一种特殊高压U形管换热器管板设计

王 任 亓建伟 中国成达工程有限公司 成都 610041

在规范GB/T151-2014[1]中，管板的计算方法适用于U形管式、浮头式、填料函式和固定管板式热交换器的设计计算，其中管板与壳程圆筒、管箱圆筒之间有不同的连接型式，标准中按使用情况给出了几种通用连接型式(a型、b型、c型、d型、e型和f型)的管板设计计算方法。国内相应的压力容器强度计算软件SW6也提供了这几种连接型式的管板计算。但随着工程需要及工业技术的飞速发展，换热器的各种新型结构型式不断出现，对这些新型结构，SW6软件无法直接进行管板部分的设计计算。本文基于GB/T151-2014中U形管管板边缘旋转刚度参数进行推导，提出利用SW6软件进行一种特殊高压U形管换热器管板设计方法，为此类换热器管板的计算提供参考。

1 特殊高压U形管换热器管板设计方法

一种特殊高压U形管换热器的示意图见图1。

图1 高压U形管换热器示意图

管程为高压侧，壳程圆筒通过法兰与管板连接，其连接型式与GB/T151中的a型、b型、c型、d型、e型和f型都不一致，无法直接使用SW6软件进行管板计算。由于图1结构中的管板与管箱圆筒的连接型式同标准中的b型一致，且管程为高压侧，管程侧的压力对管板厚度设计起控制作用，而壳程法兰产生的弯矩同管程压力对管板产生的弯矩方向相反，有利于降低管程高压对管板厚度的影响，去掉壳程法兰进行管板设计是偏安全的，因此图中U形管板的设计计算可以b型为基础，按照无壳程圆筒的方式得到管板边缘总刚度参数，然后根据总刚度参数进行管板的剩余部分设计计算。在SW6软件中由于无法去掉壳程圆筒(即将壳程圆筒厚度设置为0)，因此根据总旋转刚度等于管箱圆筒旋转刚度与壳程圆筒旋转刚度之和的原理，先假设壳程圆筒厚度(SW6中需要输入的壳程圆筒厚度)，按照已知需要的管箱圆筒厚度推出需要在SW6软件中输入的管箱圆筒厚度。

2 符号说明

Di-壳程圆筒和管箱圆筒内径，mm

kh-管箱圆筒壳常数,1/mm

ks-壳程圆筒壳常数,1/mm

Eh-管箱圆筒材料的弹性模量，MPa

Es-壳程圆筒材料的弹性模量，MPa

δh-管箱圆筒厚度，mm

δs-壳程圆筒厚度，mm

Kf-管板边缘旋转刚度参数，MPa

3 公式推导

(1)

(2)

(3)

(4)

管板边缘旋转刚度参数

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

当不考虑壳程圆筒的旋转刚度时，则

(10)

将同时考虑管箱圆筒和壳程圆筒的旋转刚度的总旋转刚度定义为Kf1, 假定壳程圆筒厚度为δs1，未知的管箱圆筒厚度为δh1，将相应公式代入式(5)，可求得

将只考虑管箱圆筒的旋转刚度的总旋转刚度定义为Kf2，此时管箱圆筒厚度为δh2，

将相应公式代入式(10)，可求得

令Kf1=Kf2，则得：

Es×δs12.5+Eh×δh12.5=Eh×δh22.5

(11)

根据式(11)可以推导出

(12)

4 管箱圆筒输入厚度计算示例

在已知管箱圆筒弹性模量、壳程圆筒弹性模量(MPa)、管箱圆筒实际厚度和SW6计算用壳程圆筒假设厚度的基础上，根据式(12)可得出SW6管板计算用管箱圆筒厚度，具体计算示例见表1。

表1 管箱圆筒输入厚度计算

根据表1的数据可知，当管箱圆筒厚度很大的时候，较小的壳程圆筒厚度对管板边缘刚度的影响非常小。

5 结语

(1)基于U形管板边缘旋转刚度参数公式推导出了利用SW6软件进行一种特殊高压U形管换热器管板设计计算的方法，该方法不考虑壳程法兰的作用，计算上偏安全。

(2)在SW6中进行此类特殊高压U形管换热器管板设计计算时，管板连接型式可以采用GB/T151-2014中的b型，壳程圆筒的厚度为设定厚度，可根据本文推导出的公式和已知的参数，计算出管箱圆筒的输入厚度。