研究「CNS9791壓力容器螺栓之固定凸緣」適用方型空氣冷卻器螺栓凸緣蓋板與封板及側板間之銲接及強度設計

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研究「CNS9791壓力容器螺栓之固定凸緣」適用方型空氣冷卻器螺栓凸緣蓋板與封板及側板間之銲接及強度設計

作者  賴俊發

作者 賴俊發

社團法人中華產業機械設備協會

 目錄

壹、前言

  Research the “CNS 9791 Bolt Flange for Pressure Vessel ” for noncircular cross section air cooler bolt flange cover plates and side plates for welding and strength design.

  空氣冷卻器熱交換器(Air-Cooled Heat Exchanger)係利用空氣冷卻熱流體的換熱器。該操作的過程中僅將管內的熱流體經由管壁和鰭片與管外空氣進行熱交換,所用的空氣通常由電動風扇機供給。空氣冷卻器可用於冷卻或冷凝且廣泛應用於煉油,及化工製程塔頂蒸汽的冷凝、塔底油的冷卻、反應生成物的冷卻、循環氣體的冷卻和電站汽輪機排氣的冷凝,因而在進行冷凝過程時會因生成各種的污垢及沉澱物,而造成空氣冷卻器頻繁經常性的拆卸清洗,為使拆卸快速便利在結構設計改變,故製造廠就有方型凸緣蓋板之設計,能利用螺栓鎖緊凸緣蓋板與封板及側板結構,以利拆卸後方便大面積的清洗及節省時間。

  本次共有兩處進行適用性的研究修改:1. 將利用CNS9791壓力容器螺栓之固定凸緣,應用於非圓型凸緣之螺栓固定方式設計;2. 將空氣冷卻器凸緣板條與封板及側板間銲接方式,是否需採完全熔合銲接進行強度計算的證明。

貳、研究動機

  危險性設備非圓形截面之角型空氣冷卻器設計一般皆採用銲接方式製作,角型空氣冷卻器在使用一段期間後需進行清洗內部,此時需將旋塞板上的塞頭螺栓(Plug bolt)全部拆除,但因旋塞蓋板上的塞頭螺栓數量非常多,又因清洗內部時無法全面清洗乾淨,而清洗後回裝旋塞板塞頭螺栓時,常因塞頭螺栓無正確鎖緊造成洩漏,若能修改成方型凸緣蓋板方式,將有利於拆解、清洗及回裝,但由目前構造標準中無針對角型方型凸緣設計方式,故需參考相關標準及規範文獻,利用電腦程式計算分析角型凸緣設計強度計書,提供業者於製造空氣冷卻器參考引用強度計算書上。

參、研究目的

  將CNS9791壓力容器螺栓之固定凸緣,引用於方型凸緣之螺栓固定方式設計,另將空氣冷卻器之封板及側板與凸緣板條之銲接方式,是否採完全熔合銲接進行強度的核算以提供可行性的依據,以利現行檢查資料、檢查方式及尺度的一致性。

肆、角型空氣冷卻器結構介紹

  製造業者於製造空氣冷卻器前須向勞動部職業安全衛生署各轄區內職業安全衛生中心,取得製造設施型式檢查合格證明中的角型製造設施型式檢查證明文件,方可實施製造。角型空氣冷卻器主要運用於石油煉製廠的原油蒸餾、真空蒸餾及加氫脫硫廠等製程,是能配合塔槽的尾氣而經空氣冷卻器進行冷凝的製程,由於利用空氣與管束進行熱交換製程,而尾氣的內容物降溫居多,降溫過程中會形成沉積物質及其他的不純物,因此於空氣冷卻器皆是採用相對稱性的排列方式,以利於管內流速相同,如此沉積物也會相對分散減小沉積,但是經過一段時間後仍是需要的停止運轉實施開槽清洗及檢查工作。

  角型空氣冷卻器的集管器結構上可分為兩種,而這兩種結構皆大同小異,主要結構上有與管束相接合的板稱管板;與板上有相對數量塞頭者稱旋塞板;上下兩片的板稱封板,一般僅有在封板上會開孔與原料管台相接;而左右兩片的板稱側板

