雙管板換熱器的設(shè)計

                 徐昀，程剛
                     （安徽省化工設(shè)計院，安徽合肥230009）

    摘要：通過一設(shè)計實例介紹了雙管板換熱器的機理、結(jié)構(gòu)形式和材料選擇。闡述了內(nèi)、外管板間隙和管板厚度的設(shè)計計算，以及制造、驗收等方面應(yīng)注意的問題。
    關(guān)鍵詞：換熱器；雙管板；結(jié)構(gòu)；設(shè)計
    doi：10.3969/j.issn.1008-553X.2011.03.024
    中圖分類號：TF066.2+1文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1008-553X（2011）03-0069-03
    1·前言
    換熱器通常為單管板結(jié)構(gòu)，是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、冶金、電力、醫(yī)藥等行業(yè)廣為應(yīng)用。近年來，隨著節(jié)能增效技術(shù)的發(fā)展，換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，帶來了顯著的經(jīng)濟效益。隨著科技的進步以及新應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，在某些裝置中對換熱器的性能提出更為苛刻的要求，如殼程介質(zhì)和管程介質(zhì)的任何混合都是不被允許的，一旦換熱管與管板的連接處發(fā)生泄漏，將導(dǎo)致殼程介質(zhì)和管程介質(zhì)發(fā)生混合，可能會發(fā)生下列情況：
    （1）產(chǎn)生腐蝕性或有毒介質(zhì)。
    （2）引發(fā)燃燒或爆炸，造成安全事故。
    （3）形成污垢，引起設(shè)備堵塞。當(dāng)管、殼程兩種流體相混合后，會形成如樹脂狀的物質(zhì)或聚合物。
    （4）產(chǎn)生不良的化學(xué)反應(yīng)。在管、殼程兩種流體接觸后，使預(yù)期化學(xué)反應(yīng)受到抑制或不發(fā)生反應(yīng)；或者發(fā)生不良反應(yīng)，污染產(chǎn)品，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。為此，我們引入了雙管板換熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念，以彌補單管板結(jié)構(gòu)上的不足，從而避免殼程介質(zhì)和管程介質(zhì)由于換熱管與管板連接接頭泄漏而發(fā)生混合，杜絕危及人身安全，影響產(chǎn)品質(zhì)量或?qū)υO(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕等一系列不良后果的發(fā)生。
    2·“雙管板”結(jié)構(gòu)的選擇
    本文所設(shè)計的這臺換熱器，管程通過的介質(zhì)是一般的冷卻水，殼程介質(zhì)是干燥的氯氣。如果殼程介質(zhì)（干燥氯氣）和管程介質(zhì)（冷卻水）因泄漏而相遇，將會生成HClO和HCl，所產(chǎn)生的H+、Cl-、ClO-不僅對管程和殼程的材質(zhì)碳鋼產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，而且會影響殼程介質(zhì)（干燥氯氣）的質(zhì)量。為滿足工藝過程對介質(zhì)的需求，我們在設(shè)計中采用了“雙管板”結(jié)構(gòu)。
    所謂“雙管板”，是指在換熱管端部有一塊管板，稱為外管板，也就是管程管板，兼作法蘭，與換熱管及管箱法蘭相連接。在距換熱管端部較近的位置再設(shè)一塊管板，稱為內(nèi)側(cè)管板，即殼程管板，與換熱管及殼程相連接。外側(cè)管板與內(nèi)側(cè)管板之間有一定的間距，這部分空間把管程和殼程隔離開，組成一個不承受介質(zhì)壓力的隔離腔。管、殼程每側(cè)布置二塊管板，不僅起到兩道防線的作用，而且能通過設(shè)置在二塊管板間隔離腔上的管口及時查出內(nèi)側(cè)管板的泄漏問題。
    3·雙管板換熱器的設(shè)計
    3.1設(shè)計參數(shù)
    殼體外形尺寸DN700，換熱管長3000米，換熱管規(guī)格φ19×2，具體參數(shù)見表1。

    3.2換熱管與管板的連接形式
