波形膨脹節(jié)在熱交換器中的應(yīng)用

趙恩宏，亓成剛，畢文娟

(1.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071；2.威海石島重工有限公司，山東 威海 264300)

熱交換器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在各行業(yè)中得到了普遍應(yīng)用。其中，在煉油、化工裝置中熱交換器占總設(shè)備量和設(shè)備投資的40%左右[1]。

波形膨脹節(jié)是由波紋管、加強(qiáng)件、輔助套箍、內(nèi)襯筒等件組成。波形膨脹節(jié)的補(bǔ)償性能是由波紋管決定的。波形膨脹節(jié)具有工作可靠、性能良好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在熱交換器中廣泛應(yīng)用。

本文主要介紹了波形膨脹節(jié)在固定管板式熱交換器、浮頭式熱交換器中的應(yīng)用，并對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)進(jìn)行闡述。

1 波形膨脹節(jié)

GB/T16749-2018《壓力容器波形膨脹節(jié)》中規(guī)定壓力容器用波形膨脹節(jié)的型式主要有：無(wú)加強(qiáng)U形、加強(qiáng)U形或Ω形[2]。根據(jù)操作工況及設(shè)計(jì)條件，波形膨脹節(jié)可以設(shè)計(jì)為單層或者多層。其中U形膨脹節(jié)剛度小，補(bǔ)償變形能力好，在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛，但其承壓能力相對(duì)較低。在熱交換器工作壓力較高時(shí)，可采用多層膨脹節(jié)或者外加強(qiáng)膨脹節(jié)。

2 波形膨脹節(jié)在固定管板式熱交換器中的應(yīng)用

圖1 帶波形膨脹節(jié)的固定管板式熱交換器

固定管板式熱交換器的管板、換熱管、筒體通過(guò)焊接，組成一個(gè)整體。在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，管、殼程間存在溫差應(yīng)力，可能引起設(shè)備的破壞，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成隱患。因此，在固定管板計(jì)算時(shí)，當(dāng)殼體軸向應(yīng)力、換熱管軸向應(yīng)力、換熱管與管板拉脫力，有一個(gè)不合格時(shí)，就需要考慮設(shè)置膨脹節(jié)。如圖1示，依靠波形膨脹節(jié)軸向伸縮的彈性補(bǔ)償，吸收殼體與管束間的溫差應(yīng)力。

波形膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：應(yīng)力計(jì)算及校核(主要有受壓件的周向薄膜應(yīng)力、子午向薄膜應(yīng)力、子午向彎曲應(yīng)力等)，軸向剛度和軸向位移計(jì)算，平面失穩(wěn)及柱狀失穩(wěn)壓力計(jì)算，疲勞壽命校核(適用于奧氏體不銹鋼、耐蝕鎳合金及鎳-鉻合金材料)，外壓校核(需要時(shí))等[2]。

波形膨脹節(jié)的幾何參數(shù)主要有單層壁厚，波高，波長(zhǎng)，層數(shù)，波數(shù)等。在設(shè)計(jì)中通過(guò)各幾何參數(shù)的調(diào)整，改善波形膨脹節(jié)的應(yīng)力狀況，使波形膨脹節(jié)既有足夠的強(qiáng)度，又能提供需要的“撓性”，從而設(shè)計(jì)出較合理的結(jié)構(gòu)。

考慮到波形膨脹節(jié)成型及加工制造的成本，波形膨脹節(jié)的尺寸規(guī)格優(yōu)先參考GB/T16479-2018《壓力容器波形膨脹節(jié)》中推薦的膨脹節(jié)幾何尺寸。

通過(guò)設(shè)置波形膨脹節(jié)，可以有效降低固定管板式熱交換器的溫差應(yīng)力，從而降低管板計(jì)算厚度，減少制造成本。但同時(shí)增加了膨脹節(jié)及其焊接成本，因此需要綜合考慮設(shè)備的安全性能，制造成本，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[3]。

