淺談固定管板式換熱器旁路擋板的設(shè)置

張黨飛* 張永芳

（西安航天華威化工生物工程有限公司）

0 前言

2019 年，西安航天華威生物工程有限公司為某化工廠（使用單位）設(shè)計(jì)、加工、制造了一臺(tái)反應(yīng)器進(jìn)料預(yù)熱器設(shè)備，并如期交付使用。使用單位反饋，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，該換熱器換熱效果未能達(dá)到預(yù)期的工藝設(shè)計(jì)效果。雖然不影響整個(gè)工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但對(duì)于該情況，使用單位還是委托該公司配合排查分析原因，以避免后續(xù)二期工程出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。

反應(yīng)器進(jìn)料預(yù)熱器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 反應(yīng)器進(jìn)料預(yù)熱器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

殼程主要參數(shù)如下：筒體外形尺寸為DN 600 mm×8 mm，長(zhǎng)度為1 171 mm, 膨脹節(jié)型號(hào)為 ZDL(Ⅲ)U700-2.5-1×10×1。

管程的主要參數(shù)如下：管板外形尺寸為 860 mm×62 mm，換熱管規(guī)格為 45 mm ×3 mm ×1 500 mm，換熱管中心距為57 mm，管板孔直徑為45.50 mm。

1 技術(shù)原因分析

通過(guò)對(duì)設(shè)備技術(shù)條件進(jìn)行分析后可知，設(shè)備結(jié)構(gòu)清晰，也并不復(fù)雜，設(shè)計(jì)壓力不高，但設(shè)計(jì)溫度相對(duì)比較高，該設(shè)備為普通固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。該公司常年從事壓力容器設(shè)計(jì)制造加工工作，有豐富的加工、制造經(jīng)驗(yàn)，并在國(guó)內(nèi)外均有良好的口碑。因此該公司十分重視本次事件，并著手從設(shè)計(jì)、工藝、加工制造及最終檢驗(yàn)出廠等環(huán)節(jié)進(jìn)行全面排查。

圖1 設(shè)備總裝簡(jiǎn)圖

設(shè)計(jì)時(shí)所引用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均符合現(xiàn)行相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度計(jì)算軟件取得國(guó)家認(rèn)可；工序安排合理，無(wú)損檢測(cè)要求滿足設(shè)計(jì)要求且符合現(xiàn)行相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)也可以排除加工中的較大錯(cuò)誤，零部件的加工制造、最終的耐壓試驗(yàn)均滿足設(shè)計(jì)圖紙、工藝要求；設(shè)備的檢驗(yàn)出廠在滿足國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外也滿足行業(yè)相關(guān)規(guī)定。

此外，在進(jìn)一步的詳細(xì)排查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員增設(shè)的旁路擋板與原工藝條件圖不一致，其余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均與原工藝條件圖要求一致。根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)中6.3.8 條“防短路結(jié)構(gòu)”中規(guī)定：（1）當(dāng)短路寬度超過(guò)16mm時(shí)，應(yīng)設(shè)置防短路結(jié)構(gòu)；（2）兩折流板缺口間距小于6個(gè)管心距時(shí)，管束外圍設(shè)置一對(duì)旁路擋板；（3）超過(guò)6個(gè)管心距時(shí)，每增加5～7個(gè)管心距增設(shè)一對(duì)旁路擋板（如圖2所示）；（4）旁路擋板應(yīng)與折流板焊接牢固；（5）旁路擋板的厚度可取與折流板相同的厚度。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)中旁路擋板布置圖

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)了旁路擋板（如圖3 所示），以防止設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

圖3 設(shè)備增設(shè)旁路擋板圖（單位：mm）

2 其他原因分析

為了徹底排除外部因素的影響，與使用單位溝通后，使用單位對(duì)設(shè)備使用流程、工況及工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)核查，設(shè)備情況完全符合前期工藝計(jì)算的相關(guān)參數(shù)，同時(shí)也排除了操作人員違規(guī)操作或者誤操作的情況。

與設(shè)計(jì)院工藝技術(shù)人員進(jìn)行溝通了解后可知，工藝技術(shù)人員在進(jìn)行相關(guān)工藝計(jì)算，提出設(shè)備工藝條件圖時(shí)，已經(jīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用情況，對(duì)旁路擋板的設(shè)置情況進(jìn)行了考慮。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果可知不需要額外增設(shè)旁路擋板，因此在提供最終設(shè)備條件圖時(shí)，沒(méi)有加設(shè)旁路擋板。

3 需考慮的因素

換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，旁路擋板的設(shè)置情況、需要的數(shù)量以及安裝位置等設(shè)計(jì)一般應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)因素：

（1）臥式、左右缺邊折流板換熱器，殼程物料從旁路短路的可能性較大，應(yīng)根據(jù)需要來(lái)考慮是否安裝旁路擋板；

（2）只有當(dāng)殼程物料的給熱系數(shù)起控制作用時(shí)，安裝旁路擋板才能顯著提高總傳熱系數(shù)；

（3）旁路面積與殼程流通面積之比越大，旁路泄漏量就越大，安裝旁路擋板的效果也越顯著。在較小直徑（DN ≤400 mm）管道中安裝旁路擋板比在較大的殼體直徑中更加有效；

（4）旁路擋板超過(guò)一定數(shù)量后，對(duì)提高傳熱系數(shù)的作用下降顯著，而對(duì)壓力降的影響增加。

旁路擋板每側(cè)設(shè)置數(shù)量選取規(guī)則如下：（1）公稱直徑不大于500 mm 時(shí)，設(shè)置1 塊；（2）公稱直徑不小于1 000 mm 時(shí)，至少設(shè)置3 塊，最多設(shè)置4 塊；（3）公稱直徑在二者之間時(shí)設(shè)置2 塊。

應(yīng)綜合考慮以上因素，并進(jìn)行計(jì)算和比較，再確定旁路擋板的安裝情況。

為了防止管束外邊緣旁路發(fā)生縱向短路，旁路擋板可采用鋼板或者扁鋼制成，嵌入折流板的槽內(nèi)，并點(diǎn)焊在每一塊折流板上，相鄰旁路擋板間距一般為100～200 mm。

4 對(duì)比論證

2020 年，該化工廠二期如期開(kāi)建，在這臺(tái)反應(yīng)器進(jìn)料預(yù)熱器的再次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員吸取了之前的經(jīng)驗(yàn)，完全按照設(shè)計(jì)院提供的工藝條件圖進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，沒(méi)有再增設(shè)旁路擋板，如圖4 所示。

圖4 折流板未設(shè)旁路擋板圖（單位：mm）

截止到目前為止，從設(shè)備交付現(xiàn)場(chǎng)，安裝完成，直至整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試完成及正常運(yùn)行幾個(gè)月后，該設(shè)備換熱效果達(dá)到了預(yù)期的工藝設(shè)計(jì)效果，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好。

5 結(jié)論

在換熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)備設(shè)計(jì)人員時(shí)常會(huì)遇到是否需要增設(shè)旁路擋板的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例進(jìn)行分析后可知，旁路擋板的設(shè)置情況、數(shù)量以及安裝位置等，應(yīng)根據(jù)使用條件及工藝計(jì)算來(lái)確定。同時(shí)，設(shè)備設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)事先與工藝計(jì)算人員進(jìn)行溝通，以免造成誤解，影響設(shè)備正常運(yùn)行。