  在旋塞板與封板及側板接合方式有分為兩種,第一種方式是旋塞板與封板及側板開槽成填角銲型式實施焊接;稱為不可拆卸旋塞板(Non-removable plug-plate)(圖1 a.不可拆卸旋塞板),第二種方式是蓋板與封板及側板形成螺栓式接合,其於封板及側板螺栓接合結構則利用填角銲方式實施銲接成形;稱為可拆卸下蓋板(Removable Cover-plate )(圖1 b.可拆卸蓋板)。

圖 1 a.不可拆卸旋塞板 b.可拆卸蓋板

  這兩種結構的方式皆有製造廠採用,但目前製造業者採用不可拆卸旋塞板形式製作者居多,經由焊接成形因不可拆卸旋塞板形式即會因在旋塞板設置與管束相對應位置的塞頭。在旋塞板上拆卸旋塞頭需花費大量時間,且於清洗空氣冷卻器內部及實施檢查後也需回裝旋塞頭,由於單座空氣冷卻器的旋塞頭數量繁多,若要完全回鎖,皆需要花費很長的時間,若沒有足夠時間給予廠商施工,經常會造成很多不可預期的事件,例如發生鎖緊施力不當造成旋塞頭螺牙損壞、鎖回後發現洩漏現象,因此業者若使用可拆卸的螺栓凸緣蓋板空氣冷卻器,能讓冷卻器內部需清洗及定期檢查工作更順利進行並可縮短歲修車時間,因而修改空氣冷卻器設計成可拆卸蓋板之組合詳如圖2 所示。

圖 2 空氣冷卻器可拆卸蓋板之組合圖

  在實際案例中可拆蓋板的空氣冷卻器,主要考量條件是為使螺栓凸緣蓋板與封板及側板使用螺栓接合,而依「CNS9791壓力容器螺栓固定凸緣」中運用圓形的凸緣結構被設計,可否應用於非圓型凸緣蓋板;另外凸緣板條與封板及側板上面銲接,在實際焊接中太多數為完全接合(圖3 a.完全熔合),現以未完全熔合方式來設計 (圖3 b.未完全熔合),本次研究案將加以考量的重點。

圖 3 凸緣板條與封板及側板相對位置 a.完全熔合 b.未完全熔合

伍、研究方式

  研究方式則利用螺栓凸緣強度計算方式來解決非圓型方型螺栓凸緣蓋板與封板及側板的凸緣厚度最小厚度問題,將封板與側板上的凸緣板條墊圈中心分為長軸及短軸,於凸緣板條墊片反作用負載的高度距離為長軸(G),墊片反作用負載力的長度距離為短軸(G1),如圖4所示,利用無設拉撐的平板和蓋板方式計算,依非圓形蓋板的長短軸比值係數(Z),計算短軸與長軸之比確定Z值(但Z最大值為2.5),進而計算出蓋板與凸緣板條之所需的最小厚度值。

  另利用慣性矩得出凸緣板條與封板及測板銲接處的彎曲應力值,在此處僅用填角銲的腳長來當有效的慣性性高的距離,其後計算出的焊接處的彎曲應力值與母材設計溫度下的材料容許應力值比較,得出的焊接處彎曲應力值應小於材料容許應力值;此在凸緣板條與封板及側板未完成熔合部份則是為本次主要研究部份。

圖 4 墊片反作用負載力的高距離(G)及長距離(G1)

一.研究參數

  本次研究結構設計採用製造廠設計的設備;主要設計參數內容、數值及單位詳如表1;所使用材料部份應力值參數詳如表2。

表 1 設計參數值
表 2 設計材料應力值

二.撰寫蓋板與封板及側板強度算書步驟:

  利用研究參數代入撰寫電腦計算程式得出本次強度分析部份;以下為螺栓凸緣蓋板與封板及側板間計算步驟:

