双管板换热器管板结构分析设计综述

引言

换热设备是石油化工装置的重要组成部分,它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械和其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适用性以及在长期使用中积累的丰富经验、产量和应用,至今仍占主导地位,约占70%左右[1]。在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业中,换热器是一种实现物料之间热量传递而被普遍应用的工艺设备。在生产中为了防腐蚀、防污垢, 或出于工艺和劳动保护、安全等方面的要求, 一些换热设备常采用双管板结构来解决问题[2]。双管板换热器是在换热器一端设有一定间距的两块管板或相当于有一定间距的两块管板的换热器。在实际操作中，双管板换热器一般用于以下两种场合[3]: 一种是绝对防止管壳程间介质混串的场合; 另一种是管壳程间介质压差很大的某些特殊要求的工艺场合[4], 双管板换热器作为比单管板换器更可靠的换热器结构形式, 可以更好地推广应用[2]。

1.双管板换热器简介

双管板换热器主要应用在管壳程介质一旦发生接触便会产生严重或灾难性事故的场合。按换热管型式一般可以分为U形管式双管板换热器和固定管板式双管板换热器；美国TEMA标准中给出了3种双管板结构，分别是整体式、筒节焊接式（聚液壳式）和分离式[5] [6]。

(a) 整体式 (b) 筒节焊接式 (c) 分离式

图1 /-1 TEMA标准中3种双管板结构

整体式双管板如图1-1a所示，该管板是由一块厚度大于两块管板厚度之和的锻件制成。在制作过程中，按要求钻孔后，再用特殊的刀具在每一管板所需厚度的交接处，开一个大于换热管中心距的圆槽，开槽高度由设计而定，但必须保证两管板的厚度。圆槽之间相互沟通，形成一个间隙，在管板边缘处开两个接口孔（开孔高度应在两管板之间），以排除及测试流体渗透的情况[7]。该结构管板可以把轴向载荷和径向的热载荷分布到两块管板间，有效防止两块管板径向产生不同的变形量。管板必须具有足够的刚度来传递管板间的径向热载荷和机械载荷，此外管束也需要有足够的刚度来传递管板间轴向热载荷和机械载荷。

筒节焊接式双管板是由一段筒节（国内称聚液壳）连接两块管板（图1-1b），壳程侧管板可以通过设备法兰或直接焊接与壳程筒体连接，管程侧管板一般兼做法兰与管箱法兰相连接。通过聚液程的筒节可以把轴向载荷分布到两块管板上，管板间径向不同的变形量是影响管束应力和管板间距的主要因素，因此筒节和管束必须有足够的刚度来传递管板间轴向热载荷和机械载荷。

分离式双管板无聚液程，仅靠管束连接（图1-1c），管板间径向不同的变形量是影响管束应力和管板间距的主要因素，这种结构管板间没有载荷的传递。

可以看出双管板换热器结构比单管板换热器复杂。此外双管板换热器还具有制造成本高、加工维护困难以及由于双管板结构不仅要考虑管板的径向应力管板布管区周边处径向应力和剪切应力，壳程筒体和换热管的轴向应力，换热管与管板连接的拉脱力，同时还应解决相邻两管板之间管束的换热管承受的弯曲应力和剪切应力的引力复杂等特点[8][9]。