管壳式换热器结构设计与强度计算中的重要问题
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摘 要：随着改革开放的进一步深化，我国各个行业不断崛起，很多行业都是从无到有，一步步发展起来的，在发展的过程中难免会遇到各种各样的困难，所以到目前为止，许多行业虽然在发展，但是发展并不完善。一个企业的发展需要一个优秀的领导者，而一个行业的发展靠的是细致详尽的完备制度。本文中探讨的管壳式换热器行业中虽然做出了相应的规定，但是在许多问题上仍然不能有有效的解决，尤其是在结构设计和强度计算这两方面。接下来，就这些问题进行探讨、分析和解决。
关键词：管壳式换热器;设计结构;强度计算;问题解决
1 引言
虽然有了GB/T 151—2014《热交换器》这样的标准，但执行起来还是有很多不合理情况。
2 管壳式换热器概述
管壳式换热器又被人称为列管式换热器，主要是因为它的整体形状从外观看起来就像陈列的管子一样。它的工作原理是在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。管壳式换热器的主要结构有：壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件。管壳式换热器的工作原理主要是对冷热两种气流进行交换，一种气流在管内流动，被称为管程流体;另外一种气体在管外流动，被称为壳程流体。挡板的作用是提高管外流体的传热分系数，通常挡板会安装在壳体内部，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。管壳式换热器是目前应用最为广泛，主要原因是管壳式换热器的结构十分的简单，而其安全性能却相比较之下更为可靠，并且它十分百搭，可以广泛应用各种材料，尤其是对金属材料，能够耐的住高温，能够在高压状态下使用。管壳式换热器的种类也非常丰富包括：固定管板式换热器、浮头式换热器和U型管式换热器。固定管板式换热器的结构相对简单，是将管束两端的与壳体连接在一起，固定管板式换热器因为其管板与壳体的固定，所以可以应用于清洗相对简单，不需要经常拆卸清洗的地方。另外，固定管板式换热器不宜使用在温度极差大的地方。浮头式换热器是指管束其中的一端的管板是可以自由浮动起来的，这样整个管束就方便从壳体中取出，便于清洗和对换热器的维修保养。虽然浮头式换热器能够弥补固定管板式换热器的不足，但是浮头式换热器的结构复杂，造价也相对较高。最后的U型管式换热器，换热管束都被弯曲成U型，两端均被固定在同样管板上下区，借助管板分割成进出两室，这种结构相对于浮头式简单，但是却因为管型的形状特殊不便于清洗[1]。
3 管壳式换热器结构设计问题与强度计算中的重要问题
3.1 热交换器筒体最小厚度
与尺寸外形相同的卧式容器相比，卧式容器的质量要大的多。因为筒式中有管束、折流板和管板等管束组件，其质量比卧式的大的多。卧式容器的是有严格的标准的，在GB/T 151—2014《热交换器》中有对于卧式容器中有许多应力计算的标准，其中甚至包括了计算鞍座部位筒座的局部应力。由于热交换器中还要安装许多的零部件，所以热交换器中还要有重叠安装的要求，这样的重叠安装的方式还有助于后期在检修要求下对热容器内部核心的检查。要满足以上要求，就要规定筒体的厚度，来满足其刚性能达到要求。在GB/T 151—2014《热交换器》中有对热容器最小厚度进行规定，但是其规定的热交换器的最小厚度比实际生产中所要求的要大。其实热容器最小厚度不能一概而论，这与其的材料、筒体的直径大小都是有关系的。在同样的材质下，GB/T1 51—2014《热交换器》中规定的最小厚度值要比实际生产中的大，这样会使得筒体各方位的截面所能承受住的应力降低的。不仅于此，在生产过程中还要加入各种零部件，使其情况更为复杂化，“空筒”与实际的规定并不相同，所以卧式热容器的标准并不适用于热容器的实际生产情况这是管壳式换热器结构设计余强度计算中应注意的一个重要问题。
