水壓工況下全直徑管板的設(shè)計(jì)考慮

楊建良，楊湖

（無(wú)錫化工裝備股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214131）

2004 年改版ASME Ⅷ-1 規(guī)范時(shí)正式將管殼式換熱器的建造要求列入到規(guī)范正文中。當(dāng)時(shí)規(guī)范并沒(méi)有要求設(shè)計(jì)人員考慮全直徑管板及延伸部分兼作法蘭的管板在水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力[1]。2007 版ASMEⅧ-1 規(guī)范注意到忽略管板在水壓工況下的應(yīng)力是欠考慮的，故加入了UHX-9.4 章節(jié)，規(guī)定設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)由UG-99 或UG-100[見(jiàn)UG-99 （b） 和 （d） ]要求的壓力試驗(yàn)所引起的應(yīng)力作出適當(dāng)?shù)目紤]。對(duì)于兩側(cè)都設(shè)有墊片的管板，當(dāng)在每一受壓室單獨(dú)進(jìn)行壓力試驗(yàn)且螺栓載荷僅作用在兼作法蘭的延伸部分時(shí)需要特別考慮[2]。

出于安全性的考慮，通常都是采用液壓試驗(yàn)[3-4]。完工的壓力容器需要進(jìn)行水壓試驗(yàn)的目的之一是考察容器的宏觀強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性[5]。基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，完工容器的水壓試驗(yàn)壓力需要高于其設(shè)計(jì)壓力。在超設(shè)計(jì)壓力下，驗(yàn)證壓力容器各個(gè)元件強(qiáng)度就顯得尤為重要。

絕大多數(shù)的受壓元件諸如殼體、封頭、法蘭、平蓋等在水壓工況下受力模型與操作條件下是一致的，可以直接使用規(guī)范公式來(lái)校核其在水壓工況下的強(qiáng)度。但是對(duì)于延伸部分兼作法蘭的管板，其在水壓工況下的所受載荷條件和操作狀態(tài)下的所受載荷條件是不同的，這就導(dǎo)致了不能直接應(yīng)用UHX 相應(yīng)章節(jié)的公式來(lái)校核管板在水壓工況下的應(yīng)力水平。而產(chǎn)生水壓工況和操作條件下延伸部分兼作法蘭的管板受載條件不同的根本原因是換熱器的水壓順序。下文根據(jù)換熱器的不同結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)，從換熱器的一般打壓順序入手，提出了水壓工況下校核延伸部分兼作法蘭的管板強(qiáng)度計(jì)算公式，保證延伸部分兼作法蘭的管板在水壓工況下的強(qiáng)度。

1 換熱器的水壓試驗(yàn)順序

管殼式換熱器常見(jiàn)的三種結(jié)構(gòu)型式分為固定管板換熱器、U 形管換熱器、浮頭換熱器。整個(gè)ASME UHX 章節(jié)的管板計(jì)算也是圍繞這三種類型的換熱器展開(kāi)的。釜式重沸器和填料函式換熱器是由上述三種類型換熱器派生而出，水壓順序與上述三種類型換熱器相似，此處就不做討論。

1.1 固定管板換熱器

對(duì)于固定管板換熱器，先進(jìn)行殼程試壓，此時(shí)兩端的管箱需要拆除，對(duì)殼程加壓到殼程水壓試驗(yàn)壓力下，保壓至規(guī)定時(shí)間，然后降至殼程設(shè)計(jì)壓力下仔細(xì)檢查殼體、換熱管和管板的連接部位，法蘭密封面等相關(guān)部位是否出現(xiàn)泄漏。殼程水壓試驗(yàn)合格后卸壓排液，將兩端的管箱安裝上，然后進(jìn)行管程試壓，對(duì)管程加壓至管程水壓試驗(yàn)壓力，保壓至規(guī)定時(shí)間，然后降至管程設(shè)計(jì)壓力下，仔細(xì)檢查管箱殼體和法蘭密封面等相關(guān)部位是否出現(xiàn)泄漏，水壓試驗(yàn)合格后卸壓排液。水壓順序圖見(jiàn)圖1。

圖1 固定管板換熱器水壓順序Fig.1 Hydrostatic sequences for fixed heat exchanger

1.2 U形管換熱器

1.2.1 殼程水壓試驗(yàn)壓力高于管程水壓試驗(yàn)壓力

先對(duì)殼程側(cè)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，此時(shí)需要拆除管箱，對(duì)殼程加壓到殼程水壓試驗(yàn)壓力下，保壓至規(guī)定時(shí)間，然后降至殼程設(shè)計(jì)壓力下仔細(xì)檢查殼體、換熱管和管板的連接部位，法蘭密封面等相關(guān)部位是否出現(xiàn)泄漏。殼程水壓試驗(yàn)合格后卸壓排液，將管箱安裝上，然后進(jìn)行管程試壓，對(duì)管程加壓至管程水壓試驗(yàn)壓力，保壓至規(guī)定時(shí)間，然后降至管程設(shè)計(jì)壓力下仔細(xì)檢查管箱殼體和法蘭密封面等相關(guān)部位是否出現(xiàn)泄漏，水壓試驗(yàn)合格后卸壓排液。水壓順序圖見(jiàn)圖2。