    換熱管與管板的連接是設(shè)計過程中一個非常重要的問題，其連接形式的科學(xué)合理是保證管、殼程介質(zhì)不相互泄漏的關(guān)鍵。換熱器在操作運行中，管板與換熱管連接處既要保證介質(zhì)無泄漏，又能承受管、殼程側(cè)介質(zhì)的壓力差、溫度差所產(chǎn)生的載荷。為此，內(nèi)管板與換熱管的連接方式采用強度脹接，以確保換熱管與管板的密封性能和抗拉脫強度，也避免了現(xiàn)場施焊困難。為保證換熱管與外管板連接的密封性，也為消除換熱管與管孔之間的縫隙，設(shè)計中外管板與換熱管的連接方式采用強度焊加貼脹，組裝時采用先焊接后貼脹的方式，主要是為了提高管頭封焊質(zhì)量。焊接完畢，管頭要求100%著色檢測。
    3.3主材的選擇
    因換熱器管程所通過的介質(zhì)是冷卻水，腐蝕性不大，管程筒體材質(zhì)優(yōu)選碳鋼Q235B；殼程介質(zhì)是干燥氯氣，對碳鋼也無腐蝕；但干燥氯氣屬于高度危害的介質(zhì)，在一定的操作壓力下，根據(jù)GB150-98等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對壓力容器受壓元件的要求，殼程主材不宜選擇Q235B。綜合考慮管程、殼程的操作壓力、介質(zhì)特性以及設(shè)備的運行壽命，同時結(jié)合材料本身的機械性能、焊接性能、容器的制造工藝以及經(jīng)濟合理性，最后管程筒體、封頭、殼程的筒體材質(zhì)選用16MnR（GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》）；因為脹接的要求，在設(shè)計中我們要保證管板與換熱管間有一定的硬度差，一般管板比換熱管硬度高HB20~HB30。鑒于此，管板選用強度等級較高的材質(zhì)16MnⅢ級鍛件（JB4726-2000《壓力容器用鋼鍛件》）；換熱管材質(zhì)選用標(biāo)準(zhǔn)GB/T9948-2006《石油裂化用無縫鋼管》中的10鋼。因設(shè)備法蘭與管程相連接，與冷卻水接觸，參照JB/T4700-2000相關(guān)規(guī)定，設(shè)備法蘭材質(zhì)選用16MnR。
    3.4殼程管板和管程管板間隙的確定在設(shè)計雙管板換熱器時，要考慮管板上的溫度因素。當(dāng)管板隨環(huán)境溫度變化時，管孔會膨脹或收縮，同時管板各自一側(cè)的介質(zhì)溫度不同，每塊管板的壁溫也不同，因而產(chǎn)生不同的熱膨脹。當(dāng)相鄰兩管板溫度不同時，管板徑向變化也不同。在這種情況下，產(chǎn)生在管板上的橫向剪切力和彎曲力，將影響管子與管板連接處的強度及密封性能，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。如果這種溫度變化是周期性或經(jīng)常性的，由于金屬疲勞還會使換熱管損壞。為此，在兩塊管板之間保持適當(dāng)間距是很有必要的，管板間隙讓換熱管產(chǎn)生撓曲，從而避免管板與換熱管的連接處產(chǎn)生過大的應(yīng)力而導(dǎo)致泄漏。由工程實踐，我們根據(jù)TEMA-1999（現(xiàn)并入ASMEⅧ-1）相關(guān)章節(jié)給出的相鄰兩塊管板之間間隙的計算公式：
    G=[Ed0△/0.27σs]1/2（1）
    其中△=OTL/2[α（tt-t）0-α（sT-t）0]（2）
    式中各符號含義：
    E—管子平均金屬溫度下的彈性模量，MPa;
    d0—穿過兩管板的換熱管的外徑，mm；
    △—換熱管的偏移量，mm；
    σs—換熱管最大金屬溫度下的屈服強度，MPa；
    OTL—最外圈換熱管的外切圓直徑，mm；
    t—管程管板的溫度，℃；
    T—殼程管板的溫度，℃；
    t0—制造環(huán)境溫度，℃；
    αt—管程管板在平均金屬溫度下線膨脹系數(shù)，（℃）-1；
    αs—殼程管板在平均金屬溫度下線膨脹系數(shù)，（℃）-1。
    由式（1）和（2）可知，對于某一換熱器而言，當(dāng)管子的中心距和排列方式確定后，最外圈換熱管的外切圓尺寸就是一個定值，按照式（1）和（2）就能得到間隙G的值。針對該臺設(shè)備相鄰兩塊管板之間間隙進行計算，并結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)要求，間隙實際取值G=120mm。
    3.5內(nèi)、外管板的設(shè)計
    3.5.1內(nèi)、外管板厚度的計算
    同單管板相比，雙管板結(jié)構(gòu)不僅要考慮管板的徑向應(yīng)力、管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力和剪切應(yīng)力、殼程筒體和換熱管的軸向應(yīng)力，以及換熱管與管板連接的拉脫力，同時還應(yīng)解決相鄰兩管板之間管束的換熱管承受的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。所以計算管板厚度時，考慮了管程、殼程和隔離腔三部分的工況，按不同情況進行計算：
