利用SW6軟件設(shè)計(jì)固定管板換熱器中常見問題及對(duì)策

江 輝 龐 彪 成都市通用工程技術(shù)有限責(zé)任公司 成都 610041

換熱器是石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍使用的傳熱設(shè)備。在煉油、化工裝置中，換熱器約占總設(shè)備數(shù)量的40%，占設(shè)備總投資的30% ～45%［1］。在換熱設(shè)備中，固定管板換熱器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用的溫度和壓力范圍較大、制造成本低，處理量大、工作可靠，成為應(yīng)用范圍最廣的換熱器類型。在設(shè)計(jì)過程中，普遍使用“過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件SW6”(以下簡(jiǎn)稱SW6)來計(jì)算換熱器以及其它壓力容器的受壓元件。該軟件界面簡(jiǎn)潔、使用方便，只需輸入相關(guān)工藝條件參數(shù)就能計(jì)算出結(jié)果，使設(shè)計(jì)人員擺脫了繁瑣的手工計(jì)算，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。但同時(shí)也產(chǎn)生了過度依賴軟件的不利影響，設(shè)計(jì)人員，尤其是年輕的設(shè)計(jì)人員，對(duì)SW6 計(jì)算程序中各部件的適用條件以及參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不太了解，忽略了一些可能會(huì)影響設(shè)備強(qiáng)度的問題，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生安全隱患。本文分析利用計(jì)算軟件SW6 設(shè)計(jì)固定管板換熱器過程中可能被忽視的問題。

1 壁溫的計(jì)算

由于固定管板換熱器的換熱管、管板和殼體焊在一起，故換熱管與殼體的溫差引起的熱膨脹應(yīng)力是設(shè)計(jì)中的重要控制因素之一。因?yàn)樵诠潭ü馨鍝Q熱器的管板計(jì)算中，按照各種工況的溫差計(jì)算出殼體和換熱管的軸向應(yīng)力和換熱管與管板之間連接拉脫力，有一項(xiàng)不能滿足強(qiáng)度條件時(shí)，就需要考慮設(shè)置膨脹節(jié)。當(dāng)圓筒外部有良好的保溫，或殼程流體溫度接近環(huán)境溫度，或傳熱條件使得圓筒壁溫接近介質(zhì)溫度時(shí)，殼體壁溫就取殼程流體的平均溫度。換熱管的壁溫tt可以按式(1)估算:

式中，Tm、tm分別為熱、冷流體的平均溫度;αh、αc分別為熱、冷流體側(cè)的給熱系數(shù)。

在SW6 計(jì)算軟件中，壁溫是在“主體設(shè)計(jì)參數(shù)”中的“沿筒體長(zhǎng)度的平均溫度”和“沿?fù)Q熱管長(zhǎng)度方向的平均溫度”中輸入。由于沒有準(zhǔn)確的給熱系數(shù)值，有些設(shè)計(jì)人員只好將管程和殼程流體的平均溫度作為換熱管的壁溫。當(dāng)熱、冷流體的給熱系數(shù)差別較大時(shí)，比如換熱管一側(cè)介質(zhì)是水，另一側(cè)介質(zhì)是氣體，就可能使得換熱管的壁溫接近給熱系數(shù)大的一側(cè)，從而與管程和殼程流體的平均溫度相差很大，造成設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤。例如某化肥廠有一臺(tái)固定管板式換熱器在使用過程中，管頭位置經(jīng)常泄漏，幾次修補(bǔ)，問題依舊存在。在確認(rèn)材料、焊接方法、制造工藝、工藝介質(zhì)以及在使用過程中的操作方式無誤后，分析可能是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的缺陷所致。在化肥廠提供的設(shè)計(jì)參數(shù)中，只給了介質(zhì)的進(jìn)出口溫度，沒有提供給熱系數(shù)。制造廠在設(shè)計(jì)時(shí)，用平均溫度作為換熱管的壁溫，導(dǎo)致計(jì)算出的殼體軸向應(yīng)力、換熱管軸向應(yīng)力，換熱管與管板之間連接拉脫力比實(shí)際情況小很多，造成拉應(yīng)力(或壓應(yīng)力)超限。改造中給該換熱器殼程增加了一個(gè)膨脹節(jié)，在以后的使用過程中再?zèng)]有出現(xiàn)管頭泄漏。根據(jù)上述分析，換熱管的壁溫應(yīng)按式(1)估算，或按GB151附錄F 進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，才能保證設(shè)備安全使用。

