壓力作用下膨脹節(jié)對固定管板熱交換器各元件的受力影響分析

陳強

（中國昆侖工程有限公司，北京 100037）

固定管板熱交換器主要由管板、換熱管、管箱、殼程筒體等部件組成，換熱管兩端固定在管板上，兩端管板采用焊接方法與殼體連接固定。在管殼式熱交換器中，在相同直徑的情況下，其換熱面積最大；管程可設計成多程，殼程也可用縱向隔板分成多程；其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，能實現(xiàn)較小的殼體內(nèi)徑；因此固定管板熱交換器在工程中應用廣泛。

膨脹節(jié)也是固定管板熱交換器的主要元件，在管板應力、殼體軸向應力、換熱管軸向應力以及換熱管與管板之間連接拉脫力中有不能滿足強度條件的情況時，就需要考慮設置膨脹節(jié)。但是要判斷是否需要設置膨脹節(jié)，取決于設計條件下，熱交換器各元件的實際受力狀況。

對于固定管板熱交換器在管程正壓和殼程正壓作用下，膨脹節(jié)對管板、換熱管和殼程筒體的應力的影響，有些參考書給出了一些結(jié)論，但是這些結(jié)論一般都不是很全面。本文旨在得出較為準確的結(jié)論，同時研究在壓力作用下，不計溫差應力時，設置膨脹節(jié)前后固定管板熱交換器的管板、換熱管、殼程筒體等元件的真實應力性質(zhì)和變化情況。經(jīng)過多組數(shù)據(jù)驗證，當熱交換器尺寸變化時，設置膨脹節(jié)前后各受壓元件應力性質(zhì)和應力變化規(guī)律相同。本文以一臺典型的固定管板式熱交換器為例進行分析。

1 固定管板式熱交換器基本參數(shù)

固定管板式熱交換器公稱直徑為1 200 mm；換熱管公稱直徑為19 mm，換熱管壁厚為2 mm，管間距為25 mm，換熱管正方形排列。其他主要設計參數(shù)見表1。

表1 固定管板式熱交換器的主要設計參數(shù)Table 1 Main design parameters of the fixed tubesheet heat exchanger

設計工況下，殼程金屬沿筒體長度平均溫度為93.5 ℃，換熱管沿長度平均溫度為96.7 ℃。根據(jù)介質(zhì)的工藝特性，取殼程筒體材質(zhì)為Q345R，換熱管、管板材質(zhì)為S31603。殼程筒體厚度為14 mm，管箱筒體厚度為18 mm，換熱管長度為9 200 mm，管板厚度取80 mm。

2 管板直接與殼程圓筒和管箱圓筒形成整體結(jié)構(gòu)

此時管板與殼體、管箱的連接方式為GB/T 151—2014 標準中圖7-3 b 型連接結(jié)構(gòu)[1]。分別對管程、殼程受正壓的工況進行分析，對設置膨脹節(jié)前后的管板、換熱管、殼程筒體等元件進行受力分析，確定其應力性質(zhì)并進行比較，找出其變化規(guī)律。

2.1 管板周邊不布管區(qū)較窄的管板

設定換熱管根數(shù)為1 400，符合GB/T 151—2014標準關于“管板周邊不布管區(qū)較窄的管板”的規(guī)定[1]。

2.1.1 僅有管程正壓作用

（1）殼程筒體未設置膨脹節(jié)

管板、換熱管、殼程筒體各元件應力計算結(jié)果見表2。

表2 僅有管程正壓作用時的各元件應力值Table 2 Stress value of each element under positive pressure of tube side only MPa

（2）殼程筒體設置膨脹節(jié)

殼程筒體設置膨脹節(jié)后，選取不同剛度的膨脹節(jié)，分別對各元件的應力進行校核計算。

管板、換熱管、殼程筒體各元件應力計算結(jié)果見表3。

表3 僅有管程正壓作用時，設置膨脹節(jié)后各元件應力值Table 3 Stress value of each element after setting bellow expansion joint under positive pressure of tube side only

2.1.2 僅有殼程正壓作用

（1）殼程筒體未設置膨脹節(jié)

管板、換熱管、殼程筒體各元件應力計算結(jié)果見表4。

（2）殼程筒體設置膨脹節(jié)

表4 僅有殼程正壓作用時的各元件應力值Table 4 Stress value of each element under positive pressure of shell side only MPa

同樣選取不同剛度的膨脹節(jié)，分別進行各元件的校核計算。

管板、換熱管、殼程筒體各元件應力計算結(jié)果見表5。

表5 僅有殼程正壓作用時，設置膨脹節(jié)后各元件應力值Table 5 Stress value of each element after setting bellow expansion joint under positive pressure of shell side only

2.1.3 小結(jié)

對于管板周邊不布管區(qū)較窄的管板，經(jīng)過計算分析，我們可以發(fā)現(xiàn)：

（1）在僅有管程正壓作用下

殼程筒體未設置膨脹節(jié)時，換熱管最大軸向應力為拉應力；殼程筒體軸向應力也為拉應力。

殼程筒體設置膨脹節(jié)后，管板徑向應力增大；換熱管最大軸向應力仍為拉應力，且應力值增大；殼程筒體軸向應力仍為拉應力，且應力值減小。

在殼程筒體設置膨脹節(jié)后，隨著膨脹節(jié)剛度增大，管板徑向應力逐漸減小，換熱管最大軸向應力逐漸減小，殼程筒體軸向應力逐漸增大。

（2）在僅有殼程正壓作用下

殼程筒體未設置膨脹節(jié)時，換熱管最大軸向應力為壓應力；殼程筒體軸向應力為拉應力。

殼程筒體設置膨脹節(jié)后，管板徑向應力減小；換熱管最大軸向應力由壓應力變?yōu)槔瓚?；殼程筒體軸向應力由拉應力變?yōu)閴簯Α?/p>

在殼程筒體設置膨脹節(jié)后，隨著膨脹節(jié)剛度增大，管板徑向應力逐漸減小，換熱管最大軸向應力逐漸減小，殼程筒體軸向壓應力也逐漸減小。

2.2 管板周邊不布管區(qū)較寬的管板

設定換熱管根數(shù)為1 150，管板周邊不布管區(qū)較寬，超出GB/T 151—2014 標準關于“管板周邊不布管區(qū)較窄的管板”規(guī)定[1]的范圍。

