夾持管板式換熱器試壓環的結構設計

劉 旭，吳忠全

(1.四川瀘天化弘旭工程建設有限公司 四川瀘州 646300；2.四川瀘州瀘天化化工設計有限公司 四川瀘州 646300)

0 前 言

換熱器是進行熱交換操作的通用工藝設備，其換熱性能主要取決于換熱器的結構。夾持管板式換熱器的優點是管束可以抽出來清洗，殼程殼體與換熱管管壁不受溫差的限制，可在高溫、高壓下工作等[1]。為了在壓力試驗或泄漏試驗時便于檢查換熱管與管板焊接接頭的焊接質量，此類換熱器在制造或檢修過程中需采用試壓環來代替管箱夾持管板，工程技術人員往往憑經驗或根據管箱法蘭厚度及結構形式隨意確定試壓環的厚度與結構，造成無法一次試驗獲得成功，浪費了人力和物力。

1 試壓環的作用

夾持管板式換熱器通過螺栓連接管箱法蘭與殼程法蘭來夾持管板，分別保證殼程與管程的密封。但是管箱裝配以后，就無法在殼程進行壓力試驗或泄漏試驗時檢查換熱管與管板焊接接頭是否存在缺陷，此時就需用試壓環來替代管箱，將管束與殼程法蘭及墊片用螺栓預緊后進行試驗，同時檢查換熱管與管板的焊接接頭。試壓環與管板、殼程法蘭連接示意如圖1所示[2]。

2 受力分析

2.1 管箱法蘭受力分析

管箱法蘭接觸管箱介質，受介質壓力作用，其應力分析簡化模型如圖2所示。管箱法蘭在操作工況下承受4種載荷，即螺栓設計載荷W、墊片載荷FG、作用在法蘭面積上的壓力載荷FD、總的流體靜壓軸向力與作用在法蘭內徑面積上壓力載荷之差FT[3]。

2.2 不帶頸活套法蘭受力分析

不帶頸活套法蘭的法蘭環與圓筒并無連接關系，所以法蘭環在螺栓力所引起的力矩作用下能夠自由旋轉，可以將其簡化為一矩形截面的圓環受扭矩作用(圖3)，只存在切向彎曲應力σT而不存在徑向彎曲應力σR，且螺栓力矩不會傳遞至圓筒，所以圓筒上并無應力[3]。

2.3 試壓環受力分析

試壓環通過螺栓將殼程法蘭與墊片把管板夾持住，試壓環自身不接觸介質，也未受到殼程、管程介質的壓力作用。壓力試驗時，試壓環僅承受螺栓載荷和墊片的接觸反力，與強度無關，僅與剛度有關，其受力示意如圖4所示[4]。

通過上述分析可知，試壓環的受力與管箱法蘭有較大差異，而與不帶頸活套法蘭受力相似，因此可以參考不帶頸活套法蘭進行試壓環的設計計算。

3 結構設計

以某廠制造的1臺夾持管板式換熱器為例，設備外形如圖5所示，管箱、管板和試壓環外形圖如圖6所示，其設計參數：殼程試驗壓力1.03 MPa(表壓)；殼程試驗溫度25 ℃；連接螺栓規格尺寸M24 mm×155 mm，材質35號鋼，數量為12顆；墊片規格尺寸Ф外312 mm/Ф內273 mm，δ=3 mm，材質為XB350。

根據圖6中管箱和管板的外形尺寸，可以設計出試壓環的結構尺寸，即：外徑Do=Ф 405 mm，內徑Di=Ф 273 mm，螺栓孔中心距Db=Ф 355 mm，螺栓孔規格和數量分別為Ф 26 mm和12個。

4 試壓環厚度δf的設計計算

根據國家標準《壓力容器 第3部分：設計》(GB/T 150.3—2011)中表7-6活套法蘭計算表的計算內容，結合試壓環實際受力情況，代入夾持管板式換熱器設計參數和試壓環的結構尺寸數據，重新整理后的試壓環計算過程如圖7所示，圖7中所用符號參見GB/T 150.3—2011。

按照圖7進行計算，得到的試壓環厚度為36.4 mm，圓整后試壓環厚度取38.0 mm。從圖6可知，管箱法蘭有效厚度為22.0 mm，因此，計算結果證明僅以管箱法蘭厚度決定試壓環厚度是不合理的。

5 結語

通過上述對試壓環的設計計算以及結構設計，證明僅憑經驗決定試壓環厚度的方法是不合理的。建議試壓環接觸墊片的表面在使用前進行精密加工，使其表面粗糙度控制在12.5～25.0 μm范圍內，保證試壓環與墊片接觸表面平整，以免造成螺栓預緊時受力不均或因裝配不當而造成壓力試驗失敗。

試驗壓力Pc1.03MPa試驗溫度t25℃試壓環材料Q235B螺栓材料35試壓環許用應力試驗溫度[σ]tf116MPa室溫[σ]f116MPa螺栓許用應力試驗溫度[σ]tb118MPa室溫[σ]f118MPa當b0≤6.4mm時,b=b0當b0>6.4mm時,b=2.53(b0)0.5N19.5mmb09.75mmb7.9mmy11MPam2.00Wa=πbDGy=80864(N)Fp=6.28DGmPc=3832(N)Am=max(Wa[σ]b,Fp[σ]tb)=685(mm2)Ab=nπd2根4=4078(mm2)W=(Am+Ab)[σ]b/2=281017(N)預緊螺栓工況FG=W=281017(N)LG=(Db-DG)/2=29.4(mm)Ma=FG·LG=8261900(N·mm)操作工況FG=Fp=3832(N)LG=(Db-DG)/2=29.4(mm)Mp=FG·LG=112661(N·mm)Mo=max(Mp,Ma[σ]tf/[σ]f)=8261900(N·mm)K=Do/Di=1.484Y=5.09(查GB/T150.3—2011中表7-9)δf=YM0[σ]tfDi=36.4(mm)

圖7 試壓環計算過程