壓緊板強度設計分析及比較

張守圣

(甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司換熱裝備研究部)

由固定壓緊板和活動壓緊板組成的板式換熱器壓緊板不僅是可拆式板式換熱器、板式蒸發器和板式冷凝器的重要組成部分，也是不可拆板式換熱器的重要組成部分。不可拆板式換熱器是指不能用常規拆卸方法將板片包拆解成單一板片的板式換熱器，包括釬焊式板式換熱器、半焊和全焊板式換熱器。釬焊板式換熱器和半焊板式換熱器主要用于制冷行業，而全焊板式換熱器則可用于石油化工領域溫度和壓力較高的情況。

在ASME第VIII第一分篇對技術咨詢的第12號解答中，首先提出對完工后的板式換熱器可以用U符號作標記。AD規范第二章也將板式換熱器列為特殊壓力容器，同時規定：由可拆卸的板片組成的板式換熱器，在許可操作壓力高于100kPa時，不論其壓力與容積的乘積為多少，均應有專家對該熱交換器的承壓構建進行預檢。因此壓緊板是可拆式板式換熱器、板式蒸發器、板式冷凝器和不可拆板式換熱器的主要受壓元件[1]，對其進行科學、合理地設計是非常重要的。

1 壓緊板設計現狀

我國板式換熱器的規范ZBJ 74001- 1987和JB/T 53256- 94適用于最大傳熱面積不大于360m2、設計壓力不大于1.6MPa、設計溫度不大于250℃的板式換熱器；JB/T 8701- 1998[2]適用于以液化氣體為制冷劑，設計壓力不高于4.0MPa，設計溫度在0～200℃的制冷裝置中與制冷劑接觸而承受制冷劑壓力的板式換熱器；NB/T 47004- 2009[3]僅適用于設計壓力不大于2.5MPa的可拆卸板式換熱器。

這些標準規范中，NB/T 47004- 2009只對夾緊螺柱進行設計計算，框架板和壓緊板的計算僅給出了提示附錄；JB/T 8701- 1998不但對夾緊螺柱提供了設計計算，而且對固定壓緊板和活動壓緊板做了相應的厚度設計。此外，國外標準API 662- 2006[4]也沒有對固定壓緊板和活動壓緊板厚度進行設計。

2 設計計算壓緊板厚度

筆者以圖1所示型號的板式換熱器為例，分別用JB/T 8701- 1998、ASME、有限元分析法對固定壓緊板和活動壓緊板開孔進行設計計算。依據這些標準時，在計算載荷螺柱方面均按照各個國家相應的壓力容器規范。

2.1壓緊板設計參數

依據JB/T 8701- 1998預設壓緊板參數：設計壓力p=1.6MPa，設計溫度t=120℃；材料為16Mn DR，[σ]0=163MPa，[σ]t=163MPa。

2.2壓緊板厚度計算

2.2.1依據JB/T 8701- 1998

作用于板片投影面積a2上的流體靜壓力F0

圖1 板式換熱器結構

為：

F0=a2·p

(1)

式中p——設計壓力。

工作狀態下需要的最小墊片壓緊力Fp為：

Fp=2lBmp

(2)

式中B——膠墊的寬度；

l——墊片中心線展開長度，l=2l1+3l2，l1為膠墊左右長度，l2為膠墊上下中心間距；

m——墊片系數，m=1.0。

預緊狀態下需要的最小夾緊螺柱載荷Wa為：

Wa=lBy

(3)

其中，墊片比壓力y=1.4MPa。

工作狀態下需要的最小夾緊螺柱載荷Wp為：

Wp=F0+Fp

(4)

預緊狀態下需要的最小夾緊螺柱總截面積Aa為：

(5)

工作狀態下需要的最小夾緊螺柱總截面積Ap為：

(6)

需要的夾緊螺柱面積Am為：

Am=max(Aa，Ap)

(7)

實際夾緊螺柱總截面積Ab為：

(8)