1. 算出蓋板與凸緣板條間的墊片最小使用寬度(b)。

2. 算出螺栓負荷,用於計算螺栓剖面積之螺栓負荷(Wm1);使用狀態下之螺栓負荷及墊片鎖緊時之螺栓負荷(Wm2)。

 Wm1=((G×Bs×P)/2+2b×Bs×m×P)/100

 Wm2=Bs×b×y

 3.  算出螺栓所需總斷面積(Am)及實際使用之螺栓總斷面積(Ab),使用狀態下及鎖緊墊片時所需之螺栓總斷面積應取下最的數值。

 Am=取最大值 Wm2/Sa or Wm1/Sb

 4. 判決出實際使用之螺栓總斷面積(Am)應比螺栓所需總斷面積(Ab)還大。

  Ab>Am

 5. 算出凸緣板條計算用之螺栓負荷(W1)。

    W1=Ab×Sa

    W=(Am+Ab)×Sa/2=(Wm+W1)/2

 6. 算出螺栓節距的最大值,判決出設計上的螺栓節距應小於算出來的螺栓節距值。

    Bmax=2(Ab/0.785)0.5+6b3/(m+0.5)

 7. 算出以鎖螺栓的旋塞板使用圓形以外的平板計算出最小蓋板厚值,該值應大於設計值。

    Z=3.4-2.4×(G/G1),( Z 不得超過 2.5)

    tc=G×(0.3×Z×P/100Sc+6×WhG/Sc×Bs×G2)0.5

 8. 利用計算出凸緣板條於封板與側板有實施銲接處算成有效慣性矩值,再利用有效慣性矩算出極慣性矩值,凸緣板條與封板及側板填角銲所截取用的尺寸;詳如下圖5所示。

 I=2(tf×b13/12)+2b1×tf(b1/2+b2/2)2

 Sm=I/(b3/2)=2×I/b3

圖 5 凸緣板條與封板及側板填角銲所截取用的尺寸

 9.利用彎曲力距方式得知凸緣板條於封板與側板有實施銲接處最大彎曲應力值(Fb)。

    Fb=M/SmE

 10.利用螺栓最大凸緣板條計算用之螺栓負荷計算出直接受力於凸緣處之最力彎曲應力值(Fd)。

    Fd=W/AE

 11.將銲接處最大彎曲應力值(Fb)加上接受力於凸緣處之最力彎曲應力值(Fd),即可得出實際於凸緣板條於封板與側板最大彎曲應力值,該值應小於結構上母材於最高使用溫度下的容許應力值。

       Fr=Fb+Fd

       Sfb>Fr

以上螺栓凸緣蓋板與封板及側板以及凸緣板條與封板及側板未完全熔合之分析強度計算書過程,參閱附錄A。

陸、研究結果

一、CNS9788 相關內容無說明螺栓凸緣蓋板與封板及側板間需要完全熔合才可,製造業者考量銲接過程的入熱量會影響凸緣板條的變形量過大,因此該部份即直接用填角銲接方式。

二、經由本次利用彎曲力距強度計算方式,雖然使用螺栓凸緣蓋板與封板及側板間無完全熔入方式施工製造,計算出的彎曲力距值是小於母材的容許應力值,其結果是可適的。

三、本次所採用是局部彎曲力距方式得出數值,是可認定其可行性的,因所採用的數值及計算公式皆是最基本的機械力學,此公式是比較嚴緊可靠的,安全係數值較高。

四、由於採用的公式皆為最基本的機械力學,算出的準確精細度就比較寬廣,得出的厚度值偏高造成製造成本增加,較為保守,日後有機會可採用應力分析(FEA MODEL)分析出更準確的結果。

柒、參考文獻

  • [1]CNS9791,壓力容器螺栓之固定凸緣 90.06.08公布。
  • [2]CNS9798,非圓形胴體之壓力容器 90.06.08公布。
  • [3]JIS8280 Annex1(normative) Noncircular cross section shell with flange (2003)。
  • [4] Lionel Prinsloo, “A critical evaluation of the design of removable cover-plate header boxes for air-cooled heat exchangers”, Department of Mechanical and Aeronautical Engineering,28 July 2011。
  • [5] ANSI/API STANDARD 661, “Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery Service”, SIXTH EDITION, FEBRUARY 2006。
  • [6]林振盈、李榮華 編著 “機械力學(下)”龍展圖書(85.01)。
  • [7] ASME VIII, ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Rules for construction of pressure vessels, Division 1 Mandatory Appendix 2 “Ruled For Bolted Flange Connections With Ring Type Gaskets”,2015。

附錄A:空氣冷卻器蓋板與凸緣設計

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