制冷系统中ASME虹吸式油冷却器的设计和制造

于 明

(大连冷冻机股份有限公司，辽宁大连沙河口西南路888号 116033)

据中石协ASME规范产品协作网(CACI)统计，截止到2013年12月31日，全球ASME持证厂商数量6894家，我国大陆地区ASME持证厂商数量747家。面对激烈竞争的国际市场，以及越来越多的国家要求配套的容器采用ASME规范进行设计制造，有必要对根据ASME规范第Ⅷ卷第1册设计制造的换热器进行研究。ASME产品的建造是包括材料，设计，制造，检测，检验，试验，认证和泄压在内的一个广泛的名词［1］。现以某出口项目的制冷系统的虹吸式油冷却器为实例，在设计方面和制造方面进行介绍。

1 虹吸式油冷却器在制冷系统中的工作原理介绍

虹吸式油冷却器的壳程介质是来自油分离器的热油，管程介质是来自辅助贮液器的制冷剂。在制冷系统中的工作原理是，经冷凝器冷凝后流出的制冷剂液体流入辅助贮液器后分流出一路液体进入虹吸式油冷却器，沿途吸收管外高温油的热而蒸发。制冷剂在蒸发过程中密度逐渐减小，虹吸式油冷却器回气管中的气液混合物的密度低于虹吸式油冷却器供液管中液体的密度，这种不平衡产生了一个压力差使制冷剂在油冷却器中流动。从虹吸式油冷却器进入辅助贮液器的气体中夹带液态工质，经过辅助贮液器被分离，气体经管道进入冷凝器入口端，从而将润滑油的热量转移至冷凝器。

2 设计方面的介绍

设计人员的主要工作是根据《用户说明书》绘制图纸，进行强度计算，编制材料申请单和采购说明书(有必要时)。

2.1 设计参数的确定

此项目的制冷系统工况:蒸发温度:－40℃，冷凝温度:+35℃。压缩机采用单机双级螺杆压缩机，经过制冷软件计算后，确定虹吸式油冷却器的负荷。然后经过HTRI软件进行换热计算后，确定虹吸式油冷却器的换热面积。

虹吸式油冷却器是卧式的固定管板结构。由左管箱，壳体，右管箱3大部件组成。虹吸式油冷却器壳体部件的上支座支撑经济器。虹吸式油冷却器的简图见图1。

图1 虹吸式油冷却器简图Fig.1 Sketch of thermosyphon type oil cooler

虹吸式油冷却器主要设计参数如下:

设计压力:管程:2.1 MPa;壳程:2.1 MPa。

设计温度:管程:50℃;壳程:110℃。

工作介质:管程:氨(R717);壳程:油。

外部腐蚀裕量:0.6 mm［2］。

换热面积:22.4 m2。

结构参数:管程数为1;换热管以三角形排布;换热管规格Φ16×2;换热管间距为21;换热管数量:191。

2.2 设计制造适用的规范介绍

此虹吸式油冷却器的主要零部件是碳钢材料，虹吸式油冷却器在设计上除了要满足ASMEⅧ-1卷的UHX篇，还须满足ASMEⅧ-1卷的Part UG(各种建造方法和各种材料的通用要求);Part UW(焊制压力容器的要求);Part UCS(碳钢和低合金钢建造压力容器的要求);强制性附录;相关的非强制性附录;及ASMEⅧ-1卷的引用标准。如果合同以及《用户说明书》没有指定ASME第Ⅷ卷第l册的版本号，就要执行最新版，目前应采用ASME第VIII卷第l册《压力容器建造规则》2013版。

另外，虹吸式油冷却器还须满足ASMEⅡ-A(铁基材料)，Ⅱ-C(焊接材料)，Ⅱ-D(性能);V(无损检测)，Ⅸ(焊接和钎接评定)的相关要求。

还有，企业的ASME质量控制手册和程序文件也是必须遵守的。

再有，如果容器安装地位于地震带，地震载荷参数的选取应符合安装地的地震载荷设计标准。如果容器的安装在室外，风载荷参数的选取应符合安装地的风载荷设计标准。此项目的虹吸式油冷却器安装在室内，所以风载荷为0;安装地位于地震带上，根据用户提供的参数输入PV Elite软件(ASME压力容器强度计算软件)，即可计算。虹吸式油冷却器的地震载荷参数如下:

执行标准: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 材料的选取

壳体圆筒和左管箱的圆筒材料为ASME材料:SA-106M Gr.B，规格为 Φ355.6 ×9.53，符合 ASME B36.10M-2004 的要求。

换热管材质为SA-179M，规格为Φ16×2。

拉杆与管板螺纹连接，拉杆采用国产材料。若拉杆与管板焊接连接，拉杆需要采用ASME材料。

定距管与折流板采用国产材料。

管板材质为 SA-266M Gr.2，锻件。如果按照ASME第Ⅷ卷第l册《压力容器建造规则》2013版设计，根据该标准条款UG-6(c)，管板也可采用锻件SA-105M。

管箱法兰材质为SA-105M，规 格 14”-CLASS300，WN/RF，目前应符合 ASME B16.5-2009的要求，是标准法兰，锻件。管箱法兰的螺柱的材质为SA-193 B7，螺母材质为SA-1942H。

管箱端盖的材质为SA-105M，外径为Φ355.6，锻件。

接管的材质为 SA-106M Gr.B，符合 ASME B36.10M-2004 的要求。

由于管程介质是氨，在国内属于强渗透性中度危害介质，参考国内标准，至少应用高颈对焊法兰、带加强环的金属缠绕垫片和专用级高强度螺栓组合［3］。接管法兰选用 ASME B16.5-2009的标准法兰，材质为SA-105M，锻件，WN/RF。接管法兰的垫片为缠绕垫，符合ASME B16.20-2007的要求。管法兰的螺柱的材质为SA-193 B7，螺母材质为SA-1942H。

