水水熱交換器的設(shè)計制造

劉 學(xué)，劉瑞梅，張明寶

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江.哈爾濱 150046）

1 概 述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高參數(shù)、高效率的緊湊型熱交換器也層出不窮。水水熱交換器可用于核電站中，是核電機(jī)組常規(guī)島啟動系統(tǒng)中的設(shè)備，主要用于機(jī)組啟動時，利用殼側(cè)的除鹽水預(yù)熱除氧器給水，使除氧器的除氧效果更好，降低電廠能耗，提高電廠熱效力，保證機(jī)組出力。當(dāng)機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行后，水水熱交換器即停用，待機(jī)組重新啟機(jī)時再投入使用。為確保核電機(jī)組的正常運(yùn)行，對水水熱交換器設(shè)計制造提出了更加嚴(yán)格的要求。此項設(shè)計的水水熱交換器設(shè)備具有能耗低，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積少，造價低，耗料少，且在運(yùn)行時易于控制等顯著優(yōu)點，對我國發(fā)展核電百萬機(jī)組熱交換器的自主設(shè)計提供了設(shè)計參考。

2 水水換熱器主要參數(shù)

水水換熱器主要參數(shù)，如表1所示。

表1 水水換熱器主要參數(shù)

3 總體設(shè)計

該水水熱交換器采用臥式布置，換熱管為不銹鋼U型管，采用雙流程、全焊接結(jié)構(gòu)。

3.1 設(shè)計原理

U型管式水水熱交換器是應(yīng)用十分廣泛的換熱器，但該種形式的換熱器難點就是管子與管板連接處容易泄露。為了解決普通U型管式水水熱交換器的這一缺陷：首先，換熱管與管板間采用先焊接后脹接的連接方式，脹前，應(yīng)控制管板孔與管子表面的清潔度，焊后采用滲透、氦檢漏等檢測方法，從根本上消除了換熱管與管板連接處的泄露問題；其次，普通U型管式換熱器管子與隔板、折流板孔的間隙一般較大，隔板及折流板對管子的支承作用較弱，在水的沖擊下，換熱管振幅較大。換熱管產(chǎn)生振動后，折流板及隔板與管子產(chǎn)生磨擦，使管子磨損增大，這也是管子泄露的原因之一。因此，設(shè)計時，將換熱管折流板及隔板的管孔間隙控制在0.2mm之內(nèi)，這樣可改變管子的振動頻率，降低換熱管振幅并能減少磨損。

3.2 性能計算

（1）熱平衡方程

其中：Q1—除鹽水的流量；i1— 加熱除鹽水初始焓值；i2— 加熱除鹽水的終了焓值；η—散熱系數(shù)一般取0.98；Q2—被加熱除鹽水的流量；i3—被加熱除鹽水初始焓值；i4—被加熱除鹽水的終了焓值。

（2）傳熱系數(shù)

其中：δ—管壁厚度；λ—管壁的導(dǎo)熱系數(shù)；a1— 管內(nèi)放熱系數(shù)；a2— 管外放熱系數(shù)；R1—管外側(cè)附加污垢熱阻；R2—管內(nèi)側(cè)污垢熱阻；d0—換熱管外徑；di—換熱管內(nèi)徑。

（3）管內(nèi)放熱系數(shù)

其中：w1—管內(nèi)加熱除鹽水的流速；b—無因次系數(shù)，見表2中數(shù)據(jù)；tcp—加熱除鹽水及被加熱除鹽水進(jìn)出口的平均溫度。

表2 無因次系數(shù)

（4）被加熱除鹽水側(cè)的放熱系數(shù)

