介紹了固定管板式換熱器管板設計標準，分析了管板熱應力產生機理，尋求減小管板熱應力的有效途徑，對指導管板設計、優化管板結構及改善換熱器性能等具有重要的意義。

換熱器是化工生產中重要的單元設備，通常用來加熱低溫流體或冷卻高溫流體，把液體汽化成蒸汽或把蒸汽冷凝成液體。換熱器按照結構形式可分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管換熱器和填料函式換熱器。與其他形式的換熱器相比較，固定管板式換熱器具有制造成本低、清洗方便、堅固耐用及適用性強等優點，被廣泛應用于化工、煉油等行業。固定管板式換熱器由殼體、U形管、管板、折流板及管箱等組成。殼體多為圓筒形，內部裝有換熱管，U形管兩端固定在管板上，按正三角形或正方形排列，通常在U形管上均勻安裝若干數量的折流板，提高換熱效率的同時還起到支撐管束的作用。與殼體兩端管板連接的是管箱，管箱分為左管箱和右管箱，均由圓筒、封頭和法蘭組焊而成。固定管板式換熱器常在操作工況極其嚴苛的情況下運行，因此換熱器管板既要滿足壓力載荷作用下的強度要求，又要滿足因殼體與U形管熱膨脹差引起的熱應力和管板兩側溫度差引起的熱應力要求。工作過程中管板產生的熱應力過大，會對其強度有影響，更有甚者會影響換熱器的換熱效率和工作壽命。因此，筆者在介紹管板設計標準的基礎上分析熱應力產生的機理，尋求控制管板熱應力的有效途徑。

1管板結構及設計標準

1.1管板結構

管板是固定管板式換熱器最重要的零部件之一，它與殼體、U形管和管箱連接，用來排布U形管，并將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，同時承受來自管程、殼程的壓力和溫度的作用，受力情況較為復雜。業內在設計時所考慮的因素和標準不同，所設計的管板也有差異。起初對管板的設計沒有專門的設計依據，都是基于固定管板式換熱器零件，按照壓力容器的相關標準進行設計。隨著換熱器設計方法的不斷發展和完善，國內外開始出現了專門的換熱器管板設計標準。

1.2管板設計標準

1.2.1國內外管板設計標準

早在1941年頒布的美國管式換熱器制造商協會(TEMA)標準第一版對管板的設計計算進行了規定，將管板視為圓形薄板，并且認為它所受的載荷為均布載荷，該方法是一種半經驗方法，只適用于浮頭式和U形管式換熱器。1965年頒布的英國BS1515標準中，對管板的設計計算采用了Miller方法，該方法是一種迭代法，有15個設計參數。1969年，Gardenr以1968年頒布的TEMA標準第五版為基礎，提出了不需要逐次逼近求解管板厚度的簡化設計方法，該方法可求解有效的局部壓力和徑向彎矩，但也僅限于浮頭式換熱器的設計計算。而專門針對固定管板式換熱器管板設計計算則是1959年Galletly提出的強度分析方法，該方法考慮了管孔對管板的削弱和U形管對管板的支撐作用，而且認為管板周邊是彈性夾持的，以此理論方法為依據，1982年法國頒布了壓力容器設計標準———非直接火受壓容器建造規范(CODAP)，從此固定管板式換熱器管板的設計進入標準化時代，1990年英國頒布的BS5500《非直接火焊接壓力容器規范》標準也參照了CODAP標準。德國的《AD壓力容器規范》標準和日本的JISB8249《壓力容器構造》標準中，對管板強度的計算是將管板看作由U形管固定支撐的平板來計算的。由此可見，國外對管板設計計算標準化做了大量工作，促進了世界范圍內管板設計理論的快速發展，為制定具有科學性、實用性、權威性、可操作性的管板設計標準奠定了堅實的理論基礎。

我國機械部1972年頒布的部級標準《列管式固定管板換熱器型式與基本參數》包含了有關管板設計計算的內容，后來經過多名專家的反復試驗、使用實踐及局部修訂等，在1984年實施的《鋼制石油化工壓力容器設計規定》中，制定了一套換熱器管板強度的計算方法。參照美國TEMA和日本JISB8249標準，根據《鋼制石油化工壓力容器設計規定》、JB1147《鋼制列管式換熱器技術條件》和我國多年來在管殼式換熱器方面的經驗編制了GB151-1989《鋼制管殼式換熱器》標準，該標準中對管板的設計計算與1984年實施的《鋼制石油化工壓力容器設計規定》相同。1993年根據國家質量技術監督總局“制修訂標準項目計劃”的安排，依據GB151-1989實施后國內管式換熱器技術發展的需要，并參照同時期國際同行標準對GB151進行了修訂，修訂后的標準為GB151-1999《管殼式換熱器》，于1999年2月26日發布。最近一次對GB151內容的修訂是2014年，修訂內容涉及管板部分的主要有:修訂了換熱管與管板的連接，單管板設計計算，管板與管箱、殼體的焊接連接;增加了雙管板設計計算，換熱管與管板焊接接頭的焊縫形式附錄，波紋換熱管熱交換器的管板附錄。修訂后的新標準GB/T151-2014于2015年5月1日起實施，名稱為《熱交換器》，目前對管板的設計計算均采用該版本的標準。

