管殼式熱交換器管頭設(shè)計(jì)分析

棄全英(山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)院，山西 太原 030032)

管殼式熱交換器管頭設(shè)計(jì)分析

棄全英(山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)院，山西 太原 030032)

管殼式熱交換器的核心部件是管板和管束，而管頭是影響其的可靠性的重要部位。從設(shè)計(jì)上考慮其結(jié)構(gòu)的安全可靠性是最根本的要求。本文對(duì)管頭的種類、適用條件、及制造要求等相關(guān)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)進(jìn)行分析，方便在設(shè)計(jì)工作中進(jìn)行應(yīng)用。

熱交換器；管殼式；管頭；設(shè)計(jì)；分析

1 概述

管殼式熱交換器主體結(jié)構(gòu)由殼體、傳熱管束、管板、折流板(擋板)和管箱、支座等部件組成。其中管束是管殼式熱交換器的核心部件，而管板與換熱管連接(簡(jiǎn)稱管頭)又是影響其的可靠性的重要結(jié)構(gòu)。管頭形式多樣，適用條件各不相同，從本質(zhì)安全角度在源頭上把好設(shè)計(jì)關(guān)是最根本的保證?，F(xiàn)對(duì)熱交換器的管頭設(shè)計(jì)相關(guān)事項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 設(shè)計(jì)分析

管殼式熱交換器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過GB151-1989、GB151-1999到GB/T151-2014版次的發(fā)展，已經(jīng)滿足絕大多數(shù)管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)要求。GB/T151-2014《熱交換器》中對(duì)管板與換熱管連接方式(簡(jiǎn)稱管頭)在原有基礎(chǔ)上還增加了新的連接方式。

2.1 相關(guān)術(shù)語理解

(1)強(qiáng)度脹接(焊接) 這是從強(qiáng)度角度定義的兩種連接方式，它能滿足換熱管軸向載荷設(shè)計(jì)要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)密封要求。

(2)密封焊接 只滿足密封要求，保證管頭不泄漏的連接。

(3)貼脹 是從保護(hù)管接頭和預(yù)防間隙腐蝕角度，消除管子與管板的間隙的一種連接，不承擔(dān)強(qiáng)度要求。

(4)內(nèi)孔焊 內(nèi)孔焊是GB/T151-2014中新增加的換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)，是焊縫位于管孔內(nèi)側(cè)(殼程側(cè))的對(duì)接焊接結(jié)構(gòu)。近年來內(nèi)孔焊制造裝備發(fā)展迅速，制造工藝成熟，隨著標(biāo)準(zhǔn)的制定將在熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的得到推廣。

2.2 管板與換熱管連接方式分析

管板與換熱管的連接(管頭)方式有強(qiáng)度焊接、強(qiáng)度脹接、脹焊并用(強(qiáng)度脹加密封焊和強(qiáng)度焊加貼脹)和內(nèi)孔焊四種類型。每種類型的結(jié)構(gòu)型式都有各自的特點(diǎn)，適用條件有不同的局限性。

(1)強(qiáng)度焊接 適用于設(shè)計(jì)壓力不大于35MPa的場(chǎng)合，但不適用于有較大振動(dòng)、有縫隙腐蝕傾向的場(chǎng)合。這種結(jié)構(gòu)中換熱管管端可以伸出管板外，也可以與管板平齊或沉入管板平面以內(nèi)。當(dāng)立式安裝的換熱器上管板不允許有積液時(shí)可選擇沉入式結(jié)構(gòu)。強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)的焊腳高度首先應(yīng)滿足拉脫力的要求，同時(shí)不應(yīng)小于換熱管壁厚。

