重叠式浮头换热器设计

秦汝敏

[摘要]本文主要讨论了如何正确地计算和分析重叠式浮头换热器的浮头部件的尺寸和特性。特别强调的是，浮头法兰、浮动管板和双鞍座的尺寸都需要进行精确的计算。此外，这篇文章还总结和提炼出有助于读者更好地掌握这些技能的有效信息。

[关键词]换热器；浮头；重叠式；设计

浮头式换热器的管束可以从壳体内抽出，固定管板由管箱法兰及壳体法兰之间用螺柱螺母紧固件连接，另一端浮动管板可在壳体内自由伸缩。浮头部分由浮动管板、钩圈和浮头盖组成，结构可拆，适用于管壳程之间温差较大或壳程物料易结垢的场合。浮头换热器的浮头部分结构，可按GB/T151-2014换热器标准设计为A型或B型，除要考虑管束能在壳体内自由伸缩外，还需要考虑到浮头部分的安装、检修和清洗的方便。处于壳程介质内的浮动密封面操作时容易发生泄漏，较难采取堵漏措施，所以就要求在设计制造浮头盖时严格控制密封要求。本文简单归纳了浮头盖设计重要尺寸的确定以及重叠浮头式换热器鞍座简要计算方法及重叠换热器制造要点，利用SW6计算软件对支座和壳体进行强度计算和稳定性校核。

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

根据GB/T151-2014标准6.9.1的规定，浮头法兰的内外径和垫片宽度应当由De-浮动管板外径和De=Di-2b1式中的b1来决定，具体参数可参照GB/T151表1；

表1

Di	bn	b1
≤700	≥10	3
＞700~1200	≥13	5
＞1200~2000	≥16	6
＞2000~2600	≥20	7
注：需要时，可以增大b1

在Dfo-浮头法兰的设计中，其外部尺寸为Di+80mm；而在Dfi-浮头法兰与钩圈的设计中，其内部尺寸为Dfi=Di-2（b1+b2）+3=Di-2（b1+bn），其值可以通过公式计算得出。

在进行换热器的安装时，bn-作为垫板的宽度，应参考表1中的数字，以获得最佳的性能。此外，还应参考GB/T29463-2012管壳式热交换器用垫片，以及GB/T19066.1-2008柔性石墨金属波齿复合垫片，以便更好地满足换热器的安装要求。一旦bn被确认，换热器的内外径也就随之得到了确定。在设计计算时，除了确定垫片与密封面接触的内外径外，还应注意垫片的选材，即与垫片系数m及比压力y值有关。可参考NB/T47020～47027《压力容器法兰、垫片、紧固件》标准，标准中规定了法兰及紧固件之间的材料匹配选用。

1.2法兰螺栓中心圆直径

为了确保浮头法兰的尺寸要求，必须符合GB/T150下表中的Le值，即从螺栓的中心到边缘的距离，以确保其尺寸符合要求。考虑到腐蚀余量时，应将Db（max）设置为Dfo-2Le（标准规定的最小值+C2），并将Db（min）设置为K到6~7mm之间。这样，就可以确保浮头法兰螺栓中心圆的正确性。

表2

1.3双头螺柱

参考壳体法兰（直径Di）的螺栓尺寸n，结合表2的信息，我们可以得出Le值，并将其转换为π / n的值，最终得出的Db值为=Dfo-2Le，从而对应的L值进行评估，从而决定L值的准确性。若计算值低于表2中所提供的L值的极限，则应该采取措施，即通过降低螺栓的数量，提高L值；若在此基础上发现螺栓的截面积仍然有限，则应该采取降低螺栓的规格和尺寸，增加螺柱数量，并且重新检查螺栓之间的间隔，确保符合表2中的要求，从而达成计算的目的。，尽可能选择尺寸适中的螺栓，而且尽可能减少螺栓的数量。同时可考虑调整法兰的厚度和锥颈厚度值。对于浮头螺柱，应尽可能选择低碳钢制造的螺柱。由于大多数情况下，计算截面积有限，因此在调整过程中会遇到较大的挑战。此外，由于浮头螺柱通常没有预留腐蚀余量，因此在每个使用周期内，应当按照实际的腐蚀程度来定期更换。

1.4球冠型封头

根据GB/T151-2014下表中的选取，确保球冠形封头的最佳尺寸。

表3

DN	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200	1300	1400
Ri	300		400	500	600		700	800	900	1000		1100
DN	1500	1600	1700	1800	1900	2000	2100	2200	2300	2400	2500	2600
Ri	1200	1300		1400	1500		1600		1800		2000

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

当处于内压条件下，浮头法兰的总力矩Mp=MD+MG+MT-Mr，其中Mr=Fr•Lr，从而得出结论：MD、MG、MT三者的力矩都是反转的，而Mr则是正转的，随着力臂Lr的增加，它们的力矩也会减少，从而使得法兰的计算厚度变得更薄。当封头被焊接到法兰上的深度L值较浅时，法兰的厚薄也会相应减薄。

当处于外压的情况下，浮头法兰的总力矩Mp由MD、MG、MT、Mr四个因素组成，其中Mr的值取决于力臂的大小，当力臂的大小增大时，Mr的值也会增大，从而引起力矩的增大，从而增大了法兰的计算厚度。当封头与法兰的接触面积减少L值时，法兰的厚度也会增加。

