高壓換熱器設(shè)計(jì)易忽略問題解析

李超

（勝幫科技股份有限公司，上海 201210）

中低壓換熱器在化工裝置中是最為常見的，對于一般壓力容器設(shè)計(jì)人員幾乎大部分時(shí)間都在設(shè)計(jì)它們，偶爾接觸到項(xiàng)目中的高壓換熱器很難從常規(guī)思維中轉(zhuǎn)變過來。高壓意味著厚壁，這就對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工制造提出了更多的要求。本文就高壓換熱器設(shè)計(jì)中易忽略的問題進(jìn)行解析。

1 許用應(yīng)力的取值問題

在壓力容器的設(shè)計(jì)中，鍛管或者鍛件根據(jù)溫度、厚度和相應(yīng)材料通過GB 150.1 ～ 150.4—2011 就能得出，但是經(jīng)常忽視了許用應(yīng)力對于厚度的定義，這個厚度是公稱厚度，而不是在結(jié)構(gòu)上取的計(jì)算厚度，公稱厚度的定義參照NB/T 47008—2017，這里就不再贅述。在中低壓容器設(shè)計(jì)中，公稱厚度與計(jì)算厚度差別不是很大或者公稱厚度與計(jì)算厚度都在許用應(yīng)力對應(yīng)的最低檔厚度范圍內(nèi)，按公稱厚度和計(jì)算厚度取值許用應(yīng)力是一樣的，對設(shè)計(jì)不會產(chǎn)生影響。但是在高壓容器設(shè)計(jì)中，公稱厚度和計(jì)算厚度差距往往很大，這就造成許用應(yīng)力取值的跳檔，如果依然按慣性思維按結(jié)構(gòu)上的計(jì)算厚度取就會造成強(qiáng)度不夠。以下用2 個典型案例來進(jìn)行說明，希望引起重視。

（1）現(xiàn)設(shè)計(jì)一臺管程高壓換熱器，工藝所提條件如下：

管箱設(shè)計(jì)壓力16 MPa，設(shè)計(jì)溫度50 ℃，材料Q345R，管箱筒體直徑DN 1 200 mm，腐蝕余量3 mm ，焊接接頭系數(shù)1.0。

管板結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 管板結(jié)構(gòu)Fig.1 Tubesheet structure

通過SW6 管板計(jì)算，管板厚度為235 mm，加上2 個凸肩尺寸，總寬度為310 mm。由于公稱厚度大于了300 mm，按照GB 150 中表9 材料的選擇，不能用16Mn Ⅳ鍛件了，這里選擇20MnMo Ⅳ鍛件。圖中管板外徑通過管程凸肩中徑公式計(jì)算，通過估算大概55 mm 左右，查GB 150.2—2011 中表9 取許用應(yīng)力196 MPa，通過GB 150.3—2011 式（3-1）計(jì)算得到計(jì)算厚度為51.1 mm，考慮厚度附加量，管板外徑定為1 309 mm。到這里就認(rèn)為管板外徑設(shè)計(jì)完成，但是取的公稱厚度是有問題的，此結(jié)構(gòu)管板按鍛件標(biāo)準(zhǔn)定義為餅形鍛件，公稱厚度應(yīng)取管板最大寬度，而不能把凸肩部分當(dāng)做單獨(dú)的筒體按其估算厚度取許用應(yīng)力，所以公稱厚度應(yīng)為310 mm，查GB150.2—2011 中表9 取許用應(yīng)力189 MPa，通過GB 150.3—2011 式（3-1）計(jì)算得到計(jì)算厚度為53.1 mm，考慮厚度附加量，管板外徑至少為1 312.2 mm。通過與前面的計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)厚度少了接近2 mm，這是完全不滿足強(qiáng)度要求的。

（2）現(xiàn)設(shè)計(jì)一臺殼程高壓換熱器，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力16 MPa，設(shè)計(jì)溫度60 ℃，材料Q345R；筒體直徑DN 1 800 mm，通過計(jì)算筒體厚度取120 mm。腐蝕余量5 mm ，焊接接頭系數(shù)1.0。

對筒體上一接管做開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，接管與筒體的焊接為嵌入式，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 嵌入式接管詳圖Fig.2 Embedded nozzle detail

SW6 軟件中，嵌入式接管按插入式接管計(jì)算，將接管與筒體倒圓角處的多余金屬作為補(bǔ)強(qiáng)的安全余量，不計(jì)入補(bǔ)強(qiáng)。按常規(guī)思路進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，SW6 軟件中接管外徑輸入660 mm，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算得到接管壁厚為90 mm，材料為16Mn 鍛，軟件自動得出材料許用應(yīng)力為178 MPa。SW6 計(jì)算結(jié)果如下：

