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

    摘要：通過一設計實例介紹了雙管板換熱器的機理、結構形式和材料選擇。闡述了內、外管板間隙和管板厚度的設計計算，以及制造、驗收等方面應注意的問題。
    關鍵詞：換熱器；雙管板；結構；設計
    doi：10.3969/j.issn.1008-553X.2011.03.024
    中圖分類號：TF066.2+1文獻標識碼：A文章編號：1008-553X（2011）03-0069-03
    1·前言
    換熱器通常為單管板結構，是一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，在石油、化工、冶金、電力、醫藥等行業廣為應用。近年來，隨著節能增效技術的發展，換熱器的應用領域不斷擴大，帶來了顯著的經濟效益。隨著科技的進步以及新應用領域的不斷拓展，在某些裝置中對換熱器的性能提出更為苛刻的要求，如殼程介質和管程介質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生泄漏，將導致殼程介質和管程介質發生混合，可能會發生下列情況：
    （1）產生腐蝕性或有毒介質。
    （2）引發燃燒或爆炸，造成安全事故。
    （3）形成污垢，引起設備堵塞。當管、殼程兩種流體相混合后，會形成如樹脂狀的物質或聚合物。
    （4）產生不良的化學反應。在管、殼程兩種流體接觸后，使預期化學反應受到抑制或不發生反應；或者發生不良反應，污染產品，使產品質量下降。為此，我們引入了雙管板換熱器結構的設計理念，以彌補單管板結構上的不足，從而避免殼程介質和管程介質由于換熱管與管板連接接頭泄漏而發生混合，杜絕危及人身安全，影響產品質量或對設備產生嚴重腐蝕等一系列不良后果的發生。
    2·“雙管板”結構的選擇
    本文所設計的這臺換熱器，管程通過的介質是一般的冷卻水，殼程介質是干燥的氯氣。如果殼程介質（干燥氯氣）和管程介質（冷卻水）因泄漏而相遇，將會生成HClO和HCl，所產生的H+、Cl-、ClO-不僅對管程和殼程的材質碳鋼產生嚴重腐蝕，而且會影響殼程介質（干燥氯氣）的質量。為滿足工藝過程對介質的需求，我們在設計中采用了“雙管板”結構。
    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一塊管板，稱為內側管板，即殼程管板，與換熱管及殼程相連接。外側管板與內側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壓力的隔離腔。管、殼程每側布置二塊管板，不僅起到兩道防線的作用，而且能通過設置在二塊管板間隔離腔上的管口及時查出內側管板的泄漏問題。
    3·雙管板換熱器的設計
    3.1設計參數
    殼體外形尺寸DN700，換熱管長3000米，換熱管規格φ19×2，具體參數見表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計過程中一個非常重要的問題，其連接形式的科學合理是保證管、殼程介質不相互泄漏的關鍵。換熱器在操作運行中，管板與換熱管連接處既要保證介質無泄漏，又能承受管、殼程側介質的壓力差、溫度差所產生的載荷。為此，內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是冷卻水，腐蝕性不大，管程筒體材質優選碳鋼Q235B；殼程介質是干燥氯氣，對碳鋼也無腐蝕；但干燥氯氣屬于高度危害的介質，在一定的操作壓力下，根據GB150-98等相關標準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、介質特性以及設備的運行壽命，同時結合材料本身的機械性能、焊接性能、容器的制造工藝以及經濟合理性，最后管程筒體、封頭、殼程的筒體材質選用16MnR（GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》）；因為脹接的要求，在設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16MnⅢ級鍛件（JB4726-2000《壓力容器用鋼鍛件》）；換熱管材質選用標準GB/T9948-2006《石油裂化用無縫鋼管》中的10鋼。因設備法蘭與管程相連接，與冷卻水接觸，參照JB/T4700-2000相關規定，設備法蘭材質選用16MnR。
    3.4殼程管板和管程管板間隙的確定在設計雙管板換熱器時，要考慮管板上的溫度因素。當管板隨環境溫度變化時，管孔會膨脹或收縮，同時管板各自一側的介質溫度不同，每塊管板的壁溫也不同，因而產生不同的熱膨脹。當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，導致介質泄漏。如果這種溫度變化是周期性或經常性的，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間距是很有必要的，管板間隙讓換熱管產生撓曲，從而避免管板與換熱管的連接處產生過大的應力而導致泄漏。由工程實踐，我們根據TEMA-1999（現并入ASMEⅧ-1）相關章節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—制造環境溫度，℃；
    αt—管程管板在平均金屬溫度下線膨脹系數，（℃）-1；
    αs—殼程管板在平均金屬溫度下線膨脹系數，（℃）-1。
    由式（1）和（2）可知，對于某一換熱器而言，當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。針對該臺設備相鄰兩塊管板之間間隙進行計算，并結合設備結構要求，間隙實際取值G=120mm。
    3.5內、外管板的設計
    3.5.1內、外管板厚度的計算
    同單管板相比，雙管板結構不僅要考慮管板的徑向應力、管板布管區周邊處徑向應力和剪切應力、殼程筒體和換熱管的軸向應力，以及換熱管與管板連接的拉脫力，同時還應解決相鄰兩管板之間管束的換熱管承受的彎曲應力和剪切應力。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）管板的設計參數。設計壓力和設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）管板的設計參數。設計壓力和設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；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，出現管板周邊不布管區無量綱寬度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。
    依據上述參數，運用SW6-1998計算軟件分別對內、外管板的厚度進行設計計算。實際管板的厚度取值既要滿足管板的強度要求，同時也要滿足結構需要。內管板的計算厚度為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，最終取定內管板厚度δ=30mm。外管板計算厚度為44mm，從結構上也滿足“管板與設備法蘭的厚度差在合理的范圍內”這個理念，最終確定外管板厚度為44mm。
    3.5.2內、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。最好四塊管板重疊配鉆，嚴格按照制造工藝執行。控制孔徑及粗糙度，孔內壁不允許出現螺旋狀或縱向劃痕。外管板孔徑要比內管板大0.1mm左右，這是因為內、外管板間距較小，二者之間管子的剛度很大，很難進行局部調整。
    3.6其它零、部件的設計
    管箱封頭、筒節的厚度，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。
    因殼程通過的介質是干燥氯氣，沒有氣液相的轉變，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
    因所設計的這臺換熱器屬于三類壓力容器，所以在設計圖面上對制造和驗收有相應的明確要求：
    （1）用于制造殼程的受壓元件必須按《容規》第25條進行復驗。殼程材質16MnR應按JB4730.3-2005規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級標準。
    （3）殼側殼體（接管）組焊后應進行整體熱處理，殼體與內管板組焊后應進行局部熱處理，但不能影響換熱管與內管板的脹接質量。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）換熱管與內管板脹接后，殼側以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）設備操作運行時隔離腔充入的介質為氮氣，其P操≤0.6MPa，T操=常溫，P設=0.7MPa，T設=50℃，P水=0.88MPa。
    5·結束語
    本文同批次設計的還有另外六臺雙管板換熱器，在設計回訪時，這些設備投產運行已有二年，設備運行狀態良好。該雙管板結構通過應用已得到確認，其選材、設計強度和結構形式均能滿足工藝生產要求，說明該批次雙管板換熱器的設計是合理的。
    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要求.
    [4]JB/T 4700-2000.壓力容器法蘭.
    [5]TEMA-1999[美].
    [6]周濟.最新化工設備設計制造與標準零部件選配及國內外設計標準規范實用全書[M].北京：北京工業大學出版社.