固定管板熱交換器膨脹節(jié)的設(shè)置要點(diǎn)

闕原(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

1 固定管板熱交換器何時(shí)設(shè)置膨脹節(jié)

熱交換器是常見的煉油化工設(shè)備，主要作用是實(shí)現(xiàn)物料間的熱量傳遞。固定管板熱交換器由管程和殼程組成，管程中的介質(zhì)和殼程中的介質(zhì)溫度不同，通過管束進(jìn)行熱量傳遞，從而達(dá)到熱交換的目的[1]。

在安裝工況下，管束和殼程殼體的兩端都固定在管板上，三者相互約束。管束和殼程殼體在操作工況下的溫度變化趨勢(shì)不同，造成管束和殼程殼體的熱膨脹量不同，而管板的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于管束和殼程殼體，因此操作工況產(chǎn)生的膨脹差會(huì)引起較大的軸向力[2]，可能引起換熱管失穩(wěn)、換熱管從管板上拉脫、殼程殼體破壞等嚴(yán)重后果。此時(shí)可以在殼程殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，吸收膨脹差，從而避免管束與殼程殼體軸向力過大的問題。

在固定管板熱交換器中，膨脹節(jié)的設(shè)置需要依據(jù)換熱管、管板、殼程殼體在操作工況下的應(yīng)力狀態(tài)來確定。通過管束、管板、殼程殼體的溫差和操作壓力作用，計(jì)算出換熱管中引起的軸向應(yīng)力、換熱管與管板之間連接拉脫力、在殼體中引起的軸向應(yīng)力，并判斷是否超過許用值。

當(dāng)上述三個(gè)應(yīng)力超過許用值時(shí)，在滿足工藝條件和經(jīng)濟(jì)合理的條件下，可以考慮增加管板厚度，改變換熱管與管板的連接方式，調(diào)整換熱管的管間距，從而降低這三個(gè)應(yīng)力滿足許用值。如果以上調(diào)整后，還不能滿足校核條件，則需要考慮設(shè)置膨脹節(jié)，通過膨脹節(jié)吸收換熱管、殼程殼體、管板的軸向膨脹差，從而改善三個(gè)元件在操作工況下的應(yīng)力狀態(tài)。

2 耳座支承立式固定管板熱交換器膨脹節(jié)的布置

耳座支承立式熱交換器中膨脹節(jié)的布置方法有兩種：一是布置于耳座下方；二是布置于耳座上方。

有觀點(diǎn)認(rèn)為布置于耳座下方更有利[3]：置在耳座下面且耳座位置偏低，這樣，既減少了熱交換器自重產(chǎn)生的附加在膨脹節(jié)上的軸向力，又可提高熱交換器自身的穩(wěn)定性。也有觀點(diǎn)認(rèn)為布置在耳座上方更有利[4]：對(duì)殼體的受力更加有利。下面就此問題進(jìn)行如下分析。

首先對(duì)于不設(shè)膨脹節(jié)的固定管板立式熱交換器分析，其重量通過上下兩路傳遞至耳座。假設(shè)耳座位置位于熱交換器殼程筒體的中間位置。管板、換熱管和折流板等管束部件的一半重量及耳座上方熱交換器其他部件的重量，作用在殼程筒體的軸向力設(shè)為F1，而管束部件的另一半重量及耳座下方的熱交換器的其他部件的重量，作用在殼程軸向作用力設(shè)為F2。

由此可知，F(xiàn)1為熱交換器上路重量，使殼體承受軸向壓縮應(yīng)力，將作用力傳遞到耳座上：F2為熱交換器下路質(zhì)量，使殼體承受軸向拉伸應(yīng)力，將作用力傳遞至耳座上。F1、F2各承擔(dān)熱交換器總重量的一半，F(xiàn)1=F2，幾個(gè)耳座共同分擔(dān)熱交換器的總質(zhì)量。

若布置膨脹節(jié)(無論位于耳座上方或下方)，由于管束通過上、下管板與筒體連接為一個(gè)整體，熱交換器總質(zhì)量依然分兩路傳至耳座，設(shè)上路殼程筒體的軸向力為F1′，下路殼程筒體的軸向力為F2′。

