jù)氫分壓及設(shè)計(jì)溫度，查耐爾森曲線確定與管程介質(zhì)接觸的材料均采用Cr-Mo鋼，以滿足工藝條件的要求。殼程材料采用碳鋼。確定的換熱器主要材料為：

換熱管：15CrMo

管板：15CrMo III

管箱法蘭：15CrMo III

管箱封頭：15CrMoR

殼程筒體：16MnR

5 設(shè)備結(jié)構(gòu)及規(guī)格

為保證新設(shè)備順利安裝到原基礎(chǔ)上，設(shè)備的重量不能增加太多。這意味著設(shè)備的管程、殼程筒體的厚度應(yīng)盡可能保持原名義厚度。同時(shí)，還應(yīng)保證新設(shè)備與基礎(chǔ)及管線的連接尺寸和定位尺寸不變。

6 殼程筒體厚度計(jì)算

6.1 殼程直筒體

6.1.1 DN 1000筒體

筒體厚度按式(1)計(jì)算：

(1)

δn=δ+C1+C2=6.66+0+3=9.66 mm

式中，[6]為16MnR材質(zhì)的許用應(yīng)力，取151.2 MPa；Ps為殼程設(shè)計(jì)壓力，取1.7MPa；δ為計(jì)算厚度，mm；C1、C2分別為厚度附加量，取C1=0mm，C2=3mm。

根據(jù)GB 151-1999 表8及原設(shè)備規(guī)格，名義厚度最終取值為12mm，與原設(shè)計(jì)相同。

6.1.2 DN1200筒體

用上式計(jì)算得出：

δn=δ+C1+C2=8+0+3=11 mm

取名義厚度值為16mm，與原設(shè)計(jì)相同。

6.2 原設(shè)計(jì)殼程錐體驗(yàn)算

驗(yàn)算原錐體結(jié)構(gòu)兩端折邊變徑錐體設(shè)計(jì)。

改造前，甲烷化氣換熱器變徑錐體部分內(nèi)徑及厚度尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 改造前甲烷化氣換熱器變徑錐體部分

6.2.1 大端過(guò)渡段厚度

大端過(guò)渡段厚度按式(2)計(jì)算：

(2)

6.2.2 大端與過(guò)渡段相接處的錐殼厚度

大端與過(guò)渡段相接處的錐殼厚度按式(3)計(jì)算：

(3)

式中，Di=1200 mm；錐半角α=40°(α按原始數(shù)據(jù)計(jì)算)。

根據(jù)GB 150-1998大端應(yīng)采用帶折邊結(jié)構(gòu)，且折邊半徑為：

r=10%×Di=0.1×1200=120 mm

但實(shí)際的r=100 mm，不符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

r/Di=100/1200=0.083

無(wú)法查到需要的K和f系數(shù)值，說(shuō)明原設(shè)計(jì)是不合理的。

6.2.3 小端厚度

小端厚度按式(4)計(jì)算：

=16.64 mm

(4)

式中，Q為系數(shù)，按下式計(jì)算：

查圖7-14，取Q=2.5。

原設(shè)計(jì)的錐殼大端折邊半徑小于標(biāo)準(zhǔn)GB 150-1998的規(guī)定，結(jié)構(gòu)不合理，必須修改。

設(shè)計(jì)厚度為：

δn=δ+C1+C2=16.64+0+2=18.64 mm

結(jié)果大于原始設(shè)計(jì)中的名義厚度16mm，不符合要求，必須修改。

6.3 殼程錐體改造設(shè)計(jì)

從以上驗(yàn)算和分析可以看出，原設(shè)計(jì)的錐體結(jié)構(gòu)不合理，必須按新的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。同時(shí)為保持新設(shè)備的殼體名義厚度與原設(shè)計(jì)中的名義厚度一致，需要對(duì)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)對(duì)錐體計(jì)算厚度和應(yīng)力分析，對(duì)原變徑段折邊錐體進(jìn)行修改，并符合GB 150-1998的規(guī)定，從而保證與原設(shè)計(jì)厚度一致，以便不增加設(shè)備重量和原基礎(chǔ)載荷。

6.3.1 改造措施

(1)將原小端過(guò)渡段轉(zhuǎn)角半徑r由70mm減小為50mm。

(2)將大端過(guò)渡段轉(zhuǎn)角半徑r由100mm增大為120mm。

(3)將錐殼半頂角由原來(lái)的40°減小為35°。

(4)對(duì)錐殼的拼接焊縫進(jìn)行100%的射線探傷，按GB/T 4730-2005的II級(jí)檢驗(yàn)合格，即調(diào)整為Φ=1。

6.3.2 錐體厚度

根據(jù)以上改造措施調(diào)整數(shù)據(jù)后，重新計(jì)算錐體殼體厚度。

(1)大端過(guò)渡段厚度計(jì)算為：

=5.4 mm

(5)

