美國換熱器協(xié)會《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》分析與討論

陳紅生，應(yīng)秉斌，巢孟科，李 煜

(上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233)

0 引言

美國換熱器協(xié)會(HEI)成立于1933年，是知名的換熱和真空設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)組織，目前共發(fā)布7份標(biāo)準(zhǔn)，見表 1。《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》(PPHX)［1］是其中之一，我國引進(jìn)的三門和海陽AP1000核電項(xiàng)目的一些換熱器就是采用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計的。《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》反映了當(dāng)前工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、采購要求以及制造經(jīng)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電廠換熱器重要的設(shè)計準(zhǔn)則，得到各國電力行業(yè)包括核電行業(yè)的普遍重視和應(yīng)用。最新修訂的第4版代表了換熱設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)的最新成果，文中將對其進(jìn)行簡單的介紹和對比分析。

表1 美國換熱器協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)

1 標(biāo)準(zhǔn)范圍、目的

《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》適用于核電廠中換熱管為光管和翅片管的管殼式換熱器。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了核電廠換熱器在熱工、水力和機(jī)械設(shè)計方面的要求，并強(qiáng)調(diào)在遵循本標(biāo)準(zhǔn)的同時還應(yīng)該符合相應(yīng)設(shè)計規(guī)范的要求，比如 ASME 第Ⅲ卷［2］和Ⅷ卷［3］。

核電廠管殼式換熱器介質(zhì)、運(yùn)行工況等和石化行業(yè)換熱器差別較大。首先是介質(zhì)單一，核電廠管殼式換熱器管、殼側(cè)的介質(zhì)主要是水(海水)或水蒸氣，雖然核電廠一回路冷卻劑會加入控制反應(yīng)性的5%硼酸，但這無法與石化行業(yè)復(fù)雜工質(zhì)相比。其次，核電廠有大量換熱器運(yùn)行在25 MPa，350℃以下，運(yùn)行工況復(fù)雜?！峨姀S換熱器標(biāo)準(zhǔn)》針對核電廠換熱器的上述特點(diǎn)，總結(jié)并給出了相應(yīng)的規(guī)定。

2 標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語定義

《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》給出本標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語的定義，包括清潔系數(shù)、污垢熱阻等。清潔系數(shù)、換熱器趨近溫度和設(shè)計點(diǎn)是此標(biāo)準(zhǔn)特有的概念(見表2)。清潔系數(shù)和運(yùn)行后某一時刻的污垢熱阻有關(guān)，指換熱器運(yùn)行后某一時刻總傳熱系數(shù)與換熱器完全清潔時傳熱系數(shù)的比值。換熱器趨近溫度是指熱流體出口溫度和冷流體進(jìn)口溫度差。其他定義如設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、壓力降等和 TEMA［4］，GB 151［5］相同。

表2 電廠換熱器術(shù)語定義

3 換熱器性能

《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了換熱器性能要求，并討論了和性能密切相關(guān)的諸方面。換熱器應(yīng)滿足采購方確定的設(shè)計要求，即設(shè)計要求中給出的一系列設(shè)計工況均要滿足。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采購方應(yīng)提供的設(shè)計參數(shù)，如換熱器類型、換熱量、空間限制、清潔系數(shù)、管殼側(cè)工藝參數(shù)、過載或異常工況的參數(shù)。這些參數(shù)在附錄F中以表格的形式給出，使用這些數(shù)據(jù)可以采用HTRI等設(shè)計軟件進(jìn)行熱工計算。以下對性能密切相關(guān)的幾方面進(jìn)行說明。

3.1 污垢熱阻和清潔系數(shù)

污垢熱阻和換熱器的性能密切相關(guān)。換熱器采購方有責(zé)任確定換熱器的污垢熱阻或清潔系數(shù)。正確的污垢熱阻和污垢產(chǎn)物有助于設(shè)計人員設(shè)計滿足工藝要求的換熱器，并確定合適材料以避免侵蝕、應(yīng)力腐蝕等。

《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》討論了污垢熱阻產(chǎn)生的原因以及減少污垢的措施。產(chǎn)生污垢熱阻的原因很多，核電廠換熱器常見污垢主要有5類，如表3所示。

