高压换热器设计易忽略问题解析

2021-05-28李超

化工设备与管道 2021年6期

李超

（胜帮科技股份有限公司，上海 201210）

中低压换热器在化工装置中是最为常见的，对于一般压力容器设计人员几乎大部分时间都在设计它们，偶尔接触到项目中的高压换热器很难从常规思维中转变过来。高压意味着厚壁，这就对结构设计和加工制造提出了更多的要求。本文就高压换热器设计中易忽略的问题进行解析。

1 许用应力的取值问题

在压力容器的设计中，锻管或者锻件根据温度、厚度和相应材料通过GB 150.1 ～ 150.4—2011 就能得出，但是经常忽视了许用应力对于厚度的定义，这个厚度是公称厚度，而不是在结构上取的计算厚度，公称厚度的定义参照NB/T 47008—2017，这里就不再赘述。在中低压容器设计中，公称厚度与计算厚度差别不是很大或者公称厚度与计算厚度都在许用应力对应的最低档厚度范围内，按公称厚度和计算厚度取值许用应力是一样的，对设计不会产生影响。但是在高压容器设计中，公称厚度和计算厚度差距往往很大，这就造成许用应力取值的跳档，如果依然按惯性思维按结构上的计算厚度取就会造成强度不够。以下用2 个典型案例来进行说明，希望引起重视。

（1）现设计一台管程高压换热器，工艺所提条件如下：

管箱设计压力16 MPa，设计温度50 ℃，材料Q345R，管箱筒体直径DN 1 200 mm，腐蚀余量3 mm ，焊接接头系数1.0。

管板结构如图1 所示。

图1 管板结构Fig.1 Tubesheet structure

通过SW6 管板计算，管板厚度为235 mm，加上2 个凸肩尺寸，总宽度为310 mm。由于公称厚度大于了300 mm，按照GB 150 中表9 材料的选择，不能用16Mn Ⅳ锻件了，这里选择20MnMo Ⅳ锻件。图中管板外径通过管程凸肩中径公式计算，通过估算大概55 mm 左右，查GB 150.2—2011 中表9 取许用应力196 MPa，通过GB 150.3—2011 式（3-1）计算得到计算厚度为51.1 mm，考虑厚度附加量，管板外径定为1 309 mm。到这里就认为管板外径设计完成，但是取的公称厚度是有问题的，此结构管板按锻件标准定义为饼形锻件，公称厚度应取管板最大宽度，而不能把凸肩部分当做单独的筒体按其估算厚度取许用应力，所以公称厚度应为310 mm，查GB150.2—2011 中表9 取许用应力189 MPa，通过GB 150.3—2011 式（3-1）计算得到计算厚度为53.1 mm，考虑厚度附加量，管板外径至少为1 312.2 mm。通过与前面的计算结果对比发现厚度少了接近2 mm，这是完全不满足强度要求的。

（2）现设计一台壳程高压换热器，具体设计参数如下：

设计压力16 MPa，设计温度60 ℃，材料Q345R；筒体直径DN 1 800 mm，通过计算筒体厚度取120 mm。腐蚀余量5 mm ，焊接接头系数1.0。

对筒体上一接管做开孔补强计算，接管与筒体的焊接为嵌入式，具体结构如图2 所示。

图2 嵌入式接管详图Fig.2 Embedded nozzle detail

SW6 软件中，嵌入式接管按插入式接管计算，将接管与筒体倒圆角处的多余金属作为补强的安全余量，不计入补强。按常规思路进行开孔补强计算，SW6 软件中接管外径输入660 mm，通过结构计算得到接管壁厚为90 mm，材料为16Mn 锻，软件自动得出材料许用应力为178 MPa。SW6 计算结果如下：

计算方法： GB/T 150—2011 等面积法

计算压力16 MPa

壳体材料Q345R，名义厚度120 mm

接管材料16Mn 锻，规格φ660 mm×90 mm

A1=14 078，A2=26 213，A3=2 700，A4=0

A1+A2+A3+A4=42 991 ≥ A=42 125.4

合格（+2%）

补强计算满足要求，但真实情况确实如此吗？锻件的公称厚度按普通的锻管取值，这是非常错误的。此结构的整锻件通过NB/T 47008—2017 判断，要么是环形锻件要么是长颈法兰锻件，公称厚度都大于200 mm，因此材料许用应力应为167 MPa，SW6重新计算结果如下：