(2)大端與過(guò)渡段相接的錐殼厚度計(jì)算：

(6)

(3)小端厚度計(jì)算：

(7)

式中，取α=35°。

r/Di=120/1200=0.1

查表7-4：K=0.798；f=0.588。

查圖7-14：Q=2.3。

根據(jù)以上(1)～(3)條對(duì)錐體各部分的計(jì)算，取其中最大計(jì)算厚度來(lái)確定錐體的設(shè)計(jì)厚度和名義厚度，設(shè)計(jì)厚度為：

δn=δ+C1+C2=13+0+2=15 mm

實(shí)際取值為16mm，與原設(shè)計(jì)圖紙中的名義厚度一致。

6.3.3 小端與過(guò)渡段連接筒體長(zhǎng)度

小端與過(guò)渡段連接筒體長(zhǎng)度L按式(8)計(jì)算：

(8)

實(shí)際取值L=200 mm。

改造后甲烷化氣換熱器變徑錐體部分見(jiàn)圖2。

圖2 改造后甲烷化氣換熱器變徑錐體部分

7 管箱封頭厚度

材質(zhì)為15CrMoR，[б]=123.6MPa，

C=0+3=3 mm：

=6.9 mm

(9)

計(jì)算厚度為：

δn=δ+C=6.9+0+2=8.9 mm

取厚度δn=12 mm。

8 設(shè)備法蘭選用及措施

為使設(shè)備法蘭選用符合新標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)還應(yīng)保證與原結(jié)構(gòu)尺寸相符。

按《長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭》JB 4703-2000，選擇DN1000，PN2.5長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。由于原設(shè)備管箱法蘭總高為190mm，而新標(biāo)準(zhǔn)法蘭為155mm，為了保證新管箱與原管箱高度相同，保證管箱腔體內(nèi)介流通空間相同，并保證接管安裝尺寸不變，考慮到新舊標(biāo)準(zhǔn)法蘭的差值35mm，將采用的標(biāo)準(zhǔn)法蘭總高度H增高到190mm，增加筒段的長(zhǎng)度35mm，厚度δ=20mm。

加高后法蘭直筒段厚度校核計(jì)算如下：

=7.42 mm

(10)

式中，Pc為管程設(shè)計(jì)壓力，MPa。

δn=δ+C1+C2=7.42+0+2=9.42 mm

9 管板厚度計(jì)算與參數(shù)調(diào)整

管板厚度計(jì)算采用PV18計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算。為使管板厚度減少，降低設(shè)備造價(jià)而調(diào)整參數(shù)。經(jīng)過(guò)工藝核算，可以將折流板由原來(lái)的5件增加到7件，其中，環(huán)形折流板為4件，圓形為3件，使換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度Ler下降，從而實(shí)現(xiàn)減薄管板厚度目的，見(jiàn)圖3。

圖3 換熱器受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度布置圖

經(jīng)計(jì)算后管板由原來(lái)參數(shù)計(jì)算厚度120mm降到改后的95mm，使兩件管板重量減少450kg，從而降低設(shè)備造價(jià)成本和總的設(shè)備重量。為增加管束的剛度和換熱面積，新設(shè)備通過(guò)工藝計(jì)算調(diào)整，調(diào)整排管最終增加了12根6m長(zhǎng)換熱管，增大面積為5.7m2，提高了換熱器的換熱能力，總的設(shè)備重量沒(méi)有增加。

10 結(jié)語(yǔ)

(1)改造甲烷化氣換熱器設(shè)備是在不改變?cè)性O(shè)備設(shè)定結(jié)構(gòu)和工藝、裝置的布置、管道、基礎(chǔ)載荷的條件下，對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造。

(2)對(duì)原設(shè)計(jì)圖中不符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，保證替代設(shè)備完全符合原設(shè)計(jì)和新調(diào)整設(shè)計(jì)條件的要求，并與原裝置較好銜接。

(3)經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇設(shè)計(jì)，并經(jīng)實(shí)際制造安裝使用，現(xiàn)已運(yùn)行多年，效果良好，使生產(chǎn)工藝狀況大為改觀，達(dá)到設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

事實(shí)說(shuō)明，在壓力容器設(shè)備設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)整技術(shù)參數(shù)，滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)保證其實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

1 GB 150-1998，鋼制壓力容器[S].

2 GB 151-1999，管殼式換熱器[S].

3 JB/T 4703-2000，壓力容器法蘭[S].