空氣電加熱器管板結構設計以及管板強度計算 - 揚州達瑞電氣有限公司
空氣電加熱器管板結構設計以及管板強度計算
分析一臺空氣電加熱器上的管板的溫度情況，合理設計管板結構設計以及管板強度計算。此臺空氣電加熱器的設計壓力為MPa 2.0，設計溫度為440℃，介質為空氣，電加熱功率為1200KW，主要受壓元件材質16Mn，Q345R。
空氣電加熱器管板相當于U形管式換熱器的管板（無管箱和隔板），管板上的管孔直徑為Φ22.5 mm，每個管孔中的焊接一段規格為Ф22×2.5 mm的套管，U形管式電熱元件直徑為Φ16 mm，電熱元件從套管中伸出，進入設備頂部的接線倉，電熱元件與套管的外端面之間采用密封焊。電熱元件從接線端至管板下面的隔熱擋板之間的一段為不發熱區。管板上的管孔采用同心圓分布，從最外圈向內每相鄰兩圈的布孔圓上的管孔數相等，U形管式電熱元件跨穿在該相鄰兩圈的管孔內，最內一圈6個管孔用3根長度不等U形管式電熱元件梅花狀交叉穿入。中心孔內裝配熱電偶套管。
根據容器的設計壓力P=2.0MPa，設計溫度t=440℃，容器法蘭的材質為16Mn鍛件，按NB/T47020~47027-2012《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》規定，容器法蘭選用公稱壓力為PN4.0的長頸法蘭，法蘭外徑Φ1215 mm，螺柱規格M30，數量48件，螺柱材質35CrMoA，墊片采用纏繞墊。按上述條件及參數用計算軟件計算管板的的厚度，得到設計厚度為δ=124 mm（其中平蓋危險徑向截面上各開孔寬度之和為Σb=420mm）。
由上述計算結果可知，如果管板按容器的設計溫度計算，該管板的設計厚度是比較大的。但是，150℃的氣體從容器上部接管進入容器后向下流動，被電熱元件加熱，溫度升高，加熱結束后溫度升到420℃，并從容器下部接管流出。在這個過程中，氣體的溫度是逐漸升高的，剛進入容器上部的氣體，尚未被加熱，與氣體接觸的管板及容器法蘭的溫度只有150℃左右，而且管板下方還有2層擋板，起隔熱作用。筒體的溫度從氣體進口端到氣體出口端，是由150℃逐漸升高至420℃的。由此可知，將該管板的設計溫度取與容器殼體相同的設計溫度進行設計是不合理的。根據該電加熱器的結構及使用工況，我們認為可以將管板的設計溫度降低，無必要取容器殼體的設計溫度。HG/T 20580-2011《鋼制化工容器設計基礎規定》第5.0.1條第4款規定，當容器各部分在工作情況下的金屬溫度不同時，可分別設定各部分的設計溫度。考慮到筒體的熱傳導及電熱元件的傳熱，使管板的溫度高于氣體的溫度，這一溫差估計在30℃左右。所以管板的實際溫度大約為180℃，再考慮一定的設計余量，管板的設計溫度取200℃是安全的。容器法蘭與管板為同一情況，其位置也是在低溫氣體進口的上部，實際溫度不會高于200℃，所以容器法蘭的設計溫度取200℃應當是安全的。當容器法蘭的設計溫度取200℃時，法蘭的公稱壓力可以選用PN2.5，法蘭外徑Φ1195 mm，螺柱規格為M27，數量36件，螺柱材質為40MnB。將上述條件及參數用SW6計算軟件重新計算，得到管板的設計厚度為δ=88 mm。通過上述分析和計算，根據電加熱器的工作情況，分別設定殼體、管板及容器法蘭的設計溫度后，管板的設計厚度從124 mm降至88 mm，明顯減薄了管板的厚度，降低了材料的消耗。當然，如果一臺容器上各受壓元件分別設定了不同的設計溫度，在設備總圖上的設計數據表中，應該將不同的設計溫度對應的主要受壓元件列出。
對于電加熱器這種壓力容器，因為介質的溫度從進口到出口是逐漸升高的，殼體各部分
的金屬溫度不同，所以在進行強度計算時，處于低溫區域的受壓元件，如果按容器的設計溫度計算，所需的厚度較大。可以根據工作情況，分別確定該元件可能達到的金屬溫度，并設定其設計溫度，然后計算該元件所需的厚度。
本文所述的空氣電加熱器，裝配電熱元件的管板都是在低溫區域的，即低溫氣體是從靠近管板的位置進入電加熱器殼體的，如果氣體進出口的溫差較大，分別設定管板與殼體的設計溫度，則管板的設計厚度可以明顯減小，既可減少材料消耗，又可縮短管板的金加工時間特別是管孔的鉆孔時間。