計(jì)算方法： GB/T 150—2011 等面積法

計(jì)算壓力16 MPa

殼體材料Q345R， 名義厚度120 mm

接管材料16Mn 鍛， 規(guī)格φ660 mm×90 mm

A1=14 078，A2=26 213，A3=2 700，A4=0

A1+A2+A3+A4=42 991 ≥ A=42 125.4

合格（+2%）

補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算滿足要求，但真實(shí)情況確實(shí)如此嗎？鍛件的公稱厚度按普通的鍛管取值，這是非常錯誤的。此結(jié)構(gòu)的整鍛件通過NB/T 47008—2017 判斷，要么是環(huán)形鍛件要么是長頸法蘭鍛件，公稱厚度都大于200 mm，因此材料許用應(yīng)力應(yīng)為167 MPa，SW6重新計(jì)算結(jié)果如下：

計(jì)算方法： GB/T 150—2011 等面積法

計(jì)算壓力16 MPa

殼體材料Q345R， 名義厚度120 mm

接管材料16Mn 鍛， 規(guī)格φ660 mm×90 mm

A1=13 841，A2=24 319，A3=2 700，A4=0

A1+A2+A3+A4=40 860 ＜ A=42 833.2

不合格（-5%）

結(jié)果是不合格的，如果錯誤地選用了許用應(yīng)力就會對補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域造成很大的安全隱患，所以要求設(shè)計(jì)時(shí)要理解透標(biāo)準(zhǔn)的定義，不能想當(dāng)然。

2 高壓換熱器布管問題

換熱器的設(shè)計(jì)中常用換熱管規(guī)格為φ25 mm 和φ19 mm，中低壓固定管板換熱器管板常用結(jié)構(gòu)為GB/ 151—2014 附錄I 中I.1 的a）和b），U 型管換熱器管板常用結(jié)構(gòu)為夾持式，進(jìn)行換熱管的布管設(shè)計(jì)時(shí)，往往首先確定布管限定圓的直徑，按照GB/T 151—2014 中6.3.1.3 的要求，固定管板和U 形管板的布管限定圓直徑為筒體內(nèi)徑減去16 mm。因?yàn)镮.1 的a）管板結(jié)構(gòu)筒體與管板槽間隙為1.5 mm 以及I.1 的b）管板結(jié)構(gòu)槽寬6 mm 都小于6.3.1.3 中b3 值8 mm，U 形管板階梯處與筒體內(nèi)徑距離一般為1.5 mm也是小于8 mm 的，所以常規(guī)中低壓換熱器按照以上原則確定布管限定圓是沒問題的。但是管板的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不止這幾個，碰到高壓帶凸肩的換熱器，往往會在凸肩與管板連接處倒圓角，來防止應(yīng)力集中，這個圓角尺寸一般會比8 mm 大很多，如果依然按常規(guī)方法確定布管限定圓，就會發(fā)生換熱管穿過圓角的事故。

現(xiàn)在依然以圖1 結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行詳細(xì)說明，將殼程直徑1 100 mm 改為1 200 mm，管程腐蝕余量為3 mm，換熱管選用φ25 mm×3 mm，Ⅴ中局部放大的倒圓角尺寸為30 mm，右側(cè)為高壓管程，換熱管焊接在右側(cè)管程，焊腳為2.5 mm，殼程走液氨，流速很低，不需要設(shè)置防沖板，按常規(guī)設(shè)計(jì)，本設(shè)備布管限定圓為1 184 mm，如果這樣開孔，最外側(cè)換熱管會完全從圓角處穿過，造成很大的應(yīng)力集中。正確的布管應(yīng)該是考慮圓角結(jié)構(gòu)以及換熱管的焊接不能與圓角疊加造成更大的應(yīng)力集中。所以正確的布管限定圓應(yīng)該是1 135 mm，即筒體內(nèi)徑減去2 倍的圓角半徑再減去2 倍的焊腳尺寸。

換熱器的布管設(shè)計(jì)，當(dāng)限定圓定下來后，下一步要做的就是確定換熱管中心距，中心距都是按照6.3.1.2 中a）表6-2 進(jìn)行選取，以φ25 mm 換熱管為例，查表可得中心距為32 mm，對于φ25 mm×2 mm 常用換熱管而言，這個中心距是沒問題的，按照GB 151—1999 查表φ25 mm×2 mm 的換熱管焊腳l1 為1.5，以此可以算出兩換熱管焊腳間距為4 mm（32-25-2×1.5），不會產(chǎn)生應(yīng)力集中以及熱影響區(qū)疊加。但是高壓換熱器的換熱管壁厚厚，需要更大的焊腳來保證拉脫力，如果依然取中心距32 mm，就會發(fā)生兩換熱管間焊縫重疊或者熱影響區(qū)重疊的現(xiàn)象，換熱器在這種狀況下使用會非常危險(xiǎn)。

