淺談小直徑固定管板換熱器設(shè)計(jì)應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問題

孫洪峰

（南京海陸化工科技有限公司，南京 210015）

對于小直徑固定管板換熱器，由于無縫鋼管用作筒體具有采購、加工、無損檢測等方面的優(yōu)勢，因此當(dāng)換熱器直徑DN ≤400 時(shí)，通常以公制無縫鋼管作換熱器的筒體。以無縫鋼管作為管箱筒體時(shí)，管法蘭成為管箱法蘭的首選。由于管法蘭的結(jié)構(gòu)同設(shè)備法蘭存在一些區(qū)別，要注意它帶來的相應(yīng)問題。本文就換熱器設(shè)計(jì)過程中遇到的問題進(jìn)行闡述，希望引起注 意。

1 管法蘭用作管箱法蘭的強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)管法蘭作為管箱法蘭，選用HG/T 20592—2009 帶頸對焊（WN）標(biāo)準(zhǔn)法蘭按GB 150.3進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)法蘭厚度不夠，致使強(qiáng)度計(jì)算不通過的情況。這時(shí)，設(shè)計(jì)者通常有兩種做法：

（1）管法蘭按HG/T 20592—2009 中表7.0.1-1到表7.0.1-9 核定最高允許工作壓力，如果最高允許工作壓力大于管程設(shè)計(jì)壓力，默認(rèn)管法蘭強(qiáng)度合格，不再按GB 150.3 中Taylor-Waters 法對法蘭強(qiáng)度進(jìn)行校 核。

（2）按GB150.3 中Taylor-Waters 對法蘭強(qiáng)度進(jìn)行校核，參照HG/T 20592—2009 標(biāo)準(zhǔn)法蘭的尺寸，加厚法蘭厚度，出一個非標(biāo)法蘭圖。

以上兩種方法，在實(shí)踐中皆有使用。筆者更傾向于第1 種做法。理由如下：

（1）從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的角度來講，管法蘭用作設(shè)備法蘭是沒有問題的。按照管法蘭標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592—2009 中第1.0.4 條規(guī)定：本標(biāo)準(zhǔn)也適用于采用法蘭作為連接型式的閥門、泵、化工機(jī)械、管路附件和設(shè)備零部件。因此，管法蘭用作設(shè)備法蘭，從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范角度來說，是適合的。

（2）《GB 150—2011<壓力容器>問題解答及算例》[1]一書，問題3-30 給出的意見是：按照HG/T 20592—2009 選用的管法蘭，若法蘭僅承受流體靜壓力及墊片壓緊力作用，可以免除計(jì)算。由此可見，GB 150 標(biāo)準(zhǔn)編制者對管法蘭免除計(jì)算是認(rèn)可的。

（3）從實(shí)際情況來說，同等設(shè)計(jì)條件下，管法蘭的安全裕量是大于設(shè)備法蘭的。

（4）設(shè)備法蘭與管法蘭的螺栓安全系數(shù)不同。按GB 150.3 中Taylor-Waters 法對法蘭強(qiáng)度進(jìn)行校核，并不能得出管法蘭強(qiáng)度不合格的結(jié)論。其原因在于，管法蘭螺栓的實(shí)際安全系數(shù)要大于GB 150.3中螺栓的安全系數(shù)，這樣就導(dǎo)致管法蘭的螺栓配置面積相比GB 150.3 中Taylor-Waters 法的法蘭螺栓面積要大，余量更加充裕。由于螺栓富裕量較大，所以按照GB 150.3 中Taylor-Waters 法公式校核的時(shí)候，經(jīng)常導(dǎo)致法蘭強(qiáng)度不合格。但是實(shí)際上法蘭的強(qiáng)度是有保證的，是安全的，這也就是為什么按照HG/T 20592—2009 選的法蘭，是可以免除計(jì)算的。

2 非標(biāo)管法蘭設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

前文說到，管法蘭用作管箱法蘭時(shí)，可參照HG/T 20592—2009 標(biāo)準(zhǔn)法蘭的尺寸，加厚法蘭厚度，通過GB 150.3 中Taylor-Waters 法強(qiáng)度校核合格后，出非標(biāo)法蘭圖。在這里，需要注意螺栓支承面應(yīng)進(jìn)行機(jī)加工或锪孔問題。

如圖1 所示， HG/T 20592—2009 帶頸平焊法蘭，SO-400（B）-PN10。帶頸平焊法蘭頸部R 圓角處與螺母干涉，螺母無法完全貼合在法蘭盤上，影響法蘭的緊 固。

圖1 法蘭頸部圓角與螺栓干涉示意Fig.1 Diagram of collision interface between rounded corner of flange neck and bolt

