特殊条件下换热管与管板的一种连接方式

赵金勇 何金玉 任艳芳

（三门峡化工机械有限公司)

特殊条件下换热管与管板的一种连接方式

赵金勇*何金玉 任艳芳

（三门峡化工机械有限公司)

GB 151中换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀、胀焊并用等几种。主要讨论了另外一种连接方式，即采用O形橡胶圈的连接方式，并对这种连接方式的结构设计以及管板的设计计算进行了详细论述。

O形橡胶圈 压缩率 密封 管板 换热管 换热器

0 前言

换热管与管板常用的连接方式有强度焊、强度胀和胀焊并用等多种方式。在进行换热器设计时可以按照不同的设计条件和工况选择相应的连接方式[1]。然而，在有些特殊的条件下，选用上述几种连接方式将会使设计和制造的难度大大增加，甚至很难保证产品质量。例如，由于材质原因管板与换热管之间无法焊接；管板为铸铁件，管板与换热管之间无法使用强度胀。因此，在这些特殊的情况下只得选用特殊的连接方式。本文通过一换热器设计实例，讨论一种特殊连接方式的设计与计算。

1 连接方式简介

图1所示为一波纹管氨气冷凝冷却器。已知管程介质为母液，设计压力0.4 MPa，工作温度进口/出口30/50℃，设计温度80℃；壳程介质为氨气，设计压力0.1 MPa，工作温度进口/出口82/74℃，设计温度110℃。管程侧介质对普通碳钢、低合金钢、不锈钢均有较强的腐蚀性，铸铁在这种环境下有独特的耐腐蚀优势，而且使用铸铁管板比较经济合理，故管板材料选用HT250。换热管选用在该介质下不腐蚀的钛材TA1波纹管，规格为Ø32 mm×0.8 mm。管、壳程壳体采用低合金钢Q345R，内壁进行防腐处理。该换热器大部分的结构和普通换热器相同，但由于管板选用了特殊的材料铸铁件，因此换热管与管板的连接方式以及管板的计算方法与普通换热器完全不同。该换热器详细结构如图1所示。

该设备中，铸铁焊接性能太差，管板与换热管间焊接难度较大，保证不了焊接质量，因此管板与换热管间无法采用强度焊；同时由于铸铁硬度低，且材料脆性大，满足不了强度胀接对材料的要求，因此管板与换热管间也无法采用强度胀。采用本文所述的连接方式可以避免以上问题。该连接方式是将具有弹性的3个O形橡胶圈装入管板管孔与换热管外壁形成的环形腔内，挤压紧密，再塞入止推环。装入时，由于挤压作用O形橡胶圈形成一定量的弹性变形，装入后橡胶圈回弹，从而紧密挤压在管板和换热管之间，形成密封带，同时密封了管板两侧的介质。这种连接方式避免了管板与换热管间的焊接或者强度胀接，其结构如图2所示。

图1 换热器结构

图2 换热管与管板连接

2 关键尺寸的设计计算

要确保上述这种密封方式的密封有效性，必须对其相关的结构尺寸进行设计计算。需要确定的主要尺寸有：O形橡胶圈自由状态下直径d，管孔内径d3。这些尺寸决定了橡胶圈的压缩率，而橡胶圈的压缩率直接影响其密封性能。国内外根据大量试验得出了许多压缩率的数据。表1所示为国内采取的压缩率推荐值，可以根据不同工况进行选取[2]。

其他相关参数如下：

O形橡胶圈自由状态下横截面直径ω=4 mm;

O形橡胶圈自由状态下直径d;

表1 O形橡胶圈截面压缩率k（%）推荐值

O形橡胶圈自由状态下内直径d1;

换热管外径d2=32 mm;

管孔大端内径d3;

O形橡胶圈拉伸率α=1.020～1.025[2];

O形橡胶圈压缩率k=15%～20%。

橡胶圈拉伸率： α=(d2＋ω）/(d1＋ω)

