張守圣

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司換熱裝備研究部)

由固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板組成的板式換熱器壓緊板不僅是可拆式板式換熱器、板式蒸發(fā)器和板式冷凝器的重要組成部分，也是不可拆板式換熱器的重要組成部分。不可拆板式換熱器是指不能用常規(guī)拆卸方法將板片包拆解成單一板片的板式換熱器，包括釬焊式板式換熱器、半焊和全焊板式換熱器。釬焊板式換熱器和半焊板式換熱器主要用于制冷行業(yè)，而全焊板式換熱器則可用于石油化工領(lǐng)域溫度和壓力較高的情況。

在ASME第VIII第一分篇對(duì)技術(shù)咨詢的第12號(hào)解答中，首先提出對(duì)完工后的板式換熱器可以用U符號(hào)作標(biāo)記。AD規(guī)范第二章也將板式換熱器列為特殊壓力容器，同時(shí)規(guī)定：由可拆卸的板片組成的板式換熱器，在許可操作壓力高于100kPa時(shí)，不論其壓力與容積的乘積為多少，均應(yīng)有專家對(duì)該熱交換器的承壓構(gòu)建進(jìn)行預(yù)檢。因此壓緊板是可拆式板式換熱器、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器和不可拆板式換熱器的主要受壓元件[1]，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)是非常重要的。

1 壓緊板設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

我國(guó)板式換熱器的規(guī)范ZBJ 74001- 1987和JB/T 53256- 94適用于最大傳熱面積不大于360m2、設(shè)計(jì)壓力不大于1.6MPa、設(shè)計(jì)溫度不大于250℃的板式換熱器；JB/T 8701- 1998[2]適用于以液化氣體為制冷劑，設(shè)計(jì)壓力不高于4.0MPa，設(shè)計(jì)溫度在0～200℃的制冷裝置中與制冷劑接觸而承受制冷劑壓力的板式換熱器；NB/T 47004- 2009[3]僅適用于設(shè)計(jì)壓力不大于2.5MPa的可拆卸板式換熱器。

這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，NB/T 47004- 2009只對(duì)夾緊螺柱進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，框架板和壓緊板的計(jì)算僅給出了提示附錄；JB/T 8701- 1998不但對(duì)夾緊螺柱提供了設(shè)計(jì)計(jì)算，而且對(duì)固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板做了相應(yīng)的厚度設(shè)計(jì)。此外，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)API 662- 2006[4]也沒(méi)有對(duì)固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算壓緊板厚度

筆者以圖1所示型號(hào)的板式換熱器為例，分別用JB/T 8701- 1998、ASME、有限元分析法對(duì)固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板開孔進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在計(jì)算載荷螺柱方面均按照各個(gè)國(guó)家相應(yīng)的壓力容器規(guī)范。

2.1壓緊板設(shè)計(jì)參數(shù)

依據(jù)JB/T 8701- 1998預(yù)設(shè)壓緊板參數(shù)：設(shè)計(jì)壓力p=1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度t=120℃；材料為16Mn DR，[σ]0=163MPa，[σ]t=163MPa。

2.2壓緊板厚度計(jì)算

2.2.1依據(jù)JB/T 8701- 1998

作用于板片投影面積a2上的流體靜壓力F0

圖1 板式換熱器結(jié)構(gòu)

為：

F0=a2·p

(1)

式中p——設(shè)計(jì)壓力。

工作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力Fp為：

Fp=2lBmp

(2)

式中B——膠墊的寬度；

l——墊片中心線展開長(zhǎng)度，l=2l1+3l2，l1為膠墊左右長(zhǎng)度，l2為膠墊上下中心間距；

m——墊片系數(shù)，m=1.0。

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱載荷Wa為：

Wa=lBy

(3)

其中，墊片比壓力y=1.4MPa。

工作狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱載荷Wp為：

Wp=F0+Fp

(4)

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱總截面積Aa為：

(5)

工作狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱總截面積Ap為：

(6)

需要的夾緊螺柱面積Am為：

Am=max(Aa，Ap)

(7)

實(shí)際夾緊螺柱總截面積Ab為：

(8)

式中d1——夾緊螺柱直徑；

n——夾緊螺柱數(shù)量,n=6。

預(yù)緊狀態(tài)下螺柱設(shè)計(jì)載荷W為：

(9)

工作狀態(tài)下螺柱設(shè)計(jì)載荷W為：

W=Wp

(10)

