管壳式余热锅炉的设计与计算资料.docx

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管壳式余热锅炉的设计与计算资料

管壳式余热锅炉的设计与计算

内容摘要通过对管壳式余热锅炉的结构分析和主要元件的设计计算，以确保设计制造质量和安全为前提，结合在硫回收装置项目中所汲取的经验，浅谈管壳式余热锅炉的设计与计算。

关键词管壳式余热锅炉结构设计计算挠性管板换热管拉撑结构

目前，管壳式余热锅炉的设计回收越来越受到有关方面的重视。

这一方面是由于充分回收利用能源的必要性，而更重要的原因是，随着国家经济的迅速发展，环境保护日益受到重视。

能源的需求日益增长，大量的化工企业排放出来的尾气和废气如何有效利用的问题也逐渐被重视起来，管壳式余热锅炉因其结构简单、制造方便等优点，而得到越来越多的应用。

装置的重要性越来越高，装置的参数也越来越高，装置中所用的管壳式余热锅炉作为装置中最重要、工作条件最苛刻的工艺设备，其设计水平的高低也直接制约着装置的安全运行与回收效率。

一．余热锅炉的特点及原理

余热锅炉是综合利用工业炉余热的一种辅助设备，一般安装在烟道里面，吸收排放烟气的余热（或叫废热）产生蒸汽，并使烟气温度降低。

通过由汽包和卧式挠性固定管板管壳式锅炉所组成的余热锅炉，形成高温工艺气体在管内流动，水在馆外的锅壳中流动，热量通过罐壁传递给管外的水，这样的结构类似于管壳式换热器。

余热锅炉与一般锅炉的区别就在于，余热锅炉是不需用燃料，而是利用烟气余热来产生蒸汽的锅炉，因此虽然一次投资较大，但若蒸汽能充分的利用时，则其投资最多在4～6个月内就能回收。

相对一般锅炉来讲，因余热炉烟气温度低，故要求的受热面积要比一般锅炉大很多。

余热锅炉还有如下特点：

1. 热负荷不稳定，会随着生产的周期而变化。

2. 烟气中含尘量大。

3. 烟气有腐蚀性。

4. 余热锅炉的安装会受场地条件限制，另外还存在如何与前段工艺的配合问题等等。

二．管壳式余热锅炉主要受压元件的设计和计算

图1

到目前为止，国内实际投用的管壳式余热锅炉其设计压力大多数没有超过6.4MPa。

因此，在国家颁布的保准SH/T3158-2009《石油化工管壳式余热锅炉》中将最高设计压力定为6.4MPa，可满足多数余热锅炉的设计的需要。

当超过此设计压力的范围时，可对管板进行温度场和应力分析计算。

根据TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，管壳式余热锅炉属压力容器的范畴，其受压元件应按压力容器相关标准规范进行设计、制造及验收。

SH/T3158-2009《石油化工管壳式余热锅炉》所设计的如设计温度，许用应力，选材原则等问题都是在GB150，GB151基础上，参考了SH/T3074和GB/T16508等标准作出了较为详细的补充规定。

SH/T3158-2009的颁布也解决了国内对于余热锅炉没有相应标准和规范所带来的一些问题，比如按压力容器与锅炉并存的设计、管理体系，导致设计与质量技术监督部门之间产生了争议，给设计、管理造成了很大困难。

下面对管壳式余热锅炉的一些主要部件的设计和计算，做一个系统的论述和介绍。

1.筒体及封头的设计和计算

余热锅炉的筒体及封头的结构及计算可按照GB150-1998《钢制压力容器》计算并校核。

壳体开孔根据具体开孔尺寸按照GB150进行开孔补强计算结果考虑是否需设置补强圈，此外，宜选用厚壁管或整体补强锻件补强，也可以采用增加筒体或封头的厚度的补强形式。

2.折边挠性管板的计算

在余热锅炉上采用挠性薄管板的结构，主要特点有：

1）它除了承受内压之外，还能补偿和平衡换热管同壳体之间的温差应力。

2）由于采用薄管板，在一定程度上提高了热效率，而管板本身的温度差极小，从而减少了管板在工作中的内应力。

3）减轻了余热锅炉的重量，改善了管板同管子连接的受力型式，且全部采用焊接，减少了胀接工序，能减少投资，降低成本。

对于挠性薄管板壁厚的计算，到目前为止尚无统一的计算公式，其主要原因是影响管板的强度因素较多，除了众所周知的压力、温度、设备直径等因素外，还有两个因素起决定性的作用。

第一，管板上孔桥大小的影响（包括管板材料的物理性能）。

一般情况下，孔桥越大（管中心距大），管板的厚度要增加，反之则减少，这主要是换热管弹性支撑作用影响的结果；第二，管程与壳程之间温差的大小，是影响管板转角处温差应力的主要因素。

