四殼程低溫換熱器的設計
李紅娜
天津津濱石化設備有限公司(天津市300271)

摘要:換熱器管程、殼程采用多程流動，可以提高流速，從而提高傳熱效率。通過設計實例，介紹了四殼程低溫換熱器的設計參數、材料選用、工作原理、結構設計、熱處理要求、無損檢測要求、水壓試驗等。
    關鍵詞:四殼程低溫換熱器   結構設計   管接頭   熱處理   無損檢測   水壓試驗
    煉油、化工裝置中換熱器占總設備量和設備投資的40%左右。在換熱器設備中，管殼式換熱器又是應用最為廣泛，使用量最大的換熱器型式。在管殼式換熱器中，管程、殼程采用多程流動，可以提高流速，從而提高傳熱效率。然而，管程容易實現多程流動，殼程卻因為結構上的原因，難以實現。所以，一般換熱器多采用單殼程或者雙殼程結構。2008年本公司承接的一臺低溫換熱器，是四殼程、四管程結構設計的低溫固定管板換熱器，這種設計的目的，是提高介質流速，從而提高總傳熱系數及換熱效率。
    1·四殼程低溫換熱器設計參數
    四殼程低溫換熱器設計參數見表1。

            
    2·材料選擇
    根據換熱器工作過程中的介質特性和工藝條件，以及設備在制造過程中的焊接性、工藝性，換熱器主要材料的選擇見表2。用于殼體的ooMnNIDR(厚度t)20mm)鋼板，按JB/T4730，3一2(X)5逐張進行超聲檢測，111級合格。

            
    受壓元件用材料需進行一45℃低溫沖擊試驗，試驗值如表3所示。

            
    3·換熱器程數分析
    從管殼程介質的流向，可以分析得出，管程介質沿換熱管長度方向流次數為4次，殼程介質在殼程內流經路線為4次，所以這臺換熱器為四管程四殼程換熱器。介質流向見圖1。

    
    4·四殼程結構設計
    換熱器殼程側有兩個介質進口、兩個介質出口，即兩進兩出的設計。由殼程及管程進出口溫度可以看出，本臺換熱器是進行冷卻用的低溫換熱器，對殼程介質的溫度要求較為嚴格，采用四殼程可提高殼程側介質流動速度，而且介質采用下進上出，使介質流動過程中流經的范圍更廣，與換熱管內的介質進行更加迅速而且全面的熱交換，提高了殼程側介質的利用率。
    由于該臺設備是固定管板式換熱器，換熱管、管板、殼體焊在一起。一般增加換熱器殼程程數的方式，就是在殼體內加分程隔板，把分程隔板焊接在殼體上，制造安裝時無法實現，所以分成隔板的固定就成為最大的問題。
    由圖1看出，該臺換熱器由折流板分隔成兩個獨立的腔，兩個腔體各自折流，實現介質的熱交換。以其中一個為例進行說明:在進口和出口中心線位置設置一塊圓形折流板，起到分流作用，折流板上焊接防沖板，以減少介質的不均勻分布和對換熱管的沖蝕。在折流板兩邊設備中心線位置各設置一塊隔板，其具體固定如下:
    (l)隔板與折流板角焊縫焊接牢固(見圖2);
    (2)在盡可能靠近殼體內壁的位置設置兩根拉桿，把隔板兩邊焊接在拉桿上(見圖3)，這樣隔板就有三面焊接，牢牢地固定在殼體中心，起到了分程的作用;
    (3)拉桿的固定:由于最后一塊折流板位于進出口接管中心線上，與隔板焊接的兩根拉桿太長，針對這一問題，在最后一塊隔板右側焊接一塊支撐板(見圖4)用于固定這兩根拉桿，支撐板詳圖見圖5。

            
    5·換熱管與管板的連接
    換熱管與管板連接的質量是換熱器質量的重要標志，換熱器的失效絕大多數集中在管接頭上，因此合理選用安全可靠的管接頭型式，使用相應的加工設備與技術是換熱器制造技術的關鍵。
    本設備采用強度焊加貼脹的連接方式(見圖6)，既滿足強度及密封性的要求，又避免設備在工作中承受振動、疲勞以及間隙腐蝕等的影響。具體要求如下:換熱管與管板的連接采用氫弧焊打底兩道強度焊加貼脹。輕脹定位后氫弧焊打底焊，隨后100%滲透檢測，合格后以壓力為0.05MPa壓縮空氣檢漏;合格后施行第二道氫弧焊，完成后再進行表面100%滲透檢測，按JB/T4750.5一20051級合格;最后貼脹，開始貼脹出于焊接接頭距離必須)15mm。

           
    6·強度計算
    設備的筒體、封頭、管板、設備法蘭、開孔補強等強度計算依據GB150一1998，GB151一1999進行，根據sw6一98《壓力容器強度設計軟件包》計算結果，確定各部件的計算厚度和名義厚度。
    7·熱處理要求
    焊后熱處理的目的是消除殘余應力，改善焊接接頭的塑性和韌性，恢復冷作時的預應變和時效喪失的性能，以減少應力腐蝕傾向。由于本臺設備為低溫換熱器，為了降低設備在低溫條件下的脆斷傾向，設備進行整體熱處理。
    8·無損檢測要求(見表3)
    對接接頭進行100%無損檢測的容器筒節上的其它承壓焊縫，以及附件和承壓部件之間的焊縫檢測，應符合下列要求:
    (l)吊耳的焊縫須進行磁粉檢測;
    (2)承壓焊縫應進行超聲檢測，采用縱波或橫波方式;
    (3)所有附件與除碳鋼材料之外的承壓部件之間的焊縫，應進行磁粉檢測。

            
    9·水壓試驗要求
    換熱器的水壓試驗，一般應包括:
    (l)換熱管與管板接頭的試壓:換熱器的壽命及事故的發生往往在于連接接頭的失效，故通過連接接頭的試壓以保證接頭的可靠性尤為重要。當殼程水壓試驗壓力大于管程時，按殼程壓力試壓;反之，當殼程水壓試驗壓力小于管程時，按管程壓力試壓。
    (2)殼程試壓。
    (3)管程試壓。
    由于本設備管程水壓試驗壓力為4.5MPa，遠遠高于殼程的2.625MPa，假如按管程試驗壓力對管接頭進行水壓試驗，殼程筒體、管板等受壓元件勢必承受不了在此壓力下的強度及密封性能要求。增加殼體及管板厚度在經濟上并不合理，由此采用按照殼程試驗壓力進行水壓試驗，然后在殼程用氨滲漏進行補充性試驗。
    按照HG20584一1998附錄A《壓力容器氨滲漏試驗方法》，選用充人1%(體積)氨氣法(C法)，具體方法如下:在容器內通人含氨體積分數約為1%的壓縮空氣，試驗壓力為設計壓力的1.05倍，即2.205MPa，試驗時壓力應緩慢上升，達到試驗壓力后保壓romin，將檢漏試紙預先敷在待檢表面，然后降至設計壓力，觀察試紙是否變色，如無變色，證明設備無滲漏。
    10·結束語
    該設備在按照標準及圖紙要求制造完成后，且接受勞動局鍋爐壓力容器檢驗部門和第三方監督檢驗，各項檢驗項目檢查結果均達到驗收合格，為同類產品設計提供了參考經驗。(編輯：蘇德中)