浅谈小直径固定管板换热器设计应注意的细节问题

孙洪峰

（南京海陆化工科技有限公司，南京 210015）

对于小直径固定管板换热器，由于无缝钢管用作筒体具有采购、加工、无损检测等方面的优势，因此当换热器直径DN ≤400 时，通常以公制无缝钢管作换热器的筒体。以无缝钢管作为管箱筒体时，管法兰成为管箱法兰的首选。由于管法兰的结构同设备法兰存在一些区别，要注意它带来的相应问题。本文就换热器设计过程中遇到的问题进行阐述，希望引起注 意。

1 管法兰用作管箱法兰的强度计算

当标准管法兰作为管箱法兰，选用HG/T 20592—2009 带颈对焊（WN）标准法兰按GB 150.3进行强度计算时，经常出现法兰厚度不够，致使强度计算不通过的情况。这时，设计者通常有两种做法：

（1）管法兰按HG/T 20592—2009 中表7.0.1-1到表7.0.1-9 核定最高允许工作压力，如果最高允许工作压力大于管程设计压力，默认管法兰强度合格，不再按GB 150.3 中Taylor-Waters 法对法兰强度进行校 核。

（2）按GB150.3 中Taylor-Waters 对法兰强度进行校核，参照HG/T 20592—2009 标准法兰的尺寸，加厚法兰厚度，出一个非标法兰图。

以上两种方法，在实践中皆有使用。笔者更倾向于第1 种做法。理由如下：

（1）从标准规范的角度来讲，管法兰用作设备法兰是没有问题的。按照管法兰标准HG/T 20592—2009 中第1.0.4 条规定：本标准也适用于采用法兰作为连接型式的阀门、泵、化工机械、管路附件和设备零部件。因此，管法兰用作设备法兰，从标准规范角度来说，是适合的。

（2）《GB 150—2011<压力容器>问题解答及算例》[1]一书，问题3-30 给出的意见是：按照HG/T 20592—2009 选用的管法兰，若法兰仅承受流体静压力及垫片压紧力作用，可以免除计算。由此可见，GB 150 标准编制者对管法兰免除计算是认可的。

（3）从实际情况来说，同等设计条件下，管法兰的安全裕量是大于设备法兰的。

（4）设备法兰与管法兰的螺栓安全系数不同。按GB 150.3 中Taylor-Waters 法对法兰强度进行校核，并不能得出管法兰强度不合格的结论。其原因在于，管法兰螺栓的实际安全系数要大于GB 150.3中螺栓的安全系数，这样就导致管法兰的螺栓配置面积相比GB 150.3 中Taylor-Waters 法的法兰螺栓面积要大，余量更加充裕。由于螺栓富裕量较大，所以按照GB 150.3 中Taylor-Waters 法公式校核的时候，经常导致法兰强度不合格。但是实际上法兰的强度是有保证的，是安全的，这也就是为什么按照HG/T 20592—2009 选的法兰，是可以免除计算的。

2 非标管法兰设计的注意事项

前文说到，管法兰用作管箱法兰时，可参照HG/T 20592—2009 标准法兰的尺寸，加厚法兰厚度，通过GB 150.3 中Taylor-Waters 法强度校核合格后，出非标法兰图。在这里，需要注意螺栓支承面应进行机加工或锪孔问题。

如图1 所示， HG/T 20592—2009 带颈平焊法兰，SO-400（B）-PN10。带颈平焊法兰颈部R 圆角处与螺母干涉，螺母无法完全贴合在法兰盘上，影响法兰的紧 固。

图1 法兰颈部圆角与螺栓干涉示意Fig.1 Diagram of collision interface between rounded corner of flange neck and bolt