(2)強(qiáng)度脹接 適用于設(shè)計(jì)壓力≤4．0MPa、設(shè)計(jì)溫度≤300℃、操作中無振動(dòng)無過大溫度波動(dòng)及無明顯應(yīng)力腐蝕傾向的場(chǎng)合。這些因素中，溫度和振動(dòng)是關(guān)鍵。當(dāng)溫度不高時(shí)可適當(dāng)調(diào)高設(shè)計(jì)壓力。國外制造經(jīng)驗(yàn)表明，在電力行業(yè)的給水加熱器采用多開槽的強(qiáng)度脹接時(shí)，設(shè)計(jì)溫度300℃時(shí)設(shè)計(jì)壓力高達(dá)10MPa以上。GB/T151-2014規(guī)定當(dāng)壓力超過以上限制時(shí)，要針對(duì)拉脫力進(jìn)行脹接工藝試驗(yàn)。這種結(jié)構(gòu)的換熱管要選擇硬度低于管板硬度的材料，對(duì)有冷作硬化傾向和有耐應(yīng)力腐蝕要求的換熱管，宜采用柔性脹接。強(qiáng)度脹接的最小長度應(yīng)取管板名義厚度減3mm的差值與50mm二者中的較小值，超出最小長度(如厚管板及避免縫隙腐蝕的場(chǎng)合下)段可采用貼脹方式。當(dāng)有要求時(shí)也可全長強(qiáng)度脹接。

(3) 脹焊并用 適用于振動(dòng)或循環(huán)載荷、有縫隙腐蝕傾向和復(fù)合管板(特別是覆層較薄的)或密封性能要求較高的場(chǎng)合。脹焊并用同時(shí)還應(yīng)滿足相應(yīng)的強(qiáng)度焊接和強(qiáng)度脹接的管孔結(jié)構(gòu)要求。當(dāng)采用先脹后焊接制造工藝時(shí)，為降低焊接熱能和縫隙氣體對(duì)脹接部分的影響，保證脹接質(zhì)量，管孔結(jié)構(gòu)中一般不留不脹部分，全脹至管板坡口根部，且脹接時(shí)不得采用影響焊接質(zhì)量的潤滑劑。

(4) 內(nèi)孔焊 焊縫位置在殼程側(cè)，焊接接頭形式是對(duì)接接頭。內(nèi)孔焊形式避免了傳統(tǒng)管板連接的換熱管與管板間縫隙腐蝕問題，對(duì)立置熱交換器上管板不積液。而且焊縫位于殼程側(cè)，當(dāng)管程溫度過高時(shí)可利用殼程較低溫度對(duì)焊縫進(jìn)行高溫保護(hù)。因管板與換熱管對(duì)接接頭相比角接頭應(yīng)力狀況有很大改善，能承受更大的拉脫力，所以一般用在條件比較苛刻的高溫高壓、振動(dòng)、交變載荷和應(yīng)力腐蝕的工況下。

2.3 與管頭相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)壁厚 元件厚度是設(shè)計(jì)中要控制的一個(gè)重要參數(shù)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造要求、剛度和穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等角度考慮，GB/T151-2014中對(duì)不同元件提出了不同的要求。對(duì)管板的最小厚度的要求是按管頭的脹接或焊接方式、管板材料復(fù)合與否、介質(zhì)爆炸特性及毒性程度等提出的，在GB/T151-2014中7．4．2中有明確規(guī)定。

(2)焊接接頭系數(shù) 焊接接頭系數(shù)是指對(duì)接焊接接頭強(qiáng)度與母材強(qiáng)度的比值。它反映因焊接材料、焊接缺陷和焊接殘余應(yīng)力等因素對(duì)焊接接頭強(qiáng)度的削弱程度。在熱交換器受壓元件設(shè)計(jì)計(jì)算中它是一個(gè)重要參數(shù)。它確定的合理與否直接影響著設(shè)備設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)備安全性能。焊接接頭系數(shù)僅根據(jù)A、B類對(duì)接接頭的焊縫形式及無損檢測(cè)的長度比例確定。對(duì)管頭連接方式為內(nèi)孔焊的焊接接頭系數(shù)是只針對(duì)射線檢測(cè)(RT)規(guī)定的，當(dāng)100%RT 時(shí)取1．0，局部RT 時(shí)取0．85，不進(jìn)行RT 時(shí)取0．6。