表3 電廠換熱器常見污垢

大多數(shù)情況下，定期清洗可以顯著地減少污垢。清洗方法主要有物理清洗和化學(xué)清洗，不同的清洗方法適用于不同的場合［6］。例如，可采用清洗球、清洗刷等進(jìn)行機(jī)械方式清洗;高壓水沖洗可以沖掉松動的顆粒;熱沖擊可以使礦物沉積破裂并去除。在管側(cè)和殼側(cè)添加化學(xué)清洗劑可以加速污垢的脫落和去除。

一般提高含污垢較多的流體流速可以避免顆粒狀污垢在停滯區(qū)沉積，應(yīng)避免管側(cè)流速小于0.6 m/s，最好應(yīng)高于0.9 m/s。同樣也應(yīng)避免過低的殼側(cè)流速。

如果采購方給出的是清潔系數(shù)，換熱器運(yùn)行后某一時刻總傳熱系數(shù)應(yīng)為完全清潔狀態(tài)下的初始總傳熱系數(shù)乘以清潔系數(shù)。圖1示出污垢熱阻、清潔系數(shù)和總傳熱系數(shù)的關(guān)系［1］。換熱器剛投入運(yùn)行時的污垢最小，如果在此時進(jìn)行性能試驗(yàn)，將會得到初始總換熱系數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)換熱器性能惡化的情況，通過對比換熱系數(shù)，即可得出污垢熱阻數(shù)值。這有助于確定合適的換熱器清洗周期。

圖1 污垢熱阻和清潔系數(shù)與總傳熱系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

3.2 換熱器趨近溫度

換熱器趨近溫度是指熱流體出口溫度和冷流體進(jìn)口溫度之差。采購方通過規(guī)定設(shè)計工況來指定換熱器趨近溫度。一般隨著換熱器趨近溫度的降低，換熱器所需的換熱能力升高。所選擇的趨近溫度會影響冷熱流體溫度，也會影響核電廠的運(yùn)行成本。因此，確定趨近溫度時應(yīng)綜合考慮換熱器制造和運(yùn)行成本。

換熱器采用多程結(jié)構(gòu)時，應(yīng)避免換熱器在熱不穩(wěn)定區(qū)操作，即入口參數(shù)的微小改變不會導(dǎo)致對數(shù)平均溫差校正因數(shù)的較大波動。此處規(guī)定和TEMA T－3.2多程流動校正相同。

3.3 換熱管內(nèi)流速

流體流速的選擇，對換熱器的設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)均有重大影響。高流速可以降低結(jié)垢、減小熱阻、增大傳熱系數(shù)，進(jìn)而可以降低設(shè)備制造成本。但是，過高的流速會顯著增大壓力降和沖刷腐蝕，提高運(yùn)行成本?！峨姀S換熱器標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定設(shè)計點(diǎn)各工況下不同材質(zhì)換熱管管內(nèi)流速不應(yīng)超過表4中的流速，這些流速限制適用于鍋爐給水。

表4 最大換熱管內(nèi)流速

部分文獻(xiàn)中常用管內(nèi)流速為 0.8 ～2 m/s［7］;TEMA RCB－4.63規(guī)定管側(cè)介質(zhì)為液體時，介質(zhì)的ρV2不超過8928 kg/(m·s2)，ρ為密度(kg/m3)，V為介質(zhì)線速度(m/s)，如果介質(zhì)為水，V不超過3 m/s。上述文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)并未區(qū)分換熱管為不同材料的情況，《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》區(qū)分不同材料給出允許最大管內(nèi)流速對設(shè)計有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。一般而言，隨著殼側(cè)或管側(cè)速度的增加，換熱面積和污垢沉積的可能性將減小。

3.4 壓力降

《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》指出殼程和管程的允許壓降應(yīng)由采購方確定。允許壓降較高，設(shè)計者可以采用較小的折流板間距。這不但可以減小換熱管無支撐長度降低換熱管振動的可能性，還可提高殼側(cè)流速和換熱系數(shù)。

管程壓力損失有換熱管內(nèi)損失、管箱接管進(jìn)口、出口損失和換熱管入口、出口及回彎處損失組成?！峨姀S換熱器標(biāo)準(zhǔn)》給出的管側(cè)壓力損失計算方法適用于光管、雷諾數(shù)≥3000且無相變的情況。

對于更詳細(xì)的殼程、管程壓力降的計算方法在很多換熱器設(shè)計的文獻(xiàn)中均有闡述［7－8］。

3.5 接管尺寸和流通面積

標(biāo)準(zhǔn)推薦接管尺寸的選取應(yīng)能保證設(shè)計工況下不要超過表5所列的數(shù)值。進(jìn)入接管的流體應(yīng)是均勻分布的，避免管道上游節(jié)流器、彎頭、閥門等引起的局部高流速區(qū)損傷換熱器內(nèi)件。

