王云峰

（陜西紫兆裝備股份有限公司 陜西渭南 714000）

浮頭式換熱器由于管束可抽可進行殼程管間機械清洗適用于易結焦及堵塞的場合；浮動端管板可以自由移動，故不考慮溫差應力，可用于大溫差的場合，但因其結構特殊給設計制造增加了難度。重疊式浮頭換熱器設計中，浮頭的設計和重疊雙鞍座的計算是很重要的兩部分，本文對使用SW6-5.0軟件確定浮頭（包括浮頭法蘭和球冠型封頭）結構尺寸和強度計算，重疊雙鞍座計算參數(shù)的取值進行說明。

1 浮頭法蘭尺寸的確定

圖1

1.1 浮頭法蘭的內外徑及墊片寬度，按GB/T151-20146.9.1的規(guī)定確定如下，

De-浮動管板外徑，De= Di-2b1式中b1按GB/T151表6-5選??；

表6-5

?

Dfo-浮頭法蘭的外直徑, Dfo=Di+80mm；

D f i-浮頭法蘭和鉤圈內徑，D f i= D i-2(b1+b2)+3= Di-2(b1+bn)式中

bn-為墊片的寬度按照表6-5選取，標準給出的bn是最小值，需要設計人根據(jù)實際情況給出具體值（按照標準GB/T29463-2012管殼式熱交換器用墊片選用，參照GB/T19066.1-2008柔性石墨金屬波齒復合墊片自行設計），當bn確定后，法蘭的內外徑即可確定。注：選用纏繞墊時，bn應計入內加強環(huán)的寬度。因此，浮頭墊片的外徑等于Do，內徑等于Dfi，當考慮腐蝕余量C2時，腐蝕后的墊片減小寬度為（bn-2C2），則浮頭墊片的寬度不小于標準規(guī)定最小值加上2 倍C2。

1.2 法蘭螺栓圓中心直徑

由于浮頭法蘭應滿足GB/T150表7-3中的Le值（法蘭螺栓中心至法蘭邊緣的距離）的規(guī)定，再考慮腐蝕余量，浮頭法蘭螺栓圓直徑Db(max)=Dfo-2Le(標準中規(guī)定的最小值+ C2)，螺栓中心圓的直徑的下限值Db(min)需要考慮K至（法蘭內徑凸臺外邊緣至螺栓孔外邊緣的距離）6～7mm。

表7-3 LA,Le,∧L的最小值

1.3 雙頭螺柱

螺柱的規(guī)格和數(shù)量可以參考殼體法蘭（直徑Di）的螺栓規(guī)格和數(shù)量n，根據(jù)螺栓規(guī)格查表7-3確定Le值，計算Db(max)= Dfo-2Le，L=π·Db/n的值，通過比較計算值與表列值的大小，判斷L值是否符合規(guī)定。如計算值小于表7-3所列L值的最小值時，可適當減少螺栓數(shù)量來增大L值；當減少螺栓數(shù)量后計算出現(xiàn)螺栓截面積不夠時，可以減小螺栓規(guī)格尺寸，增加螺栓數(shù)量的方法，再次核算螺栓間距是否滿足表7-3規(guī)定的最小值，直到計算合格。螺栓規(guī)格益小不宜大，螺栓數(shù)量益多不宜少。浮頭螺柱柱益采用低合金鋼螺柱不宜使用不銹鋼螺柱，大多數(shù)情況計算截面積不夠，調整困難，而且浮頭螺柱一般不考慮腐蝕余量，只需滿足設備一個檢修周期即可，檢修時根據(jù)實際腐蝕情況進行更換。

1.4 球冠型封頭

球冠型封頭內半徑按GB/T151-2014表7-4的規(guī)定選取。

表7-4 球冠形封頭內半徑 mm

表中DN為設備公稱直徑，Ri為球冠型封頭內半徑

1.5 封頭焊入法蘭的深度L值

浮頭法蘭在管程Pt作用下（內壓）工況計算時，法蘭總力矩Mp=MD+MG+MT-Mr, Mr=Fr·Lr由圖可知式中MD 、MG 、MT 對法蘭的力矩均為逆時針方向，Mr對法蘭的力矩為順時針方向，力臂Lr增大時，可以抵消一部分和力矩，相應的法蘭計算厚度較小。即封頭焊入法蘭的深度L值越小，法蘭厚度越小。

浮頭法蘭在殼程Ps作用下（外壓）工況計算時，法蘭總力矩Mp=MD+MG+MT+Mr, Mr=Fr·Lr由圖可知式中MD 、MG 、MT、Mr對法蘭的力矩均為逆時針方向,力臂Lr增大時，Mr增大相互疊加使和力矩增大，相應的法蘭計算厚度較大。即封頭焊入法蘭的深度L值越小，法蘭厚度越大。