计算方法： GB/T 150—2011 等面积法

计算压力16 MPa

壳体材料Q345R，名义厚度120 mm

接管材料16Mn 锻，规格φ660 mm×90 mm

A1=13 841，A2=24 319，A3=2 700，A4=0

A1+A2+A3+A4=40 860 ＜ A=42 833.2

不合格（-5%）

结果是不合格的，如果错误地选用了许用应力就会对补强区域造成很大的安全隐患，所以要求设计时要理解透标准的定义，不能想当然。

2 高压换热器布管问题

换热器的设计中常用换热管规格为φ25 mm 和φ19 mm，中低压固定管板换热器管板常用结构为GB/ 151—2014 附录I 中I.1 的a）和b），U 型管换热器管板常用结构为夹持式，进行换热管的布管设计时，往往首先确定布管限定圆的直径，按照GB/T 151—2014 中6.3.1.3 的要求，固定管板和U 形管板的布管限定圆直径为筒体内径减去16 mm。因为I.1 的a）管板结构筒体与管板槽间隙为1.5 mm 以及I.1 的b）管板结构槽宽6 mm 都小于6.3.1.3 中b3 值8 mm，U 形管板阶梯处与筒体内径距离一般为1.5 mm也是小于8 mm 的，所以常规中低压换热器按照以上原则确定布管限定圆是没问题的。但是管板的结构远不止这几个，碰到高压带凸肩的换热器，往往会在凸肩与管板连接处倒圆角，来防止应力集中，这个圆角尺寸一般会比8 mm 大很多，如果依然按常规方法确定布管限定圆，就会发生换热管穿过圆角的事故。

现在依然以图1 结构为例进行详细说明，将壳程直径1 100 mm 改为1 200 mm，管程腐蚀余量为3 mm，换热管选用φ25 mm×3 mm，Ⅴ中局部放大的倒圆角尺寸为30 mm，右侧为高压管程，换热管焊接在右侧管程，焊脚为2.5 mm，壳程走液氨，流速很低，不需要设置防冲板，按常规设计，本设备布管限定圆为1 184 mm，如果这样开孔，最外侧换热管会完全从圆角处穿过，造成很大的应力集中。正确的布管应该是考虑圆角结构以及换热管的焊接不能与圆角叠加造成更大的应力集中。所以正确的布管限定圆应该是1 135 mm，即筒体内径减去2 倍的圆角半径再减去2 倍的焊脚尺寸。

换热器的布管设计，当限定圆定下来后，下一步要做的就是确定换热管中心距，中心距都是按照6.3.1.2 中a）表6-2 进行选取，以φ25 mm 换热管为例，查表可得中心距为32 mm，对于φ25 mm×2 mm 常用换热管而言，这个中心距是没问题的，按照GB 151—1999 查表φ25 mm×2 mm 的换热管焊脚l1 为1.5，以此可以算出两换热管焊脚间距为4 mm（32-25-2×1.5），不会产生应力集中以及热影响区叠加。但是高压换热器的换热管壁厚厚，需要更大的焊脚来保证拉脱力，如果依然取中心距32 mm，就会发生两换热管间焊缝重叠或者热影响区重叠的现象，换热器在这种状况下使用会非常危险。

图3 对比图Fig.3 Comparison diagram

现以一换热器布管为例进行说明，一台管程高压U 形管换热器，管程压力为25 MPa，管程腐蚀余量为5 mm，考虑到腐蚀余量和设计压力过大以及U形管弯管段的减薄，换热管选φ25 mm×4 mm，参照GB 151—1999 取l1为3.5 mm，查表GB/T 151—2014 表6-2 中心距为32 mm，然后按此值进行布管和生产，生产中就会发现严重的问题，换热管间大量的焊缝叠加以及变形，不仅检验不会合格而且勉强使用会留有大隐患。问题发生后对两换热管的间距和焊接间隙进行核对，发现设计中完全没留换热管焊缝间的热影响区余量，稍微有点偏差就出现了焊缝叠加现象。换热管间焊缝的距离为：32 （中心距） -25（外径）-2×3.5（焊脚） = 0 mm，一般情况下管间焊缝距离应该为3 mm 左右，为了防止焊缝和热影响区重合，可以加大换热管中心距，这里中心距取34 mm就没有问题了。

图4 对比图Fig.4 Comparison diagram

3 标准适用范围问题

通常接到一个换热器设计项目时，往往都在关注设备的结构类型、介质、材质、压力、温度等等参数，了解了这些参数才能更好地设计出一台安全、可靠、高效、经济的换热器。对于国内换热器的设计，采用的是GB/T 151—2014 标准，虽然前面提到的这些参数很重要，但是还有一个问题更值得去深究，那就是业主提供的管板结构或者布管形式是否适用于 GB/T 151—2014 标准。标准中固定管板换热器的模型是：承受均布载荷的当量圆平板放置在弹性基础上，同时承受管孔的均匀削弱。这就意味着具有不同管径的换热管以及部分布管或者不是轴对称布管的情况是不适用本标准的，同时在结构上与法兰搭焊连接的固定管板及圆环形管板也是不适用于本标准的。如果拿到设计参数不加判断就按GB/T 151—2014 进行计算和设计，当为不适用条件时，即使计算和设计得再好也是枉然，从头就错了。现有一高压换热器布管图（图5 左边），布管形式也很匀称，中间不布管区也是均匀地分成3 等分，从感觉上判断此结构似乎适合标准要求无疑。但是严格按标准建立的模型看，确实又是不适用的，上部中心线处不布管区域过大，已经不是当量圆平板模型了，也不再承受管孔的均匀削弱了。通过应力分析图（图5 右边），发现上部中心线处不布管区域应力最大，也最不安全。如果按照固定管板换热器受力分析，偏向于固支梁，应该是管板边缘应力最大。最大应力区域的偏差之大让设计人员感到不可思议，也提醒设计人员对于标准适用条件的重视。