雙管板換熱器的改進(jìn)探討

馮淼

【摘要】本文主要對(duì)雙管板式換熱器管束在使用過(guò)程中發(fā)生泄漏和在操作的問(wèn)題，在強(qiáng)度校核合格的基礎(chǔ)上，對(duì)管板的材料、管子和管板的連接結(jié)構(gòu)以及制造工藝進(jìn)行了分析，對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】雙管板；熱換器；改進(jìn)

換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一，采用了雙管板結(jié)構(gòu)主要是為了避免殼程冷卻水因管板泄漏進(jìn)入管程的混合氣，保證混合氣的干燥潔凈。通常換熱器經(jīng)強(qiáng)度校核通過(guò)后，應(yīng)當(dāng)對(duì)換熱器管束的選材、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析。

1.雙管板換熱器及其應(yīng)用簡(jiǎn)介

雙管板換熱器是在換熱器一端設(shè)有一定間隙的兩塊管板或相當(dāng)于有一定間隙的兩塊管板的換熱器，在實(shí)際操作中，雙管板換熱器一般用于以下兩種場(chǎng)合：一種是絕對(duì)防止管殼程間介質(zhì)混串的場(chǎng)合，例如，對(duì)殼程走水、管程走氯氣或氯化物的換熱器，若殼程中的水與管程中的氯氣或氯化物接觸，就會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)腐蝕性的鹽酸或次氯酸，并對(duì)管程材質(zhì)造成嚴(yán)重的腐蝕。采用雙管板結(jié)構(gòu)，能有效防止兩種物料混合，從而杜絕上述事故的發(fā)生；另一種是管殼程間介質(zhì)壓差很大的場(chǎng)合，此時(shí)通常在內(nèi)外管板之間的空腔中加入一種介質(zhì)，以減小管殼程間介質(zhì)的壓差。

2.技術(shù)指標(biāo)

蒸汽發(fā)生器選用的是雙管板U型管式換熱器。該放空氣冷卻器的設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表 1。

項(xiàng)目 殼程 管程

最高工作壓力（MPa） 0.35 0.7

設(shè)計(jì)壓力（MPa） 0.7 0.9

設(shè)計(jì)溫度 200 200

操作介質(zhì) 冷卻水 放空氣

表 1 放空氣冷卻器的設(shè)計(jì)條件

放空氣冷卻器選用的是雙管板固定管板型換熱器，其型號(hào)為BEM900-1.0/0.8-165-4/19-2Ⅱ。原放空氣冷卻器采用雙管板結(jié)構(gòu)，管程側(cè)管板（外管板）材質(zhì)為16MnⅡ鍛件，厚度為 50 mm；殼程側(cè)管板（內(nèi)管板）材質(zhì)為16MnⅡ鍛件，厚度為40 mm。換熱管材料為 20 號(hào)鋼無(wú)縫鋼管，換熱管標(biāo)準(zhǔn)為 GB9948—2006 《石油裂化用無(wú)縫鋼管》，規(guī)格 Φ19mm×2 mm。換熱管與管、殼程管板的連接方式均為強(qiáng)度脹接，兩管板間距 30 mm，間隙由間隙控制環(huán) （哈夫短節(jié)） 控制。管板與換熱管的連接一般有 4 種方式：強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊+貼脹、強(qiáng)度脹+密封焊，原設(shè)備的內(nèi)外管板與換熱管的連接均采用強(qiáng)度脹接的方法。

3.熱換器管端失效原因分析及改進(jìn)措施

3.1原因。因脹接強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生的管端泄漏和制造過(guò)程中因強(qiáng)力組裝而對(duì)管孔和換熱管造成損傷而引起的泄漏是造成換熱器管端泄露的主要原因。

3.2改進(jìn)措施。對(duì)于雙管板換熱器，如果內(nèi)管板發(fā)生泄露，很難判斷泄露是由哪個(gè)管孔所引起。在水壓試驗(yàn)過(guò)程中如果發(fā)生泄露，補(bǔ)脹的工作量將會(huì)非常大。因此，在原設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等方面采取了一系列改進(jìn)措施來(lái)保證制造質(zhì)量，確保一次試壓合格。具體改進(jìn)及措施如下：

