一種特殊高壓U形管換熱器管板設計

王 任 亓建偉 中國成達工程有限公司 成都 610041

在規范GB/T151-2014[1]中，管板的計算方法適用于U形管式、浮頭式、填料函式和固定管板式熱交換器的設計計算，其中管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間有不同的連接型式，標準中按使用情況給出了幾種通用連接型式(a型、b型、c型、d型、e型和f型)的管板設計計算方法。國內相應的壓力容器強度計算軟件SW6也提供了這幾種連接型式的管板計算。但隨著工程需要及工業技術的飛速發展，換熱器的各種新型結構型式不斷出現，對這些新型結構，SW6軟件無法直接進行管板部分的設計計算。本文基于GB/T151-2014中U形管管板邊緣旋轉剛度參數進行推導，提出利用SW6軟件進行一種特殊高壓U形管換熱器管板設計方法，為此類換熱器管板的計算提供參考。

1 特殊高壓U形管換熱器管板設計方法

一種特殊高壓U形管換熱器的示意圖見圖1。

圖1 高壓U形管換熱器示意圖

管程為高壓側，殼程圓筒通過法蘭與管板連接，其連接型式與GB/T151中的a型、b型、c型、d型、e型和f型都不一致，無法直接使用SW6軟件進行管板計算。由于圖1結構中的管板與管箱圓筒的連接型式同標準中的b型一致，且管程為高壓側，管程側的壓力對管板厚度設計起控制作用，而殼程法蘭產生的彎矩同管程壓力對管板產生的彎矩方向相反，有利于降低管程高壓對管板厚度的影響，去掉殼程法蘭進行管板設計是偏安全的，因此圖中U形管板的設計計算可以b型為基礎，按照無殼程圓筒的方式得到管板邊緣總剛度參數，然后根據總剛度參數進行管板的剩余部分設計計算。在SW6軟件中由于無法去掉殼程圓筒(即將殼程圓筒厚度設置為0)，因此根據總旋轉剛度等于管箱圓筒旋轉剛度與殼程圓筒旋轉剛度之和的原理，先假設殼程圓筒厚度(SW6中需要輸入的殼程圓筒厚度)，按照已知需要的管箱圓筒厚度推出需要在SW6軟件中輸入的管箱圓筒厚度。

2 符號說明

Di-殼程圓筒和管箱圓筒內徑，mm

kh-管箱圓筒殼常數,1/mm

ks-殼程圓筒殼常數,1/mm

Eh-管箱圓筒材料的彈性模量，MPa

Es-殼程圓筒材料的彈性模量，MPa

δh-管箱圓筒厚度，mm

δs-殼程圓筒厚度，mm

Kf-管板邊緣旋轉剛度參數，MPa

3 公式推導

(1)

(2)

(3)

(4)

管板邊緣旋轉剛度參數

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

當不考慮殼程圓筒的旋轉剛度時，則

(10)

將同時考慮管箱圓筒和殼程圓筒的旋轉剛度的總旋轉剛度定義為Kf1, 假定殼程圓筒厚度為δs1，未知的管箱圓筒厚度為δh1，將相應公式代入式(5)，可求得

將只考慮管箱圓筒的旋轉剛度的總旋轉剛度定義為Kf2，此時管箱圓筒厚度為δh2，

將相應公式代入式(10)，可求得

令Kf1=Kf2，則得：

Es×δs12.5+Eh×δh12.5=Eh×δh22.5

(11)

根據式(11)可以推導出

(12)

4 管箱圓筒輸入厚度計算示例

在已知管箱圓筒彈性模量、殼程圓筒彈性模量(MPa)、管箱圓筒實際厚度和SW6計算用殼程圓筒假設厚度的基礎上，根據式(12)可得出SW6管板計算用管箱圓筒厚度，具體計算示例見表1。

表1 管箱圓筒輸入厚度計算

根據表1的數據可知，當管箱圓筒厚度很大的時候，較小的殼程圓筒厚度對管板邊緣剛度的影響非常小。

5 結語

(1)基于U形管板邊緣旋轉剛度參數公式推導出了利用SW6軟件進行一種特殊高壓U形管換熱器管板設計計算的方法，該方法不考慮殼程法蘭的作用，計算上偏安全。

(2)在SW6中進行此類特殊高壓U形管換熱器管板設計計算時，管板連接型式可以采用GB/T151-2014中的b型，殼程圓筒的厚度為設定厚度，可根據本文推導出的公式和已知的參數，計算出管箱圓筒的輸入厚度。