管板分程隔板槽面积的计算与分析.pdf

第 49 卷第 1 期2012 年 2 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT&PIPINGVol.49No.1Feb.2012管板分程隔板槽面积的计算与分析蒋小文，丘波(中国寰球工程公司，中国 北京100029)摘要：本文介绍了管壳式换热器换热管三角形排列、正方形排列时管板分程隔板槽面积的计算原理和方法。同时以浮头换热器为例，分析了隔板槽面积对管板计算厚度的影响，以期对广大的工程设计人员更好地理解和运用标准，使设计更符合规范的要求提供有益的参考。关键词：换热器；隔板槽面积；管板；计算中图分类号：TQ 050.3 TH 122；文献标识码：A文章编号：1009-3281(2012)01-0001-01在用SW6软件进行换热器管板设计计算中，当管程为两程或两程以上时，需设计者输入管板的分程隔板槽面积。GB1511999给出了隔板槽面积的定义以及双管程换热器其换热管按正三角形排列和正方形排列时管板隔板槽面积的计算方法。但仍有一些设计人员对隔板槽面积定义的理解以及多管程管板在不同布管方式下隔板槽面积的计算比较模糊。事实上，隔板槽面积的计入与否以及其计算正确与否对管板厚度的计算有一定影响，尤其对于换热器直径较小，管程数又较多的管板，其影响更为明显。为此，本文对管板分程隔板槽面积的计算及其对管板厚度的影响进行一些探讨，以期对压力容器的设计人员特别是那些刚接触压力容器设计，经验还不足的设计人员有一定帮助。1隔板槽面积的定义GB1511999上管板的强度计算是基于圆平板理论，把管板视为受管孔均匀削弱，又受管子加强的当量圆平板来考虑的。管板上最外层管子连接起来的区域为布管区，将其折算成为当量直径为Dt，面积等于布管区面积At的当量圆。对于管孔为三角形排列的管板，其每根管子对管板起支撑作用的面积是以管孔中心为圆心，以S为内切圆直径的正六边形面积，即；对于正方形排列的管板，每根管子对管板的支撑作用面积是以管孔中心为圆心，以S为边长的正方形面积，即S2 12。假设在布管区内的管孔数为n（此处不讲管子数，因为对于U形管换热器，管孔数是管子数的两倍），对于单管程换热器管板，布管区面积（三角形排列）或者At=nS2（正方形排列）。但对于多管程换热器管板，布管区面积At除了包括换热管支撑的面积，还应计入隔板槽面积Ad。Ad的定义是：在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积。由于拉杆等占据的面积相对隔板开槽的面积很小，可忽略不计，故如不加特别说明，隔板槽面积Ad只计算由于设置隔板槽的需要而未被换热管支承的面积，但应正确理解Ad的含义。隔板槽面积Ad的计算原则如下：(1)将各隔板槽的面积分别计算后相加，但应扣除掉重复计入的隔板槽面积；(2)对于多管程（4程及以上）固定管板换热器以及浮头换热器，由于前后端管板上的开槽结构不一样，用于计算管板厚度的隔板槽面积应是前后端管板上开槽的“并集”；(3)当某一隔板槽两侧的排管根数不一致，应收稿日期：2011-07-01作者简介：蒋小文（1978），男，设备工程师。主要从事石油化工设备设计与相关技术工作。第 49 卷第 1 期 6 化工设备与管道以大者计入参与隔板槽面积计算。2隔板槽面积计算以下按管程数为2和4分别介绍隔板槽面积Ad的计算方法。本文将按图1所示的四种管子排列方式分别讨论。以下如不特别说明，布管图都遵循上下，左右对称布置，所给出的布管图为1/4区域。2.12管程换热器双管程换热器在管板上只布置一块分程隔板，其隔板槽面积即为由于布置该块隔板而未被换热管支撑的面积，其计算比较简单，以下按换热管如图1所示的四种排列方式分别讨论。2.1.1换热管30排列（如图2所示）图2双管程30排列分程隔板槽面积的计算式如（1）所示：(1)2.1.2换热管45排列（如图3所示）图3双管程45排列分程隔板槽面积的计算式如式（2）所示：（2）2.1.3换热管60排列（如图4所示）图4双管程60排列分程隔板槽面积的计算式如式（3）所示：（3）2.1.4换热管90排列（如图5所示）图5双管程90排列分程隔板槽面积的计算式如式（4）所示：（4）2.24管程换热器对于4管程换热器，依管内介质流动顺序的不图1换热管排列方式2012 年 2 月 7 同，其前端管板和后端管板上隔板槽的布置方式各不相同。