一种新型管板的结构设计

第 0 卷第 1 期 01 年 月

化工设备与管道

PROCESS EQUIPMENT & PIPING

V ol. 0No.1

Feb. 01 一种新型管板的结构设计

卜银坤

（北京派通电力设备有限责任公司，北京10 1 ）

摘要在管壳式换热器和锅壳式锅炉中，大量换热管的进出口会给换热介质的流动增加很多阻力，特别是锅壳式锅炉中的烟管，由于伸出部分的冷却不够或较大的热应力（管板设计太厚），还会造成管板裂纹；不仅提高了原材料的成本，也大大增加了加工难度和费用，还给运行的安全带来隐患。根据多年的锅炉及压力容器设计经验，提出应用最大剪应力强度理论，并借鉴锅壳锅炉有关受压元件的强度计算方法和国内外化工机械的先进工艺，按等强度理论，将各种管板设计成高效分流的阶梯形等强度管板。

关键词锅壳式锅炉；管壳式换热器；厚度计算；最大剪应力强度理论；阶梯形结构；等强度管板

中图分类号：TQ 0 0. ；TH 1 文献标识码：A文章编号：100 - 1( 01 )01-00 -00

在管壳式换热器和锅壳式锅炉中，管板是重要

的受压元件。在管板的结构设计中，大量换热管的进

口和出口会依其不同形状而给换热介质的流动增加

不同的阻力，特别是锅壳式锅炉中的烟管，由于伸出

部分的冷却不够或因为管板设计太厚所引起的较大

的热应力，还会造成管板裂纹［1- ］，使锅炉被迫停炉，

其危害当然是不言而喻的。

据此，笔者根据多年的锅炉及压力容器设计实

践经验，提出应用最大剪应力强度理论，并借鉴锅壳

锅炉有关受压元件的强度计算方法和国内外化工机

械的先进工艺，按等强度理论，将各种管板设计成高

效分流的阶梯形等强度管板。实践证明，该结构具有

很强的实用性和可行性。

1高效分流管板上的管端结构

管板上不同的换热管的进口或出口结构，对换

热介质流动的局部阻力系数是不同的，典型结构的局

部阻力系数如表1［ ］。

为了减少换热管束进口或出口的阻力，按国外

成熟技术，笔者曾为 0 kt/a聚乙烯工程中的丙烯冷

却器管板设计了多维曲面的管口，其管板试块如图1，

其中管板厚 0 mm，换热管为φ mm× .0 mm，

管束中心距为 mm，按其平面图计算得进口或出

口的圆角r= . mm

0. ，此，按表1

查得ζ=0.00

。

图1多维曲面管口试块

Fig.1 T hree-dimensional map of multidimensional surfaces

tube oral examination block

2管板的最大剪应力强度理论

由于管板大都是由低碳钢或低碳合金钢制造而

成，实践表明，发生失效破坏的主要原因是塑性变形、

塑性流动或剪断，

较科学合理的，即［ σ］（最

大剪应力强度条件）。代入理论推导的主应力σ1数

值并化简可得［6］，管板安全运行的最小理论计算

厚度是：

收稿日期： 01 -0 -0

作者简介：卜银坤(1 —)，男，江苏灌南人，高级工程师，总

工程师。主要从事火力发电厂节能环保产品、压力容

器、热力工程、化工设备的研究和开发。

第 0 卷第 1 期

· 6 ·化工设备与管道δ

+1 (1)

式中

δ ——管板的最小理论计算厚度，mm ；D n —— 管板上所有假想圆中最大的直径(如果

管板上没有焊接换热管或拉撑圆钢，则D n 是管板外圆支撑点处的直径，即换热器壳体的内直径或锅壳式锅炉板边平封头中最大的平板部分的直径)，mm ；

K —— 与确认的假想圆直径相对应的系数； ［σ］—— 管板材料在工作温度下的许用应力，

按文献［ ］查取，MPa ；

p ——计算压力（表压），MPa 。

式（1）是最大剪应力强度理论的强度条件，

也是管板最小理论计算厚度的计算式。经比较发现，式（1）和文献［ ］中用于锅炉烟管的管板厚度计算的式（ ）完全相同，为便于将其合理应用于各种管板的计算，笔者在此就有关应注意的问题作如下强调说明。

