介紹了固定管板式換熱器管板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，分析了管板熱應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理，尋求減小管板熱應(yīng)力的有效途徑，對指導(dǎo)管板設(shè)計、優(yōu)化管板結(jié)構(gòu)及改善換熱器性能等具有重要的意義。

換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，通常用來加熱低溫流體或冷卻高溫流體，把液體汽化成蒸汽或把蒸汽冷凝成液體。換熱器按照結(jié)構(gòu)形式可分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管換熱器和填料函式換熱器。與其他形式的換熱器相比較，固定管板式換熱器具有制造成本低、清洗方便、堅(jiān)固耐用及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工、煉油等行業(yè)。固定管板式換熱器由殼體、U形管、管板、折流板及管箱等組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有換熱管，U形管兩端固定在管板上，按正三角形或正方形排列，通常在U形管上均勻安裝若干數(shù)量的折流板，提高換熱效率的同時還起到支撐管束的作用。與殼體兩端管板連接的是管箱，管箱分為左管箱和右管箱，均由圓筒、封頭和法蘭組焊而成。固定管板式換熱器常在操作工況極其嚴(yán)苛的情況下運(yùn)行，因此換熱器管板既要滿足壓力載荷作用下的強(qiáng)度要求，又要滿足因殼體與U形管熱膨脹差引起的熱應(yīng)力和管板兩側(cè)溫度差引起的熱應(yīng)力要求。工作過程中管板產(chǎn)生的熱應(yīng)力過大，會對其強(qiáng)度有影響，更有甚者會影響換熱器的換熱效率和工作壽命。因此，筆者在介紹管板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上分析熱應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，尋求控制管板熱應(yīng)力的有效途徑。

1管板結(jié)構(gòu)及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1.1管板結(jié)構(gòu)

管板是固定管板式換熱器最重要的零部件之一，它與殼體、U形管和管箱連接，用來排布U形管，并將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，同時承受來自管程、殼程的壓力和溫度的作用，受力情況較為復(fù)雜。業(yè)內(nèi)在設(shè)計時所考慮的因素和標(biāo)準(zhǔn)不同，所設(shè)計的管板也有差異。起初對管板的設(shè)計沒有專門的設(shè)計依據(jù)，都是基于固定管板式換熱器零件，按照壓力容器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。隨著換熱器設(shè)計方法的不斷發(fā)展和完善，國內(nèi)外開始出現(xiàn)了專門的換熱器管板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1.2管板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1國內(nèi)外管板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

早在1941年頒布的美國管式換熱器制造商協(xié)會(TEMA)標(biāo)準(zhǔn)第一版對管板的設(shè)計計算進(jìn)行了規(guī)定，將管板視為圓形薄板，并且認(rèn)為它所受的載荷為均布載荷，該方法是一種半經(jīng)驗(yàn)方法，只適用于浮頭式和U形管式換熱器。1965年頒布的英國BS1515標(biāo)準(zhǔn)中，對管板的設(shè)計計算采用了Miller方法，該方法是一種迭代法，有15個設(shè)計參數(shù)。1969年，Gardenr以1968年頒布的TEMA標(biāo)準(zhǔn)第五版為基礎(chǔ)，提出了不需要逐次逼近求解管板厚度的簡化設(shè)計方法，該方法可求解有效的局部壓力和徑向彎矩，但也僅限于浮頭式換熱器的設(shè)計計算。而專門針對固定管板式換熱器管板設(shè)計計算則是1959年Galletly提出的強(qiáng)度分析方法，該方法考慮了管孔對管板的削弱和U形管對管板的支撐作用，而且認(rèn)為管板周邊是彈性夾持的，以此理論方法為依據(jù)，1982年法國頒布了壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)———非直接火受壓容器建造規(guī)范(CODAP)，從此固定管板式換熱器管板的設(shè)計進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化時代，1990年英國頒布的BS5500《非直接火焊接壓力容器規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)也參照了CODAP標(biāo)準(zhǔn)。德國的《AD壓力容器規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)和日本的JISB8249《壓力容器構(gòu)造》標(biāo)準(zhǔn)中，對管板強(qiáng)度的計算是將管板看作由U形管固定支撐的平板來計算的。由此可見，國外對管板設(shè)計計算標(biāo)準(zhǔn)化做了大量工作，促進(jìn)了世界范圍內(nèi)管板設(shè)計理論的快速發(fā)展，為制定具有科學(xué)性、實(shí)用性、權(quán)威性、可操作性的管板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