3.2 弓形折流板缺口布置
弓形折流板的设计在管壳式换热器结构设计中占有着重要的位置，折流板是管壳式换热器中的重要组成部分。弓形折流板设计的重点在于折流板缺口设计的位置，弓形折流板的位置设计有两种，一种是上下式设计，另外一种是左右式设计，设计为主要根据实际需求为主要参考。注意实际情况是要考虑进入壳体物质的形态，当进入壳体的物质是气液并存的状态时，弓形折流板缺口的位置必须左右设置。因为气体总是从壳体的上方一端进入到另一端，如果折流板缺口设计成上下位置时，气体从第一块折流板是上方进入，就必须从下方出去。在气液共存的状态下，经过第二块折流板时，温度下降，气体有一部分液化成为了液体，由于气温的骤减气体液化成为液体的速度就会很快，一旦液化作用的速度过快，液化的液体形成的速度大于下面口排出液体的速度，就会造成管道的堵塞，使换热器无法正常工作，极其容易造成事故。但是如果只是单相的液体时，则适宜采用上下位置设计。如果采用左右位置设计，液体不宜流通，热的液体总是会处于上方，而温度低的液体会一直处于下方，流体温度场分布不均匀，会严重影响换热效率。但是采用上下分布时，液体由高处流向低处，会起到一个搅拌的作用，使液体温度趋于均匀。当流进壳体的介质是气体时，对于折流板设计的位置要求并不高，无论从哪个方位都是从高到低均匀流入。
3.3 立式换热器中拉杆的固定方位
换热器的拉杆一般是在组装时起到固定作用的，但是立式换热器的拉杆除了起到固定作用外，还要起着承重作用，立式换热器的拉杆还要承担着折流板和定距管的重量，拉杆的上端的螺纹承受着轴向的拉力。当进入壳体的气体或液体具有腐蚀性时，就会腐蚀螺纹，使螺纹受到侵蚀，纹路淡化，螺纹松动;另一方面，因为是拉杆上的螺纹，拉杆受到外界撞击最多，螺纹受到的振动就越多，振动的作用下会使得螺纹变松，也极有可能会因为松动使折流板下落，这两种情况都非常容易造成更大的振动。但是如果将拉桿固定在下端的话，拉杆不需要承担承重的压力，不存在轴向承重的压力，也就不会存在上面讨论的问题了。
3.4 防冲板的布置
在壳体上一般都会安装防冲板，防冲板的安装方法有两种一种是将防冲板固定在上文中提到过的拉杆的定距管上;另外一种是直接将防冲板安装在壳体的筒体上面。第一种安装方法安装较为复杂，涉及到的零部件也较多，不宜采用。第二种安装方法，结构简单安装也相对简单，采用较为广泛但是值得注意的点是，在安装时不能将防冲板安装在拉杆的固定端与其安装在一侧，如果安装在拉杆的固定端一侧，这两种零部件容易造成磕碰情况的发生，导致换热器无法安装。
3.5 换热管轴向压缩
当换热器承受轴向压力，应按轴向压杆失稳进行控制。在GB/T151-2014《热交换器》中有关于对换热器轴向压缩的标准，其安全系数的规定是2.0。但是在实际应用中轴向失稳的承受能力是有限的。但是对换热器来说用来校验轴向失稳的承受能力应该校验的是其承受压力最为强的部分，其他换热管的区域并没有同样承受巨大的压力，甚至有些并没有受到负向压力，而是处于正向拉伸的状态。所以换热管的轴向失稳是呈区域性分布的，在这种特性之下应将换热管的轴向失稳的安全系数放宽，放宽至1.5时其也是安全状态。
4 结束语
虽然管壳式换热器结构设计与计算强度上已经出台了相关的规定，但是不能完全按照规定进行，也要考虑实际生产当中总结出来的经验，制定其更加完善。
参考文献：
[1] 尚雪盛，贾亮.浅谈管壳式换热器的选用标准和设计[J].中国石油和化工标准与质量，2017（10）：181～182.
[2] 黄勇力，桑如苞.关于Waters法设计法兰方法的考证[J].石油化工设计，2009（3）：57～59.
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