单管程的浮头接管结构由球冠形封头、波纹膨 胀节、筒节、平盖、法兰A、法兰B、法兰C、紧固件 AB、紧固件BC、锥体及管程出口法兰所组成,见图1。在球冠形封头上开孔并设一短节,通过该短节与 波纹膨胀节连接,波纹膨胀节通过另一短节与法兰 A连为一体,法兰A与法兰B通过紧固件AB联 接。法兰C由紧固件BC压紧法兰B的前后密封面 与平盖连成整体结构,这种结构不仅便于安装和拆 卸,而且能很好地解决管、壳程之间的温差应力。
由于原料气预热器的管、壳程压力和温度都较 高,设计时将管板、浮头及浮头接管(包括膨胀节部 分)按照管、壳程最大压差1.0MPa进行设计,这样 既可保证设备安全又可最大程度节省成本。 波纹管膨胀节设计参数为,设计压力1.0MPa, 设计温度400℃,材质0Cr18Ni9。波纹管膨胀节结 构尺寸为,波根外径510mm,波高50mm,波数6, 层数2,单层厚度2.5mm。
膨胀节位移量按下式确定:e=[αt-(tt-to)-αs(ts-to)]L
式中,αt为换热管材料在设计温度与20℃之间的平 均线膨胀系数,αs为壳体材料在设计温度与20℃之间的平均线膨胀系数,10mm/(mm·℃);tt为 换热管设计温度,ts为壳体设计温度,to为制造环境 温度,℃;L为膨胀节两侧固定端长度,mm。
将本例数值代入上式可得e=3.2mm。
本例中波纹管的材质为0Cr18Ni9,其[σ]t= 111MPa。根据文献[2]中式(6-1)~式(6-7),可 得出内压引起的波纹管直边段的周向薄膜应力σz< 3·9MPa<[σ]t=111MPa,内压引起的直边段加强 圈周向薄膜应力σc<13·7MPa<[σ]t=111MPa, 内压引起的波纹管周向薄膜应力σ2=40·3MPa< [σ]t=111MPa,内压引起的波纹管经向薄膜应力 σ2=8·47MPa<[σ]t=111MPa,内压引起的波纹 管弯曲应力σ3=111MPa,轴向位移引起的波纹管 经向薄膜应力σ4=1·53MPa,轴向位移引起的波纹 管经向弯曲应力σ5=85·6MPa。组合应力σp= σ2+σ3=119·47MPa<1·5σts=184·5MPa,σR= 0·7σp+σ4+σ5=129MPa<2σts=246MPa。
按照上述计算结果,该膨胀节满足强度要求,能 够承担管、壳程产生的温差应力。经计算选取的原料气预热器膨胀节为ZXW(B)500-1.6-2×2.5× 6(T)。
也可以通过SW6、Lansys等压力容器强度计算 软件进行设计校核计算。