其中：w2—被加熱除鹽水在管束外的流速；dr—外殼內(nèi)流通截面積的水力直徑。

（5）逆流對數(shù)平均溫差

其中：t1— 加熱除鹽水的初始溫度；t2—加熱除鹽水的終了溫度；t3— 被加熱除鹽水的初始溫度；t4—被加熱除鹽水的終了溫度。

（6）傳熱面積

其中：i1— 加熱除鹽水初始焓值；i2—加熱除鹽水終焓值。

通過上述各項公式，利用熱平衡的方法，對水水熱交換器采用的不銹鋼換熱管進(jìn)行性能計算，以確定水水熱交換器的換熱面積及布管根數(shù)。

3.3 整體設(shè)計

水水熱交換器主要由水室、管系和外殼三大部分組成。

（1）水室的設(shè)計采用了橢圓形封頭與筒身相焊的方式，構(gòu)成了水室部分的殼體，如圖1所示。由于核電水水熱交換器管側(cè)的設(shè)計壓力比較低，因此人孔蓋采用法蘭結(jié)構(gòu)，利用螺栓連接，將密封墊與人孔座密封，另外，還在人孔蓋與人孔座處設(shè)置銷軸定位，使人孔蓋開啟時旋轉(zhuǎn)，便于人孔蓋的開關(guān)與拆卸。給水入口接管、給水出口接管采取上下豎直方向布置的方式，此類結(jié)構(gòu)布置使現(xiàn)場的裝焊較簡便，而且筒體環(huán)向主要承受一次總體薄膜應(yīng)力，在筒體徑向開孔有利于改善受力狀態(tài)。在水室筒體內(nèi)，焊1個月牙形預(yù)焊件，并用1塊近似橢圓形的分流程隔板與此預(yù)焊件相焊，整個內(nèi)部包殼與管板之間，利用1塊矩形隔板相與之相焊接，構(gòu)成水室內(nèi)部包殼的框架。包殼蓋上內(nèi)部蓋板后，完成整個水室包殼的密封。為了降低水室內(nèi)部2個腔室的壓差，盡量排凈腔室內(nèi)的氣體，不至于使給水在給水入口接管處產(chǎn)生漩渦，特在分程隔板上設(shè)置了1根DN10的平衡管，使給水入口腔室內(nèi)部的氣體通過平衡管進(jìn)入給水包殼內(nèi)部，通過給水出口接管將其排出。為更好的檢測內(nèi)外壁溫差，便于將其控制在允許的范圍內(nèi)，在給水進(jìn)、出口接管分別裝有測溫、測壓元件，可準(zhǔn)確地測量給水進(jìn)出口溫升和壓力。

圖1 水室布置示意圖

（2）管系的整體結(jié)構(gòu)主要由管板、換熱管、包殼、短筒身、防振裝置等構(gòu)成。換熱管采用不銹鋼TP304，提高了管內(nèi)流速，增加換熱效率，不銹鋼管的抗沖蝕能力強(qiáng)。管板的管側(cè)面需堆焊過渡層軟鋼，便于水室內(nèi)件的焊接；管板殼側(cè)堆焊軟鋼，使之與包殼和疏水橫隔板相焊接。包殼和疏水橫隔板貫穿整個管系，構(gòu)成管系豎直方向的密封結(jié)構(gòu)。管系中心設(shè)置支撐板，焊在2塊橫隔板之間，管系內(nèi)被分割為包殼與上、下橫隔板、包殼與筒體共3個腔室。在上、下包殼中間及左、右側(cè)面分別設(shè)置支撐板，支撐板的主要作用是在管系與外殼裝配時，支撐管系，確保管系與外殼同心；管系與外殼焊接時需轉(zhuǎn)動筒體，由于支撐管系的作用，可避免管系偏心使包殼、疏水橫隔板與管板的焊縫開裂。管系中除鹽水入口、出口接管垂直布置，便于現(xiàn)場管道的焊接和裝配。管系殼側(cè)抽入的除鹽水，通過除鹽水入口接管及內(nèi)襯導(dǎo)管進(jìn)入包殼內(nèi)，加熱換熱管內(nèi)的給水。管系內(nèi)的包殼將隔板（折流板）及換熱管包裹在里面，隔板的缺口為左右布置，使除鹽水通過隔板缺口時呈蛇形流動，除鹽水與給水的逆向流動方式，提高了換熱效率。除鹽水到達(dá)上部包殼尾部后流入筒體內(nèi)部，使筒體內(nèi)部充滿除鹽水之后，進(jìn)入下側(cè)包殼內(nèi)繼續(xù)換熱，最終通過除鹽水出口接管排放到下一級。在管系尾部設(shè)置了防振裝置，避免因管內(nèi)、外介質(zhì)流動引起管束振動。防振條將每一排換熱管夾在中間，并用支管將所有防振條穿成一排，通過尾部支板將防振條與包殼上部相焊接，構(gòu)成了完整的防振結(jié)構(gòu)，減小了換熱管的振動。最外層換熱管與支管留有自由滑動空間，當(dāng)換熱管受熱膨脹時，不會因膨脹造成換熱管的損傷。

圖2 管系整體布置示意圖

（3）外殼的設(shè)計主要由長筒身、封頭、檢查孔、支座、吊耳、滑道組成。兩排滑道分別對稱焊接到長筒身兩側(cè)中心處，外殼與管系裝配時，此滑道插入管系中的上、下疏水橫隔板之間，起到支撐整個管系的作用。長筒身上設(shè)置排氣接管，用于設(shè)備運(yùn)行調(diào)試期間，排出設(shè)備內(nèi)部的氣體，使除鹽水能充滿整個殼體內(nèi)。殼體上設(shè)置1個滑動支座和1個固定支座，避免設(shè)備受熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于水水換熱器殼體內(nèi)部充滿液體，所以不需要設(shè)置任何水位測量元件。另外，在筒身上布置有起重吊耳，便于水水熱交換器的吊裝移動。

