带凸形封头非标平焊法兰的设计方法

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由于凸形封头具有制造简便、重量轻等优点，带凸形封头法兰广泛应用于端部可拆连结结构中。按GB15o-1998《钢制压力容器》(以下简称GB150)规定：封头和法兰单独进行设计时，不考虑两者间的相互作用。

文献1计算结果表明：如按照GB150进行设计，有可能导致法兰的厚度偏大，封头的厚度偏小，使得封头与法兰的连接区域由于刚度相差过大，造成应力状态不甚理想。并且，由于法兰往往采用锻件，过大的厚度裕量将使得产品成本增加较多。特别是对于-些非标法兰和凸形封头的联接结构，由于GB150对其设计没有明确的规定，使得设计人员遇到了很多问题.目前较为常用的设计方法是在认大安全裕量的前提下，将法兰和封头当作标准件单独进行设计。这种设计方法没有完善的理论依据，可能造成法兰和封头的安全裕量过大，也可能造成结构强度不能满足工作需要。

本文以带陕开门的喷气燃料过滤分离器的密封装置为例，对带凸形封头的非标平焊法兰进行整体有限元分析，采用分析设计中应力分类的方法进行。并且，与按 GB150将带凸形封头的非标法兰与封头单独设计的方法进行比较，研究凸形封头和法兰的强度是否满足工作需要；对于刚度相差较大的凸形封头和法兰的联接区域，研究封头和法兰厚度的变化对其局部应力状态的影响及如何改善其应力状态；如何对封头和法兰进行整体优化设计，降低凸形封头与法兰的连接区域的应力强度，提高经济效益。

1有限元应力分析模型图 1是带快开门的喷气燃料过滤分离器的密封装置结构示意图，主要由标准椭圆形封头、上法兰、下法兰和简体四部分组成。封头与上法兰采用焊接结构，上、下法兰通过螺杆和销钉连接，内压产生的轴向力由螺杆承担，下法兰上有密封槽，密封槽内放置 O形密封圈，通过螺杆的预紧力进行密封。

该系列喷气燃料过滤分离器的设计温度为5O℃，介质为喷气燃料，椭圆形封头的材料为 16MnR钢板，上法兰的材料为 16MnⅡ级锻件，按GB150的规定，本次设计所选用的16MnR钢板和 16MnⅡ级锻件的设计应力强度分别取S 170MPa和 S.150 MPa。

带椭圆形封头的齿啮式快开容器的工作周期主要由加压、保压和卸压三个过程组成，由于工作周期较长，在使用寿命内不考虑疲劳问题。保压阶段压力基本稳定，加、卸载速度不快，不需要考虑加载速率的影响，上法兰和简体采用特殊的螺栓联接结构，上法兰不是严格的轴对称结构，但齿沿圆周方向均匀间断分布，且齿数为偶数，因而可以处理为广义轴对称问题，为减! 十算工作量，以纵向截取的螺栓孔中面及相邻两螺栓孑L的中面所包含的实体(即沿圆周方向柔构的 //56)作为研究对象，有限元模型如图2所示。

1.椭圆形封头；2.上法兰；3.螺检4下法兰：5.筋板：6.筒体图1喷气燃料过滤分离器密封装置结构图图2带凸形封头的非标平焊法兰有限元模型椭圆形封头、上法兰内表面及下端面上密封圈中径以内的区域，受均布内压的作用，根据广义轴对称问题的特点，有限元模型中两边界纵向截面上所有节点的周向位移取为零，考虑螺母对法兰的紧固作用，取法兰上表面螺栓孔缺口与法兰螺栓圆的交 的轴向位移为零，其位移边界条件如图3所示。

