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塔挂换热器的设计  

2013-12-04 10:57:33|  分类: 压力容器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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这个项目有很多塔挂换热器的设计,换热器的重量从5吨到260吨。做整个项目的过程中,对这种结构的设计有了更深刻的认识。现在对如何保证强度,保证刚度,保证安装方便,保证运行平稳,设计出合格,合理,可靠的结构做一个总结。
对于这种结构的优点主要是占地面积小,结构紧凑,如果换热器较高,无需搭结构框架,比较省费用。另外当热胀冷缩时,会和附塔一同膨胀,热膨胀量较小。
这种结构的缺点有,设计困难,由于设备专业或者说是制造单位对于结构设计的知识有限,无法精确的知道梁的设计,无法设计合理的结构。安装困难,由于塔和换热器是直连,没有管道过度,如果有偏差将很难通过管道来调节。而梁,上下管口,导向之间都要对准,加工精度往往无法保证。厂家预组装是卧式的,而现场安装是立式的,立式的本身有挠度,给安装进一步造成困难。还有就是当设备本身就非常重(大于100吨),支撑梁给塔造成非常大的局部应力,往往无法通过加大补强圈来弥补,需要整体加厚筒体壁厚,造成设备费用的大幅度上涨。当出现这种情况,如果换热器的高度不高,建议最好能够给换热器搭框架,既能节省费用,也能规避前面所提的各种缺点。
那么应该如何设计出合理的框架结构呢?
总体的设计注意3点,一为框架设计,一为局部应力计算,一为合理的结构设计。
第一:框架的计算使用通用的结构计算软件PKPM或者STAAD。对于重量较重的设备建议梁的允许挠度值控制的较小,按照结构的要求一般为1/400,但是这种结构,建议将挠度控制在1/1000。应该为制造施工安装误差留下挠度余量。挠度过大也会在运行的过程中给管口过大的局部应力。
第二:局部应力一个来自于梁对设备本体造成的局部应力。局部应力的六个应力分量在结构计算软件中是有结果的,但是这六个分量无法直接使用,需要力的分解。得到6个应力分量后,将其代入sw6或者pvlite软件按照WRC107校核的。局部应力的另一个来源是管道载荷,由于整个换热器挂在塔上,塔与换热器的连接管口的载荷是需要设备来计算的。管口的载荷分量一般来自于热应力,还有一部分来自于梁的无法避免的挠度造成的管口应力,还有就是安装误差造成的应力。由于一般来说无法确定真实的载荷究竟是多少,所以在设计时,应该加大余量。热应力的计算可以手算,也可以通过caesar II软件计算。梁的挠度造成的管口载荷可以通过力的分配来手算,比如换热器安装空重下挠度为1mm(管口无载荷),操作下挠度为4mm,那么有3mm的挠度将会作用在管口上。那么需要将设备的重量按照一定比例作用在管口上。用caesarII来模拟会更精确。如果设备本身挠度非常小,那么可以忽略不计。如果换热器本身有弹簧支座来支撑,那么这个应力也可以忽略不计。
第三:合理的结构设计。对于大型的悬挂式换热器,合理的结构设计显得尤为重要。计算安全了,没有合理的细节结构来保证,实际上也是一个失败的设计。下面是设计中出现的问题,以及设计应该采取的措施。
1. 由于塔和换热器的支撑梁是无法整体焊接到塔上,支撑梁是螺栓连接,断开的,并分开运输到现场,再在现场组装。这个连接结构的设计就非常重要。连接结构建议采用如下结构:这种结构的优点在于将梁的各个方向都用螺栓连接,连接板的惯性矩大于2倍的梁本身的惯性矩,抗弯性能都要大于原来的结构。所以采用这种结构,连接部分的板是无需计算的。但是连接螺栓是需要核算的,螺栓只有1半或者1/4承受载荷。螺栓的设计余量保证。
塔挂换热器的设计 - vcad2013 - VCAD的博客
2. 连接结构的螺栓孔设计。对于大型设备,不建议为了安装方便采用圆孔配长圆孔。最好都用圆孔。因为一旦有长圆孔可以调节,那么在安装过程中,将会使梁沿着螺栓孔下沉,造成挠度过大。即使设计时挠度非常小,安装后挠度会大大大于计算书中的挠度,结构变的不安全。此梁和连接板的结构采用配钻最好,万一个别装不上去,现场再单个扩孔。
3. 连接结构的梁间隙设计。由于一部分梁是焊接在塔上,另一部分是活动的,现场组装。为了控制安装挠度,此间隙越小越好。小的好处是连接板螺栓受力情况好,梁的挠度非常小。间隙越大,连接板越容易拱起,连接板由受压受拉变成还受弯曲,而平板受弯曲是最不合理的结构。螺栓的受力也从受剪变成既剪又拉。对于大型换热器,建议梁的间隙控制在<=3mm。两个梁的连接面机加工,粗糙度12.5~25,保证期垂直。控制好间隙后再配钻连接板的圆孔。
4. 大型的梁可能是工厂用板材焊制的,一定要保证水平度,梁本身的水平,2个梁之间的水平都要保证,否则换热器将无法水平放置,非常危险。水平度是必须要检测的,而且应该从严要求。
5. 导向也是必不可少,导向可以采用长圆孔,缓解其热应力。导向之间的导向板接触面最好能覆盖一层特氟龙板,减少摩擦,能够上下顺利的膨胀。导向一般来说是不受力的,计算时不用考虑其受力情况。它的大小与梁大小差不多即可,一个或者两个决定于设备重量。
6. 斜梁的连接应该采用端面垂直结构,而不是重力垂直结构,如下图,重力垂直方向上会有力F的分解分量F1和F2,使本来不受力的连接板和受力情况单一的螺栓孔变成受力情况复杂恶劣的结构(连接板受剪受弯)。
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7. 连接板中间的螺栓孔之间的间距不要太大,如图所示,太大会造成力固定端到间断点力臂过大,对板和螺栓产生不良影响。
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8. 换热器本身过重,为了方便换热器的热膨胀,可以选择在换热器底板和梁侧分别热衬特氟龙板。特氟龙板的受压面积需要根据其抗压强度计算,然后再设计梁和耳座的接触面积。如果需要增加梁的面积可以在耳座局部增加,无需增加整个梁的宽度。
9. 设置合理的加强结构。比如梁与耳座,梁与梁相连的地方设置加强筋,梁如果撑在裙座部分,在裙座内部加支撑型钢。
10. 工厂试组装。对于这种设备,工厂试组装是必须的,试组装前应该测量好装配尺寸,梁连接部分的东西应该预焊好,起码得点焊上去,并考虑一定的现场组装的挠度。换热器底板与梁在保证水平的基础上,如果有间隙需要配备垫板,如果有任何连接困难的地方,一定要在工厂弄好,因为在现场整改实在是太难了。现场发现在工厂预组装过在现场还出现的问题,比如梁的螺栓孔与换热器耳座螺栓孔对不上,两个同边梁,耳座底板下的特氟龙没有黏贴上去等等。
11. 其他问题。比如螺栓孔太靠梁边缘,造成螺母露在梁外面,螺栓长度不够,斜梁与设备的管口干涉等等。
设计阶段最好能够将在制造,安装,运行过程中将会出现的问题,失误等等预先考虑。这样设计出来的东西不仅安全,而且方便,美观。
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工厂预组装
 
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现场组装
 
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