法蘭出圖時(shí)，應(yīng)注意：同規(guī)格的PN 管法蘭，B系列的接管外徑可能大于A 系列接管，由于法蘭盤直徑和螺栓中心圓直徑不變，法蘭頸部尺寸隨著接管直徑增大而增大，所以頸部離螺栓中心圓距離變近了。管法蘭標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592—2009 中第3.2.4 條規(guī)定：采用B 系列鋼管外徑時(shí)，對于DN 350 ～ DN 600帶頸平焊法蘭和DN 350 ～ DN 900 帶頸對焊法蘭的螺栓支承面應(yīng)進(jìn)行機(jī)加工或锪孔（魚眼孔），如圖2 所示，以適應(yīng)緊固件的裝配。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，對于DN 350 ～ DN 600 帶頸平焊法蘭和DN 350 ～ DN 900 帶頸對焊法蘭，不同壓力等級的管法蘭，并非都會出現(xiàn)此種情況。因此，建議設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)非標(biāo)法蘭時(shí)，確定法蘭各項(xiàng)尺寸參數(shù)后，按比例繪制出法蘭詳圖，然后按比例繪制螺母，進(jìn)行裝配。當(dāng)法蘭頸部R 圓角處與螺母干涉，螺母無法完全貼合在法蘭盤上時(shí)，按照管法蘭標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592—2009 中第3.2.4 條規(guī)定對螺栓支承面進(jìn)行機(jī)加工或锪孔處理。

圖2 螺栓支承面锪孔示意圖Fig.2 Diagram of spot facing of flange plate

3 管箱法蘭纏繞墊片的注意事項(xiàng)

當(dāng)管程設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力較高，介質(zhì)毒害程度較高或介質(zhì)滲透性較強(qiáng)時(shí)，管箱法蘭墊片可選擇纏繞墊，以保證法蘭的密封性能。按照纏繞墊標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20610—2009 中第3.0.1 條規(guī)定，對于法蘭密封面為凹凸面時(shí)，如果選用B 型（帶內(nèi)環(huán)型）纏繞墊（如圖3 所示），通常管板與凸面法蘭結(jié)構(gòu)不同，管板多一個凸臺，可能出現(xiàn)管板凸臺與纏繞墊內(nèi)環(huán)干涉，導(dǎo)致纏繞墊片無法安裝。

圖3 纏繞墊內(nèi)環(huán)與管板凸臺干涉示意圖Fig.3 Diagram of collision interface between spiral wound gasket inner ring and tubesheet convex edge

出現(xiàn)這種情況時(shí)，通常有5 種做法：

（1）選擇不帶內(nèi)環(huán)纏繞墊，也就是A 型，基本型纏繞墊。但是，相比于B 型（帶內(nèi)環(huán)型）纏繞墊，由于內(nèi)環(huán)對墊片本體有加強(qiáng)作用，能起到防止纏繞墊片本體因剛性不足而過度變形，同時(shí)填補(bǔ)墊片與法蘭密封面之間的空隙，以避免此空隙因流體的流動對墊片的沖蝕。因此，采用基本型纏繞墊的弊端是顯而易見的。

（2）修改管板的凸臺尺寸。按比例繪制管板詳圖，根據(jù)纏繞墊的內(nèi)環(huán)尺寸調(diào)整管板的凸臺尺寸，滿足管板凸臺與纏繞墊內(nèi)環(huán)不干涉。選擇這種做法時(shí)要注意：調(diào)整管板的凸臺尺寸可能會導(dǎo)致布管限定圓要向內(nèi)收縮，影響布管數(shù)量。由于小直徑換熱器本身布管數(shù)量就不多，建議設(shè)計(jì)人員要根據(jù)管板的凸臺尺寸仔細(xì)核對布管情況。

（3）取消管板凸臺。取消管板凸臺，管板與法蘭的密封型式同法蘭蓋與法蘭，不受標(biāo)準(zhǔn)纏繞墊內(nèi)環(huán)尺寸的影響。但是這種結(jié)構(gòu)只適用于單管程換熱器，如果換熱器是兩管程以上，這種結(jié)構(gòu)也無能為力了。

（4）調(diào)整纏繞墊的內(nèi)環(huán)尺寸。調(diào)整纏繞墊的內(nèi)環(huán)尺寸，出非標(biāo)墊片圖。這種做法的弊端是，由于墊片是非標(biāo)準(zhǔn)件，不利于換熱器使用單位日后墊片備件采購，使用單位只能單獨(dú)向墊片制造廠商訂制該尺寸的纏繞墊片。

（5）柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片代替纏繞墊。柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片具有優(yōu)良的密封性能，相比于纏繞墊，克服了纏繞墊“散架”和“壓潰”的缺陷，在石油化工行業(yè)已成功應(yīng)用[2]。對于凹凸面，柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片為不帶定位環(huán)的基本型[3]，回避了可能導(dǎo)致管板凸臺與墊片干涉的問題，但同時(shí)也應(yīng)注意：每種類型的墊片都有其適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)選擇柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮其適用的范圍、密封性能以及石墨覆層質(zhì)量、密度、厚度等相關(guān)參數(shù)。

4 結(jié)束語

以上所述為小直徑固定管板換熱器設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到的一些問題，希望引起注意，使換熱器滿足工藝和制造的需要，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。