圖3 對比圖Fig.3 Comparison diagram

現(xiàn)以一換熱器布管為例進(jìn)行說明，一臺管程高壓U 形管換熱器，管程壓力為25 MPa，管程腐蝕余量為5 mm，考慮到腐蝕余量和設(shè)計(jì)壓力過大以及U形管彎管段的減薄，換熱管選φ25 mm×4 mm，參照GB 151—1999 取l1為3.5 mm，查表GB/T 151—2014 表6-2 中心距為32 mm，然后按此值進(jìn)行布管和生產(chǎn)，生產(chǎn)中就會發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的問題，換熱管間大量的焊縫疊加以及變形，不僅檢驗(yàn)不會合格而且勉強(qiáng)使用會留有大隱患。問題發(fā)生后對兩換熱管的間距和焊接間隙進(jìn)行核對，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中完全沒留換熱管焊縫間的熱影響區(qū)余量，稍微有點(diǎn)偏差就出現(xiàn)了焊縫疊加現(xiàn)象。換熱管間焊縫的距離為：32 （中心距） -25（外徑）-2×3.5（焊腳） = 0 mm，一般情況下管間焊縫距離應(yīng)該為3 mm 左右，為了防止焊縫和熱影響區(qū)重合，可以加大換熱管中心距，這里中心距取34 mm就沒有問題了。

圖4 對比圖Fig.4 Comparison diagram

3 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍問題

通常接到一個換熱器設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，往往都在關(guān)注設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型、介質(zhì)、材質(zhì)、壓力、溫度等等參數(shù)，了解了這些參數(shù)才能更好地設(shè)計(jì)出一臺安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)的換熱器。對于國內(nèi)換熱器的設(shè)計(jì)，采用的是GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)，雖然前面提到的這些參數(shù)很重要，但是還有一個問題更值得去深究，那就是業(yè)主提供的管板結(jié)構(gòu)或者布管形式是否適用于 GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中固定管板換熱器的模型是：承受均布載荷的當(dāng)量圓平板放置在彈性基礎(chǔ)上，同時(shí)承受管孔的均勻削弱。這就意味著具有不同管徑的換熱管以及部分布管或者不是軸對稱布管的情況是不適用本標(biāo)準(zhǔn)的，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上與法蘭搭焊連接的固定管板及圓環(huán)形管板也是不適用于本標(biāo)準(zhǔn)的。如果拿到設(shè)計(jì)參數(shù)不加判斷就按GB/T 151—2014 進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，當(dāng)為不適用條件時(shí)，即使計(jì)算和設(shè)計(jì)得再好也是枉然，從頭就錯了?，F(xiàn)有一高壓換熱器布管圖（圖5 左邊），布管形式也很勻稱，中間不布管區(qū)也是均勻地分成3 等分，從感覺上判斷此結(jié)構(gòu)似乎適合標(biāo)準(zhǔn)要求無疑。但是嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)建立的模型看，確實(shí)又是不適用的，上部中心線處不布管區(qū)域過大，已經(jīng)不是當(dāng)量圓平板模型了，也不再承受管孔的均勻削弱了。通過應(yīng)力分析圖（圖5 右邊），發(fā)現(xiàn)上部中心線處不布管區(qū)域應(yīng)力最大，也最不安全。如果按照固定管板換熱器受力分析，偏向于固支梁，應(yīng)該是管板邊緣應(yīng)力最大。最大應(yīng)力區(qū)域的偏差之大讓設(shè)計(jì)人員感到不可思議，也提醒設(shè)計(jì)人員對于標(biāo)準(zhǔn)適用條件的重視。

圖5 管板應(yīng)力分析圖Fig.5 Stress analysis diagram of tubesheet

4 結(jié)束語

高壓換熱器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的特殊性以及不常見性，很多細(xì)節(jié)的東西容易讓人忽略，如果造成大型鍛件的報(bào)廢就會損失慘重，在加上高壓的工況，更容易產(chǎn)生很大的安全隱患。這就要求設(shè)計(jì)人員在平時(shí)的設(shè)計(jì)中多琢磨結(jié)構(gòu)的可行性，更深入地理解標(biāo)準(zhǔn)含義，不能按慣性思維或者想當(dāng)然地設(shè)計(jì)。