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摘要：换热器是炼油、化工行业生产中的重要设备，针对双管板U型换热器的设计实例，对设计过程中换热器结构、型式、选材、强度计算及检验进行介绍。
关键词：换热器 双管板 设计 检验
引言：
换热器作为一类重要的化工特种设备，被广泛应用于炼油、化工行业中，据统计，换热器占总设备量和设备投资的40%左右【1】。换热器的主要作用是维持或改变介质的操作温度或相态，从而使热量在不同温度的介质之间进行传递，以达到工艺操作的要求。换热器结构型式有很多种，虽然管壳式换热器在传热效率、结构紧凑性等方面不如一些新型高效紧凑式换热器，但它具有明显的特点，即结构紧固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便、且能承受较高的操作压力和温度，使其成为目前使用最广泛的类型。根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类。
本文将结合某项目中一具体的双管板U形换热器的设计，对换热器的选型、选材、排管方式、折流板形式等进行介绍。如图1所示：
换热器结构形式的选择
U形管式换热器在换热器中是唯一适用于适用于高温、高压和高温差的换热器。U形管式换热器具有以下优点【2】：
（1）.U形管尾端可以自由浮动，无须考虑温差应力，可用于高温差的场合；
（2）.只有一块管板，法兰数量少，结构简单且泄漏点少，制造成本低；
（3）.可以进行抽芯清洗。
综上，本设备应选用U形管式结构。同时，考虑介质影响，为了禁止管壳程介质混合，产生强腐蚀性的盐酸或次氯酸，对设备造成更严重的腐蚀，本设备采用双管板结构。
设备详细设计
换热器材质选择
（1）.换热器受压元件用钢应同时考虑容器的使用条件（设计温度、设计压力、介质特性和操作特点等）、材料的性能（力学性能、工艺性能、化学性能和物理性能）、容器的制造工艺、经济合理性（材料的价格、制造费用）以及设计使用寿命。
（2）.换热器受压元件的钢号及其标准、附加技术要求、限定范围（压力和温度等）及许用应力、无损检测等均应符合GB150.2-2011及其附录的规定。
（3）管板与换热管的材质需要有一定的硬度差，一般管板比换热管硬度高HB20-HB30.最好是采用强度等级较高的材料作管板，强度等级较低的材料作换热管【3】。
综上，本设备所用钢板材料选择09MnNiDR;换热管材质选用09MnD;管板及设备法兰材质选用09MnNiD,锻件级别为III级。
换热器管箱结构设计
换热器的前段管箱宜设计成如图2所示的封头管箱结构，此结构明显的优点是：制造简单，造价较低，便于换热器管箱污垢的清理，且安全性较高。
2.3 管板、换热管、折流板设计
2.3.1 管板厚度计算
在双管板换热器中，换热管的端部的管板成为外管板，在距换热管端部较近位置的管板成为内管板。本设备的内外管板结构形式均为GB151中的a型，即，管板通过螺柱、垫片与壳体法兰和管箱法兰连接。通过对管板中心径向力、边缘处径向力、法兰力矩、换热管轴向应力等综合校核【1】，得出管板名义厚度为82mm，考虑结构尺寸，外管板名义厚度取82mm，外管板名义厚度取97mm。如图3所示：
图3 管板结构示意
2.3.2换热管排列形式设计：
换热管常用的排列形式有，三角形和正方形。三角形排列的管外不易清洗，适应于壳程介质较清洁，不易结垢且换热管外不需要清洗的固定管板换热器；正方形排列便于管外清洗，一般多用于需对换热管外进行清洗的浮头式换热器或U形管式换热器。本设备换热管选用正方形排列，如图4所示:
图4 换热管排列示意图
2.3.3 换热管与管板的连接：
换热管与管板的连接方式有胀接、焊接、胀焊并用等型式。对于双管板结构，换热管与外管板宜采用强度焊或强度胀，换热管与内管板宜采用强度胀。本设备换热管与外管板采用强度焊+贴胀，换热管与内管板采用强度胀，如图5所示：
