刘旭1，胡玲2，刘泸生3
（1. 四川泸天化弘旭工程建设有限公司，四川 泸州646300；
2. 四川新锂想能源科技有限责任公司，四川 遂宁629200；
3. 泸州泸天化化工设计有限公司，四川 泸州646300）
［摘 要］矩形管板换热器可在壳程空间内提供较为均匀的温度场，是空气压缩机组首选的冷换设备，但由于矩形管板结构复杂，影响其强度的因素有很多，要准确地进行管板强度分析是较复杂的，我国《热交换器》（GB/T 151—2014）、美国的ASME标准以及TEMA标准对矩形管板强度均采用等效圆平板进行简化计算，没有直接的计算方法。为此，基于德国AD压力容器规范及我国《压力容器》（GB/T 150.1～150.4—2011），以海洋石油富岛有限公司450 kt/a合成氨装置空气压缩机二段段间冷却器矩形浮动管板与矩形浮头盖强度（验证）计算为例，分析相关结构特征参数的确定，找出矩形浮动管板与矩形浮头盖解析解的公式；并建议将原强度胀接结构更改为“胀焊结构”（强度焊+贴胀结构），制造过程中采用更加严格的焊接工艺及防焊接变形措施。此种矩形管板强度计算方法，具有良好的实用性、简洁性和安全性，对同类型管板的强度计算具有一定的参考价值。
［关键词］矩形管板换热器；德国AD压力容器规范；空气压缩机二段段间冷却器；矩形浮动管板；矩形浮头盖；强度计算；“胀焊结构”
［中图分类号］TQ051.5 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2020）06-0058-05
0 引 言
矩形管板换热器可在壳程空间内提供较为均匀的温度场，是空气压缩机组首选的冷换设备。为减少温差应力对管板、壳体、换热管带来的不利影响，常采用U形管式、浮头式、填料函式等结构型式；同时考虑到检修时管束清洗方便，管束采用可抽芯结构［1］。由于管板结构复杂，影响其强度的因素有很多，各国现行规范/标准对管板的强度计算都是对实际管板作一定的简化，将管板作为承受均匀载荷、放置在弹性基础上且受到管孔均匀削弱的当量圆平板来考虑［2］。我国《热交换器》（GB/T 151—2014）、美国的ASME标准以及TEMA标准只有圆形管板强度计算方法，而没有矩形管板强度计算方法［3］；对于低参数和满布矩形浮动管板换热器，考虑修正系数等因素后，采用等效圆平板进行简化计算，没有直接提供矩形管板的强度计算方法。本文基于德国AD压力容器规范及我国《压力容器》（GB/T 150.1～150.4—2011），以合成氨装置空气压缩机二段段间冷却器（101JC2）矩形浮动管板与矩形浮头盖强度计算为例，分析相关结构特征参数的确定，找出矩形浮动管板与矩形浮头盖解析解的公式，这对进一步分析其他情况下矩形管板强度计算方法也具有一定的借鉴意义。
1 管板强度计算原理
1.1 GB/T 151—2014［4］管板强度基本计算原理
将管束当作弹性支撑（U形管管束除外）、管板作为放置于这种弹性基础上的圆平板，据载荷大小、管束刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力。此管板强度计算原理比较全面地考虑了管束支撑和温差等的影响，因而比较精确［5］。但是GB/T 151—2014没有提供矩形管板的计算方法。
1.2 美国TEMA［6］管板强度基本计算原理
将管板当作受均布载荷的实心圆平板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，并加入适当的修正系数以考虑管板开孔削弱和管束的实际支撑作用。其管板厚度计算公式简单，准确性较差，在一定限制条件下是偏于安全的［5］。美国TEMA标准同样没有提供矩形管板的计算方法。
1.3 德国AD压力容器规范［7］管板强度基本计算原理
德国AD压力容器规范管板强度计算采用简化的半经验公式，将管板分成若干块承压面积，这些承压面积的周边由换热管、壳体等支撑，使得管板得到加强，如此计算得到的支撑面积板厚作为管板的厚度［8］。德国AD压力容器规范中提出矩形管板强度计算可参照圆形管板强度的计算方法，在计算公式中增加计算系数C，其值由板的长短边之比确定，并且强度计算公式中计算直径D1用短边长度f来取代［7］，这样就近似地解决了矩形管板强度计算的难题。
2 空气压缩机二段段间冷却器简介
2.1 设备结构
海洋石油富岛有限公司450 kt/a合成氨装置采用KBR深冷净化工艺，为国内首套采用低热值天然气生产合成氨的装置，配套（1台）空气压缩机（101J），101J段间冷却器共3台（一段、二段、三段段间冷却器），3台段间冷却器结构相同、规格尺寸不同，以下以其二段段间冷却器为例进行矩形管板强度计算。
空气压缩机二段段间冷却器（101JC2），用于空气压缩机二段气缸排出气体的冷却，降低三段入口气体温度，最大限度地提高空气压缩机的效率。空气压缩机二段段间冷却器是1台卧式浮头式换热器，公称直径1 900 mm，设备总长约6.5 m，换热面积2 876 m2，由矩形管束、鞍座、壳体等部件组成，换热管与管板连接方式为强度胀接。空气压缩机二段段间冷却器矩形管束示意如图1。
更多内容详见《中氮肥》2020年第6期