换热器管箱球面隔膜密封焊缝受力分析.pdf

设计计算
换热器管箱球面隔膜密封焊鏠受力分析
陈孙艺
(茂名重力石化机械制造有限公司,广东茂名525024)
摘要:为分析高温高压换热器管箱球面隔膜密封焊缝的受力状况,提出了经工程实践检验的近似
计算方法,通过案例介绍其应用效果,结果表明外載荷施加给焊缝很大的应力,证实了隔膜弹性补
偿的必要性,这也是隔膜垫结构形式中的平面隔膜不宜应用到动态工况的原因。密封由焊縫来保
证,但是焊缝的安全要靠球面隔膜的弹性补偿和密封系统的强度来保证,关键制造工艺要保证焊接
质量。
关辘词:球面隔膜;密封;密缝焊缝;应力分析;管箱;换热器
中图分类号:TH703;TB965文献标志码:A文章编号:1001-4837(2015)04-0029-06
doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.04.005
Stress Analysis of Seal Weld about Spherical Diaphragm
Sealing of Tubelar Heat Exchanger
CHEN Sun-yi
(The Challenge Petrochemical Machinery Corporation of Maoming, Maoming 525024, China)
Abstract: In order to analyze the stresses station of seal weld of spherical diaphragm sealing of tube can
nel in high pressure and high temperature heat exchanger, the approximate method were provided and ver
ified in practice. The effect of application was introduced by case. The results show that loads were much
stresses on seal weld and far overran the allow stress. It is essential to design the elastic offset displace
ment of spherical diaphragm, and that is the reason why flat thin plate can not be used to diaphragm gas
Ret seal for dynamic operating. Sealing is ensured by the seal weld. But the security of weld is ensured by
both the elastic of set displacement of spherical diaphragm and the strong of sealing system. Key technolo-
of fabrication is necessary for welding quality
Key words: spherical insulate diaphragm; sea seal weld stress analysis; tube box;heat exchanger
近几年来新建的煤制氢裝置中高温高压换热器管
0引言
箱趋于设计成与管板组焊的不可拆结构,而把管
箱端部作为检维护用的人孔,人孔密封性能成为
石油化工装置中使用量大面广的列管式换热设备安全运行的关键。由于螺纹锁紧环密封结构
器,由于固定管板与两侧壳体的Ω环密封结构存复杂、零件繁多、组装复杂、使用维护严谨、拆卸困
在奧氏体不锈钢缝隙腐蚀或应力腐蚀失效的情况难、成本高昂,近年来,高等级管箱端口密封已
且长期无法改善-,各种加氢装置换热器以及改进为一种原理简明而密封可靠的专利技术新结
CPVT
换热器管箱球面隔膜密封焊缝受力分析
Vol.32No.42015
构-?,如图1,2所示的球形面隔膜密封整体结
文献[7]中指出,工程中管箱和密封盘结构
构图及隔膜密封焊放大图。
尺寸及所处环境不同,热胀冷缩应力不同,密封焊
壳体短筒体」接管
易产生裂纹,导致密封失效,但是没有具体的研
究。初步分析发现,端盖、隔膜、密封焊缝与管箱
端部四者的位移变形不协调,这实际上是一个静
x::三
R
不定问题,还涉及隔膜大变形及可能的材料非线
性。有限元分析不但涉及内压作用下垫片无效密
管板球面隔膜
端盖
封面宽度的交互作用及螺栓螺母与法兰盘的接
抓长
触、球面隔膜的边环与密封面的接触、球面隔膜的
图1管箱球膜隔膜结枃示意
拱形膜与端盖之间的接触等3对密封副,且只能
个案逐案处理而不便于推广;简化模型由于其模
拟的工程精度有限,完整的解析解则十分复杂。
斜锥形
管箱
如果假设隔膜与管箱端部的径向位移变形协调功
端部
焊
能完全通过密封焊鏠来传递,其中忽路了端盖通
边环
过隔膜对密封焊缝的保护作用,则简化后的力学
模型分析结果可以反映密封焊鏠的极端受力
端盖
情况。
过渡层
因此,文中结合文献[6]案例(有关参数见表
)对该类密封焊缝的受力简化分析,介绍工程设
球面隔膜
计校核实践中总结的近似的替代方法及其应用效
图2密封焊结构示意
果,以起到抛砖引玉的作用。
表1高压管箱设计轸数
项目设计压力『设计温度イ売体内直「管箱短节」管箱短节端盖厚度/管箱材料」隔膜材料压力/ハMPa
水压试验
P/Mpa
径2B/mm壁厚mm长度Lmmm
数值」31.9
200
60
195
226 SA350 LF20CR18NII0TI 41.47
MPa,按表1数值计算得AR,≈0.077mm,与文献
1高压作用下球面隔膜密封焊缝的受力分析
6]案例的内压下管箱端口径向位移约为AR3≈
0.078mm基本一致,这也就是需变形协调的径向
以下分析不考虑焊缝的残余应力
位移。
1.1高压作用下管箱端部对焊缝受力分析
(2)简化模型应力分析。
(1)需变形协调的径向位移。
图2中密封焊缝的截面形心处的半径为R
长、短圆筒分界的临界长度计算
结构最薄弱的密封焊缝承受径向位移所有应变,
L。=1.17D。√D。/1=2610mm
(1)则焊缝的周向应力和径向应力分别为:
式中管箱外径D。=2(R+)和壁厚按表1
AR
o=e。E=,Ee43.9MPa
取值。根据L<。,判断该管箱属于短圆筒,作为
有限长筒体管箱在内压作用下其端部径向位移的
o.=8E=-,~E=2392MPa
(4
无力矩解计算式为
式中取焊缝材料E
10°MPa,焊缝径
AR
0.077mm
2)
向厚度k=6m是根据该案例在文献[6]取的焊
式中取管箱筒体材料E=1.91x10°脚高保守确定。结果表明,周向应力远小于隔膜
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