高承壓大型板式熱交換器的研制

金雪梅, 朱海舟

(蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司,蘭州 730050,E-mail:jinxuemei0908@163.com)

可拆卸板式熱交換器其傳熱效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,維修簡單等的優(yōu)點(diǎn),是加熱、冷卻、熱回收等用途的優(yōu)良節(jié)能設(shè)備[1-2]。隨著城市飛速發(fā)展的需求,可拆卸板式熱交換器在集中供熱系統(tǒng)中已被大量采用。大型熱源廠、熱電廠等供熱源離城市供熱區(qū)域均比較遠(yuǎn),供熱半徑的覆蓋范圍越來越廣。長距離輸送的城市供熱管網(wǎng)直徑現(xiàn)已達(dá)到DN1400,繼續(xù)加大管徑進(jìn)行熱量輸送,必會帶來各種施工難度,面臨一系列的問題。所以,利用現(xiàn)有的管網(wǎng),增大供回水溫差,可以提高管網(wǎng)的輸送能力,但對隔壓換熱站(隔壓站)中板式熱交換器的要求就會越來越高。隔壓站用可拆卸板式熱交換器需要滿足高溫高壓、熱端流體大溫降、冷端流體大溫升的條件,其承壓能力和組裝面積隨著隔壓站參數(shù)的需求也在不斷增大[3]。

隔壓站用板式熱交換器的設(shè)計(jì)壓力普遍為2.5 MPa～3.0 MPa(NB/T 47004.1-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高設(shè)計(jì)壓力為3.0 MPa),單臺換熱面積普遍較大,達(dá)到了2 000 m2。未來設(shè)計(jì)壓力將達(dá)到3.0 MPa～4.0 MPa,單臺組裝面積將超過3 000 m2。本文就筆者參與研制的蘭石換熱某系列承壓能力更高、組裝面積更大、熱效率更高的大型隔壓站用板式熱交換器,從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等方面做了介紹,該板式熱交換器的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 研制的高承壓板式熱交換器參數(shù)

1 板型設(shè)計(jì)

1.1 板片局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

大型板式熱交換器由于板片的長和寬的尺寸較大,板面本身的不平度大,板片成型后有不同程度的翹曲和局部應(yīng)力集中。不同板型壓制過程中,板片原材料會發(fā)生收料不一致的問題,這不僅影響板片的成型精度,板片組裝后也會影響產(chǎn)品的密封性。板式熱交換器的板片是由介質(zhì)進(jìn)出口(角孔)、回流區(qū)、導(dǎo)流區(qū)、保護(hù)區(qū)、主傳熱區(qū)、泄漏糟、懸掛口幾部分組成[4],詳見圖1。

圖1 板片結(jié)構(gòu)

板片保護(hù)區(qū)的二道密封部位為承壓最薄弱的區(qū)域,它的結(jié)構(gòu)直接影響板片承壓能力。為提高承壓能力,一般是在二道密封區(qū)域點(diǎn)焊加強(qiáng)條。但由于這種結(jié)構(gòu)在熱交換器運(yùn)行時(shí)容易聚集污垢,尤其是在高溫高壓的情況下,板間流速高,運(yùn)行溫度高,該部位的污垢容易引起板片發(fā)生點(diǎn)腐蝕,造成板片穿孔。高承壓大型板式熱交換器板片設(shè)計(jì)時(shí),在二道密封區(qū)域,設(shè)計(jì)了兩道高為0.05 mm的加強(qiáng)筋,加強(qiáng)筋各部位圓滑過渡,既提高了密封槽剛性和板片的平整度,同時(shí)避免了板片在二道密封區(qū)域點(diǎn)焊加強(qiáng)條造成的板片污垢的聚集問題,提高了整機(jī)的承壓能力。板片二道密封槽波紋截面如圖2所示。

圖2 板片二道密封槽波紋截面

1.2 板片成型(強(qiáng)度)模擬分析

板片設(shè)計(jì)使用沖壓分析仿真軟件,對板片沖壓成型過程中的成型、起皺、回彈等方面進(jìn)行模擬分析(見圖3、圖4),通過補(bǔ)償技術(shù)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來保證成型后的平面度。分析結(jié)果表明:優(yōu)化后板片二道密封處的強(qiáng)度明顯增加,優(yōu)化后板片平整度較優(yōu)化前明顯改觀,板片平整度較好,精度更高。

