设备管理与维修2023翼11（上）0引言固定管板换热器是石油化工领域常见的一种换热器型式，设计结构为壳程筒体与换热管束通过管板相互约束。因此，相较于其他型式的列管式换热器，其强度计算需要考虑管壳间变形协调所产生的温差应力。针对管壳程的约束特性，GB/T151—2014《热交换器》中引入了数值Q（即换热管束与壳程圆筒的刚度比），代入工程公式计算，可用于求解换热管轴向应力、壳程筒体轴向应力和管端拉脱力等关键节点的应力值[1]。常见的固定管板换热器壳程型式有等厚度圆筒（下文简称为“a型”）、加设膨胀节的等厚度圆筒（下文简称为“b型”）、两端加厚的圆筒（下文简称为“c型”）、中间加厚的圆筒（下文简称为“d型”）以及两种加设外导流筒的型式（下文简称为“e型”“f型”）（图1）。其中，GB/T151—2014《热交换器》标准明确给出了a型、b型、c型3种壳程型式换热器刚度比的计算公式，但尚未涵盖所有的壳程型式。现通过对标准中已给出的公式进行了推导，从而理解标准的原理，进而拓展出其他壳程型式的刚度比计算方法和应用实例。1标准公式推导1.1a型壳程型式刚度比公式推导GB/T151—2014《热交换器》对刚度比Q的定义是“换热管束与圆筒刚度比”。根据文献［2］的介绍，材料的弹性模量与截面积的乘积E伊A称为杆件的刚度。a型换热器管壳程轴向方向皆为等截面，因此不难求得刚度比Q为：Q=EtnaEsAs（1）这里需要指出的是：刚度描述的是等长杆件的抗拉（压）性能，而GB/T151—2014《热交换器》中的刚度比，确切的表述应为刚度系数之比，反映的是一定长度的管壳程结构满足变形协调时对管板所产生的约束大小。刚度系数K，其表达式为K=EAL，含义为杆端产生单位位移所需要的力[2]。计算时，管束长度取值为管板间换热管的有效长度，而非换热管全长，因此与壳程圆筒长度数值相等，所以式（1）完整推导应为：Q=EtnaL/EsAsL=EtnaEsAs（2）1.2b型壳程型式刚度比公式推导对于b型换热器，由于壳程筒体增加了膨胀节，使得筒体轴向方向截面发生变化，无法直接求得壳程圆筒的刚度系数，因而需要用到柔度，即杆件刚度系数的倒数，即1/K，其含义为单位力使杆端产生的位移。在轴向单位力作用下，壳程各段的端部位移量之和即为壳程整体的端部位移量，再取其倒数即为壳程刚度系数。波形膨胀节的刚度系数Kex可按GB16749—2018《压力容器波形膨胀节》规定计算，其他型式膨胀节刚度系数可通过拉伸试验确定[3]。因膨胀节轴向长度与管板间有效长度比较，相对较小。为...