圖2 U 形管換熱器水壓順序（殼程試驗(yàn)壓力大于管程試驗(yàn)壓力）Fig.2 Hydrostatic sequences for U-tube heat exchanger（shell side test pressure＞tube side test pressure）

1.2.2 管程水壓試驗(yàn)壓力高于殼程水壓試驗(yàn)壓力

先對(duì)管程側(cè)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，此時(shí)需要拆除殼程筒體，對(duì)管程加壓到管程水壓試驗(yàn)壓力下，保壓至規(guī)定時(shí)間，然后降至管程設(shè)計(jì)壓力下仔細(xì)檢查管箱殼體、換熱管和管板的連接部位（背面），法蘭密封面等相關(guān)部位是否出現(xiàn)泄漏。管程水壓試驗(yàn)合格后卸壓排液，將殼程筒體安裝上，然后進(jìn)行殼程試壓，對(duì)殼程加壓至殼程水壓試驗(yàn)壓力，保壓至規(guī)定時(shí)間，然后降至殼程設(shè)計(jì)壓力下仔細(xì)檢查殼程筒體和法蘭密封面等相關(guān)部位是否出現(xiàn)泄漏，水壓試驗(yàn)合格后卸壓排液。水壓順序圖見(jiàn)圖3。

圖3 U 形管換熱器水壓順序（管程試驗(yàn)壓力大于殼程試驗(yàn)壓力）Fig.3 Hydrostatic sequences for U-tube heat exchanger（tube side test pressure＞shell side test pressure）

1.3 浮頭換熱器

1.3.1 殼程水壓試驗(yàn)壓力高于管程水壓試驗(yàn)壓力

（1）先對(duì)殼程側(cè)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，此時(shí)需要拆除管箱、外頭蓋以及浮頭蓋，另外，需要在浮動(dòng)管板處設(shè)置試壓胎具，對(duì)殼程加壓到殼程水壓試驗(yàn)壓力下，保壓至規(guī)定時(shí)間，然后降至殼程設(shè)計(jì)壓力下仔細(xì)檢查殼體、換熱管和管板的連接部位，法蘭密封面等相關(guān)部位是否出現(xiàn)泄漏。殼程水壓試驗(yàn)合格后卸壓排液。

（2）將管箱及浮頭蓋安裝上，進(jìn)行管程試壓，對(duì)管程加壓至管程水壓試驗(yàn)壓力，保壓至規(guī)定時(shí)間，然后降至管程設(shè)計(jì)壓力下仔細(xì)檢查管箱殼體和法蘭密封面等相關(guān)部位是否出現(xiàn)泄漏，水壓試驗(yàn)合格后卸壓排液。

（3）將外頭蓋安裝上，對(duì)殼程加壓到殼程水壓試驗(yàn)壓力下，保壓至規(guī)定時(shí)間，然后降至殼程設(shè)計(jì)壓力下仔細(xì)檢查殼體、外頭蓋及法蘭密封面等相關(guān)部位是否出現(xiàn)泄漏。殼程水壓試驗(yàn)合格后卸壓排液。水壓順序圖見(jiàn)圖4。

1.3.2 管程水壓試驗(yàn)壓力高于殼程水壓試驗(yàn)壓力

圖4 浮頭換熱器水壓順序（殼程試驗(yàn)壓力大于管程試驗(yàn)壓力）Fig.4 Hydrostatic sequences for floating head heat exchanger（shell side test pressure＞tube side test pressure）

對(duì)于管程水壓試驗(yàn)壓力高于殼程水壓試驗(yàn)壓力的情況，不同工程公司或者業(yè)主的要求不盡相同。

有的要求先利用試壓胎具對(duì)管束進(jìn)行試壓；然后安裝上管箱及浮頭蓋后再對(duì)管程進(jìn)行試壓；最后裝上外頭蓋進(jìn)行殼程試壓。此時(shí)的水壓順序圖同圖 4。

有的要求先拆除殼程筒體及外頭蓋對(duì)管程進(jìn)行水壓試驗(yàn)。然后將管束裝入殼程筒體中，拆除管箱及外頭蓋，浮動(dòng)管板處采用試壓胎具進(jìn)行殼程試壓。最后裝上管箱，浮頭蓋及外頭蓋再次對(duì)殼程進(jìn)行水壓試驗(yàn)。水壓順序圖見(jiàn)圖5。

