高壓力可拆卸板式熱交換器的開發(fā)研究

王曉偉，李 官，仇 穎

(上海板換機(jī)械設(shè)備有限公司，上海 201508)

隨著社會的發(fā)展，城市建設(shè)速度飛速增長，供熱技術(shù)和供熱方式呈現(xiàn)多樣化的趨勢，且逐步發(fā)展和形成以集中供熱為主導(dǎo)的城鎮(zhèn)供熱采暖系統(tǒng)。隨著集中供熱采暖系統(tǒng)供熱半徑的增加，通過增大供回水壓差的方法來提高管網(wǎng)輸送能力和供熱總量是一種較為經(jīng)濟(jì)的方式。可拆卸板式熱交換器以其換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)、熱損失小、拆裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在供暖行業(yè)，但隨著供暖行業(yè)對熱交換器承壓能力的要求越來越高，常規(guī)的可拆卸板式熱交換器已不能滿足供暖行業(yè)的擴(kuò)大需求[1]。

目前可拆卸板式熱交換器的最高設(shè)計壓力為3.0 MPa，對超過3.0 MPa壓力的情況只能采用焊接類熱交換器或多級換熱[2]的方式解決，但會大幅增加投資成本。本文將選取上海板換機(jī)械設(shè)備有限公司D15C可拆卸板式熱交換器，通過研究產(chǎn)品設(shè)計、板片成型、產(chǎn)品制造、水壓試驗(yàn)等方面規(guī)律，開發(fā)了一種高承壓的可拆卸板式熱交換器。

1 設(shè)計開發(fā)

1.1 板片材料的選擇

1.1.1 板料的強(qiáng)度

表1 板料力學(xué)性能數(shù)據(jù)表

可拆卸板式熱交換器在高壓力下的泄漏主要是由于板片強(qiáng)度不足而變形、密封墊被高壓擠出所致。S30400及S31603兩種材料以其成型性好、性價比高等優(yōu)點(diǎn)被大量用于供暖行業(yè)中，但其低強(qiáng)度導(dǎo)致了產(chǎn)品承壓能力較低。為提高產(chǎn)品承壓能力，現(xiàn)選取兩種牌號分別S82031及S32205的高強(qiáng)度雙相不銹鋼材料用于對比，力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表1所示。通過表1數(shù)據(jù)可看出S32205材料伸長率過低，不能滿足板片的成型要求，故排除該材料。

1.1.2 板料的耐腐蝕性

供暖行業(yè)熱側(cè)水質(zhì)運(yùn)行溫度100℃左右、氯離子含量約為40～100 mg/L，板片的腐蝕以應(yīng)力腐蝕開裂和氯離子點(diǎn)蝕為主。臨界點(diǎn)蝕溫度(簡稱CPT)是判定不銹鋼耐氯離子點(diǎn)蝕性能的重要指標(biāo)，不銹鋼的CPT越高，表明不銹鋼耐氯離子點(diǎn)蝕性能越好。S30400、S31603及S82031不銹鋼材料應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)和臨界點(diǎn)時溫度可參考表2、3[3]。

從腐蝕結(jié)果來看，S82031雙向不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能和耐氯離子點(diǎn)蝕性優(yōu)于S30400和S31603兩種材料，更適用于采暖行業(yè)的應(yīng)用。

表2 不同板料應(yīng)力腐蝕開裂數(shù)據(jù)表

表3 不同板料臨界點(diǎn)蝕溫度數(shù)據(jù)表

1.1.3 板料的最終確定

結(jié)合表1、2、3，從成型性能和耐腐蝕性兩方面進(jìn)行對比，同時考慮S31603材料成型性及耐腐蝕性略優(yōu)于S30400材料，選用S31603和S82031兩種材料進(jìn)行D15C產(chǎn)品的對比試驗(yàn)。

1.2 密封墊的選擇

考慮供暖行業(yè)熱側(cè)水質(zhì)運(yùn)行溫度較高、運(yùn)行壓力較高等工況特性，結(jié)合密封墊使用壽命，三元乙丙(代號EPDM)密封墊以其性價比高的優(yōu)點(diǎn)適用于供暖行業(yè)。

普通丁腈密封墊(75 Shore A)承壓極限在2.1 MPa左右，而氫化丁腈密封墊(80 Shore A)承壓極限在3.2 MPa左右，可看出產(chǎn)品的承壓能力隨密封墊硬度的增加而增加。常規(guī)EPDM密封墊硬度為80 Shore A，其承壓極限在3.2 MPa左右，為提高產(chǎn)品承壓能力同時匹配高強(qiáng)度的板片，選用一種硬度更高的特種EPDM密封墊(90 Shore A)與常規(guī)EPDM密封墊進(jìn)行D15C產(chǎn)品的對比試驗(yàn)，兩種密封墊的物理性能參數(shù)如表4所示。

表4 常規(guī)及特種EPDM密封墊物理性能表

1.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

可拆卸板式熱交換器主要零部件有：固定壓緊板、活動壓緊板、上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿、拉桿、立柱、板片及密封墊(又稱墊片)等，詳見圖1所示。

