满液式蒸发器低温低应力工况下的设计探讨①

范静超

(大连冷冻机股份有限公司，辽宁大连 116033）

满液式蒸发器低温低应力工况下的设计探讨①

范静超

(大连冷冻机股份有限公司，辽宁大连 116033）

在满液式蒸发器的设计过程中，应按设计温度、设计压力进行强度计算及应力校核，然后在最低使用温度 (加50℃后，应高于－20℃）相对应的饱和压力下进行低温低应力工况的强度计算及应力校核，以确定不必遵循“低温压力容器”的设计参数。

蒸发器;强度计算;应力校核;低温低应力工况

1 问题的提出

满液式蒸发器广泛应用于制冷系统中。在蒸发温度小于－20℃的低温工况运行时，有的用户条件按低温换热器提出。而依据TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB 150—1998《钢制压力容器》、GB 151—1999《管壳式换热器》等国家标准规范和制冷行业标准，应用低温低应力工况下的设计，则能在保证设备合理、安全、经济的基础上，便于材料采购，设备的设计、制造、检验和验收，以达到降低成本、缩短工期、保护用户利益，增强企业竞争力的目的。

2 低温低应力的概念

“GB 150”、 “GB 151”关于“低温低应力工况”的定义是:壳体或其受压元件的设计温度虽然低于或等于－20℃，但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一，且不大于50 MPa时的工况。

当壳体或其受压元件使用在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50℃后，高于－20℃时，不必遵循“GB 150”附录C《低温压力容器》、“GB 151”附录A《低温管壳式换热器》的规定。

因为处于低应力水平的钢材会大大降低它的低温脆断倾向，而低温低应力工况下的低温容器可以降低材料的允许使用温度。标准规范中给出的允许最低使用温度是指容器材料 (碳素钢和低合金钢）工作在满应力状态 (即工作在设计条件下，壳体内的总体薄膜拉伸应力接近或等于材料许用应力时的应力状态）时在该最低使用温度下仍具有抗低温脆断的足够韧性。

3 满液式蒸发器低温低应力工况分析

以一台氨满液式蒸发器为例，内径Di=1000mm，冷却水进水－40℃，冷却水出水－35℃，焊接接头系数Φ=0.85，容器类别Ⅱ，换热管Φ25× 2.5×5000，材料10号钢，分析它在低温低应力工况下，不必遵循“低温压力容器”的设计参数。

3.1 主要受压元件材料的选取

满足低温低应力工况的钢材标准抗拉强度值应小于540 MPa。依据TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》压力容器专用钢中对碳素钢和低合金钢其磷、硫含量的要求，P≤0.030%、S≤0.020%，考虑材料的安全性、经济性，主要受压元件材料选用Q245R(板材）。

3.2 壳程圆筒强度计算、应力校核

3.2.1 壳程圆筒设计压力，设计温度下的强度计算、应力校核

壳侧介质R717，设计压力Pc=1.6 MPa，设计温度t=43℃，工作压力1.4 MPa，工作温度38℃;Q245R(板材）:试验温度许用应力 ［σ］ = 148 MPa，设计温度许用应力 ［σ］t=147.71 MPa，试验温度下屈服点σs=245 MPa，钢板负偏差C1= 0.3 mm，腐蚀裕量C2=0.6 mm。

筒体名义厚度8 mm大于或等于“GB 151”中规定的最小厚度7.60 mm

结论:合格

3.2.2 壳程圆筒最低使用温度及相应饱和压力下的强度计算、应力校核

壳程侧根据介质 R717特性，最低使用温度－40℃(加50℃后，高于－20℃）时的饱和压力为0.071 MPa。

此时满足最低使用温度下的圆筒计算厚度

结论:合格

3.2.3 分析总结

壳程介质为R717，设计压力Pc=1.6 MPa，取设计温度43℃和最低使用温度－40℃(加50℃后，高于－20℃）为温度验算点，进行内压圆筒的强度计算及应力校核。因为设计温度下的圆筒名义厚度取8 mm，在其最低使用温度及饱和压力下的圆筒名义厚度取8 mm时，(σt=5.04 MPa）＜(1/6σs= 40.83 MPa）且不大于50 MPa，“GB151”规定筒体名义最小厚度7.6 mm。则同时满足前三项的圆筒名义厚度取8 mm的Q245R钢板，满足不必遵循“低温压力容器”的设计规定。

