换热器设计中平盖厚度的合理计算

第３期　．　一　换热器设计中平盖厚度的合理计算　郭展玲　（天津辰鑫石化工程设计有限公司，天津３００２７１）　［摘要］通过案例分析，定量计算了换热器隔板槽面积对管箱平盖厚度计算的影响，对于犬直径换热器，有无隔板槽面积　平盖计算厚度差别较大。设计者应正确使用ＳＷ６－２０１　１软件进行设计计算　［关键词］换热器；隔板槽面积；平盖厚度；ＳＷ６－２０１１；计算　换热器广泛应用于工业各个领域，在炼油、　１．１设计参数　换热器的设计参数及结构简图分别见表１和图　１。　化工装置中换热器占设备总量和设备投资的４０％　左右。换热器设备中，管壳式换热器是应用最为　广泛、使用量最大的换热器形式。目前换热器直　径在向大型化发展，因此，换热器结构的合理设　计对节约金属材料及降低制造成本至关重要。在　合理设计的同时换热器结构变得相对复杂，使用　表１换热器设计参数　项目　设计压力（ＭＰａ）　壳程　２．１５　管程　２．１５　ＳＷ６—２０１１软件进行计算时容易忽略一些问题。下　面以一台换热器为例说明换热器平盖厚度的合理　计算问题。　设计温度（℃）　介质　程数　接头系数　９０　Ｃ３，碳氢化合物　１　Ｏ．８５　６５　冷凝水　２　０．８５　ｌ案例分析　｜　腐蚀裕量（Ｉ【Ｉｒ【１）　公称直径（ｍｍ）　ｒ　毫　《　１．５　２６００　３　２６００　；　≯　Ｉ　。。　ｔ　§　ｔ｛　；　－　０　ｔ　、　、　ｉ舶　；。　日　Ｆ　１ｉ　：；　畜首一　．　，　：盖ｌ　．Ｅ　ｆ一－越　鬻　＿　Ｊｉ　≥　＿　‘　＊　，　：毽　｛　“目　一　』　ｌ孽　ｌ嬲　童　＾　ｌ　｜≮捌　ｌ　　；ｔ　崭　晕　簿　善　窭　～　ｌ　・　　ｒ　；Ｉ　＝ｚ　｝　ｌ　０　二＝ｊ　矗§　．　。　Ｉ　道搿　ｉ　＿ｊ　ｌ＿　嚣　卜前端管箱平盖；２一隔板；３一管板；４一换热管；５一壳体；６一防冲板；７一后端管箱平盖　图１换热器结构简图　１．２设计条件分析　壳程侧物料由ＳＩ进入，经折流板折流从Ｓ２　需设置防冲板，这样使得管板的布管上下不太对　称，见图２。　作者简介：郭展玲（１９７９一），女，河南洛阳人，２００２年毕业　于北京石油化工学院化工设备与机械专业，本科学历，工程师。　现在天津辰鑫右化工程设计有限公司从事压力容器设计工作。　口流出，管程侧物料由Ｔ１进入，经换热管与管程　由Ｔ２口流出。根据工艺提供的数据，壳程进口处　１２一■论文广场　一图２管板布置图　由于管壳程的设计压力不高，介质危害性不　大，管板与壳体的连接采用焊接结构，管板与壳　体嵌入后进行焊接，壳体对中容易，施焊方便。　此台换热器是两管程结构，前端管箱隔板与管板　也采用焊接形式，由于管板上不开隔板槽，设计　者利用ＳＷ６—２０１１计算时误认为隔板槽面积输入值　为０。不论隔板与管板焊接与否，管板计算时都应　计入隔板槽面积，特别是在直径较大、隔板槽面　积也大的情况下，对管板和平盖厚度影响较大，　隔板槽面积越大，管板计算厚度越薄；隔板槽面　积越大，平盖计算厚度越厚。对于图１的换热器　结构，利用ＳＷ６—２０１１计算时，输入隔板槽面积，　得到前端管箱平盖的计算厚度；不输入隔板槽面　积，得到后端管箱平盖的计算厚度，这样平盖的　计算结果才合理。由于此台换热器换热管的布管　形式为旋转三角形排列，不能利用ＧＢ１　５１—１９９９　《管壳式换热器》给出的计算公式进行隔板槽面　积计算，要通过作图法得到正确的隔板槽面积，　这样才能得到正确的计算结果。　下面通过定量计算验证隔板槽面积对平盖厚　度计算结果的影响。　２定量计算　根据ＧＢ１５０．３—２０１１《压力容器》￣ｉｉＧＢＩ５１—　１９９９《管壳式换热器》进行下列计算。　由于ＪＢ／Ｔ４７０３—２０００《长颈对焊法兰》中没　有与此台换热器配套的设备法兰，故先假设设　备法兰的结构尺寸，利用ＳＷ６　２０１１进行校核计　算。垫片选择金属包垫片（￥３０４０８＋柔性石墨），　２０１石油和化工设备　３年第１　６卷　ｍ＝３．７５，ｙ＝６２．１，螺栓材料选用３５ＣｒＭｏＡ，螺母　材料选用３０ＣｒＭｏＡ，８０一Ｍ３６。