圖3 外殼示意圖

（4）水水熱交換器換熱管采用不銹鋼材質(zhì)，用作液壓試驗的潔凈水，需嚴(yán)格控制水中的氯離子含量，水壓試驗后，排凈水水熱交換器內(nèi)所有積水并作烘干處理，然后充氮密封，防止腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。所有開孔按工藝要求進(jìn)行密封。由于給水加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場停機(jī)檢修時，無法對設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，致使很難將殼側(cè)中水分從熱交換器中清除干凈。熱交換器本體在設(shè)計中考慮，現(xiàn)場安裝后要求整體向前傾斜0.3%～0.5%和機(jī)動措施，便于排凈換熱管內(nèi)部的積水，也符合美國HEI標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 設(shè)備整體示意圖

4 水水熱交換器的制造特點

4.1 管端連接及檢測

換熱管與管板的連接，采用角焊縫焊接自動熔融形成內(nèi)凹式焊接結(jié)構(gòu)，換熱管焊縫受力好，熔深大，不易泄漏，在管束入口處使除鹽水流線可達(dá)到最佳效果，有效地減小了管側(cè)的沿程阻力。換熱管采用成熟的全程液壓脹技術(shù)，脹管時利用電動脹管儀控制脹緊程度，脹后對脹管孔尺寸進(jìn)行100%檢查，對管端焊縫采用先進(jìn)的氦檢漏技術(shù)，確保管端焊接的密封性，防止泄漏。

圖5 管板與管系脹接詳圖

4.2 管板堆焊保證措施

堆焊時選用低碳鋼焊接材料，堆焊層含碳量小于0.08%，有效的改善了換熱管與管板的可焊性和焊接質(zhì)量。管板堆焊設(shè)計尺寸不小于7mm，采用帶極堆焊，堆焊兩層，考慮堆焊層的加工余量，堆焊高度應(yīng)不小于11mm。管板待堆焊面做UT＋MT檢查合格后，清理表面與堆焊交替進(jìn)行，保證每層的堆焊質(zhì)量，當(dāng)堆焊兩邊高度超過11mm，需機(jī)加工堆焊層平面并再次進(jìn)行UT＋MT檢查，合格后才能對管板進(jìn)行鉆孔。

4.3 換熱管與管板角焊縫焊接質(zhì)量保證措施

設(shè)置封閉清潔室，強(qiáng)化無風(fēng)無塵的焊接環(huán)境。管子管板焊前應(yīng)保證清潔，不得有水、油、污物等。管板在數(shù)控深孔鉆加工后，即應(yīng)放入盛有專用防腐液的容器內(nèi)浸泡，徹底清除油污，待裝配前，用軟布逐個擦試清潔管孔，清理后用防護(hù)罩密閉待用。管板和換熱管清理裝配完成后，立即進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為40～45℃，預(yù)熱溫度一直保持至脹管完成。

4.4 裝配質(zhì)量保證措施

為保證管板、隔板及整個管系裝配精度，設(shè)計了專用工裝架，有效保證管板、隔板各孔對中，避免管壁劃傷并減少了裝焊變形，穿管時，隔板位置可隨意調(diào)整對中，保證穿管的順暢與高效，也不會損傷管子。殼側(cè)筒體與短節(jié)環(huán)縫為最后的終接環(huán)縫，采用氬弧焊封底實現(xiàn)單面焊雙面成形。為保證裝配尺寸和焊接質(zhì)量，在筒體和短節(jié)的終接環(huán)縫內(nèi)壁處，采用埋弧自動焊進(jìn)行堆焊，堆焊寬度為100mm，機(jī)加工筒體內(nèi)圓以保證筒體圓度。為保證水水熱交換器整體水壓后管系內(nèi)部的充分干燥，采用專用干燥機(jī)進(jìn)行烘干，抽真空后再充氮進(jìn)行保護(hù)，防止設(shè)備內(nèi)壁的銹蝕。

5 結(jié) 語

隨著國家大力發(fā)展核電機(jī)組的契機(jī)，優(yōu)化熱交換器的設(shè)計，對實現(xiàn)所有熱交換器的國產(chǎn)化具有現(xiàn)實意義。通過對此水水熱交換器的設(shè)計及不銹鋼換熱管的傳熱計算，提升了不銹鋼換熱管設(shè)備的制造技術(shù)，更加深入了解熱交換器的性能及結(jié)構(gòu)布置形式，對今后核電站熱交換器的設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。

［1］熱機(jī)計算手冊［M］ 水利電力部西北電力設(shè)計院出版，1973.

［2］中國動力工程協(xié)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊［M］，1998.

［3］Heat Exchange Institute，Inc.Standards for Power Plant Heat Exchangers［S］，3rd Edition，2004.