雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孟憲斌宋四兵 梁淑幗

（南京德邦金屬裝備工程股份有限公司)

雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孟憲斌*宋四兵 梁淑幗

（南京德邦金屬裝備工程股份有限公司)

雙管板換熱器為管殼式換熱器的一種特殊結(jié)構(gòu)。對(duì)一臺(tái)固定雙管板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行了闡述，其中包括選材、布管、管板的結(jié)構(gòu)和間距、脹管和開槽尺寸等方面的設(shè)計(jì)和計(jì)算。

管殼式換熱器固定管板雙管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度脹接布管強(qiáng)度計(jì)算

0 前言

雙管板換熱器為管殼式換熱器的一種特殊結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于換熱器管程和殼程介質(zhì)嚴(yán)禁混合的場(chǎng)合。雙管板換熱器的管板有普通型雙管板和整塊式雙管板兩種型式。整塊式管板加工難度大、成本高，而且在防止管殼程介質(zhì)串流方面也不如普通型雙管板，所以在實(shí)際應(yīng)用中普通型雙管板較為普遍。

隨著新型化工產(chǎn)品的研究開發(fā)，雙管板換熱器的用量逐年增加。由于雙管板換熱器的特殊結(jié)構(gòu)要求，其在設(shè)計(jì)和制造過程中各細(xì)節(jié)必須充分考慮，這樣產(chǎn)品質(zhì)量才能保證。現(xiàn)以某公司多晶硅項(xiàng)目上的一臺(tái)固定雙管板式換熱器為例，對(duì)雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行闡述。

1 換熱器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)

該換熱器為固定雙管板換熱器，有4塊管板。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)

兩塊管程管板的延長(zhǎng)部分兼作法蘭，與管箱法蘭采用螺柱、墊片連接結(jié)構(gòu)并連同管箱、換熱管組成管程，管板與換熱管之間采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接方式，適宜較苛刻的介質(zhì)。殼程管板不帶法蘭，與殼體采用焊接連接結(jié)構(gòu)組成殼程，管板與換熱管之間采用強(qiáng)度脹接。管、殼程管板之間又分別組成兩腔積液程，整個(gè)換熱器形成含管程、殼程和左右積液程的特殊的四腔結(jié)構(gòu)。

換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

2 合理選材

壓力容器設(shè)計(jì)的首要問題就是選材。根據(jù)用戶提供的要求，充分考慮到介質(zhì)特性（主要是腐蝕性）、操作溫度、操作壓力等使用工況并結(jié)合材料的相容性及制造加工的工藝性，確定殼程殼體、管程短節(jié)及封頭均選用0Cr17Ni12Mo2，管板選用0Cr17Ni12Mo2鍛件。管程側(cè)管板與換熱管間的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹，因此管程的管板鍛件級(jí)別選定Ⅱ級(jí)。殼程側(cè)管板與換熱管間的連接為強(qiáng)度脹接，對(duì)管板的制造加工質(zhì)量要求較高，因此殼程的管板鍛件級(jí)別選定Ⅲ級(jí)?？紤]到雙管板換熱器的脹接要求，管板材料的硬度值應(yīng)高于換熱管材料的硬度值20～30 HBW。理論上不銹鋼換熱管與不銹鋼管板的硬度值所差無幾，但根據(jù)不銹鋼換熱器制造過程中的實(shí)際硬度值測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，通過合理選材和合理確定訂貨要求，換熱管與管板的硬度差要求是能夠?qū)崿F(xiàn)的。在實(shí)際設(shè)計(jì)制造過程中，也可以通過嚴(yán)格控制管板管孔與換熱管的徑向間隙，采用“特殊緊配合”以彌補(bǔ)換熱管與管板材料無硬度差的欠缺。換熱管的材質(zhì)選用00Cr17Ni14Mo2固溶狀態(tài)，材料標(biāo)準(zhǔn)為GB 13296—2007，并需在技術(shù)要求中增加換熱管材料的HBW硬度試驗(yàn)要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 合理布管

