管殼式換熱器管板分程隔板槽面積的計(jì)算與探討

張 娟，錢宏利

（1.中昊（大連）化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116023；2.大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，遼寧 大連 116013）

管殼式換熱器是較早發(fā)展起來的，也是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。它具有結(jié)構(gòu)牢固、易于制造、生產(chǎn)成本較低、適應(yīng)性強(qiáng)、處理量大等優(yōu)點(diǎn)，是石油煉制和化工生產(chǎn)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(duì)優(yōu)勢(shì)。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(gè)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(dāng)大的比重。而且它受力復(fù)雜，所以管板的強(qiáng)度計(jì)算在換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算中占有十分突出的地位。要進(jìn)行管板厚度的計(jì)算，除了確定管板的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度等因素外，管板的布管區(qū)也是影響管板計(jì)算厚度的一個(gè)因素。對(duì)于多管程或多殼程的換熱器，隔板槽面積也是管板布管區(qū)面積的一部分。因此，隔板槽面積的計(jì)入與否及其計(jì)算的是否正確對(duì)管板的計(jì)算厚度是有一定影響的，尤其是對(duì)直徑較小，管程或殼程數(shù)又較多的管板影響更為明顯。為此，筆者根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管板分程隔板槽面積的計(jì)算總結(jié)了一些計(jì)算公式，并探討了其對(duì)管板厚度的影響，供設(shè)計(jì)人員參考。

1 隔板槽面積的定義

GB151所列入的管板公式實(shí)際上是把管板簡化為承受均布載荷、放置在彈性基礎(chǔ)上且受管孔均勻削弱，同時(shí)又受換熱管加強(qiáng)的當(dāng)量平板來進(jìn)行計(jì)算的。管板上的管孔區(qū)域?yàn)椴脊軈^(qū)，把它折算成面積為At、直徑為Dt的當(dāng)量圓。當(dāng)管孔的排列方式為三角形時(shí)，每根管子對(duì)管板的支撐面積是以管孔中心為圓心，以S為內(nèi)切圓直徑的正六邊形面積，即；當(dāng)管孔的排列方式為正方形時(shí)，每根管子對(duì)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(duì)于多管程或多殼程的換熱器，其管板布管區(qū)面積應(yīng)包括兩部分：1）全部換熱管的總支撐面積；2）在布管區(qū)范圍內(nèi)，由于分程隔板槽的存在而未計(jì)入總支撐面積內(nèi)的隔板槽面積Ad。隔板槽面積Ad的定義是：在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿的需要，而未能被換熱管支撐的面積［1］。因?yàn)槔瓧U所占據(jù)的面積相對(duì)于隔板槽面積是很小的，可忽略不計(jì)。隔板槽面積Ad的計(jì)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(shù)；

2）對(duì)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(jié)構(gòu)不同，但是計(jì)算管板厚度的隔板槽面積的取值應(yīng)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(fù)計(jì)入的隔板槽面積；

4）當(dāng)某一隔板槽兩側(cè)的排管根數(shù)不一致時(shí)，應(yīng)按較大者計(jì)算隔板槽的面積；

5）把不規(guī)則的圖形轉(zhuǎn)換成規(guī)則的圖形進(jìn)行計(jì)算。

2 隔板槽面積的Ad計(jì)算

GB151—1999《管殼式換熱器》中給了四種換熱管標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算公式為（1－1）、（1－2）：

換熱管正三角形排列時(shí)：

換熱管正方形排列時(shí)：

對(duì)于排列方式為轉(zhuǎn)角正三角形和轉(zhuǎn)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(jì)算公式，但是實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)人員不知道怎么計(jì)算，這給設(shè)計(jì)工作帶來了很大的不便。現(xiàn)介紹兩管程及以上多管程換熱器分程隔板槽面積的計(jì)算公式，可供設(shè)計(jì)人員參考。

