劉繼欣，王 琦

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090)

0 概 述

高壓加熱器是電站回?zé)嵯到y(tǒng)中的輔機(jī)設(shè)備，是利用汽輪機(jī)抽汽加熱給水的熱交換器，其主要目的是提高電站熱效率。隨著電站設(shè)計(jì)的高參數(shù)化，蒸汽壓力值隨之提升，高壓加熱器的設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度也在逐步提高。高參數(shù)高壓加熱器的設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致設(shè)備的大型化和重型化趨勢(shì)愈發(fā)明顯，因此，設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)的重要性也越來越顯著。現(xiàn)從高壓加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行探討，提出高壓加熱器的輕量化設(shè)計(jì)方法。

1 高壓加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 選用U形管式熱交換器

熱交換器[1]有浮頭式熱交換器、固定管板式熱交換器、U形管式熱交換器、填料函式熱交換器等型式。每種類型的熱交換器具有各自的特點(diǎn)，U形管式熱交換器的特點(diǎn)是可承受較高的運(yùn)行參數(shù)，而且，比固定管板加熱器及浮頭式加熱器少1塊管板。U形換熱管的一端無約束，可自由熱膨脹，所以無熱應(yīng)力，相對(duì)于其它型式的熱交換器，運(yùn)行的安全性更高，故高參數(shù)的高壓加熱器，常選用U形管式加熱器。

1.2 直連設(shè)計(jì)

1.2.1 管程與殼程

管程、殼程與管板相連的方式，通常有3種形式。管板與殼程法蘭、管程法蘭相連接的形式，如圖1所示。將管板延長(zhǎng)段兼作法蘭，并與管程法蘭相連接的形式，如圖2所示。管板與殼程圓筒、管程圓筒通過焊接相連接的形式，如圖3所示。3種連接形式的特點(diǎn)各不相同，適用的介質(zhì)和清洗方式，如表1所示。

圖1

圖2

圖3

表1管程、殼程與管板連接方式特點(diǎn)

序號(hào)設(shè)備特點(diǎn)連接方式一連接方式二連接方式三1適用的清洗方式機(jī)械清洗化學(xué)清洗機(jī)械清洗化學(xué)清洗化學(xué)清洗2檢修時(shí)拆解方式管程可拆殼程可拆管程可拆殼程不可拆管程設(shè)檢修人孔殼程不可拆3設(shè)備法蘭數(shù)量/個(gè)21無4適應(yīng)的介質(zhì)潔凈程度非潔凈、潔凈非潔凈、潔凈潔凈5適應(yīng)的介質(zhì)組別注第一組介質(zhì)第二組介質(zhì)第一組介質(zhì)第二組介質(zhì)非易爆介質(zhì)

注：在TSG21-2016標(biāo)準(zhǔn)(固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程)中，將壓力容器的介質(zhì)分為兩組：第一組介質(zhì)，是毒性危害程度極高的化學(xué)介質(zhì)、易爆介質(zhì)、液化氣體；第二組介質(zhì)，是除第一組以外的介質(zhì)[3]。

在3種連接方式中，采用直連方式最為簡(jiǎn)潔，檢修設(shè)備時(shí)，可沿著殼體的切割線，分離殼程圓筒，抽出殼體后，即可進(jìn)行檢維修。這種方式較適合介質(zhì)為非易爆的設(shè)備，在檢修時(shí)，可避免因切割設(shè)備而引發(fā)介質(zhì)燃爆的事故。

1.2.2 管法蘭的密封形式

高壓管法蘭采用的密封，較常見的有5種形式。纏繞墊片的密封、八角形或橢圓形金屬環(huán)墊片密封、具有覆蓋層的齒形組合墊片密封、透鏡墊片密封以及直連管口密封。這5種密封形式的適用范圍，如表2所示。

