中间冰机设计要点

郑燕（四川晨光工程设计院，四川 成都 610041）

中间冰机设计要点

郑燕（四川晨光工程设计院，四川 成都 610041）

根据中间冰机在化工生产装置中具体的使用工况，本文以如何设计该设备为出发点，围绕设备技术特征和结构特点具体从设计参数的确定、材料选择、结构分析设计以及制造检验要求四个方面重点进行分析和阐述。

釜式U型管式换热设备、低温材料、低温结构、制造检验

中间冰机是某有机硅厂冷冻系统技术改造项目新增设计的一台釜式U型管换热设备，是该冷冻系统的关键设备之一。本文以下就该设备在设计上的四个关键方面分别进行介绍。

1 本设备主要技术参数

工作温度：管程：正常温度：-15°C；最高温度：-20°C;

壳程:正常温度：-30°C；最高温度40°C。

工作压力：管程：正常压力0.4MPa；最高压力0.5MPa；

壳程:正常压力0.02MPa/最高压力1.4MPa。

根据上述操作工况和设计参数，根据GB150.1～150.4-2011《压力容器》标准“设计温度不得低于金属在工作状态可能达到的最高温度和设计温度不得高于金属在工作状态可能达到的最低温度”的规定，将本设备的设计参数确定为：

管程设计温度：-30°C; 管程设计压力：0.6MPa

壳程设计温度：-35/50°C;管程设计压力：1.97/-0.1MPa这里值得说明的是：

管程的设计压力是按常规法（工作压力乘以安全系数）取为0.6MPa；

壳程设计压力是按两种工况考虑：

（1）操作状态：取液氨在设计温度50°C下的饱和蒸汽压1.97MPa作为壳程的设计压力；

（2）检修状态：取设备充氮保护抽真空时的负压-0.1MPa作为壳程的设计压力。

2 设备选材

操作时，本设备在-20°C～-30°C低温下运行，这种工作环境要求材料具有足够低温韧性。

（1）首先判断设备壳体及其主要受压元件是否是在低温低应力工况下工作；如果属于低温低应力工况，则设备不必遵循低温设备设计要求。

（2）低温设备的免除判断：

设备主体材料：16MnDR；壁厚δn=14mm；

查取16MnDR材料标准常温屈强度为315MPa

按GB150.3《压力容器》中圆筒的计算应力公式进行计算：

σt=Pc(Di+δe)/2δe=1.97x（1200+14-3-0.3）/2(14-3-0.3）= 111.5MPa

由于σt=111.5MPa＞315/6=52.5MPa，即虽然设计温度低于-20°C，但在该设计条件下容器元件所承受的最大一次总体薄膜应力大于钢材标准常温屈强度的1/6且大于50MPa，不能免除低温设计，设计中应严格按低温容器的要求设计。

（3）作为低温设备设计选材，本设备充分考虑以下4个方面：

a.低温用钢要求钢材的显微组织均匀和无塑性转变温度低，因此要求所用钢材：板材（16MnDR）和管材（Q345E）的供货状态为正火状态；锻件（16MnD）的供货状态为淬火+回火状态。

b.为保证材料的低温韧性，满足符合规定的低温冲击功指标，本设备壳体用16MnDR(正火)板材应进行-40℃夏比(V型缺口)冲击试验,冲击吸收能量≥47J；本设备用Q345E(正火)管材的化学成分应符合P≤0.025%,S≤0.01%,且管程用∅108x7管材应进行-40℃夏比(V型缺口)冲击试验,纵向冲击吸收能量≥40J；本设备用16MnD锻件应进行-45℃夏比(V型缺口)冲击试验,冲击吸收能量≥47J；设备法兰螺柱及管口配对螺柱应进行-35°C下的低温V型缺口冲击试验,平均冲击吸收能量≥41J。

c.本设备的焊接材料应选用与母材成分和性能相近的或相同的具有较好低温性能的材料，焊条应选用低氢碱性焊条，焊剂应选用碱性或中性焊剂，且应按规定进行熔敷金属扩散氢试验或薄皮含水量复验。

d.本设备选材除了考虑低温对材料的要求，还应考虑液氨的应力腐蚀对材料的特殊要求；主要包括三方面：一是要求材料标准规定下的屈服强度ReL≤355MPa；二是要求材料的实测抗拉强度Rm≤630MPa；三是要求材料的碳当量Ce≤0.45。

