制冷系統(tǒng)中ASME虹吸式油冷卻器的設(shè)計(jì)和制造

于 明

(大連冷凍機(jī)股份有限公司，遼寧大連沙河口西南路888號(hào) 116033)

據(jù)中石協(xié)ASME規(guī)范產(chǎn)品協(xié)作網(wǎng)(CACI)統(tǒng)計(jì)，截止到2013年12月31日，全球ASME持證廠商數(shù)量6894家，我國大陸地區(qū)ASME持證廠商數(shù)量747家。面對(duì)激烈競(jìng)爭的國際市場(chǎng)，以及越來越多的國家要求配套的容器采用ASME規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，有必要對(duì)根據(jù)ASME規(guī)范第Ⅷ卷第1冊(cè)設(shè)計(jì)制造的換熱器進(jìn)行研究。ASME產(chǎn)品的建造是包括材料，設(shè)計(jì)，制造，檢測(cè)，檢驗(yàn)，試驗(yàn)，認(rèn)證和泄壓在內(nèi)的一個(gè)廣泛的名詞［1］?，F(xiàn)以某出口項(xiàng)目的制冷系統(tǒng)的虹吸式油冷卻器為實(shí)例，在設(shè)計(jì)方面和制造方面進(jìn)行介紹。

1 虹吸式油冷卻器在制冷系統(tǒng)中的工作原理介紹

虹吸式油冷卻器的殼程介質(zhì)是來自油分離器的熱油，管程介質(zhì)是來自輔助貯液器的制冷劑。在制冷系統(tǒng)中的工作原理是，經(jīng)冷凝器冷凝后流出的制冷劑液體流入輔助貯液器后分流出一路液體進(jìn)入虹吸式油冷卻器，沿途吸收管外高溫油的熱而蒸發(fā)。制冷劑在蒸發(fā)過程中密度逐漸減小，虹吸式油冷卻器回氣管中的氣液混合物的密度低于虹吸式油冷卻器供液管中液體的密度，這種不平衡產(chǎn)生了一個(gè)壓力差使制冷劑在油冷卻器中流動(dòng)。從虹吸式油冷卻器進(jìn)入輔助貯液器的氣體中夾帶液態(tài)工質(zhì)，經(jīng)過輔助貯液器被分離，氣體經(jīng)管道進(jìn)入冷凝器入口端，從而將潤滑油的熱量轉(zhuǎn)移至冷凝器。

2 設(shè)計(jì)方面的介紹

設(shè)計(jì)人員的主要工作是根據(jù)《用戶說明書》繪制圖紙，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，編制材料申請(qǐng)單和采購說明書(有必要時(shí))。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

此項(xiàng)目的制冷系統(tǒng)工況:蒸發(fā)溫度:－40℃，冷凝溫度:+35℃。壓縮機(jī)采用單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)，經(jīng)過制冷軟件計(jì)算后，確定虹吸式油冷卻器的負(fù)荷。然后經(jīng)過HTRI軟件進(jìn)行換熱計(jì)算后，確定虹吸式油冷卻器的換熱面積。

虹吸式油冷卻器是臥式的固定管板結(jié)構(gòu)。由左管箱，殼體，右管箱3大部件組成。虹吸式油冷卻器殼體部件的上支座支撐經(jīng)濟(jì)器。虹吸式油冷卻器的簡圖見圖1。

圖1 虹吸式油冷卻器簡圖Fig.1 Sketch of thermosyphon type oil cooler

虹吸式油冷卻器主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

設(shè)計(jì)壓力:管程:2.1 MPa;殼程:2.1 MPa。

設(shè)計(jì)溫度:管程:50℃;殼程:110℃。

工作介質(zhì):管程:氨(R717);殼程:油。

外部腐蝕裕量:0.6 mm［2］。

換熱面積:22.4 m2。

結(jié)構(gòu)參數(shù):管程數(shù)為1;換熱管以三角形排布;換熱管規(guī)格Φ16×2;換熱管間距為21;換熱管數(shù)量:191。

2.2 設(shè)計(jì)制造適用的規(guī)范介紹

此虹吸式油冷卻器的主要零部件是碳鋼材料，虹吸式油冷卻器在設(shè)計(jì)上除了要滿足ASMEⅧ-1卷的UHX篇，還須滿足ASMEⅧ-1卷的Part UG(各種建造方法和各種材料的通用要求);Part UW(焊制壓力容器的要求);Part UCS(碳鋼和低合金鋼建造壓力容器的要求);強(qiáng)制性附錄;相關(guān)的非強(qiáng)制性附錄;及ASMEⅧ-1卷的引用標(biāo)準(zhǔn)。如果合同以及《用戶說明書》沒有指定ASME第Ⅷ卷第l冊(cè)的版本號(hào)，就要執(zhí)行最新版，目前應(yīng)采用ASME第VIII卷第l冊(cè)《壓力容器建造規(guī)則》2013版。

