江 輝 龐 彪 成都市通用工程技術有限責任公司 成都 610041

換熱器是石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍使用的傳熱設備。在煉油、化工裝置中，換熱器約占總設備數量的40%，占設備總投資的30% ～45%［1］。在換熱設備中，固定管板換熱器因其結構簡單、適用的溫度和壓力范圍較大、制造成本低，處理量大、工作可靠，成為應用范圍最廣的換熱器類型。在設計過程中，普遍使用“過程設備強度計算軟件SW6”(以下簡稱SW6)來計算換熱器以及其它壓力容器的受壓元件。該軟件界面簡潔、使用方便，只需輸入相關工藝條件參數就能計算出結果，使設計人員擺脫了繁瑣的手工計算，極大地提高了設計效率。但同時也產生了過度依賴軟件的不利影響，設計人員，尤其是年輕的設計人員，對SW6 計算程序中各部件的適用條件以及參數對計算結果的影響不太了解，忽略了一些可能會影響設備強度的問題，對設備產生安全隱患。本文分析利用計算軟件SW6 設計固定管板換熱器過程中可能被忽視的問題。

1 壁溫的計算

由于固定管板換熱器的換熱管、管板和殼體焊在一起，故換熱管與殼體的溫差引起的熱膨脹應力是設計中的重要控制因素之一。因為在固定管板換熱器的管板計算中，按照各種工況的溫差計算出殼體和換熱管的軸向應力和換熱管與管板之間連接拉脫力，有一項不能滿足強度條件時，就需要考慮設置膨脹節(jié)。當圓筒外部有良好的保溫，或殼程流體溫度接近環(huán)境溫度，或傳熱條件使得圓筒壁溫接近介質溫度時，殼體壁溫就取殼程流體的平均溫度。換熱管的壁溫tt可以按式(1)估算:

式中，Tm、tm分別為熱、冷流體的平均溫度;αh、αc分別為熱、冷流體側的給熱系數。

在SW6 計算軟件中，壁溫是在“主體設計參數”中的“沿筒體長度的平均溫度”和“沿換熱管長度方向的平均溫度”中輸入。由于沒有準確的給熱系數值，有些設計人員只好將管程和殼程流體的平均溫度作為換熱管的壁溫。當熱、冷流體的給熱系數差別較大時，比如換熱管一側介質是水，另一側介質是氣體，就可能使得換熱管的壁溫接近給熱系數大的一側，從而與管程和殼程流體的平均溫度相差很大，造成設計上的錯誤。例如某化肥廠有一臺固定管板式換熱器在使用過程中，管頭位置經常泄漏，幾次修補，問題依舊存在。在確認材料、焊接方法、制造工藝、工藝介質以及在使用過程中的操作方式無誤后，分析可能是因為設計的缺陷所致。在化肥廠提供的設計參數中，只給了介質的進出口溫度，沒有提供給熱系數。制造廠在設計時，用平均溫度作為換熱管的壁溫，導致計算出的殼體軸向應力、換熱管軸向應力，換熱管與管板之間連接拉脫力比實際情況小很多，造成拉應力(或壓應力)超限。改造中給該換熱器殼程增加了一個膨脹節(jié)，在以后的使用過程中再沒有出現(xiàn)管頭泄漏。根據上述分析，換熱管的壁溫應按式(1)估算，或按GB151附錄F 進行詳細計算，才能保證設備安全使用。

2 隔板槽面積對管板計算的影響

管板的強度計算是把管板作為承受均布載荷、放置在彈性基礎上、且受管孔均勻削弱的當量圓平板來考慮的。但實際上，由于分程隔板、拉桿等結構件的存在，換熱管并未均勻地布置在整個管板上，而且在管板的周邊部分，存在一個較窄的不布管區(qū)，即布管區(qū)一般是一個多邊形，而不是圓形的。由于該區(qū)域的存在使管板邊緣的應力下降。在計算時，把實際的布管區(qū)折算成當量直徑Dt的圓形布管區(qū)來近似真實的多邊形布管區(qū)。管板周邊部分較窄的不布管區(qū)按其面積簡化為圓環(huán)形實心板。實際的布管區(qū)面積是全部換熱管對管板的總支撐作用面積，此外設置的隔板、拉桿等結構是在布管區(qū)內沒有被支撐到的面積，在計算中應將這部分面積考慮進去［2］。

2.1 換熱管所占面積

換熱管所占面積A:

當三角形排列時:

當正方形排列時:

式中，n 為換熱管根數;S 為換熱管管間距。

2.2 隔板槽面積

在使用SW6 計算管板時，如果對隔板槽面積的含義及影響不甚了解，僅從字面上理解，認為該面積是隔板槽的開槽處面積，甚至不填寫該項數值(不填寫時SW6 默認為0)，就會使得計算中的布管區(qū)當量直徑Dt比實際值小，致使管板布管區(qū)周邊處的徑向應力和剪切應力比實際值小，可能設計出的強度不滿足換熱器要求，給使用帶來安全隱患。

