双管板换热器的设计

                 徐昀，程刚
                     （安徽省化工设计院，安徽合肥230009）

    摘要：通过一设计实例介绍了双管板换热器的机理、结构形式和材料选择。阐述了内、外管板间隙和管板厚度的设计计算，以及制造、验收等方面应注意的问题。
    关键词：换热器；双管板；结构；设计
    doi：10.3969/j.issn.1008-553X.2011.03.024
    中图分类号：TF066.2+1文献标识码：A文章编号：1008-553X（2011）03-0069-03
    1·前言
    换热器通常为单管板结构，是一种实现物料之间热量传递的节能设备，在石油、化工、冶金、电力、医药等行业广为应用。近年来，随着节能增效技术的发展，换热器的应用领域不断扩大，带来了显著的经济效益。随着科技的进步以及新应用领域的不断拓展，在某些装置中对换热器的性能提出更为苛刻的要求，如壳程介质和管程介质的任何混合都是不被允许的，一旦换热管与管板的连接处发生泄漏，将导致壳程介质和管程介质发生混合，可能会发生下列情况：
    （1）产生腐蚀性或有毒介质。
    （2）引发燃烧或爆炸，造成安全事故。
    （3）形成污垢，引起设备堵塞。当管、壳程两种流体相混合后，会形成如树脂状的物质或聚合物。
    （4）产生不良的化学反应。在管、壳程两种流体接触后，使预期化学反应受到抑制或不发生反应；或者发生不良反应，污染产品，使产品质量下降。为此，我们引入了双管板换热器结构的设计理念，以弥补单管板结构上的不足，从而避免壳程介质和管程介质由于换热管与管板连接接头泄漏而发生混合，杜绝危及人身安全，影响产品质量或对设备产生严重腐蚀等一系列不良后果的发生。
    2·“双管板”结构的选择
    本文所设计的这台换热器，管程通过的介质是一般的冷却水，壳程介质是干燥的氯气。如果壳程介质（干燥氯气）和管程介质（冷却水）因泄漏而相遇，将会生成HClO和HCl，所产生的H+、Cl-、ClO-不仅对管程和壳程的材质碳钢产生严重腐蚀，而且会影响壳程介质（干燥氯气）的质量。为满足工艺过程对介质的需求，我们在设计中采用了“双管板”结构。
    所谓“双管板”，是指在换热管端部有一块管板，称为外管板，也就是管程管板，兼作法兰，与换热管及管箱法兰相连接。在距换热管端部较近的位置再设一块管板，称为内侧管板，即壳程管板，与换热管及壳程相连接。外侧管板与内侧管板之间有一定的间距，这部分空间把管程和壳程隔离开，组成一个不承受介质压力的隔离腔。管、壳程每侧布置二块管板，不仅起到两道防线的作用，而且能通过设置在二块管板间隔离腔上的管口及时查出内侧管板的泄漏问题。
    3·双管板换热器的设计
    3.1设计参数
    壳体外形尺寸DN700，换热管长3000米，换热管规格φ19×2，具体参数见表1。

    3.2换热管与管板的连接形式
    换热管与管板的连接是设计过程中一个非常重要的问题，其连接形式的科学合理是保证管、壳程介质不相互泄漏的关键。换热器在操作运行中，管板与换热管连接处既要保证介质无泄漏，又能承受管、壳程侧介质的压力差、温度差所产生的载荷。为此，内管板与换热管的连接方式采用强度胀接，以确保换热管与管板的密封性能和抗拉脱强度，也避免了现场施焊困难。为保证换热管与外管板连接的密封性，也为消除换热管与管孔之间的缝隙，设计中外管板与换热管的连接方式采用强度焊加贴胀，组装时采用先焊接后贴胀的方式，主要是为了提高管头封焊质量。焊接完毕，管头要求100%着色检测。
    3.3主材的选择
