单管程浮头换热器的设计注意事项分析

单管程浮头换热器的设计注意事项分析
发表时间：2018-08-17T11:12:54.913Z 来源：《红地产》2017年8月作者：周尧[导读] 在换热工程中，单管程浮头换热器以其简单化的结构，方便安装和拆卸，容易进行检修，方便清洗机械等优势，在石油化工装置中有较好的应用，能达到工艺生产的要求。

引言：在石油化工发展中，装置更加大型，提高了换热设备的换热要求，导致换热器结构更加复杂。

近几年出现了单管程浮头换热器这一新型换热器，其应用效果更好，逐渐得到广泛应用。

1. 单管程浮头换热器的结构特征单管程浮头换热器的浮头测主要包括了管城侧法兰、夹持板、壳程侧法兰、浮动端法兰、膨胀节和浮头等结构，这些是单管程浮头换热器较为特殊的一些结构部件[1] 。

在管壳式换热器中，波形膨胀节、浮头端法兰和夹持板都不上常见的零部件，然而作为主要的受压部件，在设计中必须要把他们的密封性能与强度考虑在内，所以在设计单管程浮头换热器中要计算其刚度和强度等。

2. 单管程浮头换热器的优势工程中通常会对热交换器提供一些要求，包括：（1）管壳程要有比较大的温差，容易增加管壳之间的温差应力。

（2）操作介质很容易发生结垢，出现不洁净的问题，为此管壳程需要经常进行清洗工作。

（3）热交换器在放置时需要立体化。

能够达到这些要求的就是单管程浮头换热器，这一器件将浮头换热器的优点、固定式管板换热器的优点有机结合到一起，近几年的应用逐渐增多。

单管程浮头换热器不同于一般的浮头式，单管程浮头换热器管程浮动端上面的浮头盖、壳程外头盖位置都要安排工艺关口。

单管程浮头换热器浮动端有比较复杂的结构型式，通常要将壳程和管程之间的温差应力作用考虑在内，另外还要考虑拆卸检修和维修的要求、管城工艺的管口能不能从壳程外头盖中通过的密封可靠性、结构的紧凑性等等要求[2] 。

在工程中假如有多种类型的单管程浮头换热器出现，分辨的主要方法就是看其浮动端的结构形式。

3. 设计单管程浮头换热器的注意事项在设计单管程浮头换热器中，要对夹持板、浮动端法兰和膨胀节等关键部件进行计算，以保证单管程浮头换热器的设计质量。

3.1 计算夹持板计算夹持板的模式实质为圆环板，类似法兰计算。

一方面要计算夹持板强度，另一方面要计算刚度，保证其密封性达到要求。

以下是计算夹持板的具体步骤：（1）法兰形状系数（2）法兰力矩在公式中：代表的是设计温度下夹持板材料许用应力；代表室温下夹持板材料许用应力，M a 代表法兰预紧力矩，M p 代表法兰设计力矩。

（3）法兰厚度（4）校核刚度校核计算夹持板刚度需要对 ASME 中的有关内容进行参考，其具体计算的公式是：在公式中：J代表的是夹持板的刚度指数，需要小于等于1.0；而δ代表的是夹持板的厚度；K R 代表的是夹持板刚度的指数系数，数值为 0.2；E 代表的是夹持板材料的弹性模量。

在具体校核计算刚度的时候，分预紧力的工况与操作工况。

如今，我国国内还没有校核活套式法兰刚度的标准计算要求，然而夹持板设计若仅仅对强度进行考虑而忽视强度，有可能会发生变形造成泄露。

计算思路主要是把法兰、垫片和螺栓整个系统当做轴构建力学模型，在计算的时候一方面要对力平衡有所考虑，另一方面要充分将螺栓连接处的力和变形协调产生的影响考虑在内。

计算活套法兰的公式是：在⑥⑦公式中，θ L 代表活套法兰中能够允许的最大转角；Z L代表活套法兰在转动时的柔性模量；E L 代表活套法兰弹性模量；M L 代表活套法兰上承受的力矩；h L 代表外力力臂。

这种计算方法重点是需要将所使用垫片能够允许的最大法兰转角确定好，假如计算的结果能达到规定值，就代表达到了密封的要求。

总体而言，在 EN1591 中计算法兰密封能力的方法，其基础是对全面连接部件的变形关系、载荷之间的弹性进行计算。

在将上述计算完成之后，计算夹持板的流程就得到基本完整。

3.2 计算浮动端法兰计算浮动端的方法主要是参照 GB150-2011 内计算整体整体法兰的方法，不过需要注意的是，单管程浮头换热器的法兰使用螺纹连接方式，所以在对垫片、螺栓和法兰进行校核的时候，还要计算螺纹，具体的计算步骤是：
(1) 计算螺纹的弯曲应力：
(2) 计算螺纹的剪切应力：
(3) 计算螺纹的挤压应力：在设计单管程浮头换热器的浮动端法兰时需要注意：浮动端法兰和壳程、管程相连接，特别是在管城温度比壳程温度低的时候，浮动端法兰和夹持板逐渐有可能会出现一定拉应力。

虽然单管程浮头换热器在浮头端的位置安装了波形膨胀节，用来对膨胀差进行吸收，然而因对壳程而言管城收缩型的，同时实际操作会对设备运行安全造成影响的因数具有不确定性与多样性，在夹持板和浮动端法兰上面不可避免会出现一些应力作用，增加了这个位置发生泄露的概率。

所以，在计算浮动端法兰的时候，要对膨胀差造成的拉应力实施折算，之后叠加折算值和操作工况中的设计压力，当做法兰计算压力核算法兰设计。

3.3 计算膨胀节在计算膨胀节中，其重点是明确壳程和管程之间的膨胀差，具体的计算公式为：在公式中，ΔL 代表壳程和管程之间的膨胀差；a t 代表管程设计温度和20摄氏度间平均线的膨胀系数；T t 代表管程设计温度；a s 代表壳程设计的温度和 20 摄氏度间平均线的膨胀系数；T s 代表壳程设计温度；L 代表固定端管板和夹持板之间的距离。

结语
单管程浮头换热器在换热工程中的应用价值较高，有效吸收了浮头换热器优势，而避免了固定管板换热器与填料函式的不足。

在设计单管程浮头换热器中，要加强对夹持板、浮头端法兰和膨胀节的计算，优化和完善单管程浮头换热器，更好地发挥其作用。

参考文献：
[1] 刘经平 , 王磊 , 杨俊勇 . 单管程浮头换热器的设计注意事项 [J]. 化工设备与管道 ,2016,53(1):28-30.
[2] 杨良瑾 . 单管程浮头式热交换器浮动端的设计与计算[J]. 石油化工设备技术 ,2016,37(3):6-12.。