2.1 兩管程轉(zhuǎn)角正三角形排列

兩管程換熱器的換熱管為轉(zhuǎn)角三角形排列時(shí)，當(dāng)隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)為如圖2所示時(shí)，把不規(guī)則的圖形轉(zhuǎn)換成規(guī)則的圖形進(jìn)行計(jì)算，整理后得出分程隔板槽面積按（1－3）計(jì)算：

圖2 兩管程轉(zhuǎn)角正三角形排列（一）

當(dāng)隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)為如圖3所示時(shí)，把不規(guī)則的圖形轉(zhuǎn)換成規(guī)則的圖形進(jìn)行計(jì)算，整理后得出分程隔板槽面積按（1－4）計(jì)算：

圖3 兩管程轉(zhuǎn)角正三角形排列（二）

2.2 兩管程轉(zhuǎn)角正方形排列

兩管程換熱器的換熱管為轉(zhuǎn)角正方形排列時(shí)，當(dāng)隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)為如圖4所示時(shí)，把不規(guī)則的圖形轉(zhuǎn)換成規(guī)則的圖形進(jìn)行計(jì)算，整理后得出分程隔板槽面積按（1－5）計(jì)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(jì)算時(shí)，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(jié)構(gòu)不同，但是用于計(jì)算管板厚度的隔板槽面積應(yīng)是兩端管板上隔板槽面積的和。在換熱管按照正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形排列時(shí)，可以按照上述給出的兩管程換熱器管板隔板槽面積的計(jì)算公式，分別計(jì)算后再相加，然后減去重復(fù)計(jì)算的隔板槽面積即可。

2.4 隔板槽面積的簡單計(jì)算

以上所給出的隔板槽面積的計(jì)算公式只是提供一種計(jì)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(shí)，就能直接在管板圖中測(cè)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(cè)量命令“l(fā)ist”直接測(cè)出其面積的大小。這樣既簡單又不容易出錯(cuò)。

3 隔板槽面積對(duì)管板計(jì)算厚度的影響

我院曾經(jīng)給某公司的擴(kuò)建年產(chǎn)25萬t丁辛醇項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的一臺(tái)固定管板式換熱器，設(shè)計(jì)條件為：殼程和管程設(shè)計(jì)壓力均為0.6MPa（G），設(shè)計(jì)溫度均為100℃；單殼程四管程；管板的材質(zhì)為16MnⅡ低合金鍛件，換熱管與管板的連接方式為強(qiáng)度焊加貼脹；換熱管材質(zhì)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(jí)精度冷拔管規(guī)定，規(guī)格為φ25×2×2000，受壓失穩(wěn)當(dāng)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(cè)間距Sn＝44mm，共142根換熱管，墊片為纏繞墊。采用全國化工設(shè)備設(shè)計(jì)中心站的過程設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算軟件包SW6－2011進(jìn)行計(jì)算，見圖5。計(jì)入隔板槽面積時(shí)管板的計(jì)算厚度δ＝25.93mm，比未計(jì)入隔板槽面積時(shí)管板的計(jì)算厚度δ＝26.45mm要小一些。

圖5 計(jì)入隔板槽面積時(shí)管板的計(jì)算厚度

4 結(jié) 語

通過分析與舉例，可以看出隔板槽面積的計(jì)入對(duì)管板的計(jì)算面積是有一定影響的，在換熱器的設(shè)計(jì)中如果能夠正確計(jì)算隔板槽面積，并在應(yīng)用計(jì)算軟件時(shí)能夠正確輸入，管板的計(jì)算厚度是可以減薄的，從而降低了換熱器的成本。

［1］ GB151－1999，管殼式換熱器［S］

［2］ GB151－1999，《管殼式換熱器》標(biāo)準(zhǔn)釋義［S］

［3］ 劉家明，等.石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)（下冊(cè)）［M］，中國石化出版社，2013

［4］ 畢庶力，何志萍.U形管換熱器管板隔板槽面積計(jì)算［J］，石油化工設(shè)備，2009，38（1）：53－55