    因换热器管程所通过的介质是冷却水，腐蚀性不大，管程筒体材质优选碳钢Q235B；壳程介质是干燥氯气，对碳钢也无腐蚀；但干燥氯气属于高度危害的介质，在一定的操作压力下，根据GB150-98等相关标准对压力容器受压元件的要求，壳程主材不宜选择Q235B。综合考虑管程、壳程的操作压力、介质特性以及设备的运行寿命，同时结合材料本身的机械性能、焊接性能、容器的制造工艺以及经济合理性，最后管程筒体、封头、壳程的筒体材质选用16MnR（GB 6654-1996《压力容器用钢板》）；因为胀接的要求，在设计中我们要保证管板与换热管间有一定的硬度差，一般管板比换热管硬度高HB20~HB30。鉴于此，管板选用强度等级较高的材质16MnⅢ级锻件（JB4726-2000《压力容器用钢锻件》）；换热管材质选用标准GB/T9948-2006《石油裂化用无缝钢管》中的10钢。因设备法兰与管程相连接，与冷却水接触，参照JB/T4700-2000相关规定，设备法兰材质选用16MnR。
    3.4壳程管板和管程管板间隙的确定在设计双管板换热器时，要考虑管板上的温度因素。当管板随环境温度变化时，管孔会膨胀或收缩，同时管板各自一侧的介质温度不同，每块管板的壁温也不同，因而产生不同的热膨胀。当相邻两管板温度不同时，管板径向变化也不同。在这种情况下，产生在管板上的横向剪切力和弯曲力，将影响管子与管板连接处的强度及密封性能，导致介质泄漏。如果这种温度变化是周期性或经常性的，由于金属疲劳还会使换热管损坏。为此，在两块管板之间保持适当间距是很有必要的，管板间隙让换热管产生挠曲，从而避免管板与换热管的连接处产生过大的应力而导致泄漏。由工程实践，我们根据TEMA-1999（现并入ASMEⅧ-1）相关章节给出的相邻两块管板之间间隙的计算公式：
    G=[Ed0△/0.27σs]1/2（1）
    其中△=OTL/2[α（tt-t）0-α（sT-t）0]（2）
    式中各符号含义：
    E—管子平均金属温度下的弹性模量，MPa;
    d0—穿过两管板的换热管的外径，mm；
    △—换热管的偏移量，mm；
    σs—换热管最大金属温度下的屈服强度，MPa；
    OTL—最外圈换热管的外切圆直径，mm；
    t—管程管板的温度，℃；
    T—壳程管板的温度，℃；
    t0—制造环境温度，℃；
    αt—管程管板在平均金属温度下线膨胀系数，（℃）-1；
    αs—壳程管板在平均金属温度下线膨胀系数，（℃）-1。
    由式（1）和（2）可知，对于某一换热器而言，当管子的中心距和排列方式确定后，最外圈换热管的外切圆尺寸就是一个定值，按照式（1）和（2）就能得到间隙G的值。针对该台设备相邻两块管板之间间隙进行计算，并结合设备结构要求，间隙实际取值G=120mm。
    3.5内、外管板的设计
    3.5.1内、外管板厚度的计算
    同单管板相比，双管板结构不仅要考虑管板的径向应力、管板布管区周边处径向应力和剪切应力、壳程筒体和换热管的轴向应力，以及换热管与管板连接的拉脱力，同时还应解决相邻两管板之间管束的换热管承受的弯曲应力和剪切应力。所以计算管板厚度时，考虑了管程、壳程和隔离腔三部分的工况，按不同情况进行计算：
    （1）壳程（内）管板的设计参数。设计压力和设计温度分别按壳程及隔离腔工况确定；换热管和壳程壁温按管程及壳程工况确定；管板与换热管的连接为胀接；换热管的有效长度为壳程管板间距离。
    （2）管程（外）管板的设计参数。设计压力和设计温度分别按管程和隔离腔工况确定；换热管和壳程壁温以换热管与壳程或隔离腔壳体之间最大温差为计算依据；管板与换热管的连接为焊接；换热管的有效长度为管程管板间的距离。