GB1511999中给出了管内介质三种不同流动顺序时前端管板和后端管板的隔板布置方式，以下分别讨论。2.2.1第一种流动顺序前端管板跨设备水平中心线平行地布置两块隔板，而后端管板只在设备水平中心线位置布置一块隔板，如图6所示。由于前后端管板管孔的布置必须是位置、大小一一对应，并且后端管板在设备水平中心线位置有一隔板，因此前端管板的设备中心线位置虽然不用布置隔板（即没开隔板槽），但其应是未被换热管支撑的，该部分的面积也应计入到分程隔板槽面积中去。此时，Ad应为三块平行的隔板槽面积之和，以下按换热管排列方式的不同分别加以讨论（以下如不特别说明仅讨论换热管居中布置时情况）。图64管程隔板布置（一）2.2.1.1换热管30排列（如图7所示）图74管程30排列分程隔板槽面积的计算式如式（5）所示。（5）2.2.1.2 换热管45排列（如图8所示）图84管程45排列分程隔板槽面积的计算式如式（6）所示。（6）2.2.1.3换热管60排列（如图9所示）图94管程60排列分程隔板槽面积的计算式如式（7）所示。（7）2.2.1.4换热管90排列（如图10所示）分程隔板槽面积的计算式如式（8）所示：蒋小文，等.管板分程隔板槽面积的计算与分析第 49 卷第 1 期 8 化工设备与管道图104管程90排列（8）2.2.2第二种流动顺序管内介质的流动顺序及前后端管板上隔板的布置如图11所示。同理，该布置形式下的应是一“+”字形隔板槽面积。图114管程隔板布置（二）2.2.2.1换热管30排列（如图12所示）图124管程（2）30排列分程隔板槽面积的计算式如式（9）所示。（9）2.2.2.2换热管45排列（如图13所示）图134管程（2）45排列分程隔板槽面积的计算式如式（10）所示。（10）2.2.2.3换热管60排列（如图14所示）图144管程（2）60排列2012 年 2 月 9 分程隔板槽面积的计算式如式（11）所示。（11）2.2.2.4换热管90排列（如图15所示）图154管程（2）90排列分程隔板槽面积的计算式如式（12）所示。（12）2.2.3第三种流动顺序管内介质的流动顺序及前后端管板上隔板的布置如图16所示。该布置形式下Ad的应是两平行隔板槽与垂直于该两隔板槽的纵向槽面积之和。图164管程隔板布置（三）2.2.3.1换热管30排列（如图17所示）分程隔板槽面积的计算式如式（13）所示。图174管程（3）30排列（13）2.2.3.2换热管45排列（如图18所示）图184管程（3）45排列分程隔板槽面积的计算式如式（14）所示。（14）蒋小文，等.管板分程隔板槽面积的计算与分析第 49 卷第 1 期 10 化工设备与管道2.2.3.3换热管60排列（如图19所示）图194管程（3）60排列分程隔板槽面积的计算式如式（15）所示。（15）2.2.3.4换热管90排列（如图20所示）图204管程（3）90排列分程隔板槽面积的计算式如式（16）所示。由于布管形式千变万化，特别对于多管程布管，想要给出一个统一的隔板槽面积计算公式是非常困难的。这也是GB151标准中只简单地给出了双管程换热管60和90排列时隔板槽面积计算公式的原因，但其定义是明确的。我想这也许是标准的编制者对于这些问题的习惯做法，将问题留给标准使用者。（16）本文以上所给出的隔板槽面积计算公式只是针对本文给定的相应的布管图而言，对于某一具体问题下的隔板槽面积的计算是需要依具体的布管图而定，不能完全套用以上公式。本文目的即是提供一种计算的方法，帮助概念的理解。由于管板的布管图是需要设计者按比例画出的，既然布管图已经画出，个人认为隔板槽面积的精确值最好采用作图法得出。3隔板槽面积对管板计算厚度的影响以某乙烯项目中的浮头换热器为例，为计算具有可比性，设计条件统一如下：壳程设计压力ps=1.57 MPa，设计温度ts=85；管程设计压力pt=1.32 MPa，设计温度tt=125；管板材料为16Mn锻件，换热管与管板的连接形式为强度焊加贴胀，焊脚高度3.5 mm；换热管材料为10无缝钢管（热轧），规格为19 mm2 mm，管长Lt=6000 mm，受压失稳当量长度lcr=600 mm；换热管90排列，管间距S及隔板槽相邻两侧间距Sn分别为25 mm和38 mm；垫片为缠绕垫。布管图以及隔板槽面积计算值见表1。其余数据及计算结果见表2。