法兰经校核合格后　与它连接的前端管箱平盖结构尺寸如图３。　图３前端管箱平盖结构尺寸　２．１螺栓载荷计算　求ｂ和Ｄ。。ｂ一垫片有效密封宽度；Ｄ。一垫片压　紧力作用中心圆直径　ｂ＝２．５３√６０＝２．５３，／１２＝８．７６ｒａｍ　ＤＧ＝２７０８—２×８．７６＝２６９０．５Ｉｌｌｌｎ　预紧状态下需要的最小螺栓载荷：　＝３．１４ＤＧｂＹ＝３．１４￣２６９０．５ｘ８．７６￣６２．１＝４５９５７７０．７Ⅳ　操作状态下需要的最小螺栓载荷：　＝０．７８５Ｄ￣ＰＣ＋６．２８Ｄｓｂｍ　：Ｏ．７８５×２６９０．５　×２．１５—＋－６．２８×２６９０．５×８．７６￣３．７５×２．１５　＝ｌ３４ｌＯ６ｌ４．５　２．２螺栓面积计算　［Ｏ］ｂ＝２２８ＭＰａ（室温螺栓材料３５ＣｒＭｏＡ的许　用应力）　［ｏ】　＝２１　５．６ＭＰａ（设计温度下螺栓材料　３５ＣｒＭｏＡ的许用应力）　ｄｉ．螺栓小径　ｄｉ＝３１．６７ｍｍ　预紧状态下需要的最小螺栓面积：　４５９５７７０．７：一　　一：～　一—：２０１５６．９ｒａｍ２　２２８　一　‘　操作状态下需要的最小螺栓面积：　１Ｍ１０６１４　．＿。：　一　：一一：６２２０１．４ｍｍ：　一而一一‘　需要的螺栓面积：　＝ｍａｘ（Ａａ，Ａｐ）＝６２２０１．４Ｔｌｔ－ｍ　实际的螺栓面积：　Ａ　，？一日、２：８０×　×３１６７。：６３０１９６ｒａｍ。　．．第３期　郭展玲换热器设计中平盖厚度的合理计算　一　３—　２．３螺栓设计载荷　预紧状态螺栓设计载荷：　：　２．６计入管箱隔板时平盖厚度计算　求Ｙ，Ｙ＿平盖中心处的挠度　Ｙ：＝—２６００—≥　：一６２２０１＿．４＋６３０１９．６×２２８：１４２７５１９４Ｎ　：３．２５ｍｍ　操作状态螺栓设计载荷：　Ｗ＝　＝１３４１０６１４．５Ｎ　２．４结构特征系数（Ｋ）的计算　求ＬＧ，Ｌ。．垫片压紧力的力臂　三　：—一　２７８０－２６９０．５—一：４４．・　７５ｒａｍ　２　操作时：Ｋ：０．３＋　１．７８ＷＬ￣　０．３＋—１．７８￣１３４１０６１４．５ｘ　４４．７５：—————～————————：０．３２６　２．１５×２６９０．５　预紧时：　Ｋ：一１．７８ＷＬ￣—：　坠一１４２７５１—９—４￣４—４．７５：０．０２７　２．１５×２６９０．５　２．５不计入管箱隔板时平盖厚度计算　平盖材料选用１　６ＭｎｌＩＩ　［ｏ】ｔ＝１７４ＭＰａ（平盖材料设计温度下的许用应　力）　［０】＝１７４ＭＰａ（平盖材料常温下的许用应力）　操作时：　。。√篙＝２６９０．５ｘ　０．３２６￣２．１５　ｏ－ｓ　㈣　预紧时：　厩＝２６９０．５ｘ￣ｆ０．０２７ｘ　１５　／／－，／１／－／（２）　平盖计算厚度：　：ｍａＸ（　ｔ，　）＝１７０．８ｍｍ　考虑到腐蚀余量以及换热器的设计使用寿　命，不计入管箱隔板槽面积时平盖名义厚度取　１９２ｍｍ，即图１中后端管箱平盖的名义厚度。　８００　Ｅ＝Ｉ９７５００ＭＰａ（平盖材料在设计温度下的弹　性模量）　ｏ－ｏ　，ｓ　＋　：２６９ｏ　ｌＬ＿１一９７　５００×３．一ｆ２５　ｏ脚　２．１５　０一．５一￣２—１５．６．．２６９０—＜．６—３０５＿１　９．６一￣４…４．７５—川　１　Ｊ　＝２０７　３ｒａｍ　（３）　平盖的计算厚度：　考虑到腐蚀余量以及换热器的设计使用　寿命，计入管箱隔板槽面积时平盖名义厚度取　２１２ｍｍ，即图１中前端管箱平盖的名义厚度。　３结论　换热器设计计算时，对于管箱内有无隔板，　平盖计算时使用的计算公式不同。对于大直径换　热器，有无隔板槽面积平盖计算厚度差别较大。　设计者要正确理解标准的计算公式，合理使用　ＳＷ６．２０１　１软件进行计算。设计结果的合理与否对　节约金属材料及降低制造成本至关重要，应引起　设计者的高度重视。　◆参考文献　【１］聂清德主编．化工设备设计［１ｖ１］．北京：化学工业出版社，　２Ｏｏｏ．　［２］李世玉主编．压力容器设计工程师培训教程［Ｍ】．北京：新　华出版社，２００５．　［３］ＧＢ１５１—１９９９，管壳式换热器［Ｓ】．　［４１　ＧＢ１５０．１～１５０．４．２０１　１，压力容器［Ｓ］．