我國機(jī)械部1972年頒布的部級標(biāo)準(zhǔn)《列管式固定管板換熱器型式與基本參數(shù)》包含了有關(guān)管板設(shè)計計算的內(nèi)容，后來經(jīng)過多名專家的反復(fù)試驗(yàn)、使用實(shí)踐及局部修訂等，在1984年實(shí)施的《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定》中，制定了一套換熱器管板強(qiáng)度的計算方法。參照美國TEMA和日本JISB8249標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定》、JB1147《鋼制列管式換熱器技術(shù)條件》和我國多年來在管殼式換熱器方面的經(jīng)驗(yàn)編制了GB151-1989《鋼制管殼式換熱器》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)中對管板的設(shè)計計算與1984年實(shí)施的《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定》相同。1993年根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督總局“制修訂標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目計劃”的安排，依據(jù)GB151-1989實(shí)施后國內(nèi)管式換熱器技術(shù)發(fā)展的需要，并參照同時期國際同行標(biāo)準(zhǔn)對GB151進(jìn)行了修訂，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)為GB151-1999《管殼式換熱器》，于1999年2月26日發(fā)布。最近一次對GB151內(nèi)容的修訂是2014年，修訂內(nèi)容涉及管板部分的主要有:修訂了換熱管與管板的連接，單管板設(shè)計計算，管板與管箱、殼體的焊接連接;增加了雙管板設(shè)計計算，換熱管與管板焊接接頭的焊縫形式附錄，波紋換熱管熱交換器的管板附錄。修訂后的新標(biāo)準(zhǔn)GB/T151-2014于2015年5月1日起實(shí)施，名稱為《熱交換器》，目前對管板的設(shè)計計算均采用該版本的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2國內(nèi)外管板設(shè)計理論

換熱器設(shè)計人員，基本上都是以英國MillerKAG法的假設(shè)為基礎(chǔ)，進(jìn)行管板的強(qiáng)度和剛度的計算，該方法的假設(shè)簡化為:換熱管和管板連接處無滑動;換熱管在受壓時不產(chǎn)生壓縮彎曲，只考慮軸向壓縮;管板受載后的變形為小撓度彎曲，忽略換熱管對管板彎曲的約束作用;把換熱管視為管板的均勻彈性基礎(chǔ);管板開孔后的削弱。在上述假設(shè)前提下，依據(jù)不同的理論對管板強(qiáng)度進(jìn)行計算。

我國GB/T151-2014中還規(guī)定在管板計算直徑范圍內(nèi)應(yīng)是具有均勻厚度的圓形平板(對于管板周邊延伸作為法蘭的部分可以具有不同于管板的厚度)，在其布管區(qū)范圍內(nèi)，除分程處局部外，應(yīng)具有均布的密集開孔，在計算中認(rèn)為壓力載荷是均勻的，不考慮質(zhì)量載荷、壓降載荷及管板厚度方向和徑向溫差應(yīng)力的影響。具體力學(xué)計算模型是將管板近似地視為軸對稱結(jié)構(gòu)，并假設(shè)兩端的管板具有同樣的材料和相同的厚度，還應(yīng)具有相同的邊界支撐條件。國內(nèi)在工程實(shí)際中應(yīng)用的BXM型固定管板式換熱器，大多都采用管板延伸兼作殼體法蘭的結(jié)構(gòu)，因此管板與法蘭幾乎等厚。