O形橡胶圈自由状态下直径d=d1+ω=35.3～35.1 mm，取d=35 mm。

管孔大端内径与换热管外壁对O形橡胶圈截面的挤紧程度用压缩率k表示。压缩率k的选取直接影响到橡胶圈的密封性能，根据经验并参考表1取压缩率 k=15%～30%[2-3]。

取d3=38 mm。这样就确定了O形橡胶圈自由状态下直径d=35 mm，管孔大端内径d3=38 mm，并可按照尺寸d3对管板进行加工。

3 管板的设计计算

根据GB 151—1999《管壳式换热器》中的第5.6.3.2款的规定[1]，Ø32 mm换热管在管板上最小中心距应不小于40 mm，管桥宽度应为40－32=8 mm。由于大端开孔直径Ø38 mm，大于Ø32 mm,若中心距取40 mm，大端侧管桥宽度仅为40－38=2 mm。为了保证大端侧管桥宽度不小于标准规定的8 mm，同时考虑管板加工时的钻孔偏差，取换热管中心距为53 mm。这样大端侧管桥宽度为15 mm，满足标准要求。因此，换热管按中心距53 mm进行布管。

在这种连接方式下，换热管对管板的支承作用相对于强度焊、强度胀以及胀焊并用的结构可以忽略不计，管板承受的温差应力也可以忽略不计，因此将管板看作为圆形平盖进行计算。

壳程设计压力ps=0.1 MPa；

管程设计压力pt=0.4 MPa；

管板设计温度下的许用应力[4][σ]t=25 MPa；

平盖计算直径Dc=1220 mm；

管板整体铸造焊接接头系数φ=1。

平盖计算厚度δp可按下述方法计算：

根据GB 150—1998可得平盖结构特征系数K=0.351[5]。考虑到平盖的开孔补强，需将系数K作一修正，即采用K/v进行修正计算。经计算v=0.709[5]，平盖（管板）的设计压力取管程侧压力pc=pt=0.4 MPa。因此，有

考虑到管板两侧腐蚀裕量及管程一侧开槽，最终管板设计厚度取120 mm。

4 结语

该连接方式主要应用于换热管与管板不适用于强度焊和强度胀的情况。显然这种连接方式具有下述优点：

（1）解决了特殊介质的腐蚀问题；

（2）避免了使用贵重的耐蚀钢材的高费用问题；

（3）解决了管板与换热管之间不能焊、不能胀的连接问题，并考虑了设备制造的工艺性，使换热器的制造简单可行。

经过水压试验，这种结构O形橡胶圈密封效果良好，没有任何泄漏。

由此可以设想，将一些机械性能相对较好的其他耐蚀材料 （例如高强度塑料、石墨等）用作换热器的管板材料，换热器的其他部分也做相应的防腐处理，相信许多因强腐蚀而导致的换热器使用寿命短、价格高、危险性大等问题会得到很好的解决。

[1]GB 151—1999.管壳式换热器 [S].

[2]胡国桢，石流，阎家宾.化工密封技术 [M].北京：化学工业出版社，1990.

[3]海因茈K米勒，伯纳德S纳乌.流体密封技术——原理与应用 [M].程传庆译.北京：机械工业出版社，2002.

[4]HG 20531—1993.铸钢、铸铁容器 [S].

[5]GB 150—1998.钢制压力容器 [S].

A Connection Manner of Tube and Tube Sheet under Special Conditions

Zhao Jinyong He Jinyu Ren Yanfang

There are several connection manners of tube and tube sheet in GB 151,including strength welding,strength expansion,expanding and welding and so on.Mainly discusses another connection manner,using rubber O ring for connection,and reviews the structure design and the tube sheet design calculation in detail.

Rubber O ring;Compression ratio;Seal;Tube sheet;Heat transfer pipe;Heat exchanger

TQ 050.3

*赵金勇，男，1981年生，助理工程师。三门峡市，472000。

2012-04-13）