3.3 管程圆筒强度计算、应力校核

3.3.1 管程圆筒设计压力，设计温度下的强度计算、应力校核

管程介质盐水，设计压力Pc=1 MPa，设计温度10℃(－40℃加50℃的调整后温度），Q245R(板材）:试验温度下的许用应力［σ］=148 MPa;设计温度下的许用应力［σ］t=148 MPa，试验温度下屈服点σs=245 MPa;钢板负偏差C1=0.3 mm;腐蚀裕量C2=1。

筒体名义厚度大于或等于“GB 151”中规定的最小厚度8 mm

结论:合格

3.3.2 管程圆筒最低使用温度及相应压力下的强度计算、应力校核

管程盐水在最低使用温度－40℃时(加50℃后，高于－20℃），压力不变(Pc=1 MPa）。

此时满足最低使用温度下的圆筒计算厚度

当圆筒名义厚度取8mm:

筒体名义厚度14 mm大于或等于“GB 151”中规定的最小厚度8 mm。

结论:合格

3.3.3 分析总结

管程介质为盐水，设计压力Pc=1 MPa，设计温度10℃，最低使用温度－40℃(加50℃后，高于－20℃），温度变化，压力不变，进行内压圆筒的强度计算及应力校核。因为设计温度下的圆筒名义厚度为8 mm，在其最低使用温度、压力下圆筒名义厚度取14 mm时，(σt=39.87 MPa）＜ (1/6σs= 40.83 MPa）且不大于50 MPa，“GB 151”规定筒体名义最小厚度8 mm。则同时满足前三项的圆筒名义厚度取14 mm时的Q245R钢板，才能满足不必遵循“低温压力容器”的设计规定。

4 结束语

蒸发器为换热设备，本文对它的管程、壳程圆筒分别进行了强度计算和应力校核，确定了它满足低温低应力工况的设计条件为:(1）钢材标准抗拉强度值小于540 MPa;(2）计算同时满足设计温度和最低使用温度下的材料厚度，校核其环向应力应小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一，且不大于50 MPa;(3）换热器筒体名义厚度应大于或等于“GB 151”中规定的最小厚度;对于满足低温低应力工况下的容器，还必须同时满足最低使用温度加50℃后，高于－20℃的条件，才能按“常温压力容器”考虑选材、设计、制造、检验和验收。

理论上制冷剂氨在至－69℃(调整为－69℃+50℃，即－19℃）的低温时，温度下降压力明显降低，经计算校核合格后，仍可按“常温压力容器”设计。而盐水、CO2等载冷剂侧，温度降低压力无下降或无显著下降，使得钢板在较高的厚度时才能满足“常温压力容器”设计要求，甚至按“低温压力容器”设计。

总之，某些介质的压力和温度总是成对出现的。应按设计温度、设计压力进行强度计算及应力校核，然后在最低使用温度(加50℃后，应高于－20℃）相对应的(饱和）压力下进行低温低应力工况的强度计算及应力校核，以确定不必遵循“低温压力容器”的设计参数。

Discussion About Design For Flooded Evaporator Under Low Tem perature Combined W ith Low Stress

FAN Jingchao
(Dalian Refrigeration Co．，Ltd．，Dalian 116033，China）

During the process of the design for flooded evaporator，it should be calculated for strength and stress by design temperature and pressure at first，then it should be executed by the saturated pressure corresponding to the lowest application temperature(which add 50℃ should be greater than－20℃），so that the design parameters can be confirmed which don't complied with low temperature vessel．

evaporator;strength calculation;stress check;low temperature combined with low stress

TU831.4

A

1007-7804(2012）01-0010-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.01.003

2011-11-23

范静超，女，大学本科，1987年毕业于大连工学院夜大机械工程专业，毕业后一直从事制冷压力容器的设计工作。