3.2.1殼程側(cè)管板的厚度由 40 mm 增加到 50 mm。如圖 1 所示，管板厚度為 40 mm 時(shí)，脹接長(zhǎng)度為 34mm，有關(guān)資料顯示，換熱管脹管長(zhǎng)度在 50 mm 以下時(shí)，脹接長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其脹接緊固力也越大。殼程側(cè)管板材料為 35 號(hào)鋼Ⅱ級(jí)鍛件厚度為 40 mm，雖滿足了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度要求，但是由于換熱管在脹接過(guò)程中發(fā)生拉伸變形，迫使管板發(fā)生外凸，管板越薄變形越大，從而影響管板與法蘭之間的密封，因此可對(duì)管板適當(dāng)加厚。對(duì)于該批雙管板結(jié)構(gòu)的換熱器，在不過(guò)多增加材料成本的前提下，為確保管板與法蘭密封的可靠性并提高脹接接頭的緊固力，殼程側(cè)管板厚度增加至 50 mm。

3.2.2外管板與換熱管的連接方式由強(qiáng)度脹接改為強(qiáng)度焊 + 貼脹。按照該放空氣冷卻器的設(shè)計(jì)條件，選擇強(qiáng)度脹接雖然符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但是對(duì)于雙管板換熱器這種特殊結(jié)構(gòu)，內(nèi)外管板之間的間隙會(huì)造成兩管板管孔之間同心度差，對(duì)中偏差較大，而且內(nèi)外管板間隙很小，部分管子如不做處理很難同時(shí)穿進(jìn)兩塊管板，在穿管過(guò)程中只好盡力保護(hù)內(nèi)管板孔，以內(nèi)管板孔為基準(zhǔn)，將外管板孔適當(dāng)鏜大，這樣就使部分外管板管孔孔徑偏差增大，當(dāng)使用同等強(qiáng)度脹管時(shí)該部分管孔很難達(dá)到預(yù)期的脹接強(qiáng)度，致使管頭脹接不牢，壓力試驗(yàn)及使用過(guò)程中發(fā)生局部泄漏在所難免。而強(qiáng)度焊+貼脹的結(jié)構(gòu)在保證了管子與管板焊接強(qiáng)度的同時(shí)，又進(jìn)行了局部的貼脹，這就增加了連接接頭的強(qiáng)度和密封性能，確保了連接的可靠性。因此，考慮到制造工藝，把強(qiáng)度脹接改進(jìn)為強(qiáng)度焊+貼脹，提高了管板與換熱管連接質(zhì)量。

3.2.3 脹接過(guò)程質(zhì)量控制。內(nèi)管板的強(qiáng)度脹接及外管板的貼脹全部采用液壓脹，其中內(nèi)管板脹接質(zhì)量要求較高，是雙管板換熱器制造的難點(diǎn)。內(nèi)管板脹接時(shí)，內(nèi)外管板要按工作位置固定起來(lái)，采用加長(zhǎng)機(jī)構(gòu)對(duì)內(nèi)管板進(jìn)行脹接。脹接應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量管頭到內(nèi)管板待脹區(qū)的距離，通過(guò)擋環(huán)準(zhǔn)確定位，并根據(jù)管頭伸出外管板的實(shí)際尺寸適當(dāng)調(diào)整，防止脹錯(cuò)位置。采用 2次脹接法，第一次脹接按脹接工藝確定的脹接參數(shù)進(jìn)行，第二次脹接按稍高于第一次脹接的脹接力進(jìn)行。重復(fù)脹接法是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)得出的保證脹接質(zhì)量，防止管端滲漏的有效方法。脹管時(shí)按從上到下、從左到右的順序的依次脹管，防止漏脹，同時(shí)做好標(biāo)記，直至全部脹完。內(nèi)管板全部脹接合格后對(duì)外管板的管頭進(jìn)行焊接，完畢后進(jìn)行100%磁粉檢查，合格后再對(duì)外管板的管頭進(jìn)行液壓貼脹。之所以采用先焊接再貼脹，是為了提高管頭封焊的質(zhì)量，若先貼脹后焊接的話，容易在管頭處形成死區(qū)，不利于氣體的流通，造成焊接缺陷。

4.結(jié)語(yǔ)

在化工生產(chǎn)中,設(shè)備的投資是一次性的,總希望生產(chǎn)能長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行,檢修時(shí)間越短越好，雙管板換熱器的下管板與管束能采用焊接時(shí)應(yīng)盡量采用焊接,特別是在間隙不是較大的情況下,脹焊并用,效果更佳。

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