第二个因素同第一个因素是相互矛盾的，增加管板厚度，虽然孔桥处的应力降低了，但管板转角处的应力缺增大了。

因为管板厚度增加，其可变形能力变差，引起应力增大。

通过在资料收集学习当中，了解到，一些专业人士进行有限元应力分析计算发现，当管板厚度达到一定值以后，转角处的应力就无法满足评定标准的要求了。

所以在确定管板厚度的时候，必须根据设备的不同条件进行综合分析，采用试算法在有限元应力分析合格的条件下再稍加余量，就可以满足强度要求。

切不可认为，增加管板厚度就安全。

大多数情况下，增加厚度等于增加了危险。

对于设计压力小于等于2.5MPa的折边挠性管板的计算，完全可以按GB/T16508-1996《锅壳锅炉受压元件强度计算》的要求进行设计计算，GB/T16508-1996标准之所以将压力限制到2.5MPa，主要是考虑目前我国运行的锅壳式锅炉的额定蒸汽压力（表）一般都不大于2.5MPa的实际情况而定的，这不说明标准中管板计算公式不适用于大于2.5MPa的设计压力。

采用GB/T16508进行计算应注意一下问题：

1）在任何情况下管板、换热管和中心管的计算壁温不得小于250℃。

2）管板过渡段的折边内半径r必须满足GB/T16508的要求。

通过应力分析得知，管板最大应力位于管板过渡段折边外半径的表面。

3）当设计压力大于2.5MPa时，需满足如下要求：

a.必须进行换热管与管板连接的焊缝剪切强度及轴向稳定性校核。

b.换热管与管板采用强度焊或强度焊加贴胀连接。

标准SH/T3158-2009《石油化工管壳式余热锅炉》规定了，规范只适用于设计压力不大于6.4MPa，管板和换热管的计算是参照GB/T16508-1996标准中的有关内容加以整理而来。

国内的一些公司按照GB/T16508-1996也曾经做过4.3MPa、4.5MPa、7.2MPa的管壳式余热锅炉折边挠性管板的计算来确定厚度，同时采用应力分析法进行应力分析计算，证明GB/T16508-1996用于压力较高的管壳式余热锅炉管板计算校核无问题。

英国BS2790《焊接结构锅壳式锅炉设计制造规范》中对设计压力没有限制；欧标EN12593《锅壳锅炉》规定设计压力不超过40bar（4.0MPa），但再注中写到：

“本标准的规则同样适用于大于上述压力下运行的锅炉。

不过，通常认为有必要进行附加的设计分析、检验和测试”。

综上所述，SH/T3158-2009《石油化工管壳式余热锅炉》的计算公式在6.4MPa压力范围内是可靠的。

管束区以内和以外管板最小壁厚按下式计算：

（1）

其中系数k和假想圆dJ是管板计算中相当重要的参数，它们的具体数值需要按照标准来确定，系数与假象圆也相互影响联系着。

表1系数k

系数k的选取按表1。

其中管束区以外通过三个支撑点画假想圆时，k值按表1确定；通过四个或四个以上支撑点画假想圆时，k值降低10%；通过两个支撑点画假想圆时，k值增加10%。

管束区以内画假想圆时，k值取0.47。

如果支撑点形式不同时，则系数k取各支撑点（线）相应值的算术平均值。

支点线位置按图2所示原则确定。

当管板折边与管束区厚度不同时，确定支点线位置的δe值按式

（2）计算[见图2d]。

（2）

图2支点线位置

换热管与管板应全部采用焊接连接，每根换热管的中心点均视为支撑点。

假想圆直径dJ如为经过三个或三个以上支撑点画圆时，支撑点不应都位于同一半圆周上。

如为二个支撑点画圆时，支撑点应位于假想圆直径的两端。

假想圆的画法如图3所示。

图3假想圆画法

管束区以外假想圆直径dJ应取管束区以外的最大假想圆。

管束区以内假想圆直径dJ的计算：

换热管三角形排列时，dJ=1.155b

换热管正方形排列时，dJ=

b

3换热管的计算

换热管的计算不仅仅需要进行换热管壁厚的计算，因为压力提高到6.4MPa，故需要增加换热管与管板连接焊缝剪切强度的计算；另外考虑管程压力较高时，换热管有受压失稳的可能，又增加了换热管轴向稳定校核计算。

3.1换热管壁厚的计算

在规范中规定了换热管壁厚的计算公式，其中承受内压力的管子的计算壁厚公式为：

=

（3）

承受外压力管子的计算壁厚应按（4）计算：

（4）

管束区周边换热管及管束区内换热管由支撑作用所需计算壁厚均应按式（5）计算：

（5）

这里就引出了一个新的参数A，A就是管束区周边单根换热管所支撑的面积，它等于围绕管束区周边单根换热管所画的几个假想圆中心点连线所包围面积的最大值减去单根换热管外径所占面积。