用戶給定布管間距為23.75 mm，排列方式為轉(zhuǎn)角正三角形，理論孔橋?qū)挾葍H為4.75 mm，脹接難度較大。根據(jù)我公司制造加工能力和雙管板換熱器的制造經(jīng)驗(yàn)，管板與換熱管的脹接采用液袋柔性脹接。其脹接原理是通過不斷升高的液體壓力使換熱管向外擴(kuò)張，換熱管在液體壓力作用下產(chǎn)生彈性變形，然后產(chǎn)生塑性變形而被擠壓到管板孔壁上。隨著壓力的不斷增加，在換熱管與管板之間的接觸壓力作用下，管板首先產(chǎn)生彈性變形，然后產(chǎn)生塑性變形。如果管板孔橋?qū)挾冗^小，相鄰換熱管接頭脹管的塑性區(qū)域相互之間就會(huì)發(fā)生干涉而使接頭松動(dòng)，降低換熱管接頭的脹接性能。所以在換熱器工藝計(jì)算滿足的情況下，考慮到脹接原理，應(yīng)確定合理的布管間距，以達(dá)到最佳的脹接效果。最后還要重新進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，換熱管布管間距調(diào)整為25 mm，管板孔橋理論寬度為6 mm，同時(shí)保證換熱面積不變。

3.2 殼程管板和管程管板的間距

確定兩管板間的距離主要應(yīng)考慮以下幾方面問題：（1）固定雙管板換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)管程管板與殼程管板的間距選取要適當(dāng)，避免由于兩塊管板使用溫度不同產(chǎn)生位移，管板與換熱管的連接處產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力而引起介質(zhì)泄漏。（2）由于兩塊管板間的管束不能用于傳熱，過大的間距會(huì)浪費(fèi)管子的表面積。（3）兩管板的間距需兼顧液壓脹管器的脹桿長(zhǎng)度。（4）兩塊管板間距離要適中，應(yīng)具有在管殼程壓力試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)時(shí)用于觀察檢漏的最小空間。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，兩塊管板間的間距G可由下式計(jì)算：

式中d0——換熱管外徑，mm；

E——換熱管彈性模量，MPa；

Rel——換熱管的屈服極限，MPa；

Δ——換熱管的偏移，mm。

式中Dt——最外圈換熱管的外切圓直徑，mm；

t——管程管板溫度，℃；

T——?dú)こ坦馨鍦囟?，℃?/p>

αt——管程管板材料的線膨脹系數(shù)，℃-1；

αs——?dú)こ坦馨宀牧系木€膨脹系數(shù)，℃-1；

t0——制造環(huán)境溫度，℃。

根據(jù)該換熱器的設(shè)計(jì)條件，查得換熱管、管板材料在設(shè)計(jì)條件下的物理性能和力學(xué)性能的相關(guān)數(shù)據(jù)，按上述公式進(jìn)行計(jì)算所得殼程管板和管程管板的間距G為93.8 mm，因此最后確定殼程管板與管程管板的間距為100 mm。

3.3 確定殼程管板和管程管板間的結(jié)構(gòu)

雙管板間的結(jié)構(gòu)有連接式結(jié)構(gòu)和分離式結(jié)構(gòu)兩種形式。如果管程、殼程內(nèi)的介質(zhì)一旦泄漏可直接排放，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成危害，那么雙管板可相互獨(dú)立，不需要封閉；反之，雙管板之間需采用短節(jié)或膨脹節(jié)進(jìn)行連接。由于該換熱器管、殼程所走介質(zhì)均為中度危害、易燃易爆介質(zhì)，一旦泄漏就需要進(jìn)行收集并統(tǒng)一排放至安全處，所以該換熱器的積液程設(shè)計(jì)為封閉結(jié)構(gòu)。正常操作時(shí)積液程屬常溫常壓工況，因此聚液殼設(shè)計(jì)選用內(nèi)徑為殼程管板外徑、厚度為5 mm的哈夫短節(jié)結(jié)構(gòu)，并在管程管板上方開設(shè)NPT 1/4管螺紋的排氣孔，聚液殼下方開設(shè)DN20 mm的排液孔。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

雙管板換熱器的管箱殼體、封頭、殼程殼體、管箱法蘭及開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與普通固定管板式換熱器相同，關(guān)鍵是管程管板和殼程管板的強(qiáng)度計(jì)算。

4.1 管程管板的強(qiáng)度計(jì)算

不考慮兩端殼程管板的支撐作用，將兩端積液程與殼程合并作為殼程，設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、殼程壁溫按殼程選取，管程按正常管箱設(shè)計(jì)條件確定，換熱管的有效長(zhǎng)度按兩塊管程管板之間的距離計(jì)算。根據(jù)殼程和管程的不同設(shè)計(jì)工況，分別計(jì)算不同工況下的管程管板厚度并取最大值為45 mm。

將積液程作為殼程，設(shè)計(jì)條件按常溫常壓工況，確定設(shè)計(jì)溫度50℃，設(shè)計(jì)壓力0.001 MPa，殼程金屬壁溫按殼程選取，管程按正常管箱設(shè)計(jì)條件確定。根據(jù)管程1.0 MPa和-0.1 MPa兩種設(shè)計(jì)壓力以及積液程的工況，分別計(jì)算管程管板厚度并取最大值為41 mm。