    （1）殼程（內(nèi)）管板的設(shè)計參數(shù)。設(shè)計壓力和設(shè)計溫度分別按殼程及隔離腔工況確定；換熱管和殼程壁溫按管程及殼程工況確定；管板與換熱管的連接為脹接；換熱管的有效長度為殼程管板間距離。
    （2）管程（外）管板的設(shè)計參數(shù)。設(shè)計壓力和設(shè)計溫度分別按管程和隔離腔工況確定；換熱管和殼程壁溫以換熱管與殼程或隔離腔殼體之間最大溫差為計算依據(jù)；管板與換熱管的連接為焊接；換熱管的有效長度為管程管板間的距離。
    （3）管板形式無論是延長部分兼作法蘭或是不帶法蘭的固定式管板，均可按延長部分兼作法蘭的力學(xué)模型進行計算，因為延長部分兼作法蘭固定式管板其受力情況與不帶法蘭的固定式管板相比較，條件更為苛刻。
    （4）因隔離腔的長度較短，一般只有100~200mm，所以這段管束的剛度很大。校核時，出現(xiàn)管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度k大于1，以通過增加管板厚度的方法來降低k值，使其小于1或略大于1。
    依據(jù)上述參數(shù)，運用SW6-1998計算軟件分別對內(nèi)、外管板的厚度進行設(shè)計計算。實際管板的厚度取值既要滿足管板的強度要求，同時也要滿足結(jié)構(gòu)需要。內(nèi)管板的計算厚度為28mm，為保證強度脹接開槽位置位于管板中部，同時兼顧拉桿插入深度，最終取定內(nèi)管板厚度δ=30mm。外管板計算厚度為44mm，從結(jié)構(gòu)上也滿足“管板與設(shè)備法蘭的厚度差在合理的范圍內(nèi)”這個理念，最終確定外管板厚度為44mm。
    3.5.2內(nèi)、外管板的加工
    在管板加工時，首先要控制四塊管板的同軸度、平行度、扭曲度及其與殼體軸線的垂直度在允許的偏差范圍內(nèi)。最好四塊管板重疊配鉆，嚴(yán)格按照制造工藝執(zhí)行。控制孔徑及粗糙度，孔內(nèi)壁不允許出現(xiàn)螺旋狀或縱向劃痕。外管板孔徑要比內(nèi)管板大0.1mm左右，這是因為內(nèi)、外管板間距較小，二者之間管子的剛度很大，很難進行局部調(diào)整。
    3.6其它零、部件的設(shè)計
    管箱封頭、筒節(jié)的厚度，殼程筒體的厚度，其它零部件的計算，接管的開孔補強都可用SW6-1998進行計算校核。
    因殼程通過的介質(zhì)是干燥氯氣，沒有氣液相的轉(zhuǎn)變，折流板的布置方式采用折流板缺口水平上下布置。
    4·制造和驗收
    因所設(shè)計的這臺換熱器屬于三類壓力容器，所以在設(shè)計圖面上對制造和驗收有相應(yīng)的明確要求：
    （1）用于制造殼程的受壓元件必須按《容規(guī)》第25條進行復(fù)驗。殼程材質(zhì)16MnR應(yīng)按JB4730.3-2005規(guī)定逐張進行超聲檢測，合格級別不低于UT-Ⅱ級。
    （2）所有焊縫要求全焊透。殼程側(cè)A、B類焊縫100%射線檢測，合格級別要求達到JB/T4730.1-2005中AB-Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。
    （3）殼側(cè)殼體（接管）組焊后應(yīng)進行整體熱處理，殼體與內(nèi)管板組焊后應(yīng)進行局部熱處理，但不能影響換熱管與內(nèi)管板的脹接質(zhì)量。右管箱組焊后須作整體熱處理，法蘭密封面在熱處理后進行精加工。
    （4）換熱管與內(nèi)管板脹接后，殼側(cè)以P=1.0MPa，按HG20584-98附錄A中B方法進行氨滲透試驗，試驗合格進行水壓試驗。
    （5）脹接檢驗合格后，進行換熱管和左右管板之間強度焊。在二管板之間的隔離腔按上述B方法進行氨滲透試驗。合格后對隔離腔再進行水壓試驗。
    （6）全部試驗合格后再進行管程水壓試驗。
    （7）設(shè)備操作運行時隔離腔充入的介質(zhì)為氮氣，其P操≤0.6MPa，T操=常溫，P設(shè)=0.7MPa，T設(shè)=50℃，P水=0.88MPa。
    5·結(jié)束語
    本文同批次設(shè)計的還有另外六臺雙管板換熱器，在設(shè)計回訪時，這些設(shè)備投產(chǎn)運行已有二年，設(shè)備運行狀態(tài)良好。該雙管板結(jié)構(gòu)通過應(yīng)用已得到確認，其選材、設(shè)計強度和結(jié)構(gòu)形式均能滿足工藝生產(chǎn)要求，說明該批次雙管板換熱器的設(shè)計是合理的。
    參考文獻
    [1]GB150-1998.鋼制壓力容器.
    [2]GB151-1999.管殼式換熱器.
    [3]HG20584-1998.鋼制化工容器制造技術(shù)要求.
    [4]JB/T 4700-2000.壓力容器法蘭.
    [5]TEMA-1999[美].
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