另外，虹吸式油冷卻器還須滿足ASMEⅡ-A(鐵基材料)，Ⅱ-C(焊接材料)，Ⅱ-D(性能);V(無損檢測(cè))，Ⅸ(焊接和釬接評(píng)定)的相關(guān)要求。

還有，企業(yè)的ASME質(zhì)量控制手冊(cè)和程序文件也是必須遵守的。

再有，如果容器安裝地位于地震帶，地震載荷參數(shù)的選取應(yīng)符合安裝地的地震載荷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如果容器的安裝在室外，風(fēng)載荷參數(shù)的選取應(yīng)符合安裝地的風(fēng)載荷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此項(xiàng)目的虹吸式油冷卻器安裝在室內(nèi)，所以風(fēng)載荷為0;安裝地位于地震帶上，根據(jù)用戶提供的參數(shù)輸入PV Elite軟件(ASME壓力容器強(qiáng)度計(jì)算軟件)，即可計(jì)算。虹吸式油冷卻器的地震載荷參數(shù)如下:

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):NBC-2010;

Importance Factor:1;Site Class:D;

Over Strength Factor:1;Ductility Factor:1;

Accelerations:Sa(0.2)=0.92;Sa(0.5)=0.62;Sa(1.0)=0.31;Sa(2.0)=0.17;

Component Elevation Ratio:0;Component Amplification Factor:2.5;

ElementorComponentFactor:1;Component Force Amp.Factor:2.5。

2.3 材料的選取

殼體圓筒和左管箱的圓筒材料為ASME材料:SA-106M Gr.B，規(guī)格為 Φ355.6 ×9.53，符合 ASME B36.10M-2004 的要求。

換熱管材質(zhì)為SA-179M，規(guī)格為Φ16×2。

拉桿與管板螺紋連接，拉桿采用國產(chǎn)材料。若拉桿與管板焊接連接，拉桿需要采用ASME材料。

定距管與折流板采用國產(chǎn)材料。

管板材質(zhì)為 SA-266M Gr.2，鍛件。如果按照ASME第Ⅷ卷第l冊(cè)《壓力容器建造規(guī)則》2013版設(shè)計(jì)，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)條款UG-6(c)，管板也可采用鍛件SA-105M。

管箱法蘭材質(zhì)為SA-105M，規(guī) 格 14”-CLASS300，WN/RF，目前應(yīng)符合 ASME B16.5-2009的要求，是標(biāo)準(zhǔn)法蘭，鍛件。管箱法蘭的螺柱的材質(zhì)為SA-193 B7，螺母材質(zhì)為SA-1942H。

管箱端蓋的材質(zhì)為SA-105M，外徑為Φ355.6，鍛件。

接管的材質(zhì)為 SA-106M Gr.B，符合 ASME B36.10M-2004 的要求。

由于管程介質(zhì)是氨，在國內(nèi)屬于強(qiáng)滲透性中度危害介質(zhì)，參考國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，至少應(yīng)用高頸對(duì)焊法蘭、帶加強(qiáng)環(huán)的金屬纏繞墊片和專用級(jí)高強(qiáng)度螺栓組合［3］。接管法蘭選用 ASME B16.5-2009的標(biāo)準(zhǔn)法蘭，材質(zhì)為SA-105M，鍛件，WN/RF。接管法蘭的墊片為纏繞墊，符合ASME B16.20-2007的要求。管法蘭的螺柱的材質(zhì)為SA-193 B7，螺母材質(zhì)為SA-1942H。

接頭材質(zhì)為SA-105M，非標(biāo)鍛件。

鞍式支座與圓筒直接相焊，鞍式支座的材質(zhì)為SA-516M Gr.485。

以上材料中的牌號(hào)中的M代表SI單位。在ASME材料中，以英寸-磅單位或SI單位表示的數(shù)值均可作為標(biāo)準(zhǔn)值。但由于各單位所標(biāo)示的數(shù)值不能與另一種單位制進(jìn)行精確換算，因此，每一種單位制必須獨(dú)立使用［4］。