1.2.2國內外管板設計理論

換熱器設計人員，基本上都是以英國MillerKAG法的假設為基礎，進行管板的強度和剛度的計算，該方法的假設簡化為:換熱管和管板連接處無滑動;換熱管在受壓時不產生壓縮彎曲，只考慮軸向壓縮;管板受載后的變形為小撓度彎曲，忽略換熱管對管板彎曲的約束作用;把換熱管視為管板的均勻彈性基礎;管板開孔后的削弱。在上述假設前提下，依據不同的理論對管板強度進行計算。

我國GB/T151-2014中還規定在管板計算直徑范圍內應是具有均勻厚度的圓形平板(對于管板周邊延伸作為法蘭的部分可以具有不同于管板的厚度)，在其布管區范圍內，除分程處局部外，應具有均布的密集開孔，在計算中認為壓力載荷是均勻的，不考慮質量載荷、壓降載荷及管板厚度方向和徑向溫差應力的影響。具體力學計算模型是將管板近似地視為軸對稱結構，并假設兩端的管板具有同樣的材料和相同的厚度，還應具有相同的邊界支撐條件。國內在工程實際中應用的BXM型固定管板式換熱器，大多都采用管板延伸兼作殼體法蘭的結構，因此管板與法蘭幾乎等厚。

2管板熱應力產生原因

固定管板式換熱器的兩塊管板通過換熱管、殼體相互固定在一起，實際工作中由于存在溫差，兩者自由熱膨脹量不同，造成變形相互約束，在這種熱變形得不到緩解的情況下就產生了很大的熱應力。管板和換熱管之間的連接區域出現熱應力過大現象，最終導致該區域產生破壞。圍繞著管板所受熱應力和使用過程中熱應力帶來的危害，業內相關研究工作者開展了大量的研究工作，分析總結這些研究成果可發現，管板熱應力產生主要的原因是:

a.管板整體受熱并且受到外部約束。在固定管板式換熱器中，管板、換熱管及管箱等零件在沿某個方向膨脹過程中，當溫度變化引起的熱變形受到約束作用時，這些零件內部就會產生壓縮熱應力，該類熱應力可以通過解除約束而減小以致消除。

b.管板自身各部分溫度不同引發的熱應力。固定管板式換熱器的管板沿著厚度方向和周向的溫度分布不同，對應方向膨脹量也各不相同，但是管板作為一個整體，膨脹量是一體的，只能整體變形而不可能分層與溫度相適應地變形。因此，管板內部一部分會限制另一部分膨脹而產生熱應力，這種熱應力是與傳熱現象共存的，在傳熱零件中普遍存在而無法克服，只要零件內有溫度分布就有這種熱應力存在。

c.管板和其他零件形成的結構中，各處溫度分布不均勻引起的熱應力。如果管板與其他零件連接，由于線膨脹系數不同，相互膨脹程度也不同，引起管板產生熱應力。

3控制管板熱應力的措施

固定管板式換熱器管板長時間承受熱應力的反復作用，容易引起材料的蠕變，因此，在分析管板承受熱應力及其產生原因的基礎上，結合管板設計標準的要求，可采取以下幾種措施來降低熱應力:

a.適當增加管板厚度。提高管板的抗彎截面模量，有效降低管板應力。

b.采用彈性管板。設計制造一種彈性管板，一方面利用彈性變形吸收熱膨脹差值，另一方面設計的彈性管板厚度要比同操作工況下的圓形管板小很多，這樣可以減小管板中心和邊緣間的徑向熱應力。

c.在殼體上設置膨脹節。管板熱應力取決于自身的變形量，大小跟管板剛度有關，且與總變形協調量成正比。當換熱管和殼體的熱膨脹差很大時，總變形協調量就很大，管板變形量也會很大，使管板發生很大的撓曲變形，最終導致管板產生極高的應力。所以可采用在殼體上設置膨脹節的辦法，降低殼體軸向剛度，這在一定程度上可以降低由溫差引起的熱應力。

d.減小U形管和殼體之間的溫差。運行過程中，如果冷熱介質的溫差較大，在選擇換熱器的型式時應盡量避免選擇固定管板式換熱器，目的是消除由于U形管、殼程溫差引起的熱應力。

e.合理選擇管板的材料。不同材料的膨脹系數、彈性模量、泊松比均隨溫度變化而變化，從而產生不同程度的熱應力，因此，合理選擇材料可以減少管板、U形管、殼體之間的熱膨脹差。

f.采用預應力技術。通過預應力技術改善正常工況下管板熱應力分布狀態，進而降低熱應力對管板應力強度及管板彎曲變形。

4結束語

固定管板式換熱器在使用過程中，管板常因實際工況苛刻，承受較大的壓力載荷和熱應力載荷，筆者通過分析國內外學者對管板所受熱應力的研究，總結出產生熱應力的原因，并以管板設計標準為依據，提出減小管板熱應力的相應措施。