图2

根据研究结果，当受到管壳程压力的作用，L值的值会显著地改变，从而导致法兰的厚度发生显著的差异。因此，L的值的确切值需要根据GB/T151的规定来确定，即L=δn+2，即球冠形封头的实际厚度+2mm；同样，也可以使用SW计算软件，根据实际情况，确定L值，从而确保法兰的厚度符合要求。在δn未被输入的情况下，程序会根据管壳程压力的变化，计算出一个值L，并结合腐蚀前后的工况，综合考虑各种因素，最终确定L值。

1.6布管限定圆直径DL

通过采用浮头结构，布管的数量会有所减少，并且可以显著改变DL的尺寸，根据GB/T151-2014第6.3.1.3和表4的取值，这一变化可以通过以下公式来表示：DL=Di-2（b1+b2+b）。

              表4

Di	b
＜1000	＞3
1000~2600	＞4

注：对于多管程浮头换热器，浮头垫片采用缠绕垫片，计算b2值时应计入内加强环的宽度。

2重叠换热器鞍座的计算

采用SW6计算软件，我们选择了非对称性双鞍座和卧式容器多鞍座M41模块来对重叠换热器鞍座的性能做出评估。M41模块可以容纳5个不同的质点，以及1组不同的均匀分布的质点，具体参数可以参考如下图。

图3

在这张图表里，mj-代表集中质量，qk-代表均布质量，fi-代表着支座反力，以及在整个设备的总重量之外，还包括了一些额外的重量，例如保温层、小接头、盘管及大设备的平台等。

由于上面换热器的存在，造成下面换热器的受力情况更加复杂，因此按GB/T151-2014的要求对其进行强度及失稳的校核设计是必要的。鞍座计算最危险的截面是壳体中间和鞍座垫板边缘处，计算时主要对壳体轴向应力、周向应力、切向剪应力、鞍座腹板水平方向上的平均拉应力等力的校核。

2.1计算方法

通常情况下，上部换热器鞍座参照NB/T47065.1-2018容器支座标准选用即可。计算下部换热器鞍座时，通常将上部换热器看作一个集中载荷，下部换热器一共需要计算3次：

⑴.没有地震负荷的情况下，通过将上部换热器的支座反力（N）与重力加速度（9.81）相除，可获得物体的物理特性。再结合下部换热器的均布载荷与集中载荷，本次计算仅考虑了输入的参考值以及未受地震影响的情形。

⑵在地震载荷的影响下，采用相同的方法来计算上部换热器的支座反力。

⑶在上部换热器的水压试验条件下，应对支座的反力进行相应的计算。

计算下部换热器鞍座时可以考虑合并集中质量的数据，再将上部鞍座计算书和上面计算的3种情况一起合并，从而得出一份完善的设备支座计算书。由于重叠的影响，下部换热器鞍座边角的周向应力会增加很大，需要将垫板厚度和宽度增加才能通过计算。

3腐蚀裕量

3.1根据GB/T151-2014第4.4.5.4条的要求，在处理浮头换热器时，必须将腐蚀裕量纳入其设计范围，无论是管板、浮头法兰、球冠型封头，还是分程隔板、设备法兰，都必须在其表面进行腐蚀裕量的检测，而且还要求浮头法兰、球冠型封头和分程隔板考虑两面的腐蚀裕量。

3.2要考虑浮头法兰的内部和外部尺寸，且考虑到厚度方向上的腐蚀裕量。需要注意的是浮头螺栓一般不考虑腐蚀余量，建议根据实际腐蚀情况替换它们。定期检查螺栓受到物料侵蚀的情况并纳入维护计划。一般情况下，扬子石化公司每4年进行一次设备大检修，都会更换设备垫片及紧固件。同时，建议检查法兰和管板的连接处，确保它们符合规定的尺寸。

4重叠热交换器支座的安装形式

a）为了确保重叠热交换器的管口安装的准确性，应在其间安装可调节的垫板；

b）重叠式换热器之间的支座底板到设备中心线的距离应比接管法兰密封面至设备中心线的距离≤5mm;

c）重叠换热器重量较大时，建议增加一组支座；

5浮头式换热器耐压试验顺序

a）使用特殊的试压环和浮头工具，进行换热管与管板连接接头试压。

b)装配管箱进行管程试压

c)装配外头盖进行壳程试压

    对于重叠式浮头换热器，应该先采用单台管头试压，重叠式换热器制造完毕后，在水压试验过程中，重叠的两个管箱的接管法兰密封面经常会发生泄漏，原因是重叠的两个管箱的接管法兰密封面不在同一平面上，接管法兰密封面与设备中心线不垂直。解决办法是先分别对两管箱划线开孔，壳程和管程的接管法兰两两预组对用紧固件连接把紧，壳程的鞍座两两预组对并通过调整垫板调节好高度后用紧固件把紧，壳程、管程的接管与壳体、管箱分别点焊固定，松开紧固件再焊接接管，以保证两个管箱的接管法兰密封面在同一平面上。管壳程重叠组装后再进行最终的耐压试验及泄漏试验。

参考文献：

[1]王云峰.重叠式浮头换热器设计[J].石油和化工设备,2022,25(08):77-80.

[2]丁亮,傅飞,张锋镝,任少科.大直径重叠式浮头式换热器的制造[J].低温与特气,2014,32(04):19-22.