3应用最大剪应力强度理论计算管板时应注意的问题

3.1

管板的设计厚度

管板的设计厚度按下式计算δs =δ+c 1+c

（ ）

式中

δs ——管板的设计厚度，mm ；c 1——分程隔板的槽深度，mm ；c ——市场板材的负偏差，mm 。

3.2管板允许的最小厚度

由于管板与壳体、管箱的连接方式不同，工作

介质的不同，更由于其直径大小的不同，应当对管板的最小厚度提出要求，这一点，在文献［ ~ ］中都有介绍。由于管板中非布管区域十分有限，其最大假想圆直径一般不超过100 mm ，所以按式（1）计算出的管板最小理论计算厚度是很小的，管板的最终取用厚度，大部分将执行管板允许的最小厚度。笔者综合有关资料及个人的一些设计经验，管板允许的最小厚度，建议按表 取用。3.3

管板的最终取用厚度

根据以上分析，管板的最终取用厚度，应当取表 中δmin 和式（ ）计算值δs 中最大的数值。建议：对于管束区边缘以外的非管束区的管板部分，其厚度不应低于与其相连接的壳体或管箱的厚度。3.4

关于管板上假想圆的概念、画法及相应K 值的确定原则

在管板上，所有焊接的换热管，对管板都有拉撑作用，它们的中心都是支撑点，另外，管板边缘在工作中被与其相连接的壳体或管箱所约束，所以管板边缘也是一种支撑点。在此必须强调指出，对于换热管与管板采用胀接连接的管板，因为管板与换热管之间属于弹性接触密封［1］，不能承受换热管纵向的拉撑力，所以所有的胀接换热管都不是支撑点。为了减少管板厚度，必须在胀管区内设置合理分布的焊接拉撑管或圆钢，当然这样的拉撑管或圆钢越合理、数量越多，计算出的管板厚度也就会越小。

假想圆的作

1进或出口为平 0°

角ξ=0. 0

换热管伸出管板外

当δ/a ≈0a/d ≥0. 时ξ≈1.00.0 ＜a/d ＜0. 时ξ≈0.

当δ/d ≥0. 0ξ=0. 0 进或出口为圆角

r

当r/d=0.0 管与壁平ξ＝0. 管伸出壁外ξ＝0. 0

当r/d=0.10ξ＝0.1 当r/d=0. 0ξ＝0.0

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图原则是［ ］：相邻两个支撑点的假想圆，其两个支撑点必须位于假想圆直径的两端；经过相邻 个或 个以上支撑点所画的假想圆，只要支撑点不是位于同一半圆周上，都是有效的假想圆；管板上管束区内的假想圆就是换热管中最大的节距。关于与假想圆相对应的系数K，其确定原则按表 执行

。

注：通过 个支撑点画的假想圆，K值按本表取用；通过 个支撑点画的假想圆，其K值要在本表基础上增加10%；通过 个或 个以上的支撑点画的假想圆，其K值要在本表基础上减少10%。

管板厚度的等强度设计

在锅壳式锅炉的本体设计中，具有拉撑（加固）的平板或平管板或拱形管板，是锅炉最重要的受压元件，因为接触的烟气温度高于600 ℃，有的甚至高达1 00 ℃（如有的燃气锅炉炉膛出口处），所以其板厚的确定，不仅要保证足够的强度和工艺要求，而且要控制管板的设计厚度，防止管板内外侧面温差所引起的巨大的热应力对管板的撕裂破坏。在压力小于1. MPa、直径小于1. m的锅壳锅炉设计中，管板非管束区一般不超过 0 mm，管束区的理论厚度一般不超过1 mm，为了制造简便，不妨均采用非管束区的板厚。如果设计压力较高或锅壳的直径较大，例如 00 年北京某电子城的 MW燃气高温热水锅炉，其管架式炉膛出口（该处的烟气温度约1 00 ℃）是一卧式管壳式对流换热段，壳体内直径 0 mm，换热管为φ mm× mm无缝钢管，换热管棱形布置的中心距为 6 mm，设计压力 . MPa，设计温度1 0 ℃（热水出口温度1 0 ℃），板边平管板的材料为 0 g，其设计厚度按欧州TRD标准竟然达到了 0 mm，严重超过了我国相关标准中的安全底线厚度 6 mm［6］，尽管后来在设计和结构上做了不少的改动，但笔者并不认为安全可靠。笔者认为，将该板边平管板的管束区的厚度按我国标准［ ］计算定为 0 mm，非管束区 0 mm区域采用一定厚度的耐火保温材料进行可靠地覆盖，管束区和非管束区的不等厚钢板的对接焊缝，按资料［10］削薄厚板并采用全焊透结构，如此的阶梯形等强度管板如图 所示。