2 隔板槽面積對(duì)管板計(jì)算的影響

管板的強(qiáng)度計(jì)算是把管板作為承受均布載荷、放置在彈性基礎(chǔ)上、且受管孔均勻削弱的當(dāng)量圓平板來考慮的。但實(shí)際上，由于分程隔板、拉桿等結(jié)構(gòu)件的存在，換熱管并未均勻地布置在整個(gè)管板上，而且在管板的周邊部分，存在一個(gè)較窄的不布管區(qū)，即布管區(qū)一般是一個(gè)多邊形，而不是圓形的。由于該區(qū)域的存在使管板邊緣的應(yīng)力下降。在計(jì)算時(shí)，把實(shí)際的布管區(qū)折算成當(dāng)量直徑Dt的圓形布管區(qū)來近似真實(shí)的多邊形布管區(qū)。管板周邊部分較窄的不布管區(qū)按其面積簡(jiǎn)化為圓環(huán)形實(shí)心板。實(shí)際的布管區(qū)面積是全部換熱管對(duì)管板的總支撐作用面積，此外設(shè)置的隔板、拉桿等結(jié)構(gòu)是在布管區(qū)內(nèi)沒有被支撐到的面積，在計(jì)算中應(yīng)將這部分面積考慮進(jìn)去［2］。

2.1 換熱管所占面積

換熱管所占面積A:

當(dāng)三角形排列時(shí):

當(dāng)正方形排列時(shí):

式中，n 為換熱管根數(shù);S 為換熱管管間距。

2.2 隔板槽面積

在使用SW6 計(jì)算管板時(shí)，如果對(duì)隔板槽面積的含義及影響不甚了解，僅從字面上理解，認(rèn)為該面積是隔板槽的開槽處面積，甚至不填寫該項(xiàng)數(shù)值(不填寫時(shí)SW6 默認(rèn)為0)，就會(huì)使得計(jì)算中的布管區(qū)當(dāng)量直徑Dt比實(shí)際值小，致使管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力和剪切應(yīng)力比實(shí)際值小，可能設(shè)計(jì)出的強(qiáng)度不滿足換熱器要求，給使用帶來安全隱患。

2.2.1 換熱管為正三角形排列

當(dāng)換熱管為正三角形排列時(shí)，隔板槽面積Ad陰影部分的面積見圖1。

圖1 換熱管為正三角形排列時(shí)的隔板槽面積示意圖

隔板槽面積Ad按式(4)計(jì)算:

式中，n＇為沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù);Sn為隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距。

2.2.2 換熱管為轉(zhuǎn)三角形排列

當(dāng)換熱管為轉(zhuǎn)三角形排列時(shí)，隔板槽面積Ad陰影部分的面積見圖2。

圖2 換熱管為轉(zhuǎn)三角形排列時(shí)的隔板槽面積示意圖

隔板槽面積Ad按式(5)計(jì)算:

2.2.3 換熱管為正方形排列

當(dāng)換熱管為正方形排列時(shí)，隔板槽面積Ad的陰影部分的面積見圖3。

圖3 換熱管為正方形排列時(shí)的隔板槽面積示意圖

隔板槽面積Ad按式(6)計(jì)算:

2.2.4 換熱管為轉(zhuǎn)正方形排列

當(dāng)換熱管為轉(zhuǎn)正方形排列時(shí)，隔板槽面積Ad陰影部分的面積見圖4。

圖4 換熱管為轉(zhuǎn)正方形排列時(shí)的隔板槽面積示意圖

隔板槽面積Ad按式(7)計(jì)算:

2.3 拉桿所占的面積

除了換熱管所占面積和隔板槽面積外，布管區(qū)面積還應(yīng)該加上布管區(qū)范圍內(nèi)拉桿所占的面積。一般情況下，略去拉桿所占的面積不會(huì)帶來很大影響。但是，當(dāng)換熱器直徑很小，換熱管的根數(shù)不多時(shí)，則須加上拉桿所占的面積，否則會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。拉桿所占的面積按公式(2)、(3)進(jìn)行計(jì)算。

3 殼程筒體環(huán)向焊縫的焊接接頭系數(shù)