图5 换热管与管板连接形式
2.3.4 折流板设计：
设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，以改善传热，同时减少结垢。折流板常用形式有单弓形、双弓形、三弓形及圆盘-圆环形等。单弓形折流板为最常见的形式，其形式简单，但压降较大；当壳程介质流量较大时宜采用双弓形折流板，因流体分为两股流动，在折流板之间的流速相同时，其间距只有单弓形的一半，不仅减少传热死区，而且提高传热效率【2】。 本设备折流板选用双弓形，如图6所示：
图6 折流板排列形式
制造、检验与验收
为确保换热器安全、可靠的运行，应对设备的制造及成品按相关标准规范进行检验与验收，合格后方可投入使用。
3.1热处理
GB/T 151规定，碳素钢、低合金钢制的管箱，焊有分程隔板时，应进行消除应力热处理。故，此设备的管箱应进行消除应力热处理，管箱法兰及隔板的密封面热处理后进行精加工。
3.2检验与验收
（1）材料的检验和验收
09MnNiDR钢板符合GB3531-2014的规定，正火状态供货，并进行-70℃的夏比V型缺口冲击试验，3个标准试样冲击功平均值KV2≥60J，允许1个试样的冲击功数值低于60J,但不得低于42J；09MnD换热管符合GB150.2-2011附录A及GB9948-2013的规定，正火状态供货，并进行-50℃的夏比V型缺口冲击试验，3个标准试样冲击功平均值KV2≥47J，允许1个试样的冲击功数值低于47J,但不得低于33J； 09MnNiD管板锻件符合NB/T47009-2010中规定的Ⅲ级进行制造、检验和验收，并进行-70℃的夏比V型缺口冲击试验，3个标准试样冲击功平均值KV2≥60J，允许1个试样的冲击功数值低于60J,但不得低于42J。
（2）焊接接头的检验和验收
无损检测的方法有多种，主要有射线、超声、磁粉、渗透、涡流、泄漏、目视、声发射、漏磁等检测方法【5】。为提高检测结果的可靠性，应根据设备的材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式及预计可能产生的缺陷种类、形状、部位和取向，选择合适的无损检测方法。本设备管壳程A、B类焊缝，按照标准NB/T47013.2-2015,进行100%射线检测，II级为合格，技术等级为AB级；C、D、E类焊缝按照标准NB/T47013.4-2015,进行100%磁粉检测，I级为合格【6】。
3.3压力试验
水压试验压力值为：壳程1.55MPa，管程3.32MPa。
由于管程试验压力高于壳程试验压力，需要考虑管接头的试压，对设备各元件强度、密封性及经济性的综合考虑，水压试验合格后，对壳程增加氨渗漏试验，按照NB/T 47013.8-2012附录G中的G.2.3的方法，检查换热管与管板焊接接头【3】。
4. 结束语
设计换热器时，通过对设备的使用条件，材料的性能，容器的制造、检验和验收，以及经济合理性等各个环节的综合考虑，选择合适的换热器结构型式、合适的材料、可行的制造检验工艺，确保安全的前提下，设计出既符合工艺要求又节省成本的换热器。
参考文献
压力容器设计工程师培训教程. 全国锅炉压力容器标准化技术委员会. 北京: 新华出版社.
过程设备设计. 第二版 北京: 化学工业出版社
GB/T 151-2014 热交换器 国家质量监督检验检疫总局
GB 150.1~150.4-2011 压力容器 国家质量监督检验检疫总局
NB/T 47013-2015 承压设备无损检测 国家能源局
TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程 国家质量监督检验检疫总局
论文作者:刘雪冰,岳冬冬,邱梅唤
论文发表刊物:《电力设备》2016年第15期
论文发表时间:2016/11/7
标签：换热器论文; 热管论文; 设备论文; 结构论文; 弓形论文; 试样论文; 介质论文; 《电力设备》2016年第15期论文;