图2锅壳式锅炉板边平管板阶梯形等强度结构Fig. P ot shell boiler plate edge fl at tube plate equa intensity stepped intensity structure

1.锅壳筒体； .角板拉撑； .换热钢管； .等强度板边平管板

这种结构应当类同于GB/T 16 0 —1 6《锅壳式锅炉受压元件强度计算》标准中的6. . 条，即类同将拱形管板中的管束区平板与非管束区局部凸形封头分开确定其厚度，是可行的。

众所周知，管板在管壳式换热器的制造成本中占有极大的比重，对于高温高压的化工设备，标准中 00~ 00 mm厚度的管板是不足为奇的。然而如此厚的管板，不仅原材料费用很高，而且达到要求的加工精度很困难，同时加工费用也特别高。值得一提的是，厚度大的管板，工作中还会产生巨大的热应力，特别是快速启停设备时，会使管板发生意外的破坏。所以笔者认为，厚度越厚越安全的思想是错误的，在强度保证的情况下

，应当尽量减小管板的厚度。某

0 kt/a聚乙烯工程中丙烯冷却器，按国内外标准设

计，直径1 00 mm的管板成品厚度为 mm，仅数

控加工费用就约 0万元人民币。其实，丙烯冷却器

的工作压力和温度并不高，仅就管板而言，安全厚度卜银坤.一种新型管板的结构设计

第 0 卷第 1 期· ·化工设备与管道

不会超过 0 mm（换热管φ mm× .0 mm与管板焊接，中心距 mm），但是直径1 00 mm的法兰，按有关的标准计算确实需要 mm。笔者经过深入研究认为，将管板和法兰合并后按法兰厚度确定最终的管板厚度，是不科学的，也是不负责任的做法。

如此看来，应当学习材料力学中等强度理论的思想方法。笔者认为，完全可以设法将延伸兼作法兰的管板，分别按法兰要求设计它的厚度，按本文提供的方法设计管板的厚度，然后将相应合格的法兰和管板毛坯，按有关的标准和工艺要求［ ，10］进行组焊，最后精加工成不等厚度的阶梯形等强度管板。按此理论，上述 0 kt/a聚乙烯工程中丙烯冷却器的管板，其等强度结构如图 所示

。

图3管壳式换热器管板阶梯形等强度结构

Fig. S hell and tube heat exchanger tube plate equal intensity stepped intensity structure

显然，这一工艺势必会使管壳式换热器的制造成本大大降低，生产周期也会大大缩短。笔者曾经多次经历过如下的设计制作先例：用符合要求的法兰组焊一块合格的管板，然后进行再加工，多年的使用实践证明是可行的。

5结论

（1）假想圆的概念和应用，特别是文献［ ］中的相关理论，在国内外早已被认可，所以本文式（1），用于计算各种管板理论最小厚度，不仅受到理论上的支持，而且也被大量的锅炉设计应用实践证明是可靠的。

（ ）对于延伸兼作法兰的管壳式换热器管板，对于压力较高或直径较大的锅壳式锅炉的板边平管板，按等强度理论，可以设计制作成不等厚度的阶梯形等强度管板。

（ ）锅壳式锅炉和管壳式换热器的管板，在强度满足的情况下，应尽量减少其厚度。这样做，有利于安全，有利于加工，更有利于制造成本的降低。

（ ）管板上的管孔端口，设计成多维曲面结构是可行的，可以高效分流换热介质，换热介质的进、出口局部阻力系数由常规的约1.0减小到0。此结构不仅可大大降低换热介质的驱动功率，而且可以避免管板运行中出现的裂纹，有利于锅壳式锅炉或管壳式换热器的安全运行。

参考文献

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年修订版）[S].

Structural Design of One New Tubesheet

BU Yin-kun

(Beijing Pai Tong Electrical Equipment Co., Ltd., Beijing10 1 , China)

Abstract: In tubular heat exchanger and shell boiler, large amount of inlets and outlets produce great resistance for flowing fluids. Especially in the chimney pipe in shell boiler, in view of non-enough cooling at extending part or the existence of thermal stress, crack may be formed in the tubesheet. Thus, not only will the cost of raw material increase, difficulties in fabrication will also increase. Moreover, there will be hidden dangers in performance. With author’s experiences for many years, and based on maximum shear stress theory and equivalent strength theory, tubesheet can be designed to the one with stepping equivalent strength and high efficient separating flow.

Key words: shell boiler; tubular heat exchanger; thickness calculation; maximum shear stress theory; stepping structure; equivalent strength