小直徑多管程換熱器管箱分程隔板的研制

(四川科新機(jī)電股份有限公司，四川 什邡 618400)

四川科新機(jī)電股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱四川科新)2017年承制的某化工公司20萬(wàn)t/a聚碳酸酯項(xiàng)目中，有一臺(tái)單殼程多管程的固定管板換熱器，該換熱器直徑小、管程多，分程隔板布局緊湊，分程隔板焊接困難不易制造。為了增加管殼式換熱器流體流速，提高給熱系數(shù)，通常將管程分為多程。研制的管殼式換熱器為了達(dá)到上述目的，將管程分為了10程，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)

1 管箱分程形式的選擇

由于本次設(shè)計(jì)的換熱器內(nèi)直徑僅為450 mm，為實(shí)現(xiàn)10管程，管程分程采用圖2所示的分程隔板布置形式。

圖2 管箱分程布置形式

2 分程隔板的設(shè)計(jì)

2.1 常規(guī)設(shè)計(jì)

換熱管(規(guī)格φ20×1.6)采用26 mm的中心距，按10管程并遵循每一程中的換熱管數(shù)量大致相等的原則在管板上布管(見(jiàn)圖3)。對(duì)應(yīng)的分程隔板間距應(yīng)和管板上的隔板槽距離一致。

圖3 前端管板隔板槽結(jié)構(gòu)

該換熱器前/后端管箱外均設(shè)置了保溫夾套，前端管箱進(jìn)出口接管大小為DN80 mm(內(nèi)筒)×125 mm(夾套)，由于設(shè)置接管的空間需要，管箱內(nèi)筒設(shè)備法蘭密封面至封頭的最大深度為563 mm。前端管箱與前端管板密封處的隔板結(jié)構(gòu)已按圖2確定，前端管箱不同隔板結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)圖4，按圖4(a)中的形式設(shè)置分程隔板，但是該換熱器的內(nèi)直徑只有450 mm，分程隔板中心間距最窄處為57.5 mm，對(duì)應(yīng)563 mm的焊接深度，以致焊接分程隔板與管箱殼體時(shí)，靠近封頭部分焊接操作空間不足而難以進(jìn)行焊接作業(yè)。對(duì)于分程隔板的焊接，GB/T 151—2014第6.3.6.3條規(guī)定：分程隔板與管箱內(nèi)壁應(yīng)采用雙面連續(xù)焊，最小焊腳尺寸為3/4倍的隔板厚度；必要時(shí)，隔板邊緣應(yīng)開(kāi)坡口。

(1)方法1：焊接S31603材料的A022焊條長(zhǎng)度一般在300～350 mm，焊鉗受隔板結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法對(duì)封頭附近隔板進(jìn)行施焊。

(2)方法2：焊接S31603材料也可采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接，常規(guī)焊槍長(zhǎng)度受隔板結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法對(duì)封頭附近隔板施焊；焊槍長(zhǎng)度加長(zhǎng)后可對(duì)封頭附近隔板進(jìn)行施焊，但焊槍角度受制于分程隔板間距，可調(diào)范圍太小，焊縫成型較差且焊縫位置太深都不利于觀察焊縫成型。

圖4 前端管箱不同隔板結(jié)構(gòu)對(duì)比

2.2 改進(jìn)后的設(shè)計(jì)

分程隔板的作用就是將腔室分隔開(kāi)，形成多個(gè)腔室，如果采用圖4(b)所示的結(jié)構(gòu)形式，不但可以實(shí)現(xiàn)管程的分程功能，最顯著的作用就是減小了分程隔板焊接的縱向長(zhǎng)度，為焊接騰出了足夠的操作空間，可保證焊接質(zhì)量和產(chǎn)品的制作質(zhì)量。

2.2.1分程隔板流通面積的校核

圖4(b)所示的分程隔板形式，僅管箱中心一塊分程隔板采用常規(guī)結(jié)構(gòu)，最外側(cè)隔板采用折彎結(jié)構(gòu)(圖4(b)中分程隔板I)，其余各分程隔板采用短矩形板(圖4(b)中分程隔板Ⅱ)，避免每塊分程隔板與封頭及靠近封頭的筒體部分相焊?？v向深度可以作適當(dāng)調(diào)整，以方便焊接為宜，同時(shí)按GB/T 151—2014第6.3.4.2條“對(duì)于多程管箱，其內(nèi)側(cè)深度應(yīng)使相鄰管程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3倍；當(dāng)阻力降允許時(shí)最小流通面積可適當(dāng)減小，但不得小于每程換熱管的流通面積”進(jìn)行校核。

