高压U形管式换热器的管箱设计探讨_杨东升

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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计 2013，23( 1)
高压 U 形管式换热器的管箱设计探讨
杨东升* 崔建波 张秀艳 镇海石化工程股份有限公司 宁波 315042
摘要 以一台小直径高压 U 形管式换热器的管箱设计为例，探讨在应用 GB151 中的 b 型管板时，校核与
由于管 程 物 料 有 微 毒 性， 设 计 上 应 采 用 可 靠 的密封型式，Ω 环密封可以实现零 泄 漏，而 且， 加工比较简单。通常在换热器上应用的 Ω 环密封， 在分程隔板的密封上采用了 C 形弹性密封结构， 见图 2。这种密封依靠 C 形管的回弹实现了分程隔
图 1 管箱结构
板与管板或平盖间的密封，但在法兰与平盖连接 处由于结构不连续而无法实现有效的密封，造成 这里的介质短路，影响了换热器的效果。
力，还要考虑剪应力，因此要计算其中心处最大应
力的同时，还应校核其最薄弱截面的剪应力，并校
核该剪应力与此处弯曲应力组合时的当量应力。
该危险截面在螺栓中心圆与垫片作用圆之间
的周向平面上，该处总剪应力为全部介质压力和
全部垫片力之和 τ，所受的弯曲应力为螺栓力在该
截面上 产 生 的 弯 矩 在 内 外 表 面 上 产 生 的 应 力 和，
经过方案比较，本设计采用图 1 的焊接管板 （ GB151 中 b 型管板） 和平盖封头的型式，焊接管 板直接与管箱法兰小端焊接，将所有管程开孔均 移至平盖上， 这 样 虽 然 管 板 厚 度 较 大， 但 缩 短 了 管箱的轴向长度，便于检修换热管与管板的接头， 同时有利于保证分程隔板与管箱的焊接质量，也 节省了管箱段的锻件用量。
参考文献
1 GB 150 － 2011， 压 力 容 器 ［S］． 中 国 标 准 出 版 社 出 版，2012. 3．
2 GB 151 － 1998，管壳式 换热器 ［S］． 中 国标准出 版社出 版，1998．
3 压 力 容 器 设 计 工 程 师 培 训 教 程 ［M］． 新 华 出 版 社 出 版，2005．
固定相连的管箱或壳体对管板的约束 （ 支承） 作
用在 ASME Ⅷ － 1 中也有考虑，按 UHX － 12. 6 中
提供的思路， 将 使 管 板 的 计 算 厚 度 增 大， 但 同 时
可以免除对与管板相连的壳体产生的附加轴向弯
曲应力的校核，而管板对与其固定相连的管箱或
壳体的附加轴向弯曲应力是 GB151 所没有考虑的。
图 5 安放式开孔结构
GB150 中螺栓连接的平盖计算是基于受均匀 压力作用，平盖结构见图 6。边界条件为周边简支 + 均布弯矩作用的圆平板的模型计算，该模型的前
图 6 平盖结构
提是弹性理δ / D 值小于 1 /5，当
不符合这 一 条 件 时， 不 仅 要 考 虑 在 平 盖 中 弯 曲 应
仅取 10. 0MPa。
根据圆平板上作用的均布弯矩与弯曲应力的
关系，可由应力计算弯矩：
m
= σPm
δ2 μ 6
（ 3）
式中，δ 为管板有效厚度，本例取 97mm； μ 为强
度削弱系数，取 0. 4。
此值为 管 板 圆 周 单 位 长 度 上 的 弯 矩 值， 乘 以
圆周长度后，求得管板施加在法兰上的弯矩值为 5. 69 × 107 N·mm，其方向与法兰所承受的弯矩方
* 杨东升： 工程师。1998 年毕业于西安交通大学化工机械与设备专业。从事压力容器设计工作。联系电话： （ 0574 ） 87917931，E － mail： yangds@ izpec. com。
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杨东升等 高压 U 形管式换热器的管箱设计探讨
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图 3 管箱垫片
2 管板的计算
4 化工设备设计全书 － 高压容器 ［M］． 化学工业出版社出 版，2003．
5 李建 国 编 著． 压 力 容 器 设 计 的 力 学 基 础 及 其 标 准 应 用 ［M］． 机械工业出版社出版，2005． （ 修改回稿 2013 － 01 － 08）
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（ 1） 式计算，其值为 190. 6MPa； σr 为管板在周边
简支状态且有均布弯矩时最大应力值，按 GB151
计算，采用 SW6 计算软件，控制 σr≤1. 5［σ］t，并
保留一定的安全裕度，其值为 108. 3MPa。
计算结果
σ
P m
为
82.