但是不管如何安排水壓試驗(yàn)順序，相應(yīng)的檢查要求都與1.3.1 的檢查要求相同。

2 水壓工況下管板應(yīng)力校核公式

2.1 固定管板換熱器

根據(jù)圖1，可以看出步驟1 中管板僅承受殼程水壓試驗(yàn)壓力，沒(méi)有螺栓載荷作用于管板延伸部分，此時(shí)管板的受力與圖UHX-13.1[6]的（a）結(jié)構(gòu)相似，管板在水壓工況下的應(yīng)力校核可以借助圖UHX-13.1 的（a）結(jié)構(gòu)的管板計(jì)算公式。

進(jìn)行步驟2 中的水壓試驗(yàn)時(shí)，管板的受力模型與正常操作狀態(tài)下的受力模型一致，只需要按照?qǐng)DUHX-13.1 的（b）結(jié)構(gòu)的管板計(jì)算公式來(lái)校核水壓狀態(tài)下的管板應(yīng)力即可。

圖5 浮頭換熱器水壓順序（管程試驗(yàn)壓力大于殼程試驗(yàn)壓力）Fig.5 Hydrostatic sequence for floating head heat exchanger（tube side test pressure＞shell side test pressure）

2.2 U形管換熱器

2.2.1 殼程水壓試驗(yàn)壓力高于管程水壓試驗(yàn)壓力

由圖2 可以看出步驟1 中管板僅承受殼程水壓試驗(yàn)壓力，同時(shí)螺栓載荷作用于管板延伸部分，此時(shí)管板的受力與圖UHX-12.1[6]的（e）結(jié)構(gòu)相似。在管板應(yīng)力校核計(jì)算時(shí)需要將UHX-12.5.6[6]中（d）結(jié)構(gòu)下的M*值計(jì)算公式修改為M*= MTS+ Ws（C-Gs）/（2πDo），其余計(jì)算公式不需要修改。此外，由于管板延伸部分承受了螺栓載荷，故還需按UHX-9.5（a）計(jì)算管板延伸部分的厚度。

在管程水壓試驗(yàn)時(shí)，管板的受力模型與正常操作狀態(tài)下的受力模型一致，但是此時(shí)螺栓載荷并不作用在管板延伸部分，不需要考慮管板延伸部分的強(qiáng)度計(jì)算，只需要按照?qǐng)DUHX-12.1 的（d）結(jié)構(gòu)的管板計(jì)算公式來(lái)校核水壓狀態(tài)下的管板應(yīng)力即可。

2.2.2 管程水壓試驗(yàn)壓力高于殼程水壓試驗(yàn)壓力

借助圖3 可以看出步驟1 中管板僅承受管程水壓試驗(yàn)壓力，同時(shí)螺栓載荷作用于管板延伸部分，此時(shí)管板的受力與圖UHX-12.1 的（b）結(jié)構(gòu)相似。在管板應(yīng)力校核計(jì)算時(shí)需要將UHX-12.5.6 中（d）結(jié)構(gòu)下的M*值計(jì)算公式修改為M*= MTS- Wc（C-Gc） /（2πDo），其余計(jì)算公式不需要修改。此外，由于螺栓載荷作用在管板延伸部分，故還需按UHX-9.5（a）計(jì)算管板延伸部分的厚度。

執(zhí)行步驟2 時(shí)，由于管板僅承受殼程水壓試驗(yàn)壓力，螺栓載荷也不作用在管板延伸部分，故不需要考慮管板延伸部分的強(qiáng)度計(jì)算，僅需要按照?qǐng)DUHX-12.1 的（d）結(jié)構(gòu)的管板計(jì)算公式來(lái)校核水壓狀態(tài)下的管板應(yīng)力即可。

2.3 浮頭換熱器

盡管浮頭換熱器管殼程兩側(cè)水壓試驗(yàn)壓力不同，存在殼程側(cè)水壓試驗(yàn)壓力高、管程側(cè)水壓試驗(yàn)壓力低或者管程側(cè)水壓試驗(yàn)壓力高、殼程側(cè)水壓試驗(yàn)壓力低的情形，但是歸結(jié)起來(lái)如下：

（1）殼程側(cè)打壓，沒(méi)有安裝管箱。這種情況下管板僅承受殼程水壓試驗(yàn)壓力，同時(shí)螺栓載荷作用于管板延伸部分，此時(shí)管板的受力與圖UHX-14.2[6]的（e）結(jié)構(gòu)相似。在驗(yàn)證管板應(yīng)力時(shí)需要將UHX-14.5.5[6]中（d）結(jié)構(gòu)下的γb值計(jì)算公式修改為γb=（C - Gs） /Do，其余計(jì)算公式不需要修改。同樣還需要按UHX-9.5（a）[6]計(jì)算管板延伸部分的厚度。