2.2.1 換熱管為正三角形排列

當換熱管為正三角形排列時，隔板槽面積Ad陰影部分的面積見圖1。

圖1 換熱管為正三角形排列時的隔板槽面積示意圖

隔板槽面積Ad按式(4)計算:

式中，n＇為沿隔板槽一側的排管根數;Sn為隔板槽兩側相鄰管中心距。

2.2.2 換熱管為轉三角形排列

當換熱管為轉三角形排列時，隔板槽面積Ad陰影部分的面積見圖2。

圖2 換熱管為轉三角形排列時的隔板槽面積示意圖

隔板槽面積Ad按式(5)計算:

2.2.3 換熱管為正方形排列

當換熱管為正方形排列時，隔板槽面積Ad的陰影部分的面積見圖3。

圖3 換熱管為正方形排列時的隔板槽面積示意圖

隔板槽面積Ad按式(6)計算:

2.2.4 換熱管為轉正方形排列

當換熱管為轉正方形排列時，隔板槽面積Ad陰影部分的面積見圖4。

圖4 換熱管為轉正方形排列時的隔板槽面積示意圖

隔板槽面積Ad按式(7)計算:

2.3 拉桿所占的面積

除了換熱管所占面積和隔板槽面積外，布管區(qū)面積還應該加上布管區(qū)范圍內拉桿所占的面積。一般情況下，略去拉桿所占的面積不會帶來很大影響。但是，當換熱器直徑很小，換熱管的根數不多時，則須加上拉桿所占的面積，否則會對計算結果產生較大影響。拉桿所占的面積按公式(2)、(3)進行計算。

3 殼程筒體環(huán)向焊縫的焊接接頭系數

在計算殼程圓筒的軸向應力時，其值應小于或等于殼程圓筒的許用軸向應力。如不計溫差應力的情況下，許用軸向應力等于環(huán)向焊縫的焊接接頭系數與殼程筒體設計溫度下的許用應力的乘積。如計溫差應力，許用軸向應力為乘積的3 倍。一般情況下環(huán)向焊縫和縱向焊縫的焊接接頭系數一致，通常為0.85 或1.0。但是由于固定管板換熱器的結構原因，管板與殼程筒體間的環(huán)焊縫一般無法進行射線或超聲波檢測，按GB151 的規(guī)定［3］，此環(huán)縫的焊接接頭系數應取0.6。在使用SW6 計算時，該焊縫系數是在“筒體數據”的選項卡中，如果不加注意，將焊縫系數取為與縱向焊縫系數一致的0.85 或1.0，就會導致殼程圓筒的許用軸向應力偏大，從而影響殼程圓筒的軸向應力是否合格的判斷結果，帶來安全隱患。在輸入設計參數時應注意選取，并在審查計算書時將焊縫系數代入殼程圓筒軸向應力許用值中校核。

4 前后管箱設計參數不一致時對管板計算的影響

在通常情況下固定管板換熱器前后兩個管箱法蘭形式、管箱法蘭材質、管箱筒體厚度、管箱筒體材質、管箱法蘭用螺栓及墊片是一致的。在計算管板時，以上這些因素會影響除拉脫應力外的其余應力大小。

當兩個管箱存在操作參數不一致時，則應該根據各管箱的設計參數，分別計算管板。在使用SW6 計算管板時，系統(tǒng)默認使用前管箱的相關數據，所以應在SW6 的“前端管箱數據”的選項卡中，分別輸入前、后管箱的設計參數進行計算。

5 接管的開孔補強范圍

按照GB 150 的規(guī)定，開孔的補強面積由殼體多余面積、接管多余面積、焊縫金屬截面積以及補強元件面積四部分組成。其中殼體多余面積與補強有效寬度B 有關，按式(8)計算，取二者的大值:

式中，d 為接管內直徑加2 倍厚度附加量，mm;δn 為殼體開孔處名義厚度，mm;δt 為接管名義厚度，mm。

因為固定管板換熱器結構的原因，殼程介質進出口接管一般設置在殼程筒體的端部，靠近管板，而管箱的筒體一般較短，當接管直徑較大時，按式(8)計算出的理論補強有效寬度B 就會超出筒體邊緣，使得其實際的補強有效寬度小于理論計算值，因此，實際補強有效寬度B＇應按式(9)取小值:

由于換熱器的結構限制，在使用SW6 進行接管補強計算時，如果B 值不滿足正常計算值，應將B 值的實際值輸入計算程序中進行補強計算。

6 計算時容易忽略的特殊結構

6.1 帶凸肩的管板

換熱器的管板有時會選用帶凸肩的形式，凸肩與筒體對接焊接。在計算時設計者通常只對筒體進行計算，凸肩直接取成與筒體等厚。因為筒體與管板的材料往往不一致，這樣的設計方法可能存在安全隱患。例如設計溫度為350℃時，筒體選用厚度不大于16mm Q345R 的板材，許用應為143MPa。管板選用厚度不大于100mm 的16Mn 鍛件，許用應為117MPa。兩者許用應力相差22%，可能會出現(xiàn)筒體計算合格，而凸肩取與筒體等厚，但計算不合格的情況。所以，在計算時，應對凸肩部位單獨計算。

6.2 厚壁管的端部

為了滿足接管的開孔補強要求有時會選用厚壁管或鍛件接管進行補強，通過削邊或直邊加斜邊過渡的結構與法蘭對接焊接。在使用SW6 計算的時候，軟件并未對厚壁管端部厚度進行直接校核，因此應注意檢查計算書中接管的計算厚度一欄，看端部的厚度是否滿足強度要求。

7 其它問題

7.1 鞍座的設置

鞍座的形式有固定鞍座和滑動鞍座兩種，對雙鞍座一般一端為固定端，另一端為滑動端。對于三鞍座或多鞍座，只有一個為固定支座，其余為滑動支座，以減少筒體因熱脹冷縮或圓筒及物料質量引起的對支座產生的附加載荷。

(1)對于雙鞍座，固定端多選在容器接管較大、較多的一側，以減少因滑動產生的管道對設備的附加應力。

(2)對于三鞍座或多鞍座，固定端選在中間支座，以減少滑動端的位移量。

(3)對于重疊式換熱器之間的鞍座，因為上下兩臺換熱器中間的接管要連接起來，已經形成固定點，所以其間的鞍座均宜選用滑動式鞍座。

7.2 薄管板上拉桿孔的深度

常用的拉桿與管板連接形式有兩種:一種是點焊結構，一種是螺紋結構。

螺紋結構為較常用的連接形式，管板上開的拉桿螺紋孔的深度一般為拉桿外徑的1.5 倍。當管板的厚度較薄時，應注意螺紋拉桿孔的總深度不應超過管板厚度。除了螺紋孔深度外，拉桿孔總深度還包括作為工藝孔的光孔深度和鉆頭頂錐角的深度。

兩種常用規(guī)格的螺紋拉桿孔深度分別為:Φ12拉桿，拉桿螺紋孔深度應≥24.5mm;Φ16 拉桿，拉桿螺紋孔深度應≥31.5mm。如果拉桿孔深度超過管板厚度，可以改用點焊結構。

7.3 管箱吊耳

為方便管箱、管箱蓋的安裝及檢修，當管箱、管箱蓋質量超過30kg 時，應設置吊耳。吊耳盡可能放在重心位置，或者對稱放置兩個吊耳。吊耳的結構見圖5，吊耳尺寸見表1。

圖5 吊耳結構

表1 吊耳尺寸表(mm)

7.4 頂絲設置

為便于拆卸管箱或管箱蓋，應在換熱器管板或者管箱蓋上設置頂絲。頂絲應放置在兩個螺栓之間，并沿圓周均布。頂絲直徑及個數見表2。

表2 頂絲直徑及個數表

7.5 兼作法蘭端的管板厚度

兼作法蘭端的管板厚度一般由計算決定，但有時候計算出來的厚度較薄，比與之配對使用的管箱法蘭厚度小很多，而管箱法蘭通常是選用標準法蘭。這種情況下應適當增加0.6 ～0.8 倍兼作法蘭端的管板的厚度，這樣才能保證兼作法蘭端管板的剛度，在上緊螺栓和使用過程中，不至于因為厚度差過大而導致管板法蘭變形。

8 結語

(1)在使用計算軟件SW6 設計固定管板換熱器過程中，除上述常見問題外，還可能遇到其他問題，設計人員只有熟練掌握設計的基礎知識，才能正確解決問題。

(2)有時會遇到計算軟件SW6 報錯而無法計算的情況，導致這種問題的原因大部分都是因為參數輸入錯誤或者不合理，只有深入了解各種參數所包含的意義和對計算的影響，才能及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，做出合理、優(yōu)化的設計方案。

1 化工設備全書編輯委員會. 化工設備設計全書- 換熱器［M］. 北京:化學工業(yè)出版社，2003

2 李世玉. 壓力容器設計工程師培訓教程［M］. 北京:中國鍋爐壓力容器安全雜志社，2005

3 GB151 -1999. 管殼式換熱器［S］. 北京:國家質量技術監(jiān)督局