常溫下實(shí)際使用的最大許用應(yīng)力S0為：

S0=1.5[σ]0

(11)

設(shè)計(jì)溫度下實(shí)際使用的最大許用應(yīng)力St為：

St=1.5[σ]t

(12)

預(yù)緊狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K1為：

(13)

式中a——夾緊板寬度方向的墊片跨度；

L——夾緊螺柱中心連線周長(zhǎng)，L=L1+L2，L1為夾緊螺栓上下孔間距，L2為夾緊螺栓左右孔間距；

SG——夾緊螺柱中心至墊片壓緊力作用中心線的距離，SG=(L2-a)/2。

預(yù)緊狀態(tài)下無(wú)孔板的計(jì)算厚度δp1為：

(14)

通過(guò)計(jì)算，得到δp1=22.00mm。

工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K2為：

(15)

其中，壓緊板形狀系數(shù)Z=3.4-2.4a/B且Z≤2.5。

工作狀態(tài)下無(wú)孔板的計(jì)算厚度δp2為：

(16)

通過(guò)計(jì)算，得到δp2=28.83mm。

無(wú)孔板的計(jì)算厚度δp為：

δp=max(δp1，δp2)

(17)

則δp= 28.83mm。開孔位于中央時(shí)，計(jì)算板厚應(yīng)考慮補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)C1：

(18)

其中，d2為壓緊板接管孔直徑，d2=100mm；f為壓緊板寬度，f=494mm。計(jì)算得到補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)C1=1.296。

開口位置位于四角時(shí)，縮減系數(shù)C2為：

(19)

其中，La為壓緊板上接管孔間的最小距離，La=127mm。計(jì)算得到縮減系數(shù)C2=0.858。

有孔板的計(jì)算厚度δh為：

δh=C1C2δp

(20)

計(jì)算得到δh=32.06mm。可以得到未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為28.83mm和32.06mm。

2.2.2依據(jù)ASME規(guī)范

在常溫下實(shí)際使用的最大許用應(yīng)力S0為：

S0=[σ]0

(21)

設(shè)計(jì)溫度下實(shí)際使用的最大許用應(yīng)力St為：

St=[σ]t

(22)

其他參數(shù)的計(jì)算方法可參照B/T 8701- 1998，將參數(shù)代入式(1)～(10)、(13)～(22)可以得到未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為35.31mm和49.94mm。

2.3計(jì)算結(jié)果對(duì)比

陳永東按照瑞典壓力容器規(guī)范求得的壓緊板最小厚度為35.50mm，按照德國(guó)AD規(guī)范求得的未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為31.69、35.85mm[5]；按照有限元分析法求得的固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的厚度分別為36.70、45.00mm[6]；采用標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8701- 1998求得的未孔板壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為28.83、32.06mm；采用ASME規(guī)范求得的未開孔壓緊板和開孔壓緊板的厚度分別為35.31、49.94mm。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，采用ASME和有限元分析法計(jì)算的厚度很保守。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用ASME和有限元分析法計(jì)算的壓緊板厚度很保守，而采用瑞典壓力容器規(guī)范、AD規(guī)范和JB/T 8701- 1998計(jì)算的壓緊板厚度相差不大。國(guó)內(nèi)板式換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)JB/T 8701- 1998提供的依據(jù)計(jì)算板式換熱器固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的厚度；國(guó)外產(chǎn)品，若為歐盟產(chǎn)品，可以借助AD規(guī)范計(jì)算固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的厚度；如果客戶要求是ASME產(chǎn)品，則可以根據(jù)ASME常規(guī)算法和有限元算法求得固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的厚度，但用常規(guī)ASME方法算得的厚度會(huì)更保守些。我國(guó)板式換熱器的設(shè)計(jì)規(guī)范已取得了一定的進(jìn)展，但應(yīng)盡快完善。

[1] ASME Ⅷ- 1，壓力容器建造規(guī)則[S].北京：中國(guó)石化出版社，2010.

[2] JB/T 8701- 1998，制冷用板式換熱器[S].北京：機(jī)械工業(yè)部機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化研究所，1998.

[3] NB/T 47004- 2009，板式熱交換器[S].北京：全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，2009.

[4] API 662- 2006,Plate Heat Exchangers for General Refinery Services[S].Washington:American Petroleum Institute, 2006.

[5] 陳永東.板式換熱器受壓元件強(qiáng)度分析[J].壓力容器，1997，14(6)：30～33,88.

[6] 楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.