U型管换热器管箱法兰强度校核方法探讨

邱砚明 ,徐树林, 张渲楠

(1.哈电集团中央研究院，黑龙江 哈尔滨 150028；2.原兴核技术(北京)有限公司，北京市 102488)

0 前言

U型管换热器(见图1)管箱法兰，其垫片有2个性能参数，垫片系数m及垫片比压力y。管箱法兰密封面连带隔板处的密封面，它们是同时实现密封的，其密封面压紧力都是通过法兰环螺柱的压紧力实现的。由于分程隔板处也有密封，其螺柱的密封紧固力与仅有外环密封面是不一样的。法兰环与管板处的压紧力也不一定相同。管箱法兰密封面和管板密封面有可能是一次加工成型的，也有可能是二次加工的，环形先采用车削加工，然后分程隔板密封面铣削加工；也有可能是一次铣削加工而成的，环向密封面和分程隔板密封面铣削一次加工而成。法兰密封面与分程隔板密封面原则上是在同一个平面内，但因加工方式的不同，分程隔板密封面有可能和法兰密封面就不在同一个平面内，这时螺栓预紧后这两个密封面垫片的压应力就不相同，也就是法兰密封面处的垫片系数y和m与分程隔板密封面的垫片系数y′和m′不相同。由于加工工序的原因，这两种密封面如果是二次加工而成的，这样外圈环形密封面与分程隔板密封面就一定不会在同一个水平面上。计算式中的垫片系数m和密封比压力y要有区别。具体如何处理看本案下面的阐述。

1 U型管换热器管箱法兰有分程隔板密封情况下的校核方法

GB/T 151-2014《热交换器》没有提到这种情况，当然也就没有处理的方法；而美国的列管式换热器制造商协会标准TEMA给出了处理方法[1]。

图1 U型管换热器结构示意图

预紧状态下需要的最小垫片压紧力,N：

(1)

br——分程隔板处有效密封宽度，mm，取垫片实际密封宽度的一半，见图2；

rl——分程隔板处垫片总长,mm；

y′——分程隔板处垫片比压力，MPa；

注：本文未说明的字符含义及单位同GB 150-2011《压力容器》。

图2 U型管换热器分程隔板处结构示意图

操作态下需要的最小垫片压紧力,单位N：

(2)

m′——分程隔板处垫片系数,单位：无量纲；

从上面的式(1)和(2)看出，它们计算的不同之处就是多了一项分程隔板处垫片压紧力值，而这个值的求取，关键是求取分程隔板处的垫片系数值m′和y′。

2 分程隔板处的垫片系数值m′和y′求取方法探讨

2.1 垫片最佳承压压力值的探讨

令没有分程隔板垫片前的Fa和Fp相等，见下面的式(3)：

令Fa=Fp

→πDGby=2πDGbmpc

(3)

看式(3)，当法兰的操作(计算)压力等于y/2m时，垫片预紧和操作状态下的垫片压紧力是相同的，这样垫片始终工作在能够保证密封的压应力状态下。当操作压力大于y/2m时，说明操作状态下需要的垫片压紧力大于垫片的初始预紧力，这时设计者要考虑垫片在大于密封预紧压力的情况下是否还能长时间正常保持密封状态，如果预紧力过大，垫片在预紧力作用下没有回弹，会造成操作状态下密封失效。因此本案讨论的是垫片完全处在正常回弹的范围内，也就是操作压力小于y/2m值。至于操作压力大于y/2m多少值垫片丧失回弹能力，这需要实验值，或者是使用经验值，本案不讨论这个问题.