2应力分类评定2.1应力分类由于上法兰为非严格轴对称结构，圆周方向各纵向截面上的应力- 58-C图3位移边界条件示意图 图4应力评定线分布并不同，通过螺栓孔的纵向截面上的应力强度要大-些。因此，在该截面上选择应力分类评定线，分别对凸形封头、法兰、封头与法兰连接处的应力进行评定，评定线AA、BB和C 的位置如图4所示A-A应力评定线上的薄膜应力为-次总体薄膜应力，其强度用 Sml进行限制.在 B.B应力评定线上存在由内压等外载荷引起的-次局部薄膜应力，其强度用 Sml限制；在 BB应力评定线上还存在由边缘效应而引起的弯曲应力，属于-0rj力，它与-次局部薄膜应力之和的强度用3Sml限制；这两个应力限制条件要求同时满足.c-c应力评定线上的平均应力按-次总体薄膜应力处理，其强度用Sm2限制；该应力评定线上的弯曲应力，主要是由于平衡外载荷而引起，属于-次弯曲应力，它与薄膜应力之和的强度用 1.5 Sm2限制；这两个应力限制条件也要求同时满足.该产品使用寿命内不考虑疲劳问题，所以对各条应力分类线上的峰值应力不进行评定将应力分量沿各应力评定线进行处理后的应力分类如表1所示。

表 1应力分类健 氍 熬 应力舶类型 符号2.2应力评定按照文献[3，4耐以上各种应力类型及其组合进行应力强度评定。

对于-次总体薄膜应力强度(P )：P ≤1.0S (1)对于-次局部薄膜应力强度(P )：PL≤1.5S (2)对于-次薄膜应力(总体或局部)加-次弯曲应力强度(P n(PL)Pb)：Pm(PL) ≤1.5S (3)对于-次加二次应力强度(PoQ)：PmQ<3.0S (4)式(1)-(4)中，s 为材料的设计应力强度，MPa应力评定线上的各类应力强度应同时满足其许用极限3结束语3.1按常规设计方法将凸形封头与非标平焊法兰单独进行设计，其组合结构各应力评定线上的应力均能满足强度要求，但封头和法兰的匹配性差。

3.2改变封头和法兰厚度均可改变其连接处的应力状态，但封头厚度变化对其影响较大，适当增加封头厚度，有利于改善联接处的受力状况。

3.3针对非标法兰和凸形封头设计时存在的问题，提出了将凸形封-、， I 科 技 创 新 2013年第17期l科技创新与应用空气冷却器的研究与应用陈晓环(哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈 尔滨 150078)摘 要：近些年来，随着我国经济的快速发展，渐渐出现能源短缺问题，为了节约资源，促进经济持续、降发展，我国逐渐研制和引用了-些新技术、新设备，其中空气冷却器的使用就是-个很好的例子≌冷器作为-种特殊的冷换设备，在石油化工行业起着举足轻重的作用。它主要是利用空气作为冷却介质，在工作过程中发挥作用。因此，文章主要从空气冷却器着手，分别对空气冷却器的概述、空气冷却器在工艺过程中的应用以及空气冷却器使用中存在的不足三方面对其进行探讨，以供参考。

关键词：空气冷却器；工艺过程；应用；不足前言空气冷却器主要是将取之不尽的空气作为冷却介质，降低水资源的浪费，在石油化工行业起着举足轻重的作用。目前，我国的很多领域都已经应用了空气冷却器，实践证明，效果良好。由此可见，空气冷却器的发展前景十分光明。但是它在工艺过程中的应用，并不是十全十美、没有遗憾的，还存在-些不足。为了加深对空气冷却器的了解，接下来就对其在工艺过程中的应用进行论述。

1对空气冷却器的概述1.1空气冷却器的定义空气冷却器(air cooled heat exchanger)l 空冷器，以空气作为冷却剂将热流体进行冷却的换热器。管内的热流体通过管壁和翅片与管外空气进行换热。它可以用作冷却器，也可用作冷凝器≌气冷却器所用的取之不尽的空气是由通风机供给的，热流体在管内流动，空气在管束外吹过，但是由于换热所需的通风量很大，而风压不高，故多采用轴流式通风机。

1-2空气冷却器基本结构空气冷却器大致由四部分组成，分别是：管束、风机、百叶窗、构架。

每部分都负责不同的任务，发挥着不同的作用。管束是空冷器的主要部分，有着自己独立的结构，管束由翅片管、管箱和框架组成，可以完整地在空冷器构架上进行装折。管束是换热的中心部件，起到换热的作用。

而且对管内外传热系数影响最大的是其中的翅片管的型式以及排列方式。风机有两种：自动调角风机和手动调角风机。它是强化管外传热的关键部件，也是强制空气流通的设备，起到强制空气流通的作用。百叶窗不但可以调节风量，还可以保护翅片管。