2.4 熱處理

除內(nèi)孔焊外，管板與換熱管的焊接接頭為角接頭，這種不連續(xù)結(jié)構(gòu)處存在峰值應(yīng)力，再加上焊接殘余應(yīng)力的作用，易誘發(fā)裂紋產(chǎn)生。一般情況下?lián)Q熱管和管板焊接接頭無需進(jìn)行焊后熱處理。按材料和介質(zhì)類別情況根據(jù)TSG 21-2016《大容規(guī)》和GB/T151-2014《熱交換器》及GB150-2011《壓力容器》等的相關(guān)要求，遇到必須進(jìn)行焊后熱處理的材料、應(yīng)力腐蝕較嚴(yán)重和極度毒性危害介質(zhì)的碳鋼和低合金鋼材料時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行焊后熱處理?？梢赃M(jìn)行局部熱處理，但應(yīng)保證管板面加熱均勻。

2.5 耐壓試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)

熱交換器的壽命及事故都與管頭的可靠性密切相關(guān)，所以對(duì)管頭進(jìn)行壓力試驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)。管殼式熱交換器的管頭耐壓試驗(yàn)按GB/T151-2014的規(guī)定，在第一順序進(jìn)行試壓。固定管板式熱交換器為殼程先試壓同時(shí)檢查管頭；U形管式熱交換器、U形管束釜式重沸器和填料函式熱交換器為先用試驗(yàn)壓環(huán)進(jìn)行殼程試壓同時(shí)檢查管頭；浮頭式熱交換器和釜式重沸器為先用試驗(yàn)壓環(huán)和浮頭專用試壓工具進(jìn)行管頭試壓；按壓差設(shè)計(jì)的熱交換器為先按圖樣規(guī)定的最大試驗(yàn)壓力差值進(jìn)行管頭試壓。重疊熱交換器管頭試壓和泄漏試驗(yàn)可以單獨(dú)進(jìn)行，如果殼程連通時(shí)還應(yīng)在重疊組裝后進(jìn)行。投用后無法維護(hù)修理管頭的熱交換器，應(yīng)對(duì)管頭進(jìn)行泄漏試驗(yàn)。

在壓力試驗(yàn)中會(huì)遇到一種管程試驗(yàn)壓力高于殼程的情況，此時(shí)管頭試壓要在圖樣上進(jìn)行規(guī)定。一般有三種處理。

(1)當(dāng)管、殼壓力差不大時(shí)，用0．9φReL校核殼程元件或者增加殼程元件厚度以提高殼程試驗(yàn)壓力至管程試驗(yàn)壓力進(jìn)行試壓，(2)如果壓力相差太多，可先用殼程允許的最大試驗(yàn)壓力對(duì)殼程進(jìn)行壓力試驗(yàn)同時(shí)檢查管頭，再在殼程附加管頭泄漏檢測(cè)。(3)對(duì)可抽管束熱交換器，換熱管間距較大如正方形布管的，當(dāng)管程試驗(yàn)壓力高于殼程時(shí)，可以在抽出狀態(tài)下進(jìn)行管程壓力試驗(yàn)，用內(nèi)窺鏡從管板背面進(jìn)行泄漏檢查。

3 結(jié)語

近年來，熱交換器技術(shù)在節(jié)能增效、提高傳熱效率等方面的研究取得了很大進(jìn)步。在熱交換器設(shè)計(jì)中選擇合適的管頭連接方式是個(gè)非常關(guān)鍵問題，它直接關(guān)系著換熱設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性等。對(duì)熱交換器的管頭設(shè)計(jì)全面分析有助于提高換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)質(zhì)量。針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，在技術(shù)不斷發(fā)展過程中還將會(huì)有新型的管頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

[1]李世玉.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.

[2]錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006.