圖3 板片減薄率分析云圖

圖4 板片成型性分析云圖

對板片模型進(jìn)行流場分析,通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示,板片模型的流速和壓力分布均勻,綜合性能較好,見圖5。

圖5 板片流場分析云圖

1.3 板片材料選擇

高承壓大型板式熱交換器主要應(yīng)用于隔壓站,介質(zhì)一般為水-水換熱。一般情況下,介質(zhì)中Cl-濃度小于200 mg/L時(shí),可選用316/316L或304/304L型不銹鋼。幾種不銹鋼在含氯離(Cl-)的水溶液中的適用條件見表2[5]。

表2 不銹鋼在含氯離(Cl-)的水溶液中的適用條件/(mg·L-1)

根據(jù)隔壓站所用介質(zhì)工況,選用成型性能和耐腐蝕性能較優(yōu)的ASME SA-240 316L[6]材料?？紤]到設(shè)計(jì)壓力為3.5 MPa,為了提高產(chǎn)品的承壓能力,板片厚度保守選用0.8 mm,材料硬度不能低于HB150。常規(guī)材料與研制產(chǎn)品板片的性能對比,見表3。

表3 常規(guī)材料與研制產(chǎn)品板片的性能對比

2 密封墊的設(shè)計(jì)

橡膠密封墊是板式熱交換器的核心零部件,決定了板式熱交換器的使用壽命。橡膠密封墊片的結(jié)構(gòu)和材料性能直接影響板式熱交換器的承壓能力。研制的某系列板型由于長寬比大,密封周長較長,又要承受高壓力,對墊片的要求較高。為此,我們對墊片截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),選用了密封性能更佳的線密封結(jié)構(gòu),墊片與板片連接采用鑲嵌墊結(jié)構(gòu)。 墊片材料選用了高硬度三元乙丙橡膠{7}。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,常規(guī)三元乙丙橡膠密封墊硬度為80IRHD,承壓能力極限在3.9 MPa左右,而高硬度三元乙丙橡膠密封墊硬度為90RHD,承壓能力更高。

利用軟件對橡膠墊片模型的力學(xué)特性進(jìn)行有限元分析,對橡膠密封墊片截面形狀和厚度以及摩擦系數(shù)與介質(zhì)壓力載荷(初壓和增壓)對密封性能的影響分析[8-10]。初壓縮后等效應(yīng)力云圖(圖6)、增大加壓后等效應(yīng)力云圖(圖7)和初壓縮后接觸應(yīng)力云圖(圖8) 、增大加壓后接觸應(yīng)力云圖(圖9)為其中一種密封墊截面初壓和增壓的分析對比情況。

圖6 初壓縮后等效應(yīng)力云圖

圖7 增大加壓后等效應(yīng)力云圖

圖8 初壓縮后接觸應(yīng)力云圖

圖9 增大加壓后接觸應(yīng)力云圖

分析表明,相同厚度的線密封截面、梯形截面、弧形截面,其厚度壓縮比相同,面積壓縮比隨著形狀變化而增大,接觸應(yīng)力大致相當(dāng)。即在保證有效密封的情況下,線密封截面的等效應(yīng)力最小,密封效果最佳。通過試驗(yàn),筆者推薦的設(shè)計(jì)(試驗(yàn))壓力和截面形狀對應(yīng)關(guān)系見表4。

表4 推薦設(shè)計(jì)(試驗(yàn))壓力和截面形狀對應(yīng)關(guān)系

3 框架設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

高承壓大型板式熱交換器由七大部件構(gòu)成,主要是帶墊板片(板片和密封墊組合)、固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板、拉桿、上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿和立柱,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖如圖10。