圖1 可拆卸板式熱交換器裝配圖

為保證框架的剛性，將D15C產(chǎn)品設(shè)計壓力定為4.0 MPa，型號定義為D15C-4.0/150，三維圖紙如圖2所示。該產(chǎn)品設(shè)計的主要依據(jù)為NB/T47004.1-2017《板式熱交換器第1部分：可拆卸板式熱交換器》和GB/T150《壓力容器》。

圖2 D15C-4.0/150產(chǎn)品三維圖

1.3.1 夾緊螺柱設(shè)計

按設(shè)計壓力4.0MPa計算夾緊螺柱的最小直徑，按式(1)計算：

其中Am為預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下最小夾緊螺柱載荷總截面積的較大者，n為夾緊螺柱的數(shù)量，得出夾緊螺柱的最小直徑d，選用與之匹配的夾緊螺柱。

1.3.2 壓板設(shè)計

依據(jù)GB150.3-2011，非圓形平蓋按式(2)計算：

計算出的壓板厚度補(bǔ)強(qiáng)后，得出固定壓板和活動壓板的厚度。

1.3.3 夾緊螺柱長度的確定

由于D15C產(chǎn)品未設(shè)計中間隔板，則夾緊螺柱長度計算可簡化為式(3)：

其中S1為壓板厚度，S0為板片厚度，S3為密封墊厚度，NP為板片數(shù)，得出夾緊螺柱長度。

1.3.4 上導(dǎo)桿設(shè)計

根據(jù)NB/T47004.1-2017標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)桿按式(4)計算：

因無中間隔板，則Ng=0，S2=0，得出上導(dǎo)桿的長度。

1.3.5 法蘭設(shè)計

依據(jù)GB/T9119-2010標(biāo)準(zhǔn)選取DN150-PN40 PL RF II Q235A GB/T9119的法蘭，但板片角孔橫向間距所限導(dǎo)致法蘭外徑干涉，故將法蘭設(shè)計為長短管結(jié)構(gòu)的接管形式，如圖2所示。

1.4 板片成型

S31603是上海板換機(jī)械設(shè)備有限公司D15C產(chǎn)品正常生產(chǎn)的材料，不存在成型問題。由于S82031材料強(qiáng)度高，導(dǎo)致其成型難度增大，對生產(chǎn)效率有一定影響，增加產(chǎn)品的制造成本。基于CAE工具進(jìn)行大量的虛擬試模研究，通過對模具及生產(chǎn)工藝進(jìn)行特殊處理，成功壓制出滿足NB/T47004.1-2017要求的E15C(S82031)板片[4]。

1.5 產(chǎn)品制造及水壓試驗(yàn)

D15C-4.0/150產(chǎn)品共用一套框架，板片材料有S31603和S82031兩種，密封墊有常規(guī)EPDM和特種EPDM兩種，除板片材料和密封墊材料外無其他變量，共組成4種形式的D15C-4.0/150產(chǎn)品，詳見表5所示。對4種形式的D15C-4.0/150產(chǎn)品按序號順序分別進(jìn)行水壓試驗(yàn)，每次試驗(yàn)壓力均自2.6 MPa起，按0.2 MPa壓差逐級升壓，直至泄漏結(jié)束。考慮預(yù)期試驗(yàn)壓力較高，在試驗(yàn)過程中，將試驗(yàn)場地與其他生產(chǎn)區(qū)域分隔，操作人員及技術(shù)人員做了相關(guān)的安全防護(hù)措施。

記錄各自的最高試驗(yàn)壓力(保壓30 min不泄漏的最高壓力)，詳見表5所示，四種形式的D15C-4.0/150產(chǎn)品中序號4產(chǎn)品承壓能力最好，其最高試驗(yàn)壓力為6.0 MPa，對應(yīng)設(shè)計壓力為4.6 MPa。其中設(shè)計壓力(P)和試驗(yàn)壓力(PT)對應(yīng)關(guān)系如式(5)所示。

對表5進(jìn)行分析可知，單獨(dú)提升板片強(qiáng)度或密封墊硬度對可拆卸板式熱交換器的承壓能力提升有限，只有將板片的強(qiáng)度或密封墊的硬度兩者結(jié)合起來共同提升，才能對可拆卸板式熱交換器的承壓能力提升巨大。同時也說明板片強(qiáng)度和密封墊硬度需匹配，才能切實(shí)提高可拆卸板式熱交換器的承壓能力。

表5 D15C產(chǎn)品組合形式

2 結(jié)論

以上對極限壓力為6.0 MPa的高壓力可拆卸板式熱交換器的設(shè)計開發(fā)過程做了簡介和分析，說明同時提高板片的強(qiáng)度和密封墊的硬度可以顯著提高可拆卸板式熱交換器的承壓能力，且高強(qiáng)度的板片承壓能力好、重復(fù)拆裝不易變形，節(jié)省售后維護(hù)成本，在工況不復(fù)雜、介質(zhì)腐蝕性較差的供暖行業(yè)有良好的應(yīng)用前景。