法兰出图时，应注意：同规格的PN 管法兰，B系列的接管外径可能大于A 系列接管，由于法兰盘直径和螺栓中心圆直径不变，法兰颈部尺寸随着接管直径增大而增大，所以颈部离螺栓中心圆距离变近了。管法兰标准HG/T 20592—2009 中第3.2.4 条规定：采用B 系列钢管外径时，对于DN 350 ～ DN 600带颈平焊法兰和DN 350 ～ DN 900 带颈对焊法兰的螺栓支承面应进行机加工或锪孔（鱼眼孔），如图2 所示，以适应紧固件的装配。根据笔者的经验，对于DN 350 ～ DN 600 带颈平焊法兰和DN 350 ～ DN 900 带颈对焊法兰，不同压力等级的管法兰，并非都会出现此种情况。因此，建议设计人员在设计非标法兰时，确定法兰各项尺寸参数后，按比例绘制出法兰详图，然后按比例绘制螺母，进行装配。当法兰颈部R 圆角处与螺母干涉，螺母无法完全贴合在法兰盘上时，按照管法兰标准HG/T 20592—2009 中第3.2.4 条规定对螺栓支承面进行机加工或锪孔处理。

图2 螺栓支承面锪孔示意图Fig.2 Diagram of spot facing of flange plate

3 管箱法兰缠绕垫片的注意事项

当管程设计温度、设计压力较高，介质毒害程度较高或介质渗透性较强时，管箱法兰垫片可选择缠绕垫，以保证法兰的密封性能。按照缠绕垫标准HG/T 20610—2009 中第3.0.1 条规定，对于法兰密封面为凹凸面时，如果选用B 型（带内环型）缠绕垫（如图3 所示），通常管板与凸面法兰结构不同，管板多一个凸台，可能出现管板凸台与缠绕垫内环干涉，导致缠绕垫片无法安装。

图3 缠绕垫内环与管板凸台干涉示意图Fig.3 Diagram of collision interface between spiral wound gasket inner ring and tubesheet convex edge

出现这种情况时，通常有5 种做法：

（1）选择不带内环缠绕垫，也就是A 型，基本型缠绕垫。但是，相比于B 型（带内环型）缠绕垫，由于内环对垫片本体有加强作用，能起到防止缠绕垫片本体因刚性不足而过度变形，同时填补垫片与法兰密封面之间的空隙，以避免此空隙因流体的流动对垫片的冲蚀。因此，采用基本型缠绕垫的弊端是显而易见的。

（2）修改管板的凸台尺寸。按比例绘制管板详图，根据缠绕垫的内环尺寸调整管板的凸台尺寸，满足管板凸台与缠绕垫内环不干涉。选择这种做法时要注意：调整管板的凸台尺寸可能会导致布管限定圆要向内收缩，影响布管数量。由于小直径换热器本身布管数量就不多，建议设计人员要根据管板的凸台尺寸仔细核对布管情况。

（3）取消管板凸台。取消管板凸台，管板与法兰的密封型式同法兰盖与法兰，不受标准缠绕垫内环尺寸的影响。但是这种结构只适用于单管程换热器，如果换热器是两管程以上，这种结构也无能为力了。

（4）调整缠绕垫的内环尺寸。调整缠绕垫的内环尺寸，出非标垫片图。这种做法的弊端是，由于垫片是非标准件，不利于换热器使用单位日后垫片备件采购，使用单位只能单独向垫片制造厂商订制该尺寸的缠绕垫片。

（5）柔性石墨金属波齿复合垫片代替缠绕垫。柔性石墨金属波齿复合垫片具有优良的密封性能，相比于缠绕垫，克服了缠绕垫“散架”和“压溃”的缺陷，在石油化工行业已成功应用[2]。对于凹凸面，柔性石墨金属波齿复合垫片为不带定位环的基本型[3]，回避了可能导致管板凸台与垫片干涉的问题，但同时也应注意：每种类型的垫片都有其适用范围及优缺点。当选择柔性石墨金属波齿复合垫片时，设计者应考虑其适用的范围、密封性能以及石墨覆层质量、密度、厚度等相关参数。

4 结束语

以上所述为小直径固定管板换热器设计过程中经常遇到的一些问题，希望引起注意，使换热器满足工艺和制造的需要，创造更好的经济效益。