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问题解答

空气电加热器管板结构设计以及管板强度计算


本文通过分析一台空气电加热器上的管板的温度情况,合理设计管板结构设计以及管板强度计算。此台空气电加热器的设计压力为MPa 2.0,设计温度为440℃,介质为空气,电加热功率为1200KW,主要受压元件材质16MnQ345R

该台管板相当于U形管式换热器的管板(无管箱和隔板),管板上的管孔直径为Φ22.5 mm,每个管孔中的焊接一段规格为Ф22×2.5 mm的套管,U形管式电热元件直径为Φ16 mm,电热元件从套管中伸出,进入设备顶部的接线仓,电热元件与套管的外端面之间采用密封焊。电热元件从接线端至管板下面的隔热挡板之间的一段为不发热区。管板上的管孔采用同心圆分布,从最外圈向内每相邻两圈的布孔圆上的管孔数相等,U形管式电热元件跨穿在该相邻两圈的管孔内,最内一圈6个管孔用3根长度不等U形管式电热元件梅花状交叉穿入。中心孔内装配热电偶套管。

根据容器的设计压力P=2.0MPa,设计温度t=440℃,容器法兰的材质为16Mn锻件,按NB/T47020~47027-2012《压力容器法兰、垫片、紧固件》规定,容器法兰选用公称压力为PN4.0的长颈法兰,法兰外径Φ1215 mm,螺柱规格M30,数量48件,螺柱材质35CrMoA,垫片采用缠绕垫。按上述条件及参数用计算软件计算管板的的厚度,得到设计厚度为δ=124 mm(其中平盖危险径向截面上各开孔宽度之和为Σb=420mm)。

由上述计算结果可知,如果管板按容器的设计温度计算,该管板的设计厚度是比较大的。但是,150℃的气体从容器上部接管进入容器后向下流动,被电热元件加热,温度升高,加热结束后温度升到420℃,并从容器下部接管流出。在这个过程中,气体的温度是逐渐升高的,刚进入容器上部的气体,尚未被加热,与气体接触的管板及容器法兰的温度只有150℃左右,而且管板下方还有2层挡板,起隔热作用。筒体的温度从气体进口端到气体出口端,是由150℃逐渐升高至420℃的。由此可知,将该管板的设计温度取与容器壳体相同的设计温度进行设计是不合理的。根据该电加热器的结构及使用工况,我们认为可以将管板的设计温度降低,无必要取容器壳体的设计温度。HG/T 20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》第5.0.1条第4款规定,当容器各部分在工作情况下的金属温度不同时,可分别设定各部分的设计温度。考虑到筒体的热传导及电热元件的传热,使管板的温度高于气体的温度,这一温差估计在30℃左右。所以管板的实际温度大约为180℃,再考虑一定的设计余量,管板的设计温度取200℃是安全的。容器法兰与管板为同一情况,其位置也是在低温气体进口的上部,实际温度不会高于200℃,所以容器法兰的设计温度取200℃应当是安全的。当容器法兰的设计温度取200℃时,法兰的公称压力可以选用PN2.5,法兰外径Φ1195 mm,螺柱规格为M27,数量36件,螺柱材质为40MnB。将上述条件及参数用SW6计算软件重新计算,得到管板的设计厚度为δ=88 mm。通过上述分析和计算,根据电加热器的工作情况,分别设定壳体、管板及容器法兰的设计温度后,管板的设计厚度从124 mm降至88 mm,明显减薄了管板的厚度,降低了材料的消耗。当然,如果一台容器上各受压元件分别设定了不同的设计温度,在设备总图上的设计数据表中,应该将不同的设计温度对应的主要受压元件列出。

对于电加热器这种压力容器,因为介质的温度从进口到出口是逐渐升高的,壳体各部分

的金属温度不同,所以在进行强度计算时,处于低温区域的受压元件,如果按容器的设计温度计算,所需的厚度较大。可以根据工作情况,分别确定该元件可能达到的金属温度,并设定其设计温度,然后计算该元件所需的厚度。

本文所述的空气电加热器,装配电热元件的管板都是在低温区域的,即低温气体是从靠近管板的位置进入电加热器壳体的,如果气体进出口的温差较大,分别设定管板与壳体的设计温度,则管板的设计厚度可以明显减小,既可减少材料消耗,又可缩短管板的金加工时间特别是管孔的钻孔时间。


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