鈦材換熱器管程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李思遠(yuǎn)

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，163318）

0 前言

原油-初頂油氣換熱器（E-301A/B）是某石化公司一套常減壓裝置安全節(jié)能改造項(xiàng)目的設(shè)備。該換熱器為浮頭式換熱器，換熱器型號(hào)BIU1450-3.1/2.1-530.2-4500/25-2I總重23140kg，管程介質(zhì)初定油氣，殼程介質(zhì)原油，換熱管材質(zhì)TA1，管箱筒體及隔板材質(zhì)TA1+Q345R復(fù)合板，管板材質(zhì)復(fù)合鍛件16Mn Ⅲ+TA1，管箱法蘭密封面材質(zhì)TA10。本文主要通過對(duì)原油-初頂油氣換熱器（E-301A/B）的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了幾個(gè)關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹在設(shè)計(jì)過程中總結(jié)的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)見表1

表1 原油-初頂油氣換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

2 選材

因換熱器管程介質(zhì)是初頂油氣(操作溫度在80～150℃左右),初頂油氣含有HCl、H2S、HCN、HN3和H2O， 不銹鋼在此介質(zhì)中腐蝕較為嚴(yán)重，而鈦的耐蝕性能卻表現(xiàn)的非常良好，故管程材質(zhì)選用鈦材。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 鈦材性能特點(diǎn)

鈦是非?；顫姷慕饘?，高溫下與碳、氫、氧、氮等有很強(qiáng)的 ，鈦材制造焊接時(shí)，開始大量吸氫，生成氫化鈦、碳化鈦、氧化鈦、氮化鈦等脆性化合物，從而降低鈦的塑性與韌性.導(dǎo)致脆裂。鈦一旦沾然鐵離子即變脆，產(chǎn)生焊接裂紋。由于鈦材的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮到。

3.2 管箱筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于鈦材較貴，管箱筒體選用鈦襯里結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)用于介質(zhì)壓力由筒體材料承受，復(fù)合鈦層只承受介質(zhì)的腐蝕，其主要缺點(diǎn)是隔板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

3.3 管箱法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在換熱器設(shè)計(jì)中，管箱法蘭參考JB4703-2000中襯環(huán)凹凸密封面法蘭結(jié)構(gòu)，襯環(huán)材質(zhì)為TA10，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。把法蘭本體（材質(zhì)為16Mn Ⅲ）與襯環(huán)連接處加工出一個(gè)寬10mm，深度3mm的環(huán)形槽，槽里面填進(jìn)鈦墊板，然后把法蘭襯筒與襯環(huán)對(duì)接焊，法蘭襯環(huán)與法蘭本體聯(lián)接采用鈦制沉頭螺釘連接，然后氬弧焊將螺釘密封，襯環(huán)與法蘭本體的密封采用銀釬焊。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既能保證介質(zhì)不與碳鋼接觸，又能保證襯里和基層以及密封面的密封性。

圖1 管箱法蘭結(jié)構(gòu)

3.4 管箱接管法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管箱法蘭參考HG/T 20615-2009中襯環(huán)密封面法蘭結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與管箱法蘭相似，不同之處在于接管法蘭與接管襯筒是一件。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 管箱接管法蘭結(jié)構(gòu)

3.5 管箱分程隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)原油-初頂油氣換熱器（E-301A/B）工藝條件，分程隔板兩側(cè)壓力差為0.05Mpa,根據(jù)GB151-1999中5.2.3分程隔板厚度的計(jì)算公式，如果為純鈦隔板，其隔板厚度為28mm，隔板與管箱筒體焊接時(shí)只能與復(fù)層焊接，在工作狀態(tài)下焊縫處筒體復(fù)層容易脫落，且純鈦隔板厚度大造價(jià)較高?？紤]刀隔板的受力狀況及經(jīng)濟(jì)性，本設(shè)計(jì)中隔板采用雙面復(fù)合鋼板，隔板與管板及平蓋的隔板槽連接處設(shè)置一段純鈦隔板，并在隔板上設(shè)置一淚孔，隔板與管箱筒體基層焊接，既保證了隔板的焊縫強(qiáng)度，又保證了隔板與隔板槽之間的密封。

3.6 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換熱管與管板常用的連接形式為脹接、焊接、脹接加密封焊。脹接可以承受較高的壓力，但溫度升高造成脹接殘余應(yīng)力的松弛，換熱管的脹口泄漏；焊接最然可以耐更高的溫度，但在循環(huán)應(yīng)力的作用下，焊口極易產(chǎn)生疲勞裂紋，而且不能完全避免縫隙腐蝕；焊接結(jié)構(gòu)的換熱管與管板連接需用拉脫力一般在60Mpa以上，而脹接許用的拉脫力只有3Mpa，考慮管板鈦層與基層的抗剝離強(qiáng)度，設(shè)計(jì)采用液壓脹加密封焊的連接方式（見圖3），此連接方法尤其適合于復(fù)合管板與換熱管的連接。這樣既可防止管程介質(zhì)對(duì)管板的間隙腐蝕，又可以提高接頭的抗疲勞性能。

圖3 復(fù)合管板與換熱管的連接結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

通過對(duì)原油-初頂油氣換熱器（E-301A/B）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一系列措施，使鈦材換熱器滿足工藝要求，同時(shí)發(fā)揮了鈦材換熱器本身耐蝕的特點(diǎn)，在以后的鈦材換熱器領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

[1]黃嘉琥，應(yīng)道宴.鈦制化工設(shè)備［M］.北京；化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 150.1～150.4-2011鋼制壓力容器［S］.北京；中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[3]全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 151-1999 管殼式換熱器［S］.北京；中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[4]全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T 4745-2002 鈦制焊接容器［S］.昆明；云南科技出版社，2003.