计算采用全国化工设备设计技术中心站SW6软件包。由表2可知，对于本文所述的4管程浮头换热器，随换热器公称直径增大，其隔板槽面积Ad所占布管区面积At的比例减小。对于各种公称直径下的换热器，未计入隔板槽面积时的管板计算厚度比计入隔板槽面积时管板计算厚度大。2012 年 2 月 11 表1布管图及隔板槽面积计算公称直径/mm布管图管程数隔板槽面积Ad/mm280041600421004表2管板计算结果公称直径DN/mm80016002100换热管根数61025323154垫片内径/外径/mm825/8651639/16892158/2208隔板槽面积Ad/mm2177193526939819布管区面积At/mm2计入Ad39896916177692011069未计入Ad381250158250019712504.442.181.98管板计算厚度/mm 计入Ad40.5376.24117.31未计入Ad41.3677.90118.00蒋小文，等.管板分程隔板槽面积的计算与分析第 49 卷第 1 期 12 化工设备与管道4结束语换热器是化工及石油化工生产装置中应用最为广泛的工艺设备之一，据统计，换热设备在化工及石油化工生产装置中各类工艺设备所在投资比例大约在35%403。换热器管板是换热器中的重要关键受压元件，因此，设计合理、可靠而又经济的换热器管板将是换热器设计中的一个非常重要的环节，这既能使设备及装置安全稳定运行，又能使设备材料得到充分地利用。本文对GB 1511999中隔板槽面积的概念以及不同管程数，不同换热管排列方式下隔板槽面积的计算方法进行了比较详尽的讨论；并对不同公称直径的换热器其隔板槽面积Ad计入与否对管板计算厚度的影响进行了分析，从以上分析我们可得出以下结论：隔板槽面积的计入与否以及是否正确计算对管板的计算厚度都有一定影响，在换热器管板的设计中，如能正确计算隔板槽的面积并且计入该面积对管板的影响，可使设计出的管板厚度减薄，从而降低设备造价，为节能减排作出一名压力容器设计人员应有的贡献。符号说明n 管板布管区内的管孔数；n，n1，n2，n3 沿隔板槽（横向或纵向）一侧的排管 根数，见文中示图；S 换热管中心距，mm；Sn 隔板槽两侧相邻管中心距，mm；At 管板布管区面积，mm2；Dt 管板布管区当量直径，mm；Ad 管板隔板槽面积，mm2；ps，pt 管程、壳程设计压力，MPa；ts，tt 管程、壳程设计温度，；Lt 换热管管长，mm；lcr 换热管受压失稳当量长度，mm；管板计算厚度，mm。参考文献1 GB151-1999管壳式换热器标准释义S.昆明：云南科技出版社,2000.2 GB151-1999管壳式换热器S.北京：中国标准出版社,2000.3 秦叔经，叶文邦.换热器.北京：化学工业出版社,2003.01.CalculationofAreaRequiredforPassPartitionandAnalysisoftheAreasEffectonTubesheetThicknessJIANGXiao-wen,QIUBo(China HuanQiu Contracting&Engineering Corporation,Beijing100029,China)Abstract:The paper introduces the principle and method for the calculation of area required for pass partition of muti-tube side heat exchanger arranged in four tube patterns(Triangular pattern,Rotated Triangular pattern,Square pattern and Rotated Square pattern).Take the floating head heat exchanger as an example,the effect of the area on the tubesheet calculated thickness is also analyzed.Keywords:Heat Exchanger;Area required for pass partition;Tubesheet;Calculation