套管换热器稳定性设计计算的探讨

潘光国

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

套管换热器一般适用于传热面积较小的场合，它比同样换热面积的管壳式换热器所需的空间要大，但由于其具有结构简单、制造方便等优点，因此被广泛地用做冷却装置[1]。

某项目甲醇水冷却器采用套管换热器结构(见图1)，由于内外管直径小且长度较长，在压力及温差作用下，容易造成失稳，使得内外管挠度过大，从而影响换热效率。本文对该冷却器的稳定性进行了计算，提出内管失稳的解决方案，可为以后同类设备的设计提供参考。

1 设计计算方法

1.1 内、外管轴向应力计算

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(4)

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金属壁温作用下的外管热位移：ΔLot=αo(To-20)L

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外管轴向总位移：ΔLo=ΔLop+ΔLot

(7)

同理可得内管轴向应力σi1、内管周向应力σi2、内管轴向应力引起的轴向位移ΔLi1、内管周向应力引起的轴向位移ΔLi2、设计压力作用下内管轴向总位移ΔLip、金属壁温作用下的内管热位移ΔLit、内管轴向总位移ΔLi。

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ΔLi<ΔLo取正，ΔLi>ΔLo取负。

(10)

ΔLi<ΔLo取正，ΔLi>ΔLo取负。

式中，pi为内管设计压力，MPa；po为外管设计压力，MPa；di为内管直径，mm；do为外管直径，mm；δi为内管厚度，mm；δo为外管厚度，mm；L为公称长度，mm；Ei为内管材料的弹性模量，MPa；Eo为外管材料的弹性模量，MPa；ΔLi为内管轴向总位移，mm；ΔLo为内管轴向总位移，mm；Ai为内管金属截面积，mm2；Ao为外管金属截面积，mm2；μ为内外管材料的泊松比，通常情况取0.3；αi为内管材料金属壁温下的线膨胀系数，mm/(mm·℃)；αo为外管材料金属壁温下的线膨胀系数，mm/(mm·℃)；Ti为内管沿长度平均金属壁温，℃；To为外管沿长度平均金属壁温，℃。

上述轴向应力正值为拉应力，负值为压应力；当轴向应力为压应力时，内外管可能会出现失稳，需要进行压杆稳定性计算。

1.2 内管、外管压杆稳定性计算

根据GB/T 151—2014《热交换器》[3]，换热管的稳定许用压应力计算公式为：

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2 计算结果分析

2.1 主要设计参数

甲醇水冷却器的内外管材质为20，主要设计参数见表1。

表1 主要设计参数

2.2 计算结果

进行甲醇冷却器内外管同时有压力工况下的计算，内外管轴向应力计算结果见表2。

表2 内外管轴向应力计算

同理，其他工况下的内、外管轴向应力计算结果见表3。

表3 内外管轴向应力计算

从计算结果可知，外管的轴向应力为拉应力，不需要进行稳定性校核，而内管轴向应力为压应力，需要进行稳定性计算。甲醇水冷却器内管稳定性计算结果见表4。

显然，内管的轴向压应力值远大于内管的许用应力，因此，内管会出现失稳破坏。从计算结果可以看出，内管的许用压应力值很低，这是由于内管计算长度L值过大所致，因此，只有尽可能地缩短内管计算长度，才能提高内管的许用压应力。

为了缩短计算长度，在内管上设置支撑块(见图2)；内管上的支撑块相当于换热器中的折流板或支持板，支撑块的设置改变了压杆的约束条件，增强了压杆的约束，使其不容易发生弯曲变形。内管支撑块间距为1 200 mm时，计算长度L为1 200mm，内管压杆稳定性计算见表5。

图2 内管支撑块结构示意

表4 甲醇水冷却器内管压杆稳定性计算

表5 内管压杆稳定性计算

由计算结果可见，当压杆的计算长度L缩短时，内管的柔度显著下降，许用压应力大幅提升。在计算长度为1 200 mm的条件下，内管的轴向压应力值小于许用压应力值，内管稳定性校核通过。

3 结语

当轴向应力为压应力时，套管换热器的内外管可能会出现失稳，需要进行稳定性计算。缩短压杆的计算长度，可以大幅提升压杆的许用压应力。通过在套管换热器的内管上设置支撑块，缩短内管的计算长度，可使内管通过稳定性校核。