管壳式换热器管板分程隔板槽面积的计算与探讨

2013-09-15钱宏利

纯碱工业 2013年4期

张娟，钱宏利

（1.中昊（大连）化工研究设计院有限公司，辽宁大连 116023；2.大连市锅炉压力容器检验研究院，辽宁大连 116013）

管壳式换热器是较早发展起来的，也是目前生产中应用最为广泛的一种结构形式。它具有结构牢固、易于制造、生产成本较低、适应性强、处理量大等优点，是石油炼制和化工生产中换热器的主要形式。特别在高温、高压和大型换热器中占有绝对优势。管板是管壳式换热器主要受压元件之一，是一般受压容器所没有的特殊受压元件，它或者与筒体直接相焊（固定管板式换热器），或者被夹持在两个法兰之间，起着管、壳程之间隔板和固定换热管的双重作用。在管壳式换热器的制造成本中，管板占有相当大的比重。而且它受力复杂，所以管板的强度计算在换热器设计计算中占有十分突出的地位。要进行管板厚度的计算，除了确定管板的设计压力、设计温度等因素外，管板的布管区也是影响管板计算厚度的一个因素。对于多管程或多壳程的换热器，隔板槽面积也是管板布管区面积的一部分。因此，隔板槽面积的计入与否及其计算的是否正确对管板的计算厚度是有一定影响的，尤其是对直径较小，管程或壳程数又较多的管板影响更为明显。为此，笔者根据自己的工作经验，对管板分程隔板槽面积的计算总结了一些计算公式，并探讨了其对管板厚度的影响，供设计人员参考。

1 隔板槽面积的定义

GB151所列入的管板公式实际上是把管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱，同时又受换热管加强的当量平板来进行计算的。管板上的管孔区域为布管区，把它折算成面积为At、直径为Dt的当量圆。当管孔的排列方式为三角形时，每根管子对管板的支撑面积是以管孔中心为圆心，以S为内切圆直径的正六边形面积，即；当管孔的排列方式为正方形时，每根管子对管板的支撑面积是以管孔中心为圆心，以S为边长的正方形面积，即S2。对于多管程或多壳程的换热器，其管板布管区面积应包括两部分：1）全部换热管的总支撑面积；2）在布管区范围内，由于分程隔板槽的存在而未计入总支撑面积内的隔板槽面积Ad。隔板槽面积Ad的定义是：在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆的需要，而未能被换热管支撑的面积［1］。因为拉杆所占据的面积相对于隔板槽面积是很小的，可忽略不计。隔板槽面积Ad的计算原则如下：

1）确定换热管的排列方式和管程及壳程的程数；

2）对于多管程或多壳程（大于或等于4）的换热器，虽然两端管板上开的隔板槽结构不同，但是计算管板厚度的隔板槽面积的取值应为两端管板上隔板槽面积的和；

3）将各隔板槽的面积相加后，去掉重复计入的隔板槽面积；

4）当某一隔板槽两侧的排管根数不一致时，应按较大者计算隔板槽的面积；

5）把不规则的图形转换成规则的图形进行计算。

2 隔板槽面积的Ad计算

GB151—1999《管壳式换热器》中给了四种换热管标准排列方式，如图1所示：

GB151中给出了换热管为正三角形排列和正方形排列的两管程管板的隔板槽面积的计算公式为（1－1）、（1－2）：

换热管正三角形排列时：

换热管正方形排列时：

对于排列方式为转角正三角形和转角正方形的两管程换热器管板的隔板槽面积GB151中却没有给出计算公式，但是实际应用中两管程及以上多管程的换热器是非常多的，往往有许多设计人员不知道怎么计算，这给设计工作带来了很大的不便。现介绍两管程及以上多管程换热器分程隔板槽面积的计算公式，可供设计人员参考。

2.1 两管程转角正三角形排列

两管程换热器的换热管为转角三角形排列时，当隔板槽一侧的排管根数为如图2所示时，把不规则的图形转换成规则的图形进行计算，整理后得出分程隔板槽面积按（1－3）计算：

图2 两管程转角正三角形排列（一）

当隔板槽一侧的排管根数为如图3所示时，把不规则的图形转换成规则的图形进行计算，整理后得出分程隔板槽面积按（1－4）计算：

图3 两管程转角正三角形排列（二）

2.2 两管程转角正方形排列

两管程换热器的换热管为转角正方形排列时，当隔板槽一侧的排管根数为如图4所示时，把不规则的图形转换成规则的图形进行计算，整理后得出分程隔板槽面积按（1－5）计算：

2.3 四管程及以上多管程换热器

四管程及以上的多管程换热器管板隔板槽面积计算时，由于两端管板管孔的布置必须一致，所以虽然两端管板的分程隔板槽结构不同，但是用于计算管板厚度的隔板槽面积应是两端管板上隔板槽面积的和。在换热管按照正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形排列时，可以按照上述给出的两管程换热器管板隔板槽面积的计算公式，分别计算后再相加，然后减去重复计算的隔板槽面积即可。

2.4 隔板槽面积的简单计算

以上所给出的隔板槽面积的计算公式只是提供一种计算方法，如果能够正确理解隔板槽的概念，那么我们就能确定隔板槽面积具体是指哪一部分，在我们按1∶1的比例画管板图时，就能直接在管板图中测量出隔板槽面积。比如说图2、图3、图4管板图中的阴影部分就是隔板槽的面积，可以在画图软件AutoCAD中直接做成面域，用测量命令“list”直接测出其面积的大小。这样既简单又不容易出错。

3 隔板槽面积对管板计算厚度的影响

我院曾经给某公司的扩建年产25万t丁辛醇项目中设计的一台固定管板式换热器，设计条件为：壳程和管程设计压力均为0.6MPa（G），设计温度均为100℃；单壳程四管程；管板的材质为16MnⅡ低合金锻件，换热管与管板的连接方式为强度焊加贴胀；换热管材质为S30408不锈钢无缝钢管并符合GB13296－2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》的较高级精度冷拔管规定，规格为φ25×2×2000，受压失稳当量长度为730mm，换热管为正三角形排列，管间距S＝32mm，隔板槽两侧间距Sn＝44mm，共142根换热管，垫片为缠绕垫。采用全国化工设备设计中心站的过程设备设计计算软件包SW6－2011进行计算，见图5。计入隔板槽面积时管板的计算厚度δ＝25.93mm，比未计入隔板槽面积时管板的计算厚度δ＝26.45mm要小一些。