大直径中压钩圈式浮头法兰的设计

第 54 卷第 4 期2017 年 8 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPING V ol. 54　No. 4Aug. 2017

大直径中压钩圈式浮头法兰的设计

陆嘉懿

（上海寰球工程有限公司，上海 200032）

摘 要：简述了在中压设计工况下，大直径钩圈式浮头换热器的浮头法兰设计要点，主要包括：计算需考虑腐蚀前后两种状态；钩圈和浮头垫片的选型；超设计标准适用范围时结构参数b 、b 1、b n 数值的确定；浮头法兰双头螺柱规格及数量的确定等，着重介绍了运用SW6计算程序试算并通过方案比对来辅助确定l （球冠形封头焊入浮头法兰深度）的合理取值，从而完成浮头法兰外径和厚度的优化设计。为今后类似设计提供借鉴。

关键词：钩圈；浮头法兰；大直径；中压；换热器

中图分类号：TQ 050.2；TH 122 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2017）04-0010-004

收稿日期：2017-05-03

作者简介： 陆嘉懿（1984—），女，上海人，工程师。主要从事压

力容器设计工作。

随着我国科技与工业的飞速发展，化工和石化产品的生产装置在不断大型化，如乙烯装置已由原来的几万吨、几十万吨发展到目前的上百万吨规模。装置生产规模的大型化使得压力容器结构尺寸大型化。在压力容器中占较高比重的换热器，其设计发展趋势为大型、高效、紧凑。为了适应设备大型化及高参数的要求，国内现行标准GB/T 151—2014《热交换

器》 [1]（以下简称GB/T 151）适用范围较前版已有所

扩展，但标准中对浮头换热器结构设计提供具体参数的换热器公称直径仍限于DN2 600 mm 。因此对于

内径超过上限的浮头换热器的设计更需慎重和优化，设计原则应为在满足工艺要求和制造要求的前提下，尽量实现安全性与经济性兼顾。本文设计对象为近期某项目乙烯装置中，管壳程设计压力为中压，壳程筒体内径为2 700 mm 的钩圈式浮头换热器，主要就其浮头法兰的设计要点进行阐述。

1 主要设计参数

1.1 工艺参数

浮头换热器的主要工艺参数见表1

。

1.2 腐蚀裕量

浮头盖计算需考虑腐蚀前和腐蚀后两种状态，相关零件腐蚀裕量可按下列原则确定：球冠形封头考虑双面腐蚀；浮头法兰内径方向考虑腐蚀，外径不考虑腐蚀；浮头法兰厚度考虑双面腐蚀；浮头法兰双头螺柱腐蚀裕量取1 mm 。

2 钩圈形式与垫片形式

2.1 钩圈形式

A 型钩圈（图1）为传统的结构形式，其厚度计算公式是活套法兰的计算式，因其分为两半，所以厚度为整体活套法兰的2倍，加工要求低，但过大的结构尺寸会造成双头螺柱长、刚性差，同时会在浮头端造成介质停滞区，减少了有效换热面积。

B 型钩圈（图2）的计算公式是经过验证的经验

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公式，其优点是钩圈抱紧浮头管板外缘，钩圈刚性好，双头螺柱短，钩圈薄、浮头停滞区相对A 型要少，但加工要求高，需要保证浮头管板外径和钩圈内径0.4 mm 的径向间隙，同时保证颈部承受剪切载荷的30 mm 厚度。 [2]

相比之下，B 型具有质量轻、结构紧凑、有效换热面积较大的特点，目前已广泛成功使用。因此宜选用B 型钩圈。

mm 对应数值的基础上适当上调。其中垫片接触宽度b n 取值还应结合以下几点综合考虑：

（1）GB/T 151表6-5的推荐值。

（2）GB/T 19066.1—2008《柔性石墨金属波齿复

合垫片 尺寸》 [3]

中相近筒体内径及压力等级对应的垫

片宽度。标准系列尺寸为综合各项因素制定且经工程验证的数值，具有一定的参考价值。

（3）工艺条件要求的布管限定圆直径D L 。可根据公式D L = D i - 2 ( b 1 + b n + 1.5 + b )倒算出允许的b n 最大值。若计算结果小于GB/T 151表6-5规定的最小值，则可在工艺允许的前提下，适当减少换热面积设计余量以缩小布管限定圆，使调整后的b n 不小于表6-5规定的最小值。

（4）考虑腐蚀后的b n 不小于表6-5的最小值。综上所述，可取b =5 mm ， b 1=8 mm ， b n =32 mm 。其余结构尺寸如浮动管板外径、浮头法兰及钩圈内径

等可在此基础上由GB/T 151中相关公式计算得出。

4 双头螺柱规格及数量

为了对称上紧，螺柱个数应取偶数，最好为4的倍数。螺柱数目多，垫片受力均匀，密封性能好，而螺柱数目过多，拆装麻烦，螺柱间距不满足扳手活动空间，造成无法上紧，应至少满足GB

150.1~150.4—2011《压力容器》 [4]

（以下简称GB 150）

中表7-3的螺柱最小间距L

|要求；若螺柱尺寸过大（一般M48以上），则需要使用液压上紧装置，并就上紧操作空间放大法兰相应结构尺寸，操作不便且不经济，设计时应综合考虑上述因素，优化设计。

浮头法兰垫片槽外径到螺柱孔外缘最近径向距离一般取6~7 mm ，设计时可在此基础上，由小到大对螺柱规格进行假设，确定螺柱中心圆直径，并根据L

|得出可布置的该规格螺柱数量上限，通过多次试算比对，选取合理方案。浮头法兰的设计应考虑腐蚀前后两种状态，鉴于螺柱实际受力复杂，可将腐蚀后的实际螺柱面积与腐蚀前需要的螺柱面积进行比较，并建议保留15%的设计余量。由表2的试算结果可见，M36×104满足要求。

5 浮头法兰外径及厚度设计

5.1 浮头法兰外径

小直径低压浮头法兰，有配套外头盖法兰、外头盖侧法兰等零部件标准可直接选用，

一般其外径

图1 A 型钩圈

Fig.1 Floating head backing device （style A ）

图2 B 型钩圈

Fig.2 Floating head backing device （style B ）

2.2 垫片形式

柔性石墨金属波齿复合垫有一定的压缩量和回弹量，能满足石油化工领域高温、高压及易腐蚀场合，使用周期寿命长，且无易散架等本质缺陷，可节约一定的资源和成本。根据以往使用经验以及对制造厂的设计回访，较大直径浮头法兰垫片若采用金属包垫片，水压试验时容易发生泄漏，金属缠绕垫因需要设置内外环，继而扩大浮头法兰结构尺寸，而波齿垫综合应用良好，可优先选用。

3 主要结构参数b 、b 1、b n 取值

GB/T 151表6-4和表6-5中结构参数b 、b 1、b n

取值对应设备壳程圆筒内径上限为2 600 mm 。本设备内径已超上限，可参照表中数值，在内径2 600

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