压紧板强度设计分析及比较

张守圣

(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司换热装备研究部)

由固定压紧板和活动压紧板组成的板式换热器压紧板不仅是可拆式板式换热器、板式蒸发器和板式冷凝器的重要组成部分，也是不可拆板式换热器的重要组成部分。不可拆板式换热器是指不能用常规拆卸方法将板片包拆解成单一板片的板式换热器，包括钎焊式板式换热器、半焊和全焊板式换热器。钎焊板式换热器和半焊板式换热器主要用于制冷行业，而全焊板式换热器则可用于石油化工领域温度和压力较高的情况。

在ASME第VIII第一分篇对技术咨询的第12号解答中，首先提出对完工后的板式换热器可以用U符号作标记。AD规范第二章也将板式换热器列为特殊压力容器，同时规定：由可拆卸的板片组成的板式换热器，在许可操作压力高于100kPa时，不论其压力与容积的乘积为多少，均应有专家对该热交换器的承压构建进行预检。因此压紧板是可拆式板式换热器、板式蒸发器、板式冷凝器和不可拆板式换热器的主要受压元件[1]，对其进行科学、合理地设计是非常重要的。

1 压紧板设计现状

我国板式换热器的规范ZBJ 74001- 1987和JB/T 53256- 94适用于最大传热面积不大于360m2、设计压力不大于1.6MPa、设计温度不大于250℃的板式换热器；JB/T 8701- 1998[2]适用于以液化气体为制冷剂，设计压力不高于4.0MPa，设计温度在0～200℃的制冷装置中与制冷剂接触而承受制冷剂压力的板式换热器；NB/T 47004- 2009[3]仅适用于设计压力不大于2.5MPa的可拆卸板式换热器。

这些标准规范中，NB/T 47004- 2009只对夹紧螺柱进行设计计算，框架板和压紧板的计算仅给出了提示附录；JB/T 8701- 1998不但对夹紧螺柱提供了设计计算，而且对固定压紧板和活动压紧板做了相应的厚度设计。此外，国外标准API 662- 2006[4]也没有对固定压紧板和活动压紧板厚度进行设计。

2 设计计算压紧板厚度

笔者以图1所示型号的板式换热器为例，分别用JB/T 8701- 1998、ASME、有限元分析法对固定压紧板和活动压紧板开孔进行设计计算。依据这些标准时，在计算载荷螺柱方面均按照各个国家相应的压力容器规范。

2.1压紧板设计参数

依据JB/T 8701- 1998预设压紧板参数：设计压力p=1.6MPa，设计温度t=120℃；材料为16Mn DR，[σ]0=163MPa，[σ]t=163MPa。

2.2压紧板厚度计算

2.2.1依据JB/T 8701- 1998

作用于板片投影面积a2上的流体静压力F0

图1 板式换热器结构

为：

F0=a2·p

(1)

式中p——设计压力。

工作状态下需要的最小垫片压紧力Fp为：

Fp=2lBmp

(2)

式中B——胶垫的宽度；

l——垫片中心线展开长度，l=2l1+3l2，l1为胶垫左右长度，l2为胶垫上下中心间距；

m——垫片系数，m=1.0。

预紧状态下需要的最小夹紧螺柱载荷Wa为：

Wa=lBy

(3)

其中，垫片比压力y=1.4MPa。

工作状态下需要的最小夹紧螺柱载荷Wp为：

Wp=F0+Fp

(4)

预紧状态下需要的最小夹紧螺柱总截面积Aa为：

(5)

工作状态下需要的最小夹紧螺柱总截面积Ap为：

(6)

需要的夹紧螺柱面积Am为：

Am=max(Aa，Ap)

(7)

实际夹紧螺柱总截面积Ab为：

(8)

式中d1——夹紧螺柱直径；

n——夹紧螺柱数量,n=6。

预紧状态下螺柱设计载荷W为：

(9)

工作状态下螺柱设计载荷W为：

W=Wp

(10)

常温下实际使用的最大许用应力S0为：

S0=1.5[σ]0

(11)

