介绍了固定管板式换热器管板设计标准分析了管板热应力产生机理寻求减小管板热应力的有效途径对指导管板设计优化管板结构及改善换热器性能等具有重要的意义

换热器是化工生产中重要的单元设备,通常用来加热低温流体或冷却高温流体,把液体汽化成蒸汽或把蒸汽冷凝成液体换热器按照结构形式可分为固定管板式换热器浮头式换热器U形管换热器和填料函式换热器与其他形式的换热器相比较,固定管板式换热器具有制造成本低清洗方便坚固耐用及适用性强等优点,被广泛应用于化工炼油等行业固定管板式换热器由壳体U形管管板折流板及管箱等组成壳体多为圆筒形,内部装有换热管,U形管两端固定在管板上,按正三角形或正方形排列,通常在U形管上均匀安装若干数量的折流板,提高换热效率的同时还起到支撑管束的作用与壳体两端管板连接的是管箱,管箱分为左管箱和右管箱,均由圆筒封头和法兰组焊而成固定管板式换热器常在操作工况极其严苛的情况下运行,因此换热器管板既要满足压力载荷作用下的强度要求,又要满足因壳体与U形管热膨胀差引起的热应力和管板两侧温度差引起的热应力要求工作过程中管板产生的热应力过大,会对其强度有影响,更有甚者会影响换热器的换热效率和工作寿命因此,笔者在介绍管板设计标准的基础上分析热应力产生的机理,寻求控制管板热应力的有效途径

1管板结构及设计标准

1.1管板结构

管板是固定管板式换热器最重要的零部件之一,它与壳体U形管和管箱连接,用来排布U形管,并将管程和壳程的流体分隔开来,避免冷热流体混合,同时承受来自管程壳程的压力和温度的作用,受力情况较为复杂业内在设计时所考虑的因素和标准不同,所设计的管板也有差异起初对管板的设计没有专门的设计依据,都是基于固定管板式换热器零件,按照压力容器的相关标准进行设计随着换热器设计方法的不断发展和完善,国内外开始出现了专门的换热器管板设计标准

1.2管板设计标准

1.2.1国内外管板设计标准

早在1941年颁布的美国管式换热器制造商协会(TEMA)标准第一版对管板的设计计算进行了规定,将管板视为圆形薄板,并且认为它所受的载荷为均布载荷,该方法是一种半经验方法,只适用于浮头式和U形管式换热器1965年颁布的英国BS1515标准中,对管板的设计计算采用了Miller方法,该方法是一种迭代法,有15个设计参数1969年,Gardenr1968年颁布的TEMA标准第五版为基础,提出了不需要逐次逼近求解管板厚度的简化设计方法,该方法可求解有效的局部压力和径向弯矩,但也仅限于浮头式换热器的设计计算而专门针对固定管板式换热器管板设计计算则是1959Galletly提出的强度分析方法,该方法考虑了管孔对管板的削弱和U形管对管板的支撑作用,而且认为管板周边是弹性夹持的,以此理论方法为依据,1982年法国颁布了压力容器设计标准———非直接火受压容器建造规范(CODAP),从此固定管板式换热器管板的设计进入标准化时代,1990年英国颁布的BS5500非直接火焊接压力容器规范标准也参照了CODAP标准德国的AD压力容器规范标准和日本的JISB8249压力容器构造标准中,对管板强度的计算是将管板看作由U形管固定支撑的平板来计算的由此可见,国外对管板设计计算标准化做了大量工作,促进了世界范围内管板设计理论的快速发展,为制定具有科学性实用性权威性可操作性的管板设计标准奠定了坚实的理论基础

我国机械部1972年颁布的部级标准列管式固定管板换热器型式与基本参数包含了有关管板设计计算的内容,后来经过多名专家的反复试验使用实践及局部修订等,在1984年实施的钢制石油化工压力容器设计规定中,制定了一套换热器管板强度的计算方法参照美国TEMA和日本JISB8249标准,根据钢制石油化工压力容器设计规定》、JB1147钢制列管式换热器技术条件和我国多年来在管壳式换热器方面的经验编制了GB151-1989钢制管壳式换热器标准,该标准中对管板的设计计算与1984年实施的钢制石油化工压力容器设计规定相同1993年根据国家质量技术监督总局制修订标准项目计划的安排,依据GB151-1989实施后国内管式换热器技术发展的需要,并参照同时期国际同行标准对GB151进行了修订,修订后的标准为GB151-1999管壳式换热器,于1999226日发布最近一次对GB151内容的修订是2014年,修订内容涉及管板部分的主要有:修订了换热管与管板的连接,单管板设计计算,管板与管箱壳体的焊接连接;增加了双管板设计计算,换热管与管板焊接接头的焊缝形式附录,波纹换热管热交换器的管板附录修订后的新标准GB/T151-2014201551日起实施,名称为热交换器,目前对管板的设计计算均采用该版本的标准