以本換熱器為例，改進(jìn)后的分程隔板縱向深度為90 mm，分程隔板材質(zhì)為S31603，其厚度為6 mm。

圖4(b)中腔體①的流通面積約為90×(80-6)=6 660 mm2，該腔體內(nèi)對(duì)應(yīng)前端管板的第2程、第3程，每程布有18支φ20×1.6的換熱管，其流通面積為π×8.42×18=3 990 mm2，腔體①的流通面積大于每層換熱管的流通面積的1.3倍(即6 660>3 990×1.3=5 187 mm2)，從而該腔體①分程隔板的設(shè)計(jì)滿足規(guī)定。

圖4(b)中腔體②的流通面積約為90×(57.5-6)=4 635 mm2，該腔體內(nèi)對(duì)應(yīng)前端管板的第4程、第5程，每層布有15支φ20×1.6的換熱管，其流通面積為π×8.42×15=3 325 mm2，腔體②的流通面積大于每層換熱管的流通面積的1.3倍(即4 635>3 325×1.3=4 322 mm2)，從而該腔體②分程隔板的設(shè)計(jì)滿足規(guī)定。

2.2.2分程隔板厚度的校核

按GB/T 151—2014第7.1.4.1條進(jìn)行分程隔板的厚度計(jì)算：

其中，b為隔板結(jié)構(gòu)尺寸，90 mm；B為尺寸系數(shù)，按表2查取。

表2 分程隔板尺寸系數(shù)B

按三邊固定，一邊簡(jiǎn)支模型計(jì)算a/b=450/90=5，三邊固定，一邊簡(jiǎn)支欄a/b最大值只有3.0，無(wú)法選取。而通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：三邊固定，一邊簡(jiǎn)支欄與短邊固定，長(zhǎng)邊簡(jiǎn)支欄的a/b值相同時(shí)，短邊固定，長(zhǎng)邊簡(jiǎn)支欄的B值更大。

通過(guò)厚度計(jì)算公式看出B值越大，厚度δ則越大，采用短邊固定，長(zhǎng)邊簡(jiǎn)支模型計(jì)算厚度更保守。為此，選定B=0.750 0。

ΔP為隔板兩側(cè)壓力差值，0.005 3 MPa；[σ]t為隔板材料(S31603)設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力93 MPa；C1為材料厚度負(fù)偏差，0.3 mm；C2為腐蝕裕量，0 mm。

管箱分程隔板的名義厚度：δn=δ+C1+C2=0.48+0.3+0=0.78 mm，同時(shí)滿足GB/T 151—2014表7-3中高合金鋼最小名義厚度6 mm的規(guī)定，故取6 mm。

2.2.3分程隔結(jié)構(gòu)

由于分程隔板的焊接空間比較狹小，為了盡量減少分程隔板的焊接，所以分程隔板Ⅰ采用整板折彎的結(jié)構(gòu)。分程隔板Ⅰ和Ⅱ的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 分程隔板結(jié)構(gòu)

分程隔板焊接時(shí)必須采用合理的組裝順序：①先組焊筒體中心的分程隔板Ⅲ與殼體和封頭，僅裝配該分程隔板時(shí)，有充足的焊接操作空間，所以該隔板與殼體采用雙面連續(xù)焊；②再組焊分程隔板I與分程隔板Ⅲ和筒體，很明顯分程隔板Ⅰ的450 mm邊，137 mm邊及折彎圓弧部分靠封頭側(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙面連續(xù)焊，因此在450 mm邊、137 mm邊及折彎圓弧部分靠近管箱法蘭側(cè)邊緣開(kāi)坡口，采用氬弧焊打底全焊透，以實(shí)現(xiàn)與雙面連續(xù)焊同等的強(qiáng)度；短邊96+6(加工余量)邊由于長(zhǎng)度短，焊條完全可以到達(dá)，仍采用雙面連續(xù)焊；③最后組焊分程隔板Ⅱ與分程隔板Ⅰ，該隔板焊條同樣能夠到達(dá)，其3條焊接邊均采用雙面連續(xù)焊。

3 結(jié)語(yǔ)

該換熱器制作完成后經(jīng)水壓試驗(yàn)檢測(cè)，無(wú)滲漏，無(wú)可見(jiàn)的變形和異常的響聲。四川科新于2017年完工的這兩臺(tái)小直徑、多管程換熱器，自投入使用以來(lái)，一直安全運(yùn)行、正常生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)小直徑、多管程換熱器的研制表明，在保證質(zhì)量和安全性能的前提下，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、制造方案的合理化，是完全能夠?qū)崿F(xiàn)小直徑、多管程換熱器管箱分程隔板的制造，同時(shí)也為其他分程隔板因結(jié)構(gòu)原因難于焊接的管程提供了可供參考的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。