夹持管板式换热器试压环的结构设计

刘 旭，吴忠全

(1.四川泸天化弘旭工程建设有限公司 四川泸州 646300；2.四川泸州泸天化化工设计有限公司 四川泸州 646300)

0 前 言

换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，其换热性能主要取决于换热器的结构。夹持管板式换热器的优点是管束可以抽出来清洗，壳程壳体与换热管管壁不受温差的限制，可在高温、高压下工作等[1]。为了在压力试验或泄漏试验时便于检查换热管与管板焊接接头的焊接质量，此类换热器在制造或检修过程中需采用试压环来代替管箱夹持管板，工程技术人员往往凭经验或根据管箱法兰厚度及结构形式随意确定试压环的厚度与结构，造成无法一次试验获得成功，浪费了人力和物力。

1 试压环的作用

夹持管板式换热器通过螺栓连接管箱法兰与壳程法兰来夹持管板，分别保证壳程与管程的密封。但是管箱装配以后，就无法在壳程进行压力试验或泄漏试验时检查换热管与管板焊接接头是否存在缺陷，此时就需用试压环来替代管箱，将管束与壳程法兰及垫片用螺栓预紧后进行试验，同时检查换热管与管板的焊接接头。试压环与管板、壳程法兰连接示意如图1所示[2]。

2 受力分析

2.1 管箱法兰受力分析

管箱法兰接触管箱介质，受介质压力作用，其应力分析简化模型如图2所示。管箱法兰在操作工况下承受4种载荷，即螺栓设计载荷W、垫片载荷FG、作用在法兰面积上的压力载荷FD、总的流体静压轴向力与作用在法兰内径面积上压力载荷之差FT[3]。

2.2 不带颈活套法兰受力分析

不带颈活套法兰的法兰环与圆筒并无连接关系，所以法兰环在螺栓力所引起的力矩作用下能够自由旋转，可以将其简化为一矩形截面的圆环受扭矩作用(图3)，只存在切向弯曲应力σT而不存在径向弯曲应力σR，且螺栓力矩不会传递至圆筒，所以圆筒上并无应力[3]。

2.3 试压环受力分析

试压环通过螺栓将壳程法兰与垫片把管板夹持住，试压环自身不接触介质，也未受到壳程、管程介质的压力作用。压力试验时，试压环仅承受螺栓载荷和垫片的接触反力，与强度无关，仅与刚度有关，其受力示意如图4所示[4]。

通过上述分析可知，试压环的受力与管箱法兰有较大差异，而与不带颈活套法兰受力相似，因此可以参考不带颈活套法兰进行试压环的设计计算。

3 结构设计

以某厂制造的1台夹持管板式换热器为例，设备外形如图5所示，管箱、管板和试压环外形图如图6所示，其设计参数：壳程试验压力1.03 MPa(表压)；壳程试验温度25 ℃；连接螺栓规格尺寸M24 mm×155 mm，材质35号钢，数量为12颗；垫片规格尺寸Ф外312 mm/Ф内273 mm，δ=3 mm，材质为XB350。

根据图6中管箱和管板的外形尺寸，可以设计出试压环的结构尺寸，即：外径Do=Ф 405 mm，内径Di=Ф 273 mm，螺栓孔中心距Db=Ф 355 mm，螺栓孔规格和数量分别为Ф 26 mm和12个。

4 试压环厚度δf的设计计算

根据国家标准《压力容器 第3部分：设计》(GB/T 150.3—2011)中表7-6活套法兰计算表的计算内容，结合试压环实际受力情况，代入夹持管板式换热器设计参数和试压环的结构尺寸数据，重新整理后的试压环计算过程如图7所示，图7中所用符号参见GB/T 150.3—2011。

按照图7进行计算，得到的试压环厚度为36.4 mm，圆整后试压环厚度取38.0 mm。从图6可知，管箱法兰有效厚度为22.0 mm，因此，计算结果证明仅以管箱法兰厚度决定试压环厚度是不合理的。

5 结语

通过上述对试压环的设计计算以及结构设计，证明仅凭经验决定试压环厚度的方法是不合理的。建议试压环接触垫片的表面在使用前进行精密加工，使其表面粗糙度控制在12.5～25.0 μm范围内，保证试压环与垫片接触表面平整，以免造成螺栓预紧时受力不均或因装配不当而造成压力试验失败。

试验压力Pc1.03MPa试验温度t25℃试压环材料Q235B螺栓材料35试压环许用应力试验温度[σ]tf116MPa室温[σ]f116MPa螺栓许用应力试验温度[σ]tb118MPa室温[σ]f118MPa当b0≤6.4mm时,b=b0当b0>6.4mm时,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)预紧螺栓工况FG=W=281017(N)LG=(Db-DG)/2=29.4(mm)Ma=FG·LG=8261900(N·mm)操作工况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)

图7 试压环计算过程