圖10 隔壓站用大型板式熱交換器結(jié)構(gòu)圖

高承壓大型板式熱交換器采用了大長寬比及大單板換熱面積的系列型產(chǎn)品,組裝板片數(shù)可達(dá)1 000片,有充足的換熱流道長度及換熱面積,實(shí)現(xiàn)了高溫高壓、熱端流體大溫降、冷端流體大溫升的換熱。因設(shè)計(jì)壓力3.5 MPa超出了NB/T47004.1-2017《板式熱交換器第1部分:可拆卸板式熱交換器》的范圍(≤3.0 MPa),參考該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

固、活壓緊板材料選用Q345B,應(yīng)有足夠的厚度,保證產(chǎn)品在高壓狀態(tài)下不發(fā)生可見變形;拉桿的材料(夾緊螺柱材料為35CrMoA)高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼并調(diào)質(zhì)處理;上、下導(dǎo)桿和立柱材料為Q235B,是框架穩(wěn)定的主要支撐件,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性[11-12]。因產(chǎn)品重心偏高,產(chǎn)品底部應(yīng)設(shè)置安裝底座,便于起吊、運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝。

3.2 應(yīng)力分析計(jì)算

3.2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

某系列高承壓大型板式熱交換器換熱面積大、板片數(shù)多、承壓高,其自身的凈重超過30噸,按照常規(guī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法不能完全滿足對框架剛性的校核?？紤]到產(chǎn)品的在框架組裝、水壓試驗(yàn)過程中由于框架剛性不夠會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象而變形。所以,對產(chǎn)品整機(jī)建模,用軟件進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算[13]。

內(nèi)部載荷:設(shè)計(jì)壓力、產(chǎn)品自重和充水重外載荷:接管載荷見表5。

表5 研制產(chǎn)品的接管載荷[4]

3.2.2 計(jì)算模型

用殼單元模擬固定壓緊板與活動(dòng)壓緊板,將板片質(zhì)量平均分配到固定壓緊板與活動(dòng)壓緊板上;用梁單元模擬上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿、立柱、拉桿。有限元模型見圖11。

圖11 有限元模型圖

3.2.3 板殼型構(gòu)件的評定限值

按照ASME B&PVC-Ⅷ-1 UG-23,板式熱交換器板殼型構(gòu)件的容許一次應(yīng)力限制如表6所示。

表6 板殼型構(gòu)件應(yīng)力限值

3.2.4 線型構(gòu)件的評定限值

按照ASME B&PVC-Ⅲ-NF,線型構(gòu)件的容許一次應(yīng)力限制及相關(guān)材料的應(yīng)力限值列于表7。

表7 線型構(gòu)件的容許一次應(yīng)力值[6]

3.2.5 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力評定[14]

按照ASME B&PVC-Ⅷ-1分卷的相關(guān)規(guī)定對產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)力評定。如果應(yīng)力計(jì)算值與規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值之比小于等于1,則設(shè)備應(yīng)力分析結(jié)果滿足規(guī)范要求。

通過計(jì)算,固定壓板、活動(dòng)壓板在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力結(jié)果見表8。

表8 固定壓板、活動(dòng)壓板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

評定結(jié)果表明該板式熱交換器在內(nèi)、外部載荷組合(設(shè)計(jì)壓力、接管載荷、自重和充水重)作用下滿足ASME規(guī)范的相關(guān)要求。

利用軟件對上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿進(jìn)行試驗(yàn)壓力下的穩(wěn)定性計(jì)算。經(jīng)計(jì)算,上導(dǎo)桿的第一階屈曲模態(tài)如圖12所示。上導(dǎo)桿的第一階屈曲載荷因子為3.3,大于1。下導(dǎo)桿的第一階屈曲模態(tài)如圖13所示。下導(dǎo)桿的第一階屈曲載荷因子為10.2,大于1,均滿足穩(wěn)定性要求。

圖12 上導(dǎo)桿第一階屈曲模態(tài)

圖13 下導(dǎo)桿第一階屈曲模態(tài)

4 制造和試驗(yàn)要求

4.1 制造

高承壓大型板式熱交換器的制造應(yīng)滿足圖紙、工藝、規(guī)程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(1) 板片