2.4 泄壓方面的要求

根據(jù)ASME第Ⅷ卷第l冊(cè)《壓力容器建造規(guī)則》2013版UG-125，可以通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行超壓保護(hù)，在此虹吸式油冷卻器上不設(shè)置泄壓閥。

2.5 強(qiáng)度計(jì)算

以《用戶說明書》作為設(shè)計(jì)輸入條件，利用PV Elite軟件設(shè)計(jì)，建模，進(jìn)行強(qiáng)度分析;對(duì)PV Elite軟件無法建模的零部件進(jìn)行手工計(jì)算并翻譯成英文，加入計(jì)算書;采用ASMEⅧ-1設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)PV Elite軟件生成的英文計(jì)算書進(jìn)行人工校核。

本文對(duì)人工校核部分省略介紹。

2.5.1 軟件計(jì)算部分

用PV Elite軟件建模的設(shè)計(jì)約束參數(shù)界面見圖2。

設(shè)計(jì)約束參數(shù)填寫完成后，依次填寫元件參數(shù)，工況組合參數(shù)，風(fēng)載荷參數(shù)，地震載荷參數(shù)。由于虹吸式油冷卻器殼體部件的上支座支撐著經(jīng)濟(jì)器，可簡化為2處受經(jīng)濟(jì)器的重力載荷(分別等于1/2經(jīng)濟(jì)器運(yùn)行時(shí)的重量)。此外，還要填寫鞍式支座參數(shù)，介質(zhì)的液位和密度參數(shù)。

圖2 設(shè)計(jì)約束參數(shù)界面Fig.2 Interface of design constraints

全部設(shè)計(jì)參數(shù)填寫完成后，PV Elite軟件建模生成三維圖，如圖3所示。然后運(yùn)行計(jì)算，內(nèi)壓計(jì)算的主要結(jié)果見圖4。管板計(jì)算的主要結(jié)果見圖5。

圖3 虹吸式油冷卻器用PV Elite軟件建模生成的三維圖Fig.3 3D graph of thermosyphon type oil cooler by PV Elite software

2.5.2 需手工計(jì)算部分

由于2個(gè)接頭伸出端內(nèi)部有NPT3/8螺紋，PV Elite軟件無法輸入計(jì)算，需對(duì)其端部的厚度進(jìn)行手工校核計(jì)算，計(jì)算的依據(jù)是ASMEⅧ-1，2013版的附錄1-2，UG-16和UG-31，計(jì)算過程如下:

The screw end thickness calculation of b and e:

Material of the joints is SA-105M;

The max.allowable stress of the joints is 138 MPa;

The design pressure is 2.1 MPa;

E=1;

Outside corrosion allowance is 0.6 mm;

O.D.of joints is 28 mm;

The inside screw of joints is NPT3/8;

The basic major diameter of screw，dSCREW=17.055 mm;

n equals the number of threads per inch(25.4 mm)，n of the screw is 18;

Required thickness per Appendix 1-2(a)(1)

t=R0*(1-exp(-P/(SE)))

=14.000(1-exp(-2.10/(138*1.00)))

=0.2114 mm

Design thickness=0.2114+0.6+20/n

=0.2114+0.6+20/18=1.923 mm

According to UG-16，the min.thickness of

joints’screw end should be 2.1 mm，that is 1.5 mm plus 0.6 mm.

Max(1.923，2.1)=2.1 mm

Thickness of the nozzle screw end

=(O.D.-dSCREW)/2=(28-17.055)/2

=5.47 ＞2.1，ok.

以上計(jì)算過程需加入計(jì)算書中，形成完整的計(jì)算書報(bào)告。

圖4 PV Elite軟件中內(nèi)壓計(jì)算的主要結(jié)果Fig.4 The main results of internal pressure calculation in PV Elite

圖5 PV Elite軟件中管板計(jì)算的主要結(jié)果Fig.5 The main results of tubesheet calculation in PV Elite

2.6 符合ASME要求的圖紙

ASME圖紙要求中英文對(duì)照，總圖需由AI簽字?？倛D要求信息詳實(shí)，特別是節(jié)點(diǎn)圖。AI要求總圖應(yīng)基本反映全部設(shè)計(jì)信息。