（2）管程側(cè)打壓，拆除了殼程筒體。這種情況下管板僅承受管程水壓試驗(yàn)壓力，同時(shí)螺栓載荷作用于管板延伸部分，此時(shí)管板的受力與圖UHX-14.2的（b）結(jié)構(gòu)相似。在考慮管板應(yīng)力時(shí)需要將UHX-14.5.5 中（d）結(jié)構(gòu)下的γb值計(jì)算公式修改為γb=（Gc- C） / Do，其余計(jì)算公式不需要修改。同樣也需要按UHX-9.5（a）計(jì)算管板延伸部分的厚度。

（3）在步驟3 時(shí)，僅有殼程水壓試驗(yàn)壓力作用時(shí)也不需要考慮螺栓載荷，按圖UHX-14.2 的（d）結(jié)構(gòu)的管板計(jì)算公式來(lái)考慮水壓狀態(tài)下的管板應(yīng)力即可。

3 管板計(jì)算時(shí)的一些注意事項(xiàng)

由于一些商業(yè)計(jì)算軟件只能用于正常設(shè)計(jì)工況下，對(duì)于水壓工況下并不能直接使用軟件計(jì)算，需要修改一些參數(shù)，在應(yīng)用商業(yè)計(jì)算軟件計(jì)算時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)于固定管板換熱器，水壓工況下的平均金屬溫度取常溫。

（2）對(duì)于U 形管和浮頭換熱器，在管箱或殼程筒體與管束組裝好了打壓，計(jì)算時(shí)需要勾選上螺栓載荷作用于管板上這個(gè)選項(xiàng)。

（3）對(duì)于U 形管和浮頭換熱器，在管箱、管束和殼程筒體都組裝好的情況下，計(jì)算時(shí)不需要考慮螺栓載荷作用在管板上。

（4）對(duì)于殼程水壓試驗(yàn)壓力高于管程水壓試驗(yàn)壓力的U 形管換熱器，執(zhí)行圖2 步驟1 時(shí)，校核管板強(qiáng)度需要將管板型式勾選為圖UHX-12.1 中的（e）結(jié)構(gòu)，同時(shí)將管程壓力修改為0。

（5）對(duì)于管程水壓試驗(yàn)壓力高于殼程水壓試驗(yàn)壓力的U 形管換熱器，進(jìn)行圖3 步驟1 時(shí)，管板驗(yàn)算需要將管板型式勾選為圖UHX-12.1 中的（b）結(jié)構(gòu)，同時(shí)將殼程壓力修改為0。

（6）對(duì)于殼程水壓試驗(yàn)壓力高于管程水壓試驗(yàn)壓力或者在管程水壓試驗(yàn)壓力高于殼程水壓試驗(yàn)壓力時(shí)，先進(jìn)行管頭試壓的浮頭換熱器，執(zhí)行圖4 步驟1 或圖5 步驟2 時(shí)，管板計(jì)算要將管板型式勾選為圖UHX-14.2 中的（e）結(jié)構(gòu)，同時(shí)將管程壓力修改為0。

（7）對(duì)于先管程試壓的管程水壓試驗(yàn)壓力高于殼程水壓試驗(yàn)壓力的浮頭換熱器，進(jìn)行圖5 步驟1 時(shí)，需要將管板型式勾選為圖UHX-14.2 中的（b）結(jié)構(gòu)，同時(shí)將殼程壓力修改為0。

（8）水壓試驗(yàn)時(shí)校核管板最大一次總體彎曲應(yīng)力的判定條件為σT≤1.35φReL[7-8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

換熱器的結(jié)構(gòu)型式不同以及管殼程兩側(cè)水壓試驗(yàn)壓力大小不一，造成了換熱器打壓順序不一樣，管板的受力條件也就和正常操作時(shí)不一樣了。另外，尤其是對(duì)于浮頭換熱器，不同的業(yè)主或工程公司，要求的水壓工序也不一樣。這些都要求設(shè)計(jì)人員需要充分考慮在各個(gè)水壓試驗(yàn)步驟下，管板的強(qiáng)度能否滿足要求。

鑒于ASME 規(guī)范并沒(méi)有直接給出水壓狀態(tài)下管板的強(qiáng)度計(jì)算公式，建議設(shè)計(jì)人員按上述修正的計(jì)算公式來(lái)考慮水壓工況下延伸部分兼作法蘭的管板強(qiáng)度，保證延伸部分兼作法蘭的管板在水壓工況下強(qiáng)度，進(jìn)一步確保換熱器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。