式中d1——夾緊螺柱直徑；

n——夾緊螺柱數量,n=6。

預緊狀態下螺柱設計載荷W為：

(9)

工作狀態下螺柱設計載荷W為：

W=Wp

(10)

常溫下實際使用的最大許用應力S0為：

S0=1.5[σ]0

(11)

設計溫度下實際使用的最大許用應力St為：

St=1.5[σ]t

(12)

預緊狀態下的結構特征系數K1為：

(13)

式中a——夾緊板寬度方向的墊片跨度；

L——夾緊螺柱中心連線周長，L=L1+L2，L1為夾緊螺栓上下孔間距，L2為夾緊螺栓左右孔間距；

SG——夾緊螺柱中心至墊片壓緊力作用中心線的距離，SG=(L2-a)/2。

預緊狀態下無孔板的計算厚度δp1為：

(14)

通過計算，得到δp1=22.00mm。

工作狀態下的結構特征系數K2為：

(15)

其中，壓緊板形狀系數Z=3.4-2.4a/B且Z≤2.5。

工作狀態下無孔板的計算厚度δp2為：

(16)

通過計算，得到δp2=28.83mm。

無孔板的計算厚度δp為：

δp=max(δp1，δp2)

(17)

則δp= 28.83mm。開孔位于中央時，計算板厚應考慮補強系數C1：

(18)

其中，d2為壓緊板接管孔直徑，d2=100mm；f為壓緊板寬度，f=494mm。計算得到補強系數C1=1.296。

開口位置位于四角時，縮減系數C2為：

(19)

其中，La為壓緊板上接管孔間的最小距離，La=127mm。計算得到縮減系數C2=0.858。

有孔板的計算厚度δh為：

δh=C1C2δp

(20)

計算得到δh=32.06mm。可以得到未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為28.83mm和32.06mm。

2.2.2依據ASME規范

在常溫下實際使用的最大許用應力S0為：

S0=[σ]0

(21)

設計溫度下實際使用的最大許用應力St為：

St=[σ]t

(22)

其他參數的計算方法可參照B/T 8701- 1998，將參數代入式(1)～(10)、(13)～(22)可以得到未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為35.31mm和49.94mm。

2.3計算結果對比

陳永東按照瑞典壓力容器規范求得的壓緊板最小厚度為35.50mm，按照德國AD規范求得的未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為31.69、35.85mm[5]；按照有限元分析法求得的固定壓緊板和活動壓緊板的厚度分別為36.70、45.00mm[6]；采用標準JB/T 8701- 1998求得的未孔板壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為28.83、32.06mm；采用ASME規范求得的未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為35.31、49.94mm。通過比較發現，采用ASME和有限元分析法計算的厚度很保守。

3 結束語

采用ASME和有限元分析法計算的壓緊板厚度很保守，而采用瑞典壓力容器規范、AD規范和JB/T 8701- 1998計算的壓緊板厚度相差不大。國內板式換熱器設計時，可根據JB/T 8701- 1998提供的依據計算板式換熱器固定壓緊板和活動壓緊板的厚度；國外產品，若為歐盟產品，可以借助AD規范計算固定壓緊板和活動壓緊板的厚度；如果客戶要求是ASME產品，則可以根據ASME常規算法和有限元算法求得固定壓緊板和活動壓緊板的厚度，但用常規ASME方法算得的厚度會更保守些。我國板式換熱器的設計規范已取得了一定的進展，但應盡快完善。

[1] ASME Ⅷ- 1，壓力容器建造規則[S].北京：中國石化出版社，2010.

[2] JB/T 8701- 1998，制冷用板式換熱器[S].北京：機械工業部機械標準化研究所，1998.

[3] NB/T 47004- 2009，板式熱交換器[S].北京：全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會，2009.

[4] API 662- 2006,Plate Heat Exchangers for General Refinery Services[S].Washington:American Petroleum Institute, 2006.

[5] 陳永東.板式換熱器受壓元件強度分析[J].壓力容器，1997，14(6)：30～33,88.

[6] 楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1994.