《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》未具體規(guī)定設(shè)置防沖擋板的條件，只是說明這取決于換熱器設(shè)計、介質(zhì)進(jìn)口速度以及介質(zhì)特性，并強(qiáng)調(diào)腐蝕性介質(zhì)必須設(shè)定防沖擋板。

殼程和管束進(jìn)出口的流通面積應(yīng)不小于接管截面積?！峨姀S換熱器標(biāo)準(zhǔn)》流通面積的計算和TEMA，GB 151雖然表述不同，實(shí)質(zhì)上沒有區(qū)別。

表5 接管尺寸標(biāo)準(zhǔn)

4 換熱器材料

換熱器承壓件和支撐的材料應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范書中指定的規(guī)范要求。采購方有責(zé)任根據(jù)使用環(huán)境確定適當(dāng)?shù)牟牧希共牧夏艹惺芤?guī)定的輻射劑量、避免沖刷腐蝕以及應(yīng)力腐蝕等情況。

還應(yīng)特別注意，ASME第Ⅷ卷［3］允許的有些材料，在 ASME第Ⅲ卷［2］中并不允許采用。ASME第Ⅲ卷ND中允許的材料在NC，NB中不允許使用。而且，不同規(guī)范所需的試驗(yàn)和檢查也不同，例如考核材料沖擊韌性的沖擊試驗(yàn)等。奧氏體不銹鋼材料廣泛應(yīng)用于核電廠中，應(yīng)特別注意避免奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕，一般不允許采用可導(dǎo)致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的鹵化物。

5 機(jī)械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

對于換熱器機(jī)械設(shè)計，《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》首先強(qiáng)調(diào)換熱器的設(shè)計、制造應(yīng)符合采購方指定規(guī)范的要求，并對腐蝕裕量、換熱管、管板、管束等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。

5.1 腐蝕裕量

采購方應(yīng)指定腐蝕裕量，所有與腐蝕性介質(zhì)接觸的承壓零件應(yīng)考慮腐蝕裕量。3個標(biāo)準(zhǔn)對于腐蝕余量的規(guī)定對比如表6所示。

表6 腐蝕裕量

對于腐蝕余量，設(shè)計人員首先應(yīng)按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。并應(yīng)注意，由于固定管板換熱器的管板、殼體、管束三者固定相連，任一者尺寸的改變會影響到其余二件的應(yīng)力。ASME第Ⅷ卷規(guī)定對各元件要按已腐蝕和未腐蝕兩種情況進(jìn)行計算，GB 151對此的規(guī)定則是含糊的［9］。因此，標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定的情況，可以由設(shè)計人員從偏保守的角度考慮確定。

5.2 換熱管

換熱管壽命受介質(zhì)、操作溫度、介質(zhì)流速等因素的影響，設(shè)計中應(yīng)予以考慮。換熱管最小壁厚與換熱管外徑、材料、設(shè)計參數(shù)有關(guān)，3個標(biāo)準(zhǔn)的對比情況如表7，8所示。

5.3 管板

《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》并未給出管板的計算方法，但指出管板是換熱器設(shè)計中最復(fù)雜的部件，受到管殼側(cè)壓力、法蘭螺栓載荷、墊片載荷、溫差應(yīng)力等載荷的影響?！峨姀S換熱器標(biāo)準(zhǔn)》對管孔直徑、孔橋?qū)挾鹊囊?guī)定直接采用TEMA的規(guī)定，所以和GB 151差別也不大。

表7 換熱管厚度

表8 換熱管中心距

當(dāng)可拆卸的管束采用法蘭/管板/法蘭的固定型式時，推薦采用管側(cè)、殼側(cè)能夠單獨(dú)拆卸的結(jié)構(gòu)，管、殼側(cè)可以互不影響。這種結(jié)構(gòu)允許對管、殼側(cè)分別進(jìn)行檢修。如管、殼側(cè)壓力差別較大，允許管側(cè)和殼側(cè)采用不同厚度的法蘭，節(jié)省設(shè)備成本，而且有利于提高密封性能。此種結(jié)構(gòu)在秦山核電廠等項(xiàng)目中均有應(yīng)用。