根據(jù)上述兩種計(jì)算結(jié)果，最終確定管程管板設(shè)計(jì)厚度為45 mm。

4.2 殼程管板的強(qiáng)度計(jì)算

雖然殼程管板與殼體間的連接方式為焊接連接，但考慮到固定管板延長(zhǎng)部分兼作法蘭時(shí)的受力工況更為苛刻，所以殼程管板按兼作法蘭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

將兩塊殼程管板之間區(qū)域作為殼程，設(shè)計(jì)條件按殼程設(shè)計(jì)條件??；將積液程與管箱合并作為管程，設(shè)計(jì)條件按管程設(shè)計(jì)條件取。按管程、殼程不同的設(shè)計(jì)工況分別計(jì)算管板厚度，取最大值為45 mm。

將兩塊殼程管板之間區(qū)域作為殼程，設(shè)計(jì)條件按殼程設(shè)計(jì)條件??；將積液程作為管程，設(shè)計(jì)條件按常溫常壓工況取，確定設(shè)計(jì)溫度50℃，設(shè)計(jì)壓力0.001 MPa，換熱管金屬壁溫按管程選取。根據(jù)殼程1.0 MPa和-0.1 MPa兩種設(shè)計(jì)壓力以及積液程的工況，分別計(jì)算管板厚度并取最大值為41 mm。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，考慮到殼程管板與換熱管為強(qiáng)度脹接結(jié)構(gòu)，并綜合考慮加工制造工藝，最終確定殼程管板設(shè)計(jì)厚度為50 mm。

5 確定殼程管板管孔脹接開槽尺寸

殼程管板與換熱管的脹接接頭既要承受拉脫力又要保證密封性。脹接質(zhì)量的高低決定了雙管板結(jié)構(gòu)換熱器的整體質(zhì)量,因?yàn)榇颂幟浗咏宇^一旦發(fā)生泄漏將無法彌補(bǔ)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括確定管板合理的開槽深度和開槽尺寸鏈，使換熱管與管板之間具有足夠的殘余接觸應(yīng)力，從而保證脹接的強(qiáng)度。

按GB 151管板強(qiáng)度脹接的開槽結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。這是考慮到較薄的管板開兩個(gè)槽而確定的，當(dāng)管板厚度允許時(shí)，這個(gè)尺寸是可以改變的。槽寬3 mm適用于機(jī)械脹接，當(dāng)采用液壓脹接時(shí)必須加寬槽的寬度。

根據(jù)“壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”第105條推薦：

式中d——換熱管直徑，mm；

t——換熱管壁厚,mm。

該換熱器換熱管規(guī)格為?19 mm×2.11 mm，計(jì)算脹接槽寬為7～8.2 mm。強(qiáng)度脹接長(zhǎng)度取管板厚度減3 mm與50 mm兩者之中的較小值，故取47 mm。管板開槽的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，開槽深度為0.5 mm。

圖2 GB 151的管板開槽結(jié)構(gòu)

圖3 換熱器管板開槽結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語

該臺(tái)設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造難點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。在制造過程中，對(duì)管板的加工質(zhì)量和換熱管的采購質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，通過計(jì)算和模擬試樣脹接試驗(yàn)確定了液壓脹接的最佳脹接參數(shù)，從而使得殼程管板與換熱管強(qiáng)度脹接完成后一次打壓合格，并在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下縮短了制造周期，減輕了工作強(qiáng)度。

[1] GB 151—1999.管殼式換熱器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[2] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，1999.

[3] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社，2005.

[4] 全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.壓力容器設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)[M].昆明：云南科技出版社，2006.

[5] T Kuppan.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].錢頌文，廖景娛，鄧先和，等譯.北京：中國(guó)石化出版社，2003.

[6] 秦叔經(jīng)，葉文邦.換熱器（化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

Structure Design of Double Tube Sheet Heat Exchanger

Meng Xianbin Song Sibing Liang Shuguo

Double tube sheet heat exchanger is a special construction of the tubular heat exchanger.The paper describes the structure design and strength calculation of a fixed double tube sheet heat exchanger,including design and calculation of material selection,tubes distribution,tube plate structure and spacing,tube expansion and slot size.

Tubular heat exchanger;Fixed tube sheet;Double tube sheet;Structure design;Strength expansion;Tube arrangement;Strength calculation

TQ 051.5

*孟憲斌，男，1960年生，工程師。南京市，211153。

2012-06-26）