浮头式换热器浮头法兰合理设计方法分析

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-01 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

桑如苞林上富
(中国石化工程建设公司，北京100101)
1 前言
浮头式换热器浮头法兰的设计由于受偏心力臂Lr(见图1)的影响，使其设计长期存在困惑。这是由于偏心Lr在正反两方面影响法兰计算厚度和结构设计厚度，Lr处于不确定状态，因此Lr是浮头法兰合理设计的关键。
Lr一方面对法兰在Pf、Ps两工况下的操作力矩直接发生作用，影响法兰计算厚度。另一方面还对法兰结构设计要求(焊接结构要求及流通面积要求)的法兰厚度产生影响。
为此Lr对浮头法兰设计的影响是多方面，而且不确定，所以使设计趋复杂化。以下分别就 Lr对各法兰计算厚度的影响及各法兰厚度的合理确定进行分析
2 浮头法兰在Ps 、Pf的操作力矩作用下最佳厚度的确定

事实上上述最佳Lr的确定仅是浮头法兰合理设计的第一步。
上述最佳Lr的求解仅为保证法兰在Ps 、Pt作用下由法兰操作力矩作用所需的法兰计算厚度趋于最小。算例表明，由此计算的厚度可仅为SW6软件计算厚度的1／2。由于上述法兰计算厚度较薄，为此使浮头法兰由于结构设计要求的厚度往往成为新的控制因素，因此如何兼顾最佳厚度与结构设计要求的最小厚度，从而确定最经济的法兰厚度。
3 浮头法兰结构设计要求的法兰厚度的确定
浮头法兰在结构上必须满足以下三方面的要求。
(1)满足浮头盖与法兰环的焊接结构要求：
满足浮头盖与法兰环的焊接结构要求的最小尺寸f(见图6)。
按GB151编制说明及工程设计经验，此f应不小于封头名义厚度δn 2mm 。为满足此焊接要求的法兰最小厚度，根据几何关系可推得：

(2)满足管程流体横跨流通面积要求：
按GB151规定：多管程的浮头盖，其最小内侧深度应使相邻管程之间的横跨流通面积至少等于每程换热管流通面积的1．3倍，单管程的浮头盖，其中心处最小内侧深度为接管内径的1／3。
对大多数浮头换热器为多管程情况下，满足以上要求根据几何关系可推得由此结构要求确定的法兰最小厚度δfl。

6 本文方法及软件正确性的验证
利用计算机求解浮头法兰最经济设计厚度的方法也可采用逐点法。逐点法寻求浮头法兰的最经济厚度的方法是：
在所给定的浮头法兰结构尺寸(除法兰厚度外)和所给定的Ps、Pt情况下，令Lr，从0开始，以步长为1mm分别计算每一Lr，时的六个法兰厚度(其中δfl和δfa是相等的)，然后将其大值作为该Lr时的设计厚度。以上计算直至六个法兰厚度计算值的最大值出现反弹时为止。由此将法兰在一系列Lr时的六个计算厚度分别绘制成曲线(见图7)，以此便可一目了然地知晓各法兰计算厚度是如何随Lr，而变化的，且最佳厚度为何工况所控制等。
利用逐点法对本方法及其软件以实例进行比较计算，验证表明本方法及软件是完全正确的。
7 实例计算
以文献中的实例，用软件和逐点法进行计算，由软件 J设计结果法兰厚度为152 mm。而由逐点法计算的法兰厚度与上完全相同(图7)。
由图7表明，为满足流通面积要求的法兰厚度始终起着控制作用，如不考虑此结构要求，直接取焊接结构要求δfl和δfa的交点，即Lr4．8(圆整为L=5mm)，则δf取120mm左右，从图可知，取此厚度的
法兰是不能满足流通面积的换热工艺要求的(满足流通面积的法兰厚度δfl应为151．7mm，Lr=22．5)。