2.6.1 總圖至少應(yīng)包括的內(nèi)容

a.適用的規(guī)范卷、篇、冊(cè)、版本及增補(bǔ);b.符合Ⅱ卷規(guī)格的材料;c.設(shè)計(jì)壓力/溫度或最大允許工作壓力(內(nèi)壓)，最大允許工作壓力(外壓，當(dāng)有要求時(shí));d.最大允許工作壓力下的最低設(shè)計(jì)金屬溫度;e.公稱容積;f.操作介質(zhì):應(yīng)注明是否為致死介質(zhì);g.焊縫系數(shù);h.無損檢測(cè);i.腐蝕裕量;j.是否進(jìn)行焊后熱處理;k.焊接接頭詳圖:如果按照ASME第VIII卷第l冊(cè)《壓力容器建造規(guī)則》2013版設(shè)計(jì)，應(yīng)注意此處的焊縫余高和以前的版本有變化;l.耐壓試驗(yàn);m.沖擊試驗(yàn)或免除;n.銘牌位置及規(guī)范鋼印;o.制造尺寸與允差;p.是否需要NB注冊(cè)。

2.6.2 銘牌圖紙

虹吸式油冷卻器屬于固定管板式換熱器，因此銘牌上應(yīng)體現(xiàn)ASME第VIII卷第l冊(cè)《壓力容器建造規(guī)則》2013版UHX篇-19.2.2的注意事項(xiàng)內(nèi)容?？偟膩碚f，銘牌圖需滿足UG-118，UG-119，UHX-19。格式可參考非強(qiáng)制性附錄圖L-11-3。

ASME認(rèn)證標(biāo)志和NB注冊(cè)號(hào)應(yīng)使用鋼印?！癠”標(biāo)識(shí)符可用其他方法標(biāo)在銘牌上。

2.7 材料申請(qǐng)單和采購說明書

2.7.1 材料申請(qǐng)單應(yīng)由設(shè)計(jì)部門編寫，至少應(yīng)包括的內(nèi)容

a.使用規(guī)范材料的材料技術(shù)條件號(hào)和規(guī)范版本及增補(bǔ);b.尺寸、標(biāo)稱值或額定值;c.數(shù)量;d.是否需進(jìn)入鋼廠現(xiàn)場(chǎng)檢查;e.規(guī)范和材料技術(shù)條件所要求的其它訂貨要求;f.產(chǎn)品編號(hào)。

2.7.2 采購說明書

當(dāng)《材料申請(qǐng)單》上沒有包括足夠完全的附加要求時(shí)，設(shè)計(jì)部門應(yīng)編寫《采購說明書》?！恫少徴f明書》的編號(hào)應(yīng)填寫在“材料申請(qǐng)單”上。

3 制造中注意的問題

由工藝工程師編寫工藝流程圖，工藝過程卡和壓力試驗(yàn)工藝卡。由焊接工程師編寫焊接工藝規(guī)程。由無損檢測(cè)Ⅲ級(jí)人員編寫無損檢測(cè)工藝規(guī)程和工藝卡。由熱處理工程師編寫熱處理工藝規(guī)程和工藝卡。其中，AI在工藝流程圖上指定停止、見證、和審查點(diǎn)。操作工和焊工應(yīng)按照?qǐng)D紙、工藝流程圖和工藝過程卡完成各制造工序。

最終壓力試驗(yàn)完成后，制造廠出具數(shù)據(jù)報(bào)告，由AI簽字認(rèn)可。有NB注冊(cè)要求的壓力容器，制造廠在壓力試驗(yàn)合格后指定NB順序號(hào)。NB順序號(hào)應(yīng)該是連續(xù)的，無前綴、后綴、間隔和跳號(hào)。NB號(hào)填寫在數(shù)據(jù)報(bào)告中。在AI認(rèn)可制造廠數(shù)據(jù)報(bào)告后，60天內(nèi)由制造廠把制造廠數(shù)據(jù)報(bào)告原件送交NB注冊(cè)。

4 結(jié)束語

本文以虹吸式油冷卻器為實(shí)例，簡單對(duì)ASME VIII.1壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)的確定、設(shè)計(jì)制造適用的規(guī)范、材料的選取、泄壓方面的要求、強(qiáng)度計(jì)算、符合ASME要求的圖紙、材料申請(qǐng)單和采購說明書、制造中注意的問題進(jìn)行了介紹。以期與ASME相關(guān)人員互相交流。

［1］ASME Boiler and Pressure Vessel Code VIII Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1，2013 Edition［S］.

［2］NB/T 47012—2010制冷裝置用壓力容器［S］.

［3］TSG R2004—2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.

［4］ASME Boiler and Pressure Vessel Code II Materials Part A Ferrous Material Specifications，2013 Edition ［S］.