接头材质为SA-105M，非标锻件。

鞍式支座与圆筒直接相焊，鞍式支座的材质为SA-516M Gr.485。

以上材料中的牌号中的M代表SI单位。在ASME材料中，以英寸-磅单位或SI单位表示的数值均可作为标准值。但由于各单位所标示的数值不能与另一种单位制进行精确换算，因此，每一种单位制必须独立使用［4］。

2.4 泄压方面的要求

根据ASME第Ⅷ卷第l册《压力容器建造规则》2013版UG-125，可以通过系统设计进行超压保护，在此虹吸式油冷却器上不设置泄压阀。

2.5 强度计算

以《用户说明书》作为设计输入条件，利用PV Elite软件设计，建模，进行强度分析;对PV Elite软件无法建模的零部件进行手工计算并翻译成英文，加入计算书;采用ASMEⅧ-1设计准则，对PV Elite软件生成的英文计算书进行人工校核。

本文对人工校核部分省略介绍。

2.5.1 软件计算部分

用PV Elite软件建模的设计约束参数界面见图2。

设计约束参数填写完成后，依次填写元件参数，工况组合参数，风载荷参数，地震载荷参数。由于虹吸式油冷却器壳体部件的上支座支撑着经济器，可简化为2处受经济器的重力载荷(分别等于1/2经济器运行时的重量)。此外，还要填写鞍式支座参数，介质的液位和密度参数。

图2 设计约束参数界面Fig.2 Interface of design constraints

全部设计参数填写完成后，PV Elite软件建模生成三维图，如图3所示。然后运行计算，内压计算的主要结果见图4。管板计算的主要结果见图5。

图3 虹吸式油冷却器用PV Elite软件建模生成的三维图Fig.3 3D graph of thermosyphon type oil cooler by PV Elite software

2.5.2 需手工计算部分

由于2个接头伸出端内部有NPT3/8螺纹，PV Elite软件无法输入计算，需对其端部的厚度进行手工校核计算，计算的依据是ASMEⅧ-1，2013版的附录1-2，UG-16和UG-31，计算过程如下:

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.

以上计算过程需加入计算书中，形成完整的计算书报告。

图4 PV Elite软件中内压计算的主要结果Fig.4 The main results of internal pressure calculation in PV Elite

图5 PV Elite软件中管板计算的主要结果Fig.5 The main results of tubesheet calculation in PV Elite

2.6 符合ASME要求的图纸

ASME图纸要求中英文对照，总图需由AI签字。总图要求信息详实，特别是节点图。AI要求总图应基本反映全部设计信息。

2.6.1 总图至少应包括的内容

a.适用的规范卷、篇、册、版本及增补;b.符合Ⅱ卷规格的材料;c.设计压力/温度或最大允许工作压力(内压)，最大允许工作压力(外压，当有要求时);d.最大允许工作压力下的最低设计金属温度;e.公称容积;f.操作介质:应注明是否为致死介质;g.焊缝系数;h.无损检测;i.腐蚀裕量;j.是否进行焊后热处理;k.焊接接头详图:如果按照ASME第VIII卷第l册《压力容器建造规则》2013版设计，应注意此处的焊缝余高和以前的版本有变化;l.耐压试验;m.冲击试验或免除;n.铭牌位置及规范钢印;o.制造尺寸与允差;p.是否需要NB注册。

2.6.2 铭牌图纸

虹吸式油冷却器属于固定管板式换热器，因此铭牌上应体现ASME第VIII卷第l册《压力容器建造规则》2013版UHX篇-19.2.2的注意事项内容。总的来说，铭牌图需满足UG-118，UG-119，UHX-19。格式可参考非强制性附录图L-11-3。

ASME认证标志和NB注册号应使用钢印。“U”标识符可用其他方法标在铭牌上。

2.7 材料申请单和采购说明书

2.7.1 材料申请单应由设计部门编写，至少应包括的内容

a.使用规范材料的材料技术条件号和规范版本及增补;b.尺寸、标称值或额定值;c.数量;d.是否需进入钢厂现场检查;e.规范和材料技术条件所要求的其它订货要求;f.产品编号。

2.7.2 采购说明书

当《材料申请单》上没有包括足够完全的附加要求时，设计部门应编写《采购说明书》。《采购说明书》的编号应填写在“材料申请单”上。

3 制造中注意的问题

由工艺工程师编写工艺流程图，工艺过程卡和压力试验工艺卡。由焊接工程师编写焊接工艺规程。由无损检测Ⅲ级人员编写无损检测工艺规程和工艺卡。由热处理工程师编写热处理工艺规程和工艺卡。其中，AI在工艺流程图上指定停止、见证、和审查点。操作工和焊工应按照图纸、工艺流程图和工艺过程卡完成各制造工序。

最终压力试验完成后，制造厂出具数据报告，由AI签字认可。有NB注册要求的压力容器，制造厂在压力试验合格后指定NB顺序号。NB顺序号应该是连续的，无前缀、后缀、间隔和跳号。NB号填写在数据报告中。在AI认可制造厂数据报告后，60天内由制造厂把制造厂数据报告原件送交NB注册。

4 结束语

本文以虹吸式油冷却器为实例，简单对ASME VIII.1压力容器设计参数的确定、设计制造适用的规范、材料的选取、泄压方面的要求、强度计算、符合ASME要求的图纸、材料申请单和采购说明书、制造中注意的问题进行了介绍。以期与ASME相关人员互相交流。

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

［2］NB/T 47012—2010制冷装置用压力容器［S］.

［3］TSG R2004—2009固定式压力容器安全技术监察规程［S］.

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