在計(jì)算殼程圓筒的軸向應(yīng)力時(shí)，其值應(yīng)小于或等于殼程圓筒的許用軸向應(yīng)力。如不計(jì)溫差應(yīng)力的情況下，許用軸向應(yīng)力等于環(huán)向焊縫的焊接接頭系數(shù)與殼程筒體設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力的乘積。如計(jì)溫差應(yīng)力，許用軸向應(yīng)力為乘積的3 倍。一般情況下環(huán)向焊縫和縱向焊縫的焊接接頭系數(shù)一致，通常為0.85 或1.0。但是由于固定管板換熱器的結(jié)構(gòu)原因，管板與殼程筒體間的環(huán)焊縫一般無法進(jìn)行射線或超聲波檢測(cè)，按GB151 的規(guī)定［3］，此環(huán)縫的焊接接頭系數(shù)應(yīng)取0.6。在使用SW6 計(jì)算時(shí)，該焊縫系數(shù)是在“筒體數(shù)據(jù)”的選項(xiàng)卡中，如果不加注意，將焊縫系數(shù)取為與縱向焊縫系數(shù)一致的0.85 或1.0，就會(huì)導(dǎo)致殼程圓筒的許用軸向應(yīng)力偏大，從而影響殼程圓筒的軸向應(yīng)力是否合格的判斷結(jié)果，帶來安全隱患。在輸入設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)應(yīng)注意選取，并在審查計(jì)算書時(shí)將焊縫系數(shù)代入殼程圓筒軸向應(yīng)力許用值中校核。

4 前后管箱設(shè)計(jì)參數(shù)不一致時(shí)對(duì)管板計(jì)算的影響

在通常情況下固定管板換熱器前后兩個(gè)管箱法蘭形式、管箱法蘭材質(zhì)、管箱筒體厚度、管箱筒體材質(zhì)、管箱法蘭用螺栓及墊片是一致的。在計(jì)算管板時(shí)，以上這些因素會(huì)影響除拉脫應(yīng)力外的其余應(yīng)力大小。

當(dāng)兩個(gè)管箱存在操作參數(shù)不一致時(shí)，則應(yīng)該根據(jù)各管箱的設(shè)計(jì)參數(shù)，分別計(jì)算管板。在使用SW6 計(jì)算管板時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)使用前管箱的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以應(yīng)在SW6 的“前端管箱數(shù)據(jù)”的選項(xiàng)卡中，分別輸入前、后管箱的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

5 接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)范圍

按照GB 150 的規(guī)定，開孔的補(bǔ)強(qiáng)面積由殼體多余面積、接管多余面積、焊縫金屬截面積以及補(bǔ)強(qiáng)元件面積四部分組成。其中殼體多余面積與補(bǔ)強(qiáng)有效寬度B 有關(guān)，按式(8)計(jì)算，取二者的大值:

式中，d 為接管內(nèi)直徑加2 倍厚度附加量，mm;δn 為殼體開孔處名義厚度，mm;δt 為接管名義厚度，mm。

因?yàn)楣潭ü馨鍝Q熱器結(jié)構(gòu)的原因，殼程介質(zhì)進(jìn)出口接管一般設(shè)置在殼程筒體的端部，靠近管板，而管箱的筒體一般較短，當(dāng)接管直徑較大時(shí)，按式(8)計(jì)算出的理論補(bǔ)強(qiáng)有效寬度B 就會(huì)超出筒體邊緣，使得其實(shí)際的補(bǔ)強(qiáng)有效寬度小于理論計(jì)算值，因此，實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)有效寬度B＇應(yīng)按式(9)取小值:

由于換熱器的結(jié)構(gòu)限制，在使用SW6 進(jìn)行接管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，如果B 值不滿足正常計(jì)算值，應(yīng)將B 值的實(shí)際值輸入計(jì)算程序中進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

6 計(jì)算時(shí)容易忽略的特殊結(jié)構(gòu)

6.1 帶凸肩的管板

換熱器的管板有時(shí)會(huì)選用帶凸肩的形式，凸肩與筒體對(duì)接焊接。在計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)者通常只對(duì)筒體進(jìn)行計(jì)算，凸肩直接取成與筒體等厚。因?yàn)橥搀w與管板的材料往往不一致，這樣的設(shè)計(jì)方法可能存在安全隱患。例如設(shè)計(jì)溫度為350℃時(shí)，筒體選用厚度不大于16mm Q345R 的板材，許用應(yīng)為143MPa。管板選用厚度不大于100mm 的16Mn 鍛件，許用應(yīng)為117MPa。兩者許用應(yīng)力相差22%，可能會(huì)出現(xiàn)筒體計(jì)算合格，而凸肩取與筒體等厚，但計(jì)算不合格的情況。所以，在計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)凸肩部位單獨(dú)計(jì)算。

6.2 厚壁管的端部

為了滿足接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)要求有時(shí)會(huì)選用厚壁管或鍛件接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，通過削邊或直邊加斜邊過渡的結(jié)構(gòu)與法蘭對(duì)接焊接。在使用SW6 計(jì)算的時(shí)候，軟件并未對(duì)厚壁管端部厚度進(jìn)行直接校核，因此應(yīng)注意檢查計(jì)算書中接管的計(jì)算厚度一欄，看端部的厚度是否滿足強(qiáng)度要求。