3MPa。在计算中为忽略壳
程筒体的支承作用，可令壳程筒体的弹性模量 ES
取管板因该弯矩的作用，而使最大应力 σmax 得以
减小的数值 （ 绝对值） ，此值即为该弯矩单独作用
在管板上时， 产 生 的 弯 曲 应 力， 进 而 可 以 求 得 这
一弯矩的大小。计算式为：
σ
P m
=
σmax
－
σr
（ 2）
式中，σ
P m
为周边简支管板有无均布弯矩时最大应
力的差 值； σmax 为 周 边 简 支 管 板 最 大 应 力 值，按
为 Φ325 × 10 的无缝管） ，在与管箱筒体对管板的
联合约束中作用较小。本例计算中壳程筒体和管
箱圆筒分别与管板的旋转刚度值之比，前者仅为
后者的 1 /15，因此假定壳程筒体对管板的约束均
由管箱筒体提供，即对法兰所受弯矩数值略作放
大，对法兰的 核 算 结 果 是 偏 安 全 的。 忽 略 与 管 板
周边弹 性 支 承 的 圆 平 板， 可 将 计 算 载 荷 分 解
为两部分，一 是 在 周 边 简 支 的 圆 平 板 上， 最 大 弯
曲应力在中心； 二是在受周边均布支承弯矩作用
的圆平板上， 弯 曲 应 力 处 处 相 等。 由 于 两 者 符 号
相反，管板对 法 兰 所 施 加 的 弯 矩 数 值， 可 通 过 求
向相同，在校核法兰各项应力时，应计入此弯矩。
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校核法兰的各向应力可用 SW6 计算软件。
3 管箱平盖的计算
本例中 管 箱 封 头 为 一 个 平 盖， 由 于 其 固 定 方 法为螺栓连接，可按 GB150 中的平封头计算。由 于其作为管 箱 的 平 盖， 在 保 证 强 度 的 同 时， 在 管 箱内有隔板 时， 必 须 保 证 平 盖 的 刚 度 要 求， 中 心 点的挠度控制在 0. 75mm 之内。经计算，本例平盖 的最大计算厚度不取决于中心点挠度控制，而是 取决于操作 工 况 下 的 平 盖 厚 度 计 算。 此 时， 平 盖 的结构特征系数 K 为 0. 81。
图 4 管板约束示意
在周边简支状态下，管板周边径向应力为零，
管板的最大应力发生在管板中心，计算式为：
σmax
= 0.
309P
D2 μσ2
（ 1）
式中，P 为管板计算压力，本例取 18. 9MPa； D 为
管板当量直径，本例取其与法兰连接部位中性面
直径 350. 5mm； μ 为强度削弱系数，按 GB151 规
定，取 0. 4； δ 为管板有效厚度，本例取 97mm。
由于换 热 器 管 板 为 轴 对 称 结 构， 周 边 约 束 为
均布力矩。圆 平 板 在 该 力 矩 作 用 下， 处 处 产 生 相
等的径向和环向弯曲应力。该弯曲应力与 Pt 产生
的弯曲应力叠加的结果是： 除非周边约束使得管
板边界条件 接 近 于 固 支， 一 般 情 况 下， 管 板 最 大
工程上为简便起见，仍采用 GB150 的方法计
算高压容器的厚平盖，相当于近似地用薄板理论
进行处理，并取一定的安全系数来保证平盖的强
度，按这种方式计算出的平盖厚度再来校核危险
截面的当量应力。
4 结语
通过对设计实例的分析，探讨了当应用 b 型管 板时，应考虑管板对与其直接焊接的筒体 （ 或法 兰、筒体端部） 的作用。对小直径高压 U 形管式 换热器，当筒体厚度超过换热器内径 10% 造成 ω' 或 ω″超界时的计算具有参考意义。对于小直径的 高压容器应用平盖 （ 或管板时） ，且 δ /D 值大于 1 /5 时，不但要计算最大弯曲应力，还应校核最大 剪应力及最大剪应力发生处该剪应力与此处弯曲 应力组合作用的当量应力，且其值应≤0. 7 ［σ］t。
程数 主要受压元件
管程 丙酮 （ 含 0. 1% 甲酸）
310 18. 9
18. 9 DN300 2 16Mn 锻 + 堆焊 316L
壳程 水蒸汽
320 3. 0
1 16Mn
本设备管程介质中含少量甲酸 （ 约 0. 1% ） ， 因此管箱内部需堆焊 316L 不锈钢做耐蚀层，若采 用夹持管板 （ GB151 中的 a 型管板） ，不但需要一 对法兰，而且法兰轴向长度加上管箱筒体设置物 料进出口所必须的长度，将超过 700mm，而设备 内径仅为 Φ304mm。
其当量应力为：
槡 σO = σ2m + 3τ2
（ 4）
式中，σm 为 危 险 截 面 最 大 弯 曲 应 力，本 例 中 为
51. 4MPa； τ 为 危 险 截 面 剪 应 力， 本 例 中 为
21. 3MPa； σO 为 危 险 截 面 当 量 应 力， 本 例 中 为 63. 3MPa，使其控制在 σO≤70 ［σ］' = 80. 4MPa。
应力仍在中心处，但其值较纯周边简支时的最大
应力要小，此即 b 型管板较 a 型管板薄的原因。
由于管 箱 法 兰 对 管 板 施 加 了 均 布 弯 矩， 法 兰
也必然受到相等弯矩的反作用，因此在校核管箱
法兰时，必须 考 虑 该 弯 矩 的 反 作 用， 下 面 求 解 这