2.2 如何获得垫片的弹性模量值

要想获得分程隔板处的垫片系数值m′和y′，就要想法获得垫片在弹性范围内的弹性模量值，如果没有资料可以通过试验获得。

下面是不锈钢缠绕垫的试验结果，从这个实验结果获取该垫片的弹性模量值。

该不锈钢缠绕垫片密封处外径：OD=520 mm;该不锈钢缠绕垫片密封处内径：ID=470 mm;不锈钢缠绕垫片厚度T=4.5 mm;垫片系数m=3;垫片比压力y=69 MPa。

垫片的承压面积为：

(4)

垫片正压力为：

F=yA=69×38 877.2=2 682 526.8 N

(5)

经施压上面式(5)的正压力后，实测垫片剩余厚度T0=3.7mm;

则垫片的弹性模量值为：

(6)

2.3 如何获得分程隔板处垫片的m′和y′值

一般的要分程隔板处密封面比外圈环形密封面低0.1～0.2 mm,也就是机械加工所说的10～20道的差距。假设分程隔板密封面和法兰密封面不是同一加工工序加工的，分程隔板密封面是二次加工的，则隔板密封面比法兰环密封面低0.1～0.2 mm；管板处的分程隔板槽密封面也是二次加工而成的，因此分程隔板槽密封面比管板外环密封面低0.1～0.2 mm。

隔板密封面比法兰环密封面的最小低0.2 mm(管箱分程隔板低0.1 mm+管板槽低0.1 mm) , 则分程隔板处垫片的m′和y′值为：

(7)

(8)

ΔT——垫片被螺柱紧固后的压缩量的值，即：ΔT=T-T0;

由上面的式(6)、(7)和(8)有下面的式(9)成立：

(9)

从上面式(9)可以看出，分程隔板处的垫片比压力值与垫本身的比压力值的比与相应的压缩变形量成正比；相应的垫片系数值的比也与相应的压缩变形量成正比。

2.4 没有实验数据，如何获得分程隔板处垫片的m′和y′值

在我们不知道缠绕垫的弹性模量值的情况下，如何获得分程隔板处的垫片系数m′及垫片比压力值y′,看下面的阐述。

图3 缠绕垫结构尺寸示意图

依据国家标准见参考文献[2],其垫片尺寸中的内环和定位环的厚度T1以及垫片厚度T有下面表1的尺寸组合。

表1 基本型缠绕垫片尺寸(单位：mm)

ΔTmax——缠绕垫片的极限压缩尺寸。

根据操作经验，缠绕垫片一般压缩0.8～1.0 mm。

我们设计阶段假设以缠绕垫片压缩0.8 mm后认为垫片达到预紧密封比压力69 MPa，依据上面的假设我们有下面的公式成立：

(10)

ΔT——垫片被螺柱紧固后的压缩量的值，这里取0.8 mm;

ΔT′——分程隔板处垫片压缩量的变动值。

2.5 示例

在没有实验数据支持的情况下如何获取分程隔板处的垫片系数m′及垫片比压力y′的值。

奥氏体不锈钢石墨缠绕垫.分程隔板密封面与法兰密封面一次装卡加工成型，管板延长部分兼做法兰的法兰密封面，与管板分程隔板处的密封面不是一次加工成型的。只有管板的分程隔板密封面比管板延长部分兼做法兰的法兰密封面低0.1～0.2 mm，原缠绕垫的垫片系数m=3，垫片比压力y=69 MPa。我们设计假设缠绕垫片压缩0.8 mm,即达到预紧密封比压力69 MPa,设计假设管板的分程隔板密封面比管板延长部分兼做法兰的法兰密封面低0.1 mm.则分程隔板处的垫片系数m′及垫片比压力值y′依据计算式(10)，计算结果见下面的式(11)：

(11)

3 小 结

3.1管箱的设计压力在y/2m之内，超过此值，设计者要考量垫片在操作工况下是否还处在弹性回弹状态，或者改进密封结构，设置限位等，或者更换适宜的垫片。

3.2 从2.4的各计算结果可以知道，分程隔板处的垫片系数与原外环处的垫片系数比，正好是垫片压缩量的比，见式(10)。设计中可以考量垫片达到原比压力时的预期压缩量，然后依据分程隔板处的预期压缩量，就可以估出分程隔板处的垫片系数值。当然，这个预期压缩量如果能通过实验获得的话，就是准确值，如果没有实验数据支持的话，设计者只能凭借经验估计这个垫片的预期压缩量的值。

3.3如参考文献[1]的相关章节所述，当所获得的分程隔板处的垫片系数值小于原来的垫片系数值时，可以采用原来的垫片系数值；因此，对于一些非金属垫片，因其m和y值本来就比较低，设计者可以考虑采用和原来一样的值 。