2.2.1 僅有管程正壓作用

（1）殼程筒體未設置膨脹節(jié)

管板、換熱管、殼程筒體各元件應力計算結(jié)果見表6。

表6 僅有管程正壓作用時各元件應力值Table 6 Stress value of each element under positive pressure of tube side only MPa

（2）殼程筒體設置膨脹節(jié)

管板、換熱管、殼程筒體各元件應力計算結(jié)果見表7。

表7 僅有管程正壓作用，設置膨脹節(jié)后各元件應力值Table 7 Stress value of each element after setting bellow expansion joint under positive pressure of tube side only

2.2.2 僅有殼程正壓作用

（1）殼程筒體未設置膨脹節(jié)

管板、換熱管、殼程筒體各元件應力計算結(jié)果見表8。（2）殼程筒體設置膨脹節(jié)

表8 僅有殼程正壓作用時各元件應力值Table 8 Stress value of each element under positive pressure of shell side only MPa

管板、換熱管、殼程筒體各元件應力計算結(jié)果見表9。

2.2.3 小結(jié)

對于管板周邊不布管區(qū)較寬的管板，經(jīng)過計算分析，我們可以發(fā)現(xiàn)：

（1）在僅有管程正壓作用下

表9 僅有殼程正壓作用時，設置膨脹節(jié)后各元件應力值Table 9 Stress value of each element after setting bellow expansion joint under positive pressure of shell side only

殼程筒體未設置膨脹節(jié)時，周邊換熱管軸向應力為拉應力；殼程筒體軸向應力為拉應力。

殼程筒體設置膨脹節(jié)后，管板徑向應力增大；周邊換熱管軸向應力仍為拉應力，且應力值增大；殼程筒體軸向應力仍為拉應力，且應力值減小。

在殼程筒體設置膨脹節(jié)后，隨著膨脹節(jié)剛度增大，管板徑向應力逐漸減小，換熱管軸向應力逐漸減小，殼程筒體軸向應力逐漸增大。

（2）在僅有殼程正壓作用下

殼程筒體未設置膨脹節(jié)時，周邊換熱管軸向應力為壓應力；殼程筒體軸向應力為拉應力。

殼程筒體設置膨脹節(jié)后，管板徑向應力增大，周邊換熱管軸向應力由壓應力變?yōu)槔瓚?，殼程筒體軸向應力由拉應力變?yōu)閴簯Α?/p>

在殼程筒體設置膨脹節(jié)后，隨著膨脹節(jié)剛度增大，管板徑向應力逐漸減小，換熱管軸向應力逐漸減小，殼程筒體軸向壓應力也逐漸減小。

2.3 管板與殼程圓筒連為整體，其延長部分兼做法蘭

此時管板與殼體、管箱的連接方式為GB/T 151—2014 標準中圖7-3 e 型連接結(jié)構(gòu)[1]。延長部分兼做法蘭的管板將直接受到法蘭力矩的作用。

在法蘭力矩的作用下，管板周邊受到彎矩的作用，在周邊產(chǎn)生扭曲，同時由于管板的撓曲受到管束的軸向約束，管束在管板中產(chǎn)生整體彎曲變形及相應的應力[2]。

在管程壓力或殼程壓力與法蘭力矩同時作用時，如果他們對管板產(chǎn)生的變形趨于一致，則會使作用疊加，使應力增大，如果他們對管板產(chǎn)生的變形相反，則會相互抵消，使應力值減小。

（1）管程正壓和法蘭力矩同時作用

此時他們對管板產(chǎn)生的變形趨于一致，設置膨脹節(jié)后，各受壓元件變化趨勢與管程正壓單獨作用時的變化規(guī)律一致。

（2）殼程壓力和法蘭力矩同時作用

此時他們對管板產(chǎn)生的變形相反，設置膨脹節(jié)后，其變化首先要抵消法蘭力矩的作用，因此各受壓元件應力變化不確定。

3 結(jié)束語

對于固定管板熱交換器，在壓力作用下，判斷設置膨脹節(jié)前后的管板、換熱管和殼程筒體應力變化情況，和以下因素有關：

（1）管板周邊不布管區(qū)的大??；

（2）管板與殼體、管箱的連接方式。

經(jīng)過研究分析，我們可以針對管板直接與殼程圓筒和管箱圓筒形成整體結(jié)構(gòu)的固定管板式熱交換器，總結(jié)出在管程正壓和殼程正壓作用下，設置膨脹節(jié)后，管板、換熱管、殼程筒體等元件的應力性質(zhì)和變化趨勢，如表10 所示。

表10 管板直接與殼程圓筒和管箱圓筒形成整體結(jié)構(gòu)的固定管板式熱交換器Table 10 Fixed tubesheet heat exchangers with tubesheet integral with shell and channel