如碳鋼管板與換熱管的連接僅采用脹接連接，其管板金屬溫度應(yīng)符合表9的要求，超出表9溫度范圍的接頭應(yīng)采用焊接連接方式。

表9 碳鋼管板換熱管脹接接頭的最大推薦溫度

5.4 折流板和支撐板

《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》對折流板和支撐板的管孔直徑、厚度、最大無支撐跨距的要求都嚴(yán)于TEMA和GB 151。

5.5 管束振動分析

管殼式換熱器當(dāng)殼程流體橫向流過管束時，流體誘發(fā)振動主要有卡門漩渦、紊流抖動、流體彈性不穩(wěn)定。

《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》對此處理得比較簡單，僅考慮了流體彈性不穩(wěn)定。當(dāng)管束實(shí)際橫流速度小于管束臨界橫流速度時，管束不會發(fā)生流體誘導(dǎo)振動。管束換熱管中存在軸向應(yīng)力時，對固有頻率進(jìn)行修正。

TEMA和GB 151對此管束振動分析更加全面，除流體彈性不穩(wěn)定外，還考慮了卡門漩渦、紊流抖動等引起的振動。分析計算的方法、公式等也更為全面。同時必須指出，國內(nèi)學(xué)者深入研究了TEMA標(biāo)準(zhǔn)流體誘導(dǎo)振動分析中多跨直管管子固有頻率、U形管固有頻率、對數(shù)衰減率等方面，并指出需要注意的問題［10－11］。文獻(xiàn)［12］詳細(xì)說明了GB 151非等跨直管固有頻率的計算，并給出簡便計算方法。

6 其他內(nèi)容

除上述內(nèi)容外，《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》還規(guī)定了超壓保護(hù)、現(xiàn)場安裝、檢查維護(hù)等方面。標(biāo)準(zhǔn)的14項(xiàng)附錄包含傳熱計算、外形尺寸允差等內(nèi)容，在設(shè)計制造過程中具有較大的參考意義。

7 結(jié)語

(1)美國換熱器協(xié)會發(fā)布的《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》反映了當(dāng)前工程設(shè)計、采購要求以及制造經(jīng)驗(yàn)，并規(guī)定電廠換熱器重要的設(shè)計準(zhǔn)則，得到各國電力行業(yè)的普遍重視和應(yīng)用;

(2)該標(biāo)準(zhǔn)可以看作是電廠換熱器的設(shè)計規(guī)范書，包含了性能、材料、設(shè)計、制造等方面要求，使用范圍僅限電廠管殼式換熱器;

(3)《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》部分規(guī)定對換熱器設(shè)計有很大參考意義，如最大換熱管內(nèi)流速、材料選擇、脹接接頭最大允許溫度等?！峨姀S換熱器標(biāo)準(zhǔn)》可以作為TEMA，GB 151通用換熱器設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)的完善和補(bǔ)充;

(4)該標(biāo)準(zhǔn)在流體誘導(dǎo)振動分析、強(qiáng)度計算方面不夠深入，還需參考其他標(biāo)準(zhǔn)。

［1］Standards for Power Plant Heat Exchangers［S］.4th Edition，2004.

［2］ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范，第Ⅲ卷 核設(shè)施部件建造規(guī)則［S］.2004.

［3］ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范，第Ⅷ卷第1冊，壓力容器建造規(guī)則［S］.2004.

［4］Standards of TEMA［S］.9th Edition，2007.

［5］GB 151—1999，管殼式換熱器［S］.

［6］Wayne W.Frenier，et al，Choose the Best Heat Exchanger Cleaning Method［J］.Chemical Engineering Progress，1998，(7):37 －44.

［7］董其伍，張垚，等.換熱器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［8］秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設(shè)備設(shè)計全書——換熱器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［9］丁伯民.對我國壓力容器和換熱器標(biāo)準(zhǔn)的一些想法［J］.壓力容器，2009，26(11):50 －53.

［10］聶清德，段振亞，譚蔚，等.關(guān)于TEMA標(biāo)準(zhǔn)《流體誘發(fā)振動》若干問題的討論(一)［J］.壓力容器，2004，21(11):1 －4.

［11］聶清德，段振亞，譚蔚，等.關(guān)于TEMA標(biāo)準(zhǔn)《流體誘發(fā)振動》若干問題的討論(二)［J］.壓力容器，2004，21(12):1 －5.

［12］段振亞，譚蔚，聶清德.按GB 151—1999計算多跨管的固有頻率［J］.壓力容器，2003，20(2):17－19.