3 波形膨脹節(jié)在浮頭式熱交換器中的應(yīng)用

固定管板式熱交換器、U形管式熱交換器以及多管程浮頭式熱交換器是應(yīng)用最為廣泛的管殼式熱交換器。當(dāng)管、殼程兩側(cè)溫差較大，且兩側(cè)介質(zhì)都易結(jié)垢時(shí)，以上三種熱交換器形式由于結(jié)垢不易清洗，影響換熱性能，一般選用填料函式熱交換器。但填料函式熱交換器密封不夠嚴(yán)密，不適用于易揮發(fā)、易燃易爆、有毒以及貴重介質(zhì)的場(chǎng)合[4-5]，在石油化工行業(yè)使用較少。

與普通多管程浮頭式熱交換器相比，單管程浮頭式熱交換器在球冠形封頭處增加了波形膨脹節(jié)、夾持板等可拆式連接結(jié)構(gòu)，與設(shè)備管程出口相連，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)避免了管程介質(zhì)在浮頭處的折流，減少結(jié)垢。通過(guò)采用膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)，既可以補(bǔ)償管、殼程溫差產(chǎn)生的位移，又可以解決密封泄露的問(wèn)題。由于便于拆卸，易于清洗，得到了廣泛應(yīng)用。

圖2 單管程浮頭式熱交換器膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)

由于波形膨脹節(jié)同時(shí)接觸管、殼程介質(zhì)，腐蝕裕量應(yīng)為管、殼程兩側(cè)腐蝕裕量之和。為獲得較高的補(bǔ)償能力，波形膨脹節(jié)一般采用較薄的厚度。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性，因此，波形膨脹節(jié)的材質(zhì)優(yōu)先選用奧氏體不銹鋼。當(dāng)奧氏體不銹鋼材質(zhì)不適用時(shí)，可選擇其他耐蝕材料。若設(shè)備設(shè)計(jì)條件較高，還可以根據(jù)設(shè)備實(shí)際操作條件，選擇壓差設(shè)計(jì)。在滿(mǎn)足設(shè)備安全使用的前提下，降低設(shè)備成本。

波形膨脹節(jié)計(jì)算的需要確定管、殼程間的膨脹差：

e=(αtΔTt-αsΔTs)L

其中：e為管程與殼程的膨脹差；αt/αs分別為換熱管/殼程筒體在設(shè)計(jì)溫度與20℃之間的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)，可由GB/150.2-2011附錄表B.14查??；ΔTt/ΔTs分別為管程設(shè)計(jì)溫度/殼程設(shè)計(jì)溫度與環(huán)境溫度的溫度差；L為波形膨脹節(jié)兩側(cè)固定端長(zhǎng)度。

根據(jù)熱交換器操作工況和設(shè)計(jì)條件，首先計(jì)算出管、殼程間的最大膨脹差，然后選擇合適的波形膨脹節(jié)(可優(yōu)先選擇GB/T16479-2018中推薦的膨脹節(jié)規(guī)格)，波形膨脹節(jié)總位移量應(yīng)大于計(jì)算的管、殼程間的最大膨脹差。確定完波形膨脹節(jié)規(guī)格后，根據(jù)熱交換器操作工況和設(shè)計(jì)條件，對(duì)波形膨脹節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等計(jì)算。

固定管板式熱交換器波形膨脹節(jié)設(shè)置在殼程筒體上，操作過(guò)程中便于監(jiān)控。而單管程浮頭式熱交換器波形膨脹節(jié)設(shè)置在設(shè)備內(nèi)部，不便于監(jiān)控波形膨脹節(jié)的使用情況，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成隱患，尤其是管、殼程介質(zhì)出現(xiàn)混合后會(huì)引起嚴(yán)重?fù)p失場(chǎng)合。此時(shí)可以采用雙層膨脹節(jié)，在膨脹節(jié)處增加檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)膨脹節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在膨脹節(jié)出現(xiàn)損壞或者泄露的情況下，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

波形膨脹節(jié)在固定管板式熱交換器、浮頭式熱交換器中的應(yīng)用較為廣泛，本文對(duì)波形膨脹節(jié)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)設(shè)備操作工況及設(shè)計(jì)條件，確定合適的材料，并通過(guò)計(jì)算，優(yōu)化波形膨脹節(jié)的參數(shù)，做到既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理。