管殼式換熱器管板分程隔板槽面積的計算與探討

2013-09-15 04:32:22錢宏利

純堿工業 2013年4期

張娟，錢宏利

（1.中昊（大連）化工研究設計院有限公司，遼寧大連 116023；2.大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院，遼寧大連 116013）

管殼式換熱器是較早發展起來的，也是目前生產中應用最為廣泛的一種結構形式。它具有結構牢固、易于制造、生產成本較低、適應性強、處理量大等優點，是石油煉制和化工生產中換熱器的主要形式。特別在高溫、高壓和大型換熱器中占有絕對優勢。管板是管殼式換熱器主要受壓元件之一，是一般受壓容器所沒有的特殊受壓元件，它或者與筒體直接相焊（固定管板式換熱器），或者被夾持在兩個法蘭之間，起著管、殼程之間隔板和固定換熱管的雙重作用。在管殼式換熱器的制造成本中，管板占有相當大的比重。而且它受力復雜，所以管板的強度計算在換熱器設計計算中占有十分突出的地位。要進行管板厚度的計算，除了確定管板的設計壓力、設計溫度等因素外，管板的布管區也是影響管板計算厚度的一個因素。對于多管程或多殼程的換熱器，隔板槽面積也是管板布管區面積的一部分。因此，隔板槽面積的計入與否及其計算的是否正確對管板的計算厚度是有一定影響的，尤其是對直徑較小，管程或殼程數又較多的管板影響更為明顯。為此，筆者根據自己的工作經驗，對管板分程隔板槽面積的計算總結了一些計算公式，并探討了其對管板厚度的影響，供設計人員參考。

1 隔板槽面積的定義

GB151所列入的管板公式實際上是把管板簡化為承受均布載荷、放置在彈性基礎上且受管孔均勻削弱，同時又受換熱管加強的當量平板來進行計算的。管板上的管孔區域為布管區，把它折算成面積為At、直徑為Dt的當量圓。當管孔的排列方式為三角形時，每根管子對管板的支撐面積是以管孔中心為圓心，以S為內切圓直徑的正六邊形面積，即；當管孔的排列方式為正方形時，每根管子對管板的支撐面積是以管孔中心為圓心，以S為邊長的正方形面積，即S2。對于多管程或多殼程的換熱器，其管板布管區面積應包括兩部分：1）全部換熱管的總支撐面積；2）在布管區范圍內，由于分程隔板槽的存在而未計入總支撐面積內的隔板槽面積Ad。隔板槽面積Ad的定義是：在布管區范圍內，因設置隔板槽和拉桿的需要，而未能被換熱管支撐的面積［1］。因為拉桿所占據的面積相對于隔板槽面積是很小的，可忽略不計。隔板槽面積Ad的計算原則如下：

1）確定換熱管的排列方式和管程及殼程的程數；

2）對于多管程或多殼程（大于或等于4）的換熱器，雖然兩端管板上開的隔板槽結構不同，但是計算管板厚度的隔板槽面積的取值應為兩端管板上隔板槽面積的和；

3）將各隔板槽的面積相加后，去掉重復計入的隔板槽面積；

4）當某一隔板槽兩側的排管根數不一致時，應按較大者計算隔板槽的面積；

5）把不規則的圖形轉換成規則的圖形進行計算。

2 隔板槽面積的Ad計算

GB151—1999《管殼式換熱器》中給了四種換熱管標準排列方式，如圖1所示：

GB151中給出了換熱管為正三角形排列和正方形排列的兩管程管板的隔板槽面積的計算公式為（1－1）、（1－2）：

換熱管正三角形排列時：

換熱管正方形排列時：

對于排列方式為轉角正三角形和轉角正方形的兩管程換熱器管板的隔板槽面積GB151中卻沒有給出計算公式，但是實際應用中兩管程及以上多管程的換熱器是非常多的，往往有許多設計人員不知道怎么計算，這給設計工作帶來了很大的不便。現介紹兩管程及以上多管程換熱器分程隔板槽面積的計算公式，可供設計人員參考。

2.1 兩管程轉角正三角形排列

兩管程換熱器的換熱管為轉角三角形排列時，當隔板槽一側的排管根數為如圖2所示時，把不規則的圖形轉換成規則的圖形進行計算，整理后得出分程隔板槽面積按（1－3）計算：

圖2 兩管程轉角正三角形排列（一）

當隔板槽一側的排管根數為如圖3所示時，把不規則的圖形轉換成規則的圖形進行計算，整理后得出分程隔板槽面積按（1－4）計算：

圖3 兩管程轉角正三角形排列（二）

2.2 兩管程轉角正方形排列

兩管程換熱器的換熱管為轉角正方形排列時，當隔板槽一側的排管根數為如圖4所示時，把不規則的圖形轉換成規則的圖形進行計算，整理后得出分程隔板槽面積按（1－5）計算：

2.3 四管程及以上多管程換熱器

四管程及以上的多管程換熱器管板隔板槽面積計算時，由于兩端管板管孔的布置必須一致，所以雖然兩端管板的分程隔板槽結構不同，但是用于計算管板厚度的隔板槽面積應是兩端管板上隔板槽面積的和。在換熱管按照正三角形、轉角正三角形、正方形、轉角正方形排列時，可以按照上述給出的兩管程換熱器管板隔板槽面積的計算公式，分別計算后再相加，然后減去重復計算的隔板槽面積即可。

2.4 隔板槽面積的簡單計算

以上所給出的隔板槽面積的計算公式只是提供一種計算方法，如果能夠正確理解隔板槽的概念，那么我們就能確定隔板槽面積具體是指哪一部分，在我們按1∶1的比例畫管板圖時，就能直接在管板圖中測量出隔板槽面積。比如說圖2、圖3、圖4管板圖中的陰影部分就是隔板槽的面積，可以在畫圖軟件AutoCAD中直接做成面域，用測量命令“list”直接測出其面積的大小。這樣既簡單又不容易出錯。

3 隔板槽面積對管板計算厚度的影響

我院曾經給某公司的擴建年產25萬t丁辛醇項目中設計的一臺固定管板式換熱器，設計條件為：殼程和管程設計壓力均為0.6MPa（G），設計溫度均為100℃；單殼程四管程；管板的材質為16MnⅡ低合金鍛件，換熱管與管板的連接方式為強度焊加貼脹；換熱管材質為S30408不銹鋼無縫鋼管并符合GB13296－2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》的較高級精度冷拔管規定，規格為φ25×2×2000，受壓失穩當量長度為730mm，換熱管為正三角形排列，管間距S＝32mm，隔板槽兩側間距Sn＝44mm，共142根換熱管，墊片為纏繞墊。采用全國化工設備設計中心站的過程設備設計計算軟件包SW6－2011進行計算，見圖5。計入隔板槽面積時管板的計算厚度δ＝25.93mm，比未計入隔板槽面積時管板的計算厚度δ＝26.45mm要小一些。