板片的精度直接影響產(chǎn)品的承壓能力和熱工性能,板片精度的控制是板式熱交換器制造的核心。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),越大型的板片,精度要求應(yīng)該越高,采用多缸壓機(jī)壓制大型板片,板片精度優(yōu)于單缸或雙缸壓機(jī)壓制的板片。因316L材料板片原材料表面有鈍化膜保護(hù),但由于化學(xué)侵蝕、或剪板、壓制過程中保護(hù)不當(dāng),產(chǎn)生機(jī)械損傷,表面鈍化膜被破壞,受到破壞的部位在這種高溫高壓的環(huán)境下更易產(chǎn)生局部應(yīng)力腐蝕[15]。所以,板片制造過程中,應(yīng)采取板片雙面貼膜進(jìn)行保護(hù),延長產(chǎn)品使用壽命。

(2) 密封墊

控制密封墊的厚度和硬度,硬度對承壓能力影響很大,硬度高,承壓能力越強(qiáng)。

(3) 上、下導(dǎo)桿

由于產(chǎn)品板片數(shù)較多,上下導(dǎo)桿應(yīng)有足夠的長度容納所需板片,并能夠在維修時(shí)輕松拆裝板片,導(dǎo)桿的長度會超過6 m,甚至更長,在加工制造過程中必須控制其直線度,保證板片定位準(zhǔn)確。

(4) 板片組裝

對于大型板片,板片的組裝是制造過程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)。因?yàn)榘迤蠖?上面覆有密封墊,組裝時(shí)需多人協(xié)作完成,以防止板片和密封墊的磕碰和劃傷。組裝過程中應(yīng)逐張檢查板面清潔度、密封墊的復(fù)位情況及有無其他夾雜物等,任何一點(diǎn)的疏忽都將會導(dǎo)致超高水壓試驗(yàn)的失敗。

4.2 水壓試驗(yàn)

為了充分驗(yàn)證某系列高承壓大型板式熱交換器的承壓能力和板片的耐壓極限,筆者編制了《高承壓大型板式熱交換器水壓試驗(yàn)操作規(guī)程》,規(guī)定了水壓試驗(yàn)的安全操作要求及試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)步驟等。對某系列樣機(jī)進(jìn)行了多次試驗(yàn),試驗(yàn)壓力從4.21 MPa開始,逐步上升,每次試驗(yàn)合格后上升0.1 MPa,單側(cè)循環(huán)試壓,直至產(chǎn)品發(fā)生泄漏。通過多次試驗(yàn),某系列樣機(jī)(板片數(shù)800片)兩側(cè)的試驗(yàn)壓力最高為4.81 MPa合格,對應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力為3.7 MPa。

5 結(jié)論

通過對某系列高承壓大型板式熱交換器的研制,說明了高承壓大型板式熱交換器的設(shè)計(jì)和制造不同于常規(guī)產(chǎn)品,設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)要充分考慮框架的剛度和穩(wěn)定性,加工制造過程中要保證細(xì)長桿的直線度,組裝過程中要檢查仔細(xì),大型板式熱交換器底部應(yīng)設(shè)置底座,在產(chǎn)品的組裝和調(diào)運(yùn)過程中對產(chǎn)品的穩(wěn)定性有很重要的作用。某系列高承壓大型板式熱交換器的研制成功,為高承壓領(lǐng)域熱交換設(shè)備的研發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障,說明國內(nèi)換熱器的生產(chǎn)正在逐步縮小與國外先進(jìn)水平的差距,中國板式熱交換器正在沿著大型化、國產(chǎn)化、高參數(shù)化方向不斷前進(jìn)[16]。

可拆卸板式熱交換器有其自身的缺陷,金屬板片之間安裝橡膠密封墊,橡膠密封墊通過夾緊螺柱和壓板的壓緊力實(shí)現(xiàn)密封。若組裝面積過大,板片數(shù)過多、壓力過高,其密封失效風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)會增加,不利于后期的檢維修。所以,筆者建議用戶在隔壓站設(shè)計(jì)初期,綜合考慮現(xiàn)場的情況,采用多臺并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)換熱需求,減小風(fēng)險(xiǎn)。