《說文解字》以及段玉裁注所分析者，屬于商字的假借義，而商字最主要的字義，或者說其本義，正如羅振玉及王國維二先生所云，當為殷人的國號：

綜上所述，管殼程壓力作用下封頭焊入法蘭的深度L值的對法蘭計算時，法蘭厚度影響是不一致的。而且這種影響是在一定的范圍內變化的，因此L的值對法蘭的厚度影響非常大，所以L的選取有兩種方法：一是按照GB/T151標準釋義中的建議l=δn+2其中δn為球冠型封頭的名義厚度；另一種是利用SW計算軟件設計計算，計算時將L和δn均不輸入，程序自動計算出一個值L,然后綜合考慮管殼程壓力下的法蘭計算厚度，同時考慮腐蝕前和腐蝕后兩種工況，最終確定L值。

1.6 布管限定圓直徑DL

由于浮頭結構壓縮了布管區(qū)域，使布管數(shù)量減少，浮頭結構尺寸直接影響布管限定圓直徑DL尺寸大小，其計算式：DL=Di-2（b1+b2+b）

式中b-實際布管限定圓直徑DL與浮動管板密封面凸臺外圓之間的距離，按GB/T151-2014第6.3.1.3表6-4的規(guī)定選取。

表6-4 b的取值

2 重疊換熱器鞍座的計算

重疊換熱器鞍座的計算采用SW6中的非對稱雙鞍座及多鞍座臥式容器模塊M41進行校核，M41模塊允許最多5個集中質量，1組均布質量，質量模型見下圖。

集中質量、均布質量、支座反力示意圖

圖中：mj-集中質量，qk-均布質量，fi-支座的反力

均布與設備全長上的附加質量：保溫層、小接管、盤管等。換熱管管束由折流板支撐且不是均布設備的全長，應作為附加均布質量。

附加均布質量：不是均布與設備全長的質量，如換熱器的管束、長條形的平臺等。

2.1 計算流程

2.1.1 計算上部換熱器包括設計工況（無地震載荷）、設計工況（有地震載荷）、壓力試驗工況。一般來說，管程或者殼程單獨進行水壓試驗時，載荷小于兩側同時進行水壓試驗時，不必計算后兩種。

2.1.2 如上部換熱器有不合格項目，應調整至全部合格。生成上部換熱器強度計算書。

2.1.3 計算下部換熱器。此時將上部換熱器作為集中質量考慮。下部換熱器一共需要計算3次：

①取上部換熱器設計工況下（無地震載荷）支座反力(N)除以9.81（重力加速度）得到質點質量(kg),加上下部換熱器自身的均布載荷和集中載荷，計算書只保留輸入數(shù)據(jù)和設計工況無地震載荷）的部分。

②取上部換熱器設計工況下（有地震載荷）支座反力作同上的計算。

③取上部換熱器壓力試驗工況下支座反力作同上的計算。

④將上部換熱器的計算書和上述3部分計算書合并，即為整個設備支座計算部分的計算書。

在計算下部換熱器時，由于多了3個集中質量，有可能產生多余5個集中質量，此時可以合并一些集中質量。

注：當計算下部換熱器時，集中質量數(shù)目多余5個時，可以合并一些集中質量，合并時質量直接相加，組合質量的水平位置和豎直位置按重量加權平均。優(yōu)先合并距離較近的質量。

3 腐蝕裕量

3.1 GB/T151-2014第4.4.5.4條腐蝕裕量的考慮原則中與浮頭換熱器相關的規(guī)定：對于管板、浮頭法蘭、球冠型封頭的兩面均應考慮腐蝕裕量；換熱管、鉤圈、浮頭螺栓一般不考慮腐蝕裕量；分程隔板的兩面均應考慮腐蝕裕量。

3.2對于浮頭法蘭受管殼程介質作用，四面與介質接觸，應在內外徑、厚度方向均需考慮腐蝕裕量；對于鉤圈、浮頭的緊固件可以少考慮甚至不考慮腐蝕裕量，尤其是浮頭螺栓是否考慮腐蝕對計算影響很大，可以在維持裝置一個檢修周期內根據(jù)實際的腐蝕情況進行更換。如殼程介質對螺栓有腐蝕時個人認為應在圖紙中注明每次大修更換浮頭螺栓的要求。對于腐蝕后的工況，應考慮法蘭和管板腐蝕后應滿足墊片接觸內外徑尺寸。

4 重疊熱交換器支座的安裝形式、要求如下：

a) 重疊熱交換器之間的支座應設置調整高度的墊板；

b)支座底板到設備中心線的距離應比接管法蘭密封面到設備中心線的距離至少小5mm;

c)當重疊熱交換器質量較大時，可增設一組重疊支座；

d)在不移動熱交換器的情況下，重疊熱交換器的中心應滿足拆裝接管法蘭螺栓的要求。

5 浮頭式換熱器耐壓試驗順序；

a)用試壓環(huán)和浮頭專用試壓工具進行管頭試壓

b)管程試壓

c)殼程試壓

重疊式浮頭換熱器的管頭耐壓試驗和泄露試驗允許單臺進行。當各臺換熱器管殼程間分別連通時，管程和殼程試壓還應在重疊組裝后進行。固定管板端環(huán)形試壓胎具的計算應按照不帶頸松式法蘭計算，不需要校核剛度系數(shù)J＜1，且材料許用應力可以取水壓試驗條件下0.8倍的材料屈服強度。浮頭端的專用胎具可以設計成填料函形式或采用自緊密封橡膠環(huán)形式。