當(dāng)膨脹節(jié)置于耳座上方時(shí)，熱交換器總重的大部分重量由下路殼程筒體軸向拉力F2′承擔(dān)，而上路殼程筒體由于布置了膨脹節(jié)，只會(huì)承擔(dān)極小部分的軸向壓力，F(xiàn)1′將很小，F(xiàn)1′＜F2′。當(dāng)膨脹節(jié)設(shè)置于耳座下方時(shí)，熱交換器總重的大部分將有上路殼程筒體的軸向壓力F1′承擔(dān)，而下路殼程筒體由于布置了膨脹節(jié)，只會(huì)承擔(dān)極小部分的軸向拉力，F(xiàn)2′將很小，F(xiàn)1′＞F2′。由于筒體軸向承受拉伸的承載能力遠(yuǎn)大于軸向受壓縮時(shí)的穩(wěn)定承載能力，為此將膨脹節(jié)布置于耳座上方，使筒體的受力更為有利。

3 膨脹節(jié)內(nèi)襯套的設(shè)置

GB/T 16749—2018《壓力容器波形膨脹節(jié)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，凡符合下列條件之一的膨脹節(jié)應(yīng)設(shè)置內(nèi)襯套[5]：(1)要求流量損失小，介質(zhì)流動(dòng)平臺(tái)平穩(wěn)的場(chǎng)合；(2)膨脹節(jié)內(nèi)介質(zhì)流速超過GB/T 16749—2018標(biāo)準(zhǔn)中的表12，表13規(guī)定的數(shù)值。

如圖1所示，內(nèi)襯套是搭接在殼體內(nèi)壁上，但這樣襯套內(nèi)徑將小于筒體內(nèi)徑，在有內(nèi)部部件的設(shè)備中，會(huì)對(duì)組裝造成一定的困難。如在熱交換器中，由于折流板、支持板等要緊貼設(shè)備內(nèi)壁滑動(dòng)，內(nèi)襯套將會(huì)對(duì)管束的組裝造成困難。此時(shí)可以采用襯套與膨脹節(jié)對(duì)接的形式[6]，如圖2所示，使內(nèi)襯套的內(nèi)徑與膨脹節(jié)的直邊段的內(nèi)徑一致。但此種結(jié)構(gòu)應(yīng)注意襯套的長(zhǎng)度，避免內(nèi)襯套長(zhǎng)度過長(zhǎng)阻礙膨脹節(jié)的壓縮。同時(shí)，襯套應(yīng)在介質(zhì)流動(dòng)方向的上端與膨脹節(jié)相焊。

圖1 內(nèi)襯套與膨脹節(jié)搭接結(jié)構(gòu)

圖2 內(nèi)襯套與膨脹節(jié)對(duì)接結(jié)構(gòu)

膨脹節(jié)與內(nèi)襯套相碰的最極端條件假想為，在固定管板熱交換器的一種極端工況，此時(shí)膨脹節(jié)的剛度極小，管束、管板、殼程筒體剛度很大，設(shè)計(jì)壓力為常壓(因?yàn)樵趦?nèi)壓情況下，殼程會(huì)在內(nèi)壓作用下整體發(fā)生膨脹，膨脹節(jié)受殼程筒體軸向壓縮力小于常壓工況下)，膨脹節(jié)受殼程溫度影響，產(chǎn)生熱膨脹，產(chǎn)生形變量可以近似轉(zhuǎn)化為殼程筒體自身膨脹長(zhǎng)度為ΔL2。內(nèi)襯套受殼程溫度影響，也產(chǎn)生熱膨脹，自身膨脹長(zhǎng)度為ΔL1。膨脹節(jié)與內(nèi)襯套的最小間隙由殼程筒體膨脹長(zhǎng)度與內(nèi)襯套膨脹長(zhǎng)度疊加可得。

式 (1)～(5)中：ΔL為膨脹節(jié)與內(nèi)襯套最小間隙； ΔL1為膨脹節(jié)內(nèi)襯套膨脹長(zhǎng)度； ΔL2為殼程筒體壓縮膨脹節(jié)長(zhǎng)度； ΔLS為殼程筒體膨脹長(zhǎng)度；ΔLt為換熱管膨脹長(zhǎng)度；L為波紋管長(zhǎng)度；L1為內(nèi)襯套長(zhǎng)度；ΔL為殼程操作溫度；ΔTS為延長(zhǎng)度平均的殼程圓筒金屬壁溫；ΔLt為延長(zhǎng)度平均的換熱管金屬壁溫；α1為在金屬溫度t0～ΔT范圍內(nèi)，內(nèi)襯套材料線性膨脹系數(shù)；αS為在金屬溫度t0～ΔTS范圍內(nèi)，殼程圓筒材料線性膨脹系數(shù)；αt為在金屬溫度t0～ΔTt范圍內(nèi)，換熱管材料線性膨脹系數(shù)；t0為制造環(huán)境溫度。