    （3）管板形式无论是延长部分兼作法兰或是不带法兰的固定式管板，均可按延长部分兼作法兰的力学模型进行计算，因为延长部分兼作法兰固定式管板其受力情况与不带法兰的固定式管板相比较，条件更为苛刻。
    （4）因隔离腔的长度较短，一般只有100~200mm，所以这段管束的刚度很大。校核时，出现管板周边不布管区无量纲宽度k大于1，以通过增加管板厚度的方法来降低k值，使其小于1或略大于1。
    依据上述参数，运用SW6-1998计算软件分别对内、外管板的厚度进行设计计算。实际管板的厚度取值既要满足管板的强度要求，同时也要满足结构需要。内管板的计算厚度为28mm，为保证强度胀接开槽位置位于管板中部，同时兼顾拉杆插入深度，最终取定内管板厚度δ=30mm。外管板计算厚度为44mm，从结构上也满足“管板与设备法兰的厚度差在合理的范围内”这个理念，最终确定外管板厚度为44mm。
    3.5.2内、外管板的加工
    在管板加工时，首先要控制四块管板的同轴度、平行度、扭曲度及其与壳体轴线的垂直度在允许的偏差范围内。最好四块管板重叠配钻，严格按照制造工艺执行。控制孔径及粗糙度，孔内壁不允许出现螺旋状或纵向划痕。外管板孔径要比内管板大0.1mm左右，这是因为内、外管板间距较小，二者之间管子的刚度很大，很难进行局部调整。
    3.6其它零、部件的设计
    管箱封头、筒节的厚度，壳程筒体的厚度，其它零部件的计算，接管的开孔补强都可用SW6-1998进行计算校核。
    因壳程通过的介质是干燥氯气，没有气液相的转变，折流板的布置方式采用折流板缺口水平上下布置。
    4·制造和验收
    因所设计的这台换热器属于三类压力容器，所以在设计图面上对制造和验收有相应的明确要求：
    （1）用于制造壳程的受压元件必须按《容规》第25条进行复验。壳程材质16MnR应按JB4730.3-2005规定逐张进行超声检测，合格级别不低于UT-Ⅱ级。
    （2）所有焊缝要求全焊透。壳程侧A、B类焊缝100%射线检测，合格级别要求达到JB/T4730.1-2005中AB-Ⅱ级标准。
    （3）壳侧壳体（接管）组焊后应进行整体热处理，壳体与内管板组焊后应进行局部热处理，但不能影响换热管与内管板的胀接质量。右管箱组焊后须作整体热处理，法兰密封面在热处理后进行精加工。
    （4）换热管与内管板胀接后，壳侧以P=1.0MPa，按HG20584-98附录A中B方法进行氨渗透试验，试验合格进行水压试验。
    （5）胀接检验合格后，进行换热管和左右管板之间强度焊。在二管板之间的隔离腔按上述B方法进行氨渗透试验。合格后对隔离腔再进行水压试验。
    （6）全部试验合格后再进行管程水压试验。
    （7）设备操作运行时隔离腔充入的介质为氮气，其P操≤0.6MPa，T操=常温，P设=0.7MPa，T设=50℃，P水=0.88MPa。
    5·结束语
    本文同批次设计的还有另外六台双管板换热器，在设计回访时，这些设备投产运行已有二年，设备运行状态良好。该双管板结构通过应用已得到确认，其选材、设计强度和结构形式均能满足工艺生产要求，说明该批次双管板换热器的设计是合理的。
    参考文献
    [1]GB150-1998.钢制压力容器.
    [2]GB151-1999.管壳式换热器.
    [3]HG20584-1998.钢制化工容器制造技术要求.
    [4]JB/T 4700-2000.压力容器法兰.
    [5]TEMA-1999[美].
    [6]周济.最新化工设备设计制造与标准零部件选配及国内外设计标准规范实用全书[M].北京：北京工业大学出版社.