3 结构分析设计

（1）管壳程的连接设计：本设备为壳程单斜锥具有蒸发空间的釜式夹持型U型管换热器。作为夹持型U型管换热器，设计上必须考虑夹持管板的管壳程法兰的受力均匀，因此这里采用高颈法兰、金属缠绕垫和低合金高强钢螺柱螺母组合结构，以保证管壳程连接的有效性；且其中两颗螺柱设计为带肩双头螺柱，以利于操作安装检修方便。

（2）壳程壳体的设计：关于壳程斜锥壳，由于本设备是低温设备负压工况，大小端必须采用有折边结构，对锥壳大小端分别进行加强计算，对其计算结果取大值。本设备对锥壳大小端进行加强计算时，将大小端作为支撑圈考虑，因此除了对连接处进行加强面积校核外还需对连接处惯性矩进行校核，通过计算得出小端筒体所需壁厚16mm，大端筒体所需壁厚18mm。而事实上，满足大端筒体强度计算的壁厚只需要12mm。设计上考虑用材的经济性，将大端筒体采用分段设计，即将连接锥壳大端的筒体分成壁厚18mm和壁厚12mm厚两段筒体分段制作。

（3）换热管及其支撑结构设计

a为确保换热管的有效性，设计时需考虑如下一些关于换热管的基本要求：

换热管材料：Q345E（正火）；管束级别为Ⅰ级且采用冷拔高级管；换热管不允许拼接；换热管与管板连接采用强度焊加贴胀，贴胀需采用柔性胀；强度焊采用氩弧焊，焊接不少于两道，焊接接头表面进行100%-PT检测Ⅰ级合格；U形管弯管段的圆度偏差应不大于2.5mm，弯曲段与弯曲段距离一米范围内直管段应作磁粉检查，没有裂纹为合格；换热管弯制后应逐根进行水压试验，试验压力取管壳程试验大者；换热管采用冷弯，弯制后弯管段及至少150mm直管段范围应进行消除应力热处理。

b换热管的支撑结构设计

一方面，由于U型换热管束只有管板侧固定，另一端浮动，则浮动端的支撑距离应满足GB/T151-2014中规定的最大无支撑跨距要求。

另一方面，由于U型换热管为可抽式结构，检修时要需要抽芯检查，为避免换热器芯子在使用、安装、检修过程中变形和便于拆装，需在支持板上装滑道，且应在壳体底部设置支撑导轨。

（4）考虑低温因素在结构上的特殊要求

设备结构应尽可能简单，以减少焊接件的拘束程度；各部分结构应避免产生较大的温度梯度；结构拐角过渡应减少局部的应力集中；各类接头、凸缘等应圆滑过渡；支座应设置垫板，避免支座与壳体直接相焊，垫板材料与壳体相同；结构上应避免焊缝的集中和交叉；接管的补强采用锻管补强；A、B、C、D类焊接接头均要求全截面焊透。

4 制造检验要求

制造检验着重按以下方面考虑：

（1）从设计温度-35°C，设计压力1.97MPa，壳体厚度18mm，设备类别Ⅱ类，液氨介质中度危害等几方面综合考虑后，要求对管壳程A、B类焊缝进行100%-RT检测，符合相应标准中的规定Ⅱ级合格；设备上公称直径DN＜250mm的接管与对焊法兰的A类对接接头进行100%-MT检测,符合相应标准中的规定Ⅰ级合格；对管壳程C、D类焊缝应进行100%-MT检测,符合相应标准中的规定Ⅰ级合格。

（2）主要受压元件用16MnDR（正火）钢板应按炉批进行超声检测,符合相应标准中的规定Ⅱ级合格。

（3）本设备应制作A类焊接接头产品焊接试板,且应进行-35℃低温夏比(V型缺口)冲击试验,纵向冲击吸收能量≥24J。

（4）本设备应进行焊后热处理；热处理后应对每一承压焊缝的硬度进行测定，硬度测定应在焊缝金属、热影响区和临近焊缝的母材接触介质侧各测三点，测试结果不超过HB200或相应硬度。设备热处理后仅允许在垫板上施焊，不允许在设备本体上施焊。

5 结语

综上所述，将具有U型管换热器和低温设备特征的设备设计充分展示，以期在这个过程中将设计得到优化，确保设计产品在生产过程中安全有效运行的前提下，力求节能环保、节省钢材、提高化工设备的经济效益。

[1]GB/T151-2014《热交换器》.

[2]GB150.1～150.4-2011《压力容器》.

[3]HG/T20585-2005《钢制低温压力容器技术规定》.

[4]TSG R0004-2009《固定式压力容器安全监察规程》第2版.

郑燕，女，1992年毕业于四川轻化工学院化工设备与机械专业，工程师，现在四川晨光工程设计院从事非标设备设计审核工作。