4 膨脹節(jié)的耐壓試驗(yàn)

耐壓試驗(yàn)的目的是最終檢驗(yàn)容器的整體強(qiáng)度和可靠性，以提高設(shè)計(jì)壓力的試驗(yàn)介質(zhì)綜合考察容器的制造質(zhì)量、各受壓元件的強(qiáng)度和剛性、焊接接頭和個(gè)連接面的密封性能等。

GB 150—2011《壓力容器》中規(guī)定[7]：

液壓試驗(yàn)主要受壓元件，如：圓筒、封頭、接管、法蘭及其緊固件等所有材料不同時(shí)，應(yīng)采取各元件材料的比值中最小者。

GB 16749—2018《力容器波形膨脹節(jié)》[5]中規(guī)定，壓力試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)要求及試驗(yàn)方法應(yīng)符合GB 150—2011的有關(guān)規(guī)定。

GB 12777—2019《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》[8]中規(guī)定，內(nèi)壓膨脹節(jié)的水壓試驗(yàn)公式為：

式(8)和式(9)中：P為設(shè)計(jì)壓力；PSC為波紋管兩端固支時(shí)柱失穩(wěn)的極限設(shè)計(jì)內(nèi)壓；[σ]b為室溫下的波紋管材料需用應(yīng)力；為設(shè)計(jì)溫度下波紋管材料的許用應(yīng)力；Eb為波紋管材料在室溫下的彈性模量為波紋管材料在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量。

按照GB/T 12777—2019的規(guī)定，膨脹節(jié)的水壓試驗(yàn)的壓力提高到，相對(duì)于壓力容器的其他受壓元件，提高了試驗(yàn)要求，此時(shí)在一種程度上避免由于膨脹節(jié)導(dǎo)致整臺(tái)設(shè)備液壓試驗(yàn)壓力值過小的問題。

膨脹節(jié)的水壓試驗(yàn)按照GB/T 12777—2019進(jìn)行，經(jīng)溫度修正后的水壓試驗(yàn)壓力(指波紋管部分)不得低于1.5倍設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)熱交換器筒體的水壓試驗(yàn)壓力大于波紋管的水壓試驗(yàn)壓力時(shí)，波紋管的水壓試驗(yàn)壓力取熱交換器筒體的水壓試驗(yàn)壓力，此時(shí)膨脹節(jié)的水壓試驗(yàn)壓力偏大，膨脹節(jié)計(jì)算壓力按照筒體水壓試驗(yàn)壓力/1.5×溫度修正系數(shù)取值更合理，即：

按照《換熱器膨脹節(jié)詢價(jià)書》的規(guī)定，膨脹節(jié)的水壓試驗(yàn)壓力將不小于筒體水壓試驗(yàn)壓力值，膨脹節(jié)將不會(huì)是制約壓力容器試驗(yàn)的因素。此規(guī)定可以使壓力容器設(shè)計(jì)和膨脹節(jié)設(shè)計(jì)分開，工程公司只需按壓力容器其他元件的水壓試驗(yàn)壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，不需考慮膨脹節(jié)帶來的制約因素，膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)交由專業(yè)膨脹節(jié)廠家設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

固定管板熱交換器在由管殼程膨脹差作用下，出現(xiàn)的殼程軸向應(yīng)力、換熱管軸向應(yīng)力、換熱管與管板之間的拉脫力，不合格時(shí)，可以考慮設(shè)置膨脹節(jié)。耳座支承立式固定管板熱交換器宜將膨脹節(jié)布置在耳座上方。設(shè)計(jì)帶內(nèi)襯套的膨脹節(jié)時(shí)，從設(shè)計(jì)合理角度，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，提高膨脹節(jié)水壓試驗(yàn)的壓力，避免膨脹節(jié)成為水壓試驗(yàn)時(shí)的短板，導(dǎo)致的整臺(tái)設(shè)備液壓試驗(yàn)值過小的問題。