设计温度下实际使用的最大许用应力St为：

St=1.5[σ]t

(12)

预紧状态下的结构特征系数K1为：

(13)

式中a——夹紧板宽度方向的垫片跨度；

L——夹紧螺柱中心连线周长，L=L1+L2，L1为夹紧螺栓上下孔间距，L2为夹紧螺栓左右孔间距；

SG——夹紧螺柱中心至垫片压紧力作用中心线的距离，SG=(L2-a)/2。

预紧状态下无孔板的计算厚度δp1为：

(14)

通过计算，得到δp1=22.00mm。

工作状态下的结构特征系数K2为：

(15)

其中，压紧板形状系数Z=3.4-2.4a/B且Z≤2.5。

工作状态下无孔板的计算厚度δp2为：

(16)

通过计算，得到δp2=28.83mm。

无孔板的计算厚度δp为：

δp=max(δp1，δp2)

(17)

则δp= 28.83mm。开孔位于中央时，计算板厚应考虑补强系数C1：

(18)

其中，d2为压紧板接管孔直径，d2=100mm；f为压紧板宽度，f=494mm。计算得到补强系数C1=1.296。

开口位置位于四角时，缩减系数C2为：

(19)

其中，La为压紧板上接管孔间的最小距离，La=127mm。计算得到缩减系数C2=0.858。

有孔板的计算厚度δh为：

δh=C1C2δp

(20)

计算得到δh=32.06mm。可以得到未开孔压紧板和开孔压紧板的厚度分别为28.83mm和32.06mm。

2.2.2依据ASME规范

在常温下实际使用的最大许用应力S0为：

S0=[σ]0

(21)

设计温度下实际使用的最大许用应力St为：

St=[σ]t

(22)

其他参数的计算方法可参照B/T 8701- 1998，将参数代入式(1)～(10)、(13)～(22)可以得到未开孔压紧板和开孔压紧板的厚度分别为35.31mm和49.94mm。

2.3计算结果对比

陈永东按照瑞典压力容器规范求得的压紧板最小厚度为35.50mm，按照德国AD规范求得的未开孔压紧板和开孔压紧板的厚度分别为31.69、35.85mm[5]；按照有限元分析法求得的固定压紧板和活动压紧板的厚度分别为36.70、45.00mm[6]；采用标准JB/T 8701- 1998求得的未孔板压紧板和开孔压紧板的厚度分别为28.83、32.06mm；采用ASME规范求得的未开孔压紧板和开孔压紧板的厚度分别为35.31、49.94mm。通过比较发现，采用ASME和有限元分析法计算的厚度很保守。

3 结束语

采用ASME和有限元分析法计算的压紧板厚度很保守，而采用瑞典压力容器规范、AD规范和JB/T 8701- 1998计算的压紧板厚度相差不大。国内板式换热器设计时，可根据JB/T 8701- 1998提供的依据计算板式换热器固定压紧板和活动压紧板的厚度；国外产品，若为欧盟产品，可以借助AD规范计算固定压紧板和活动压紧板的厚度；如果客户要求是ASME产品，则可以根据ASME常规算法和有限元算法求得固定压紧板和活动压紧板的厚度，但用常规ASME方法算得的厚度会更保守些。我国板式换热器的设计规范已取得了一定的进展，但应尽快完善。

[1] ASME Ⅷ- 1，压力容器建造规则[S].北京：中国石化出版社，2010.

[2] JB/T 8701- 1998，制冷用板式换热器[S].北京：机械工业部机械标准化研究所，1998.

[3] NB/T 47004- 2009，板式热交换器[S].北京：全国锅炉压力容器标准化技术委员会，2009.

[4] API 662- 2006,Plate Heat Exchangers for General Refinery Services[S].Washington:American Petroleum Institute, 2006.

[5] 陈永东.板式换热器受压元件强度分析[J].压力容器，1997，14(6)：30～33,88.

[6] 杨崇麟.板式换热器工程设计手册[M].北京：机械工业出版社，1994.