极限思维和换热器设计

问题提出

在2014年，一台固定管板换热器，壳程侧低压蒸汽，进出口温度为 200/195，材料为Q345R；管程侧为乙烯，进出口温度为-70/5，材料为S30408。

由于靠近 管程出入口处的温度较低，所以靠近管程的壳程筒体（长度600）采用S30408的材料。

壳程采用了两种材料S30408和Q345R。而当时的换热器筒体计算只能采用一种材料。那么应该如何解决这个问题呢？

问题分析及解决

设计人员认为，这种结构没法计算，需要有限元分析。

固定管板的有限元分析，当工况比较多，要出来合适的结果，时非常麻烦的，因为它不像常规计算，一次将一种工况下的多种情况同时考虑，它需要人工考虑7种工况。如果有腐蚀前和腐蚀后的计算，那么分析的工况又多了一倍。属于设计效率非常低下的方法。

技术总监给了个方法，设备按照壳程全部为Q345R计算一遍，然后再按照S30408计算一遍。两者计算的管板取大值。

由于设备工况较多，管壳程正负压，壳程材料不同，以及开停车工况，所以计算比较繁琐，需要建立18个SW6的计算文件。

经过计算，管板最终取80厚。

相对于纯的Q345R筒体，管板并未加厚，成本未造成太多上升。

极限思维

壳程有两种材料组合，当时并无配套软件可以计算。那么设计时采用两种纯材料单独计算，然后取大值，是一种非常科学的做法。

管板计算模型本质上是受均布载荷的圆平板。筒体的两种不同材料，其膨胀系数不一样，弹性模量不一样，会影响管板的边界条件。采用两种同样的材料来计算2次，使得膨胀量产生的推力是偏大的，产生偏保守的结果，所以精确值肯定在两者之间。将其取大值，是工程上可以接受的。

采用这种方法，属于一种极限思维。

在无法获得精确的结果时，使用极限思维能够大大简化工作量，并获得工程上可以接受的结果。

这种思维我们在生活中经常使用：

比如：“大不了”之类的句式，“头掉了碗大个疤”，“二十年后又是一条好汉”

比如：去吃沙县小吃，出门之前不知道吃什么，要多少钱。然后顺手拿了1000就出门了。

比如：上个厕所，带两包纸，谁知道万一发生什么。

工程中这种思维也经常用到：

比如薄管板的计算，思路是，管板计算太复杂了，但是我知道被管子撑住的地方是不会坏的，而未布管区是应力最大的，那么我只要求出未布管区的厚度就行了，这个厚度我用未布管区内接的最大圆平板厚度就行了。

只要内接圆平板应力不超，那么整个管板就是安全的。

所以计算公式非常简单，但是既省材料，又非常科学。属于极限思维在压力容器中的应用的典范。

后续

在GB/T 151-2014的7.4.6.5节，对于这种换热器，给出了更详细的算法。其计算原理是将筒体刚度按照各分段的串联关系，得到壳体等效总刚度，然后计算管束和壳体的等效刚度比，再代入正常的计算。

换热器的轴向力是由壳体和管束共同承担的，各自分担的量由各自的刚度决定。

能力越大，责任越大，刚度越大，承担越多。

在ASME VIII I中，对于此类设备的处理也类似（当然计算方法是出在GB151之前）。

另外，PVElite中可以直接计算。