A值的确定是设计计算中非常关键的数值，后续的一些换热管计算都需要用到，管束区内单根换热管所支撑的面积A标准也提供了相应的计算公式：

换热管三角形排列时，A=0.866b2-πdw2/4

换热管正方形排列时，A=b2-πdw2/4

换热管支撑面积画法如图4所示。

图4换热管支撑面积A的近似画法

通过式（3）（4）（5）的计算，管束区周边换热管及管束区内换热管壁厚取三者中最大值，并加上腐蚀裕量和钢管壁厚负偏差，并圆整到标准规格的厚度。

3.2换热管与管板连接焊缝剪切强度的计算

换热管与管板连接焊缝剪切强度应按式（6）校核：

（6）

其中，换热管与管板连接焊缝的剪切应力按式（7）计算：

（7）

φ=0.8

3.3换热管轴向稳定校核计算

单根换热管轴向稳定许用应力按式（8）计算

（8）

在式子里，系数μ0—换热管两端为管板时取0.5；一端为管板另一端为支持板时取0.7；两端都为支持板时取1.0。

在现行标准SH/T3158-2009中，规定了支持板的相关要求和选取规格，如换热管的最大无支撑跨距、支持板最小厚度、支持板管孔直径及偏差和几种支持板的连接方式。

管子无支撑距离lk—当无支持板时取两管板间的距离；有支持板时取支持板之间的距离和支持板到管板距离的最大值。

管子回转半径

管束区周边单根换热管及管束区内单根换热管由管程压力引起的轴向压应力按式（9）计算

（9）

管束区周边单根换热管支撑的面积A取围绕管束区周边单根换热管所画的几个假象圆中心点连线所包围面积的最大值减去单根换热管内径所占的面积（假象圆的画法和定义见上文）：

换热管三角形排列时，A=0.866b2-πdi2/4

换热管正方形排列时，A=b2-πdi2/4

只有在

时，校核为合格。

当

时，可调小换热管的无支撑距离后再重新校核计算，最终换热管无支撑距离取管束区周边换热管无支撑距离与管束区内换热管无支撑距离中的较小值。

4有拉撑加固的管板计算

在标准SH/T3158-2009中，其适用范围有这么一个定义：

对未设置汽包，但壳程内有蒸发空间、管板上布满换热管的挠性固定薄管板式蒸汽发生器，其管板、换热管可按本标准进行设计。

在实际参与硫回收装置余热锅炉设计的时候，换热管在管板上为偏心设置，管板存在较大的未布管面积，因此管板的受力状态较差，需要采用较厚的管板。

而管板厚度过厚，则管板的冷热面温差将加大，由此引起的温度应力也将加大，进一步恶化了锅炉管板的受力状态，所以就需要其他方法进行补充设计，采用拉撑加固结构能够解决这个问题。

拉撑件结构可以采用直拉杆、拉撑管、斜拉杆和角撑板的形式，应优先采用斜拉杆或当空间允许的时，采用直拉杆。

拉撑件应均匀布置，使被拉撑的面积尽量相等。

拉撑件所支撑的面积A等于被拉平板上支撑点中位线所包围的面积。

支撑点中位线为距相邻支撑点等距离的连线，可近似取为相邻三个或三个以上支撑点的切圆中心和相邻两个支撑点的中点的连线，如图5所示：

图5支撑面积A的近似画法

对于直拉杆、拉撑管和普通烟管，还应将上述所画的面积减去这些元件所占的面积作为支撑面积；而对于斜拉杆和角撑板，则不减去它们所占的面积。

下图为几种拉撑结构与管板连接图

图6带垫板与无垫板的拉杆与管板的连接

图7拉撑管与管板的连接

图8斜拉杆与管板及筒体的连接

图9角撑板与管板及筒体的连接

在图6和图8中，都会发现在拉撑件端部有一个直径为φ5，长度不等的警报孔。

余热锅炉是承压装置，其拉撑件对管板起到拉撑作用，如果锅炉运行压力过高，则拉撑件有断裂的可能，拉撑件的断裂不是一次迅速的过程，而是先产生裂纹，拉撑结构打警报孔起到预警的作用，锅炉内部有压力，拉撑件断裂以后气压从报警报孔传出，发出尖锐的声音，提醒操作人员。

三．结论

通过上述对管壳式余热锅炉原理及主要元件的分析，管壳式余热锅炉所采用的设计理念与计算公式都是经过多年专业人员的潜心研究和实践经验一点点积累完善所成，设计人员应本着分析对待、安全与务实的原则合理选择相关标准规范内容，以确保产品的质量和安全性得到可靠的保障。

参考文献

1.GB150-1998《钢制压力容器》

2.GB151-1999《管壳式换热器》

3.GB16508-1996《锅壳锅炉受压元件强度计算》

4.SH/T3158-2009《石油化工管壳式余热锅炉》

5.TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》