2管板熱應(yīng)力產(chǎn)生原因

固定管板式換熱器的兩塊管板通過換熱管、殼體相互固定在一起，實(shí)際工作中由于存在溫差，兩者自由熱膨脹量不同，造成變形相互約束，在這種熱變形得不到緩解的情況下就產(chǎn)生了很大的熱應(yīng)力。管板和換熱管之間的連接區(qū)域出現(xiàn)熱應(yīng)力過大現(xiàn)象，最終導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生破壞。圍繞著管板所受熱應(yīng)力和使用過程中熱應(yīng)力帶來的危害，業(yè)內(nèi)相關(guān)研究工作者開展了大量的研究工作，分析總結(jié)這些研究成果可發(fā)現(xiàn)，管板熱應(yīng)力產(chǎn)生主要的原因是:

a.管板整體受熱并且受到外部約束。在固定管板式換熱器中，管板、換熱管及管箱等零件在沿某個方向膨脹過程中，當(dāng)溫度變化引起的熱變形受到約束作用時，這些零件內(nèi)部就會產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力，該類熱應(yīng)力可以通過解除約束而減小以致消除。

b.管板自身各部分溫度不同引發(fā)的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器的管板沿著厚度方向和周向的溫度分布不同，對應(yīng)方向膨脹量也各不相同，但是管板作為一個整體，膨脹量是一體的，只能整體變形而不可能分層與溫度相適應(yīng)地變形。因此，管板內(nèi)部一部分會限制另一部分膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力是與傳熱現(xiàn)象共存的，在傳熱零件中普遍存在而無法克服，只要零件內(nèi)有溫度分布就有這種熱應(yīng)力存在。

c.管板和其他零件形成的結(jié)構(gòu)中，各處溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力。如果管板與其他零件連接，由于線膨脹系數(shù)不同，相互膨脹程度也不同，引起管板產(chǎn)生熱應(yīng)力。

3控制管板熱應(yīng)力的措施

固定管板式換熱器管板長時間承受熱應(yīng)力的反復(fù)作用，容易引起材料的蠕變，因此，在分析管板承受熱應(yīng)力及其產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，結(jié)合管板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求，可采取以下幾種措施來降低熱應(yīng)力:

a.適當(dāng)增加管板厚度。提高管板的抗彎截面模量，有效降低管板應(yīng)力。

b.采用彈性管板。設(shè)計制造一種彈性管板，一方面利用彈性變形吸收熱膨脹差值，另一方面設(shè)計的彈性管板厚度要比同操作工況下的圓形管板小很多，這樣可以減小管板中心和邊緣間的徑向熱應(yīng)力。

c.在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)。管板熱應(yīng)力取決于自身的變形量，大小跟管板剛度有關(guān)，且與總變形協(xié)調(diào)量成正比。當(dāng)換熱管和殼體的熱膨脹差很大時，總變形協(xié)調(diào)量就很大，管板變形量也會很大，使管板發(fā)生很大的撓曲變形，最終導(dǎo)致管板產(chǎn)生極高的應(yīng)力。所以可采用在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)的辦法，降低殼體軸向剛度，這在一定程度上可以降低由溫差引起的熱應(yīng)力。

d.減小U形管和殼體之間的溫差。運(yùn)行過程中，如果冷熱介質(zhì)的溫差較大，在選擇換熱器的型式時應(yīng)盡量避免選擇固定管板式換熱器，目的是消除由于U形管、殼程溫差引起的熱應(yīng)力。

e.合理選擇管板的材料。不同材料的膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比均隨溫度變化而變化，從而產(chǎn)生不同程度的熱應(yīng)力，因此，合理選擇材料可以減少管板、U形管、殼體之間的熱膨脹差。

f.采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)。通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)改善正常工況下管板熱應(yīng)力分布狀態(tài)，進(jìn)而降低熱應(yīng)力對管板應(yīng)力強(qiáng)度及管板彎曲變形。

4結(jié)束語

固定管板式換熱器在使用過程中，管板常因?qū)嶋H工況苛刻，承受較大的壓力載荷和熱應(yīng)力載荷，筆者通過分析國內(nèi)外學(xué)者對管板所受熱應(yīng)力的研究，總結(jié)出產(chǎn)生熱應(yīng)力的原因，并以管板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，提出減小管板熱應(yīng)力的相應(yīng)措施。