表2高壓管路法蘭密封形式的適用范圍

序號(hào)管法蘭密封形式適用公稱壓力范圍/MPa可用的最大公稱尺寸/mm密封所需管法蘭數(shù)量/個(gè)1纏繞墊片≤PN42DN30022八角型或橢圓型金屬環(huán)墊片≤PN42DN30023具有覆蓋層的齒形組合墊片≤PN42DN30024透鏡墊片≤PN32DN20025直連管口與管道所需相同與管道所需相同0

直連管口的密封設(shè)計(jì)，其適用的公稱壓力、公稱尺寸的范圍，較其它4種密封方式更寬，連接方式較簡(jiǎn)潔。在設(shè)計(jì)直連管口密封時(shí)，應(yīng)注意幾個(gè)方面的問題。

(1)管口的焊接詳圖，應(yīng)在設(shè)計(jì)總圖以及管道接口列表中表達(dá)清楚，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝的準(zhǔn)確和無誤。

(2)管口的接管長(zhǎng)度，應(yīng)包含安裝、切割水壓試驗(yàn)工裝的裕量。

(3)在設(shè)計(jì)直連管口時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮設(shè)備運(yùn)輸時(shí)所需的管口保護(hù)裝置，以及管口的安裝方式。

2 熱交換器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

2.1 管板的設(shè)計(jì)方法

管板是高壓加熱器的主要部件之一，其重量占設(shè)備總重的9%～15%。以600 MW機(jī)組的高壓加熱器管板為例，管板重6～14 t，對(duì)管板進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可使設(shè)備輕量化，并降低加工制造時(shí)的難度，對(duì)高壓加熱器的設(shè)計(jì)具有較大影響。

高壓加熱器U形管管板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要有GB/T 151-2014(熱交換器)標(biāo)準(zhǔn)、ASME Ⅷ-Ⅰ-2017(壓力容器建造規(guī)則)、TEMA-2007(管式換熱器制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))、HEI(表面式給水加熱器)標(biāo)準(zhǔn)等。各國(guó)的管板計(jì)算方法，均考慮了管板周邊不布管區(qū)的影響及管板周邊結(jié)構(gòu)的布置形式。在GB/T 151-2014標(biāo)準(zhǔn)中，考慮了換熱管與管板6種不同的連接方式[4]。各標(biāo)準(zhǔn)均以不同的方法計(jì)算管板的最大應(yīng)力值，從而確定管板的設(shè)計(jì)厚度。

除了應(yīng)用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，還有分析設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，主要有JB4732-1995 鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)、ASME Ⅷ-Ⅱ-2015(壓力容器建造另一規(guī)則)，通過對(duì)熱交換器管板內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并按照應(yīng)力的分布特點(diǎn)進(jìn)行分類，用不同的判定準(zhǔn)則，確定管板的設(shè)計(jì)厚度。這種計(jì)算方法與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，計(jì)算所得的結(jié)果會(huì)更精確，管板的設(shè)計(jì)厚度亦略有減薄。

現(xiàn)以某型高壓加熱器的設(shè)計(jì)方案為例，采用不同的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算管板的設(shè)計(jì)厚度。計(jì)算所得的管板厚度及重量，如表3所示。

表3不同設(shè)計(jì)方法所得的管板厚度及重量

名稱管程殼程設(shè)計(jì)壓力/MPa27.52.07圓筒直徑/mm19002000管板設(shè)計(jì)溫度/℃215管板材料20MnMoNb管板厚度/mm(管板重量/kg)GB/T 151-2014388 (8224)JB 4732-1995402(8521)

從表3可知，按不同標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，計(jì)算所得的管板厚度是不同的，相差的管板重量，最大可達(dá)4%。因此，合理的設(shè)計(jì)方法，可更經(jīng)濟(jì)地確定管板的設(shè)計(jì)厚度，對(duì)整個(gè)設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)起著重要作用。

2.2 接管開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法

當(dāng)接管開孔DN≤80時(shí)，在GB150-2011與ASMEⅧ-I-2017標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于免于補(bǔ)強(qiáng)的適用范圍各不相同。接管開孔免于補(bǔ)強(qiáng)的適用范圍，如表4所示。