2空气冷却器T.-Z过程中的应用2.1空气冷却器种类空气冷却器种类-般分为三种：-是按照冷却方式可以分为干式空冷、湿式空冷、干湿联合空冷。其中干式空冷器可分为水平式、斜顶式、水平立式和直立式等；湿式空冷器可分为水平立式和立斜式等。干式空冷器是空冷器的基本型式，湿式空冷器和干--湿联合式空冷器是其发展型式。二是按照通风方式可分为鼓风式、引风式和自然通风式。三是按照管束布置方式可以分为立式、水平式、斜顶式等。

2.2空气冷却器适用的范围空气冷却器可用于冷却或冷凝，广泛应用于炼油厂、石油化工厂冶金、动力、电站等行业冷却系统的冷却和冷凝。如：炼油、石油化工塔顶蒸汽的冷凝；回流油、塔底油的冷却；各种反应生成物的冷却；循环气体的冷却和电站汽轮机排气的冷凝。

z3空气冷却器最佳选择依据对于空气冷却器形式的选择要依据冷却温度而定，如：当热流温度由75C冷却到比湿球温度高 5-6C，选用湿空冷效果最佳；当热流温度冷却到比干球温度高 15C以上，选用干空冷效果最佳；当热流温度冷却到上述两者之间，选用干空冷和湿空冷均可。

2.4对组成空气冷却器的元件的选择2.4.I翅片管型式选择。目前，使用的翅片管型式有椭圆管、LL型绕片管、矩方型翅片管、L型绕片管等、DR型轧制翅片管，由于翅片管的翅片与基管的接触睛况会严重影响传热的效果，因此，在选择翅片管时-定要仔细，选出传热性能最好的、最能达到要求的翅片管。在这些翅片管中，DR型轧制翅片管使用的频率较高，因为它同其它翅片管相比具有传热系数较大、翅片强度高、翅片效率高、翅片与基管结合紧密等优点。由此可见，对于翅片管的选择要慎重。

2.4.2对风机的选择。风机是空气冷却器的重要组成部分，是强化管外传热的关键部件，也是强制空气流通的设备，因此，对于风机的选择也不能马虎大意。根据风机的位置，空冷器可分为鼓风式和引风式两种。鼓风式和引风式风机安装的位置有所不同，其中鼓风式风机和传动杯构置于管束下方，材料使用寿命较长，但是容易造成热风循环。而引风式风机则相反，置于管束上方，这种风机的使用会大大降低热风循环的可能性，但是对于材质的要求是要有较好的耐热性能。由此可见，两种风机各有利弊，因此，在选择时，-定要慎重。实践证明，所用的空冷器中，干空冷水平管束采用鼓风式，而湿空冷立式管束则相应的采用引风式时效果是最佳的。

2.5空气冷却器的作用2.5.1节约资源≌气rZ-p器起到的第-个作用就是节约资源。它主要是以空气为冷却介质，同水冷却器相比，在工作过程中，大大的降低了装置的能耗，同时也减少了循环水用量，节约了我国的水资源。

2.5.2经济洼较高。经济陛主要体现在两方面：-是虽然空气冷却器造价较高、工作中热耗率也很高，但是从长远利益看，我国水资源El益紧张、水价不断提高、而且受到环保要求的限制，使用空气冷却器不但可以降低耗水量，也可以保护环境。因此，可以说使用空气冷却器是十分明智的，而且经济性较高。二是空冷器并不是用于何处都有利的，需要做到因地制宜考虑情况。如：在使用空气冷却器时-定要考虑冷却水侧污垢系数、管内侧给热系数、管内侧容许压力降等，在这些方面都有明确的规定，并且要严格按照规定进行使用，才能达到追求的效果，否则会产生消极作用，经济胜也会降低。

3空气冷却器使用中存在的不足近些年来，随着经济的发展，工作的需要，石油化工行业中大量使用空气冷却器，而且实践证明，效果显著。但在使用中还是存在-些问题，需要改进，可见空气冷却器还有很大的创新、发展空间，还是需要进- 步完善的。其中存在的不足主要体现在：耗电量、噪声和占地面积均大，冷却效果受气候变化影响较大。

4结束语目前，石油化工行业中大量使用空气冷却器，它的使用不但节约了水资源、降低耗水量，而