1.2.2国内外管板设计理论

换热器设计人员,基本上都是以英国MillerKAG法的假设为基础,进行管板的强度和刚度的计算,该方法的假设简化为:换热管和管板连接处无滑动;换热管在受压时不产生压缩弯曲,只考虑轴向压缩;管板受载后的变形为小挠度弯曲,忽略换热管对管板弯曲的约束作用;把换热管视为管板的均匀弹性基础;管板开孔后的削弱在上述假设前提下,依据不同的理论对管板强度进行计算

我国GB/T151-2014中还规定在管板计算直径范围内应是具有均匀厚度的圆形平板(对于管板周边延伸作为法兰的部分可以具有不同于管板的厚度),在其布管区范围内,除分程处局部外,应具有均布的密集开孔,在计算中认为压力载荷是均匀的,不考虑质量载荷压降载荷及管板厚度方向和径向温差应力的影响具体力学计算模型是将管板近似地视为轴对称结构,并假设两端的管板具有同样的材料和相同的厚度,还应具有相同的边界支撑条件国内在工程实际中应用的BXM型固定管板式换热器,大多都采用管板延伸兼作壳体法兰的结构,因此管板与法兰几乎等厚

2管板热应力产生原因

固定管板式换热器的两块管板通过换热管壳体相互固定在一起,实际工作中由于存在温差,两者自由热膨胀量不同,造成变形相互约束,在这种热变形得不到缓解的情况下就产生了很大的热应力管板和换热管之间的连接区域出现热应力过大现象,最终导致该区域产生破坏围绕着管板所受热应力和使用过程中热应力带来的危害,业内相关研究工作者开展了大量的研究工作,分析总结这些研究成果可发现,管板热应力产生主要的原因是:

a.管板整体受热并且受到外部约束在固定管板式换热器中,管板换热管及管箱等零件在沿某个方向膨胀过程中,当温度变化引起的热变形受到约束作用时,这些零件内部就会产生压缩热应力,该类热应力可以通过解除约束而减小以致消除

b.管板自身各部分温度不同引发的热应力固定管板式换热器的管板沿着厚度方向和周向的温度分布不同,对应方向膨胀量也各不相同,但是管板作为一个整体,膨胀量是一体的,只能整体变形而不可能分层与温度相适应地变形因此,管板内部一部分会限制另一部分膨胀而产生热应力,这种热应力是与传热现象共存的,在传热零件中普遍存在而无法克服,只要零件内有温度分布就有这种热应力存在

c.管板和其他零件形成的结构中,各处温度分布不均匀引起的热应力如果管板与其他零件连接,由于线膨胀系数不同,相互膨胀程度也不同,引起管板产生热应力

3控制管板热应力的措施

固定管板式换热器管板长时间承受热应力的反复作用,容易引起材料的蠕变,因此,在分析管板承受热应力及其产生原因的基础上,结合管板设计标准的要求,可采取以下几种措施来降低热应力:

a.适当增加管板厚度提高管板的抗弯截面模量,有效降低管板应力

b.采用弹性管板设计制造一种弹性管板,一方面利用弹性变形吸收热膨胀差值,另一方面设计的弹性管板厚度要比同操作工况下的圆形管板小很多,这样可以减小管板中心和边缘间的径向热应力

c.在壳体上设置膨胀节管板热应力取决于自身的变形量,大小跟管板刚度有关,且与总变形协调量成正比当换热管和壳体的热膨胀差很大时,总变形协调量就很大,管板变形量也会很大,使管板发生很大的挠曲变形,最终导致管板产生极高的应力所以可采用在壳体上设置膨胀节的办法,降低壳体轴向刚度,这在一定程度上可以降低由温差引起的热应力

d.减小U形管和壳体之间的温差运行过程中,如果冷热介质的温差较大,在选择换热器的型式时应尽量避免选择固定管板式换热器,目的是消除由于U形管壳程温差引起的热应力

e.合理选择管板的材料不同材料的膨胀系数弹性模量泊松比均随温度变化而变化,从而产生不同程度的热应力,因此,合理选择材料可以减少管板U形管壳体之间的热膨胀差

f.采用预应力技术通过预应力技术改善正常工况下管板热应力分布状态,进而降低热应力对管板应力强度及管板弯曲变形

4结束语

固定管板式换热器在使用过程中,管板常因实际工况苛刻,承受较大的压力载荷和热应力载荷,笔者通过分析国内外学者对管板所受热应力的研究,总结出产生热应力的原因,并以管板设计标准为依据,提出减小管板热应力的相应措施