以某開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)為例，按不同的方法計(jì)算的接管厚度及重量結(jié)果，如表5所示。

從表5可知，按不同標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法所得的接管厚度各不相同，接管重量相差約55%，對(duì)于小接管(DN≤80或最終開孔直徑≤?60.33 mm)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，可以選用合理的設(shè)計(jì)方法，并可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的系列設(shè)計(jì)，對(duì)于整體設(shè)備的制造、加工及輕量化產(chǎn)生有利的影響。在不同的工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的需求，選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

表4接管開孔免于補(bǔ)強(qiáng)的適用范圍(DN≤80)

參數(shù)名稱GB 150-2011ASMEⅧ-Ⅰ-2017設(shè)計(jì)壓力/MPa≤2.5壓力無急劇波動(dòng)焊接接頭結(jié)構(gòu)符合GB150.3-2011附錄D,鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值Rm≥540MPa時(shí),接管與殼體的連接宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)模型。焊接、釬焊和翻邊的連接件。開孔直徑/mm接管外徑≤89在最小需要厚度≤10mm的容器殼體或封頭上:開孔直徑≤89mm,在最小需要厚度為>10mm的容器殼體或封頭上:開孔直徑≤60mm直徑。詳見UG-36 (C) (3)(-a) (-b) (-c)。 開孔間距兩相鄰開孔中心的間距(對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和;對(duì)于3個(gè)或以上相鄰開孔,任意兩孔中心的間距(對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算)應(yīng)不小于該兩孔直徑之和的2.5倍。兩個(gè)單獨(dú)的開孔,其中心距應(yīng)不小于它們直徑之和;符合開孔直徑的不補(bǔ)強(qiáng)的三孔或更多的開孔群,它們中任意兩孔中心距應(yīng)不小于下列數(shù)值:圓筒形殼或錐殼(1+1.5cosθ)(d1+d2)。對(duì)兩個(gè)曲面組成的殼體和成型封頭或平封頭2.5(d1+d2)。 詳見UG-36 (C) (3) (-d)。 開孔位置開孔不得位于A、B類焊接接頭上。單獨(dú)的開孔可位于封頭與殼體或B類或C類對(duì)接焊接接頭上,但開孔部位的焊縫應(yīng)滿足規(guī)定的檢測(cè)要求。詳見UW-14。接管壁厚要求接管外徑≤89mm,接管壁厚≥6mm。(腐蝕裕量1mm時(shí))。詳見GB 150.3-2011 表6-1。標(biāo)準(zhǔn)管件NPS3接管壁厚≥9.5mm。詳見UW-16。

表5開孔補(bǔ)強(qiáng)所需接管厚度及重量

參數(shù)名稱GB/T150ASMEⅧ-Ⅰ設(shè)計(jì)壓力/MPa10.24設(shè)計(jì)溫度/℃315筒體直徑/mm(接管直徑)2100(50)2100(57)筒體材料(接管材料)Q345R(16MnⅡ)Q345R(16MnⅡ)筒體厚度/mm(接管厚度)105(51)105(21.5)接管重量/kg5.652.20

3 結(jié) 語

國(guó)外設(shè)計(jì)的加熱器有單位質(zhì)量的概念，即加熱器單位傳熱面積與本體總質(zhì)量的比率，用以表示本體簡(jiǎn)潔和輕巧的程度。以600 MW機(jī)組的高壓加熱器為例，國(guó)外設(shè)計(jì)的加熱器質(zhì)量，為45.5 kg/m2(1998年的數(shù)據(jù))[2]。近年的部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示，加熱器的單位質(zhì)量有所上升，但這與加熱器管程、殼程的設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)溫度等因素有關(guān)，是設(shè)計(jì)高參數(shù)設(shè)備的必然結(jié)果，因此，更需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。