7 其它問題

7.1 鞍座的設(shè)置

鞍座的形式有固定鞍座和滑動(dòng)鞍座兩種，對(duì)雙鞍座一般一端為固定端，另一端為滑動(dòng)端。對(duì)于三鞍座或多鞍座，只有一個(gè)為固定支座，其余為滑動(dòng)支座，以減少筒體因熱脹冷縮或圓筒及物料質(zhì)量引起的對(duì)支座產(chǎn)生的附加載荷。

(1)對(duì)于雙鞍座，固定端多選在容器接管較大、較多的一側(cè)，以減少因滑動(dòng)產(chǎn)生的管道對(duì)設(shè)備的附加應(yīng)力。

(2)對(duì)于三鞍座或多鞍座，固定端選在中間支座，以減少滑動(dòng)端的位移量。

(3)對(duì)于重疊式換熱器之間的鞍座，因?yàn)樯舷聝膳_(tái)換熱器中間的接管要連接起來，已經(jīng)形成固定點(diǎn)，所以其間的鞍座均宜選用滑動(dòng)式鞍座。

7.2 薄管板上拉桿孔的深度

常用的拉桿與管板連接形式有兩種:一種是點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，一種是螺紋結(jié)構(gòu)。

螺紋結(jié)構(gòu)為較常用的連接形式，管板上開的拉桿螺紋孔的深度一般為拉桿外徑的1.5 倍。當(dāng)管板的厚度較薄時(shí)，應(yīng)注意螺紋拉桿孔的總深度不應(yīng)超過管板厚度。除了螺紋孔深度外，拉桿孔總深度還包括作為工藝孔的光孔深度和鉆頭頂錐角的深度。

兩種常用規(guī)格的螺紋拉桿孔深度分別為:Φ12拉桿，拉桿螺紋孔深度應(yīng)≥24.5mm;Φ16 拉桿，拉桿螺紋孔深度應(yīng)≥31.5mm。如果拉桿孔深度超過管板厚度，可以改用點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)。

7.3 管箱吊耳

為方便管箱、管箱蓋的安裝及檢修，當(dāng)管箱、管箱蓋質(zhì)量超過30kg 時(shí)，應(yīng)設(shè)置吊耳。吊耳盡可能放在重心位置，或者對(duì)稱放置兩個(gè)吊耳。吊耳的結(jié)構(gòu)見圖5，吊耳尺寸見表1。

圖5 吊耳結(jié)構(gòu)

表1 吊耳尺寸表(mm)

7.4 頂絲設(shè)置

為便于拆卸管箱或管箱蓋，應(yīng)在換熱器管板或者管箱蓋上設(shè)置頂絲。頂絲應(yīng)放置在兩個(gè)螺栓之間，并沿圓周均布。頂絲直徑及個(gè)數(shù)見表2。

表2 頂絲直徑及個(gè)數(shù)表

7.5 兼作法蘭端的管板厚度

兼作法蘭端的管板厚度一般由計(jì)算決定，但有時(shí)候計(jì)算出來的厚度較薄，比與之配對(duì)使用的管箱法蘭厚度小很多，而管箱法蘭通常是選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭。這種情況下應(yīng)適當(dāng)增加0.6 ～0.8 倍兼作法蘭端的管板的厚度，這樣才能保證兼作法蘭端管板的剛度，在上緊螺栓和使用過程中，不至于因?yàn)楹穸炔钸^大而導(dǎo)致管板法蘭變形。

8 結(jié)語(yǔ)

(1)在使用計(jì)算軟件SW6 設(shè)計(jì)固定管板換熱器過程中，除上述常見問題外，還可能遇到其他問題，設(shè)計(jì)人員只有熟練掌握設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，才能正確解決問題。

(2)有時(shí)會(huì)遇到計(jì)算軟件SW6 報(bào)錯(cuò)而無法計(jì)算的情況，導(dǎo)致這種問題的原因大部分都是因?yàn)閰?shù)輸入錯(cuò)誤或者不合理，只有深入了解各種參數(shù)所包含的意義和對(duì)計(jì)算的影響，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，做出合理、優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

1 化工設(shè)備全書編輯委員會(huì). 化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書- 換熱器［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003

2 李世玉. 壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程［M］. 北京:中國(guó)鍋爐壓力容器安全雜志社，2005

3 GB151 -1999. 管殼式換熱器［S］. 北京:國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局