一种高压换热器的设计

管程高压换热器的优化设计

高亚娟，李保志，张作为

（大庆石化公司检测公司，黑龙江大庆163714）

摘要：管程高压换热器在不选用螺纹锁紧环换热器的前提下，只能选择平盖特殊高压管箱，这

种管箱结构特殊，其他受压元件为常规结构；管板强度校核计算采用解析应力分析法，假设条

件少，能够准确反映强度指标，其他受压元件计算按照GB/T 151-2014标准设计。

关键词：高压换热器；高压特殊管箱；f型管板；平盖

热油—三元溶液换热器是油田三次采油关键设备，利用壳程的高温三元溶液加热管程内的原油，高温侧在壳程，高压侧在管程，该换热器选型为D型高压管箱、E型壳体型式和U 形管换热器。原来引进的日本设备是按照ASME规范设计的，改用GB/T 151-2014设计，由于国产材料安全系数低，相应的许用应力大，因此，国产化设计后，相应的壁厚很大程度的减薄，强度校核通过。

特殊高压管箱的计算采用应力分析方法，相对建模模拟软件来说，这种应力分析方法是解析法[1，2]，该方法的应力分析，减少了很多假设，因此更为准确。

1 设计条件

热油—三元溶液换热器的设计数据见表1。

表1 换热器的设计数据

项目壳程管程

设计压力/MPa 0.4 17.9

设计温度/℃340 200

介质三元溶液原油

直径/mm 355.6400

程数 1 2

2 结构设计

2.1 管箱结构

该换热器的特点就是管程高压，采用特殊高压管箱，因为换热器直径不大，所以没有采用螺纹锁紧环[3~5]封闭管箱，采用平盖加金属环垫片封闭管箱，小直径条件下，这种管箱与螺纹锁紧环管箱重量相差不多，计算经验成熟。

管箱的分程隔板结构可以承受冲击，直接承受冲击的平板总长度只有260 mm，宽400 mm，周边焊接，悬臂端用环板拉筋，结构见图1。

图1 分程隔板结构

2.2 管板结构

管板采用f型管板，与管程筒体连接，加工过渡段，管板与壳程法兰连接，设计成凸缘法兰结构，结构见图2。

图2 管板结构

管板密封面与轴线的垂直度为0.2 mm；管孔与密封面的垂直度为0.1 mm。

这种管板较好地解决了管板与管箱筒体连接处的局部应力集中问题，圆弧R10是应力释放的最佳尺寸，尺寸132 mm是应力集中衰减接近最小值位置，因此，这种管板应力集中在可以控制范围内。

2.3 管程法兰和平盖

选用标准管法兰尺寸，在强度计算过程中，调整相关尺寸，使管程法兰和平盖，尺寸相对减小，尽量不增大螺栓的尺寸，结构详见图3。

图3 管程法兰和平盖结构

这是非标法兰和平盖结构，在计算的时候考虑减轻平盖重量，最新的技术表明，采用螺纹锁紧环结构[4~12]比较适用，由于这台换热器内径不是很大，采用螺纹锁紧环结构，制造难度增大，不利于检修和改造，因此，还是采用法兰和平盖的结构。

2.4 壳体

壳体由容器法兰、加强段、筒体、封头、接管和管法兰组成，为了解决左鞍座的稳定性问题，容器法兰接加强段，加强段厚度计算得出，见图4。

图4 壳体结构

采用F型管板不用考虑容器法兰的配对问题，因此，强度计算的时候，仅按照壳体的内压计算即可。

加强段的范围以鞍座所需要的宽度为准，控制鞍座应力低于许用应力的50%，这样的支撑结构是安全的，是估算值，准确鞍座应力和加强段所承受的薄膜应力，需要分析设计计算。

该换热器的其他结构是常规的，整体装配后见图5。

图5换热器整体结构

3 强度计算

文献[6]提供了常规换热器的强度计算方法，这些计算方法也是应力分析方法，是解析式，但是需要借助计算机技术来计算。

3.1 管箱容器法兰和管箱平盖计算

管箱容器法兰计算按照文献[7] [10]计算即可，选用金属环垫片，垫片系数m=5.5，比压力y=124.1 MPa ，

管箱平盖按照周边简支圆平盖来计算，是1种平封头，按照GB 150.3计算，平盖结构特征系数K 分为操作时和预紧时2种情况： 操作时：378.13.0c

C G

D P WL K +=； 预紧时：378.1C

C G

D P WL K = 3.2 管板计算

管板是f 型，管板与管箱连成一体，与标准的f 型管板[6]比较，区别就是凸缘法兰，计算参考筒体端部[7]，但是计算的时候，还是按照管板延长部分兼做法兰来考虑，于是，计算管板的抗弯刚度和各项旋转刚度，再计算法兰的计算系数，法兰力矩，计算法兰应力和管板应力，按照文献[6][11][12]的公式计算即可。

3.3 壳程法兰计算

壳程法兰与管板配对，是常规法兰计算，按照文献[7]计算即可。

3.4 壳程筒体加强段计算

壳程筒体加强段，是在满足内压的前提下，还要满足换热器重心偏离容器中心给鞍座带来的影响，确定支反力的时候，可以确定一个原点，分别计算出，两个鞍座的支反力，比较结果，加强段的支反力是另外1个鞍座的支反力2倍，因此，在鞍座标准尺寸相同的情况下，加强段的鞍座应力提高很多，在鞍座计算时，增加筒体厚度的办法试算筒体的稳定性，计算过程，按照鞍座的规范执行即可。

4 结束语

管箱高压U 形管换热器，也可以设计成双壳程结构，在管板和法兰计算上，和单壳程一样的，不必特殊考虑。压力容器强度计算软件很方便地应用在换热器的计算上，因此，文中没有详细列举具体的计算过程，仅提出需要考虑的几个问题供参考。

参考文献：

[1] 薛明德，李世玉，朱国栋，等.GB151中换热器管板设计方法的理论依据及其应用[J].化工设备与管道，

2015（3）：42-45.

[2] 李永泰，李勇，黄金国，等.解析ASME-2014版U 形管式管板设计方法[J].压力容器，2007（4）：16-19.