一种新型管板的结构设计

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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 [1-31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。

图1 多维曲面管口试块Fig.1 Three-dimensional map of multidimensional surfacestube oral examination block1 高效分流管板上的管端结构 2 管板的最大剪应力强度理论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250 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 30 ITI1TI，换热管为 25 mm2.0 mlTl，管束中心距为32 1TI1TI，按其平面图计算得进口或出7 殳口的圆角 r7.85 mm，r/d 0.374> 0.2，此时的管束区域正好消除了开孔前的所有平面，按表 1查得 0.00。

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，所以采用最大剪应力强度理论是比， 、 较科学合理的，即Is] - L仃 -cr3 ≤ [盯](最大剪应力强度条件)。代人理论推导的主应力 盯 数值并化简可得 ，管板安全运行的最小理论计算厚度是：收稿日期：2012-09.07作者简介： 银坤 (1944-)，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。

化 工 设 置 与 管 逦 第50卷第 1期不会超过20 1Tln(换热管 25 mm×2.0 1TI1TI与管板焊接，中心距32 mm)，但是直径 1 300 mm的法兰，按有关的标准计算确实需要 98 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 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250 kt/a聚乙烯工程中丙烯冷却器的管板，其等强度结构如图3所示。

图3 管壳式换热器管板阶梯形等强度结构Fig.3 Shell and tube heat exchanger tube plate equal intensitystepped intensity structure显然，这-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-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 [8]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旭度，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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。