摘要：近些来，在整个换热器的市场中，各种板式换热器的竞争力逐步提升，然而管壳式换热器依然以65%的市场占有率成为换热器市场的绝对主力。根据最新的研究成果表明，基于高效换热器和新型换热器原件为主的列管式换热器成为目前研究的重点，这可以从换热器的传热管件和壳程的折流结构获得显著的变化看出。本文就对管壳式换热器维修改造进行分析。
关键词：管壳式换热器；维修；改造
在经济水平飞速发展的当今社会，人们开始更多地关注生活上各个细节的品质，也越来越需要更充裕更加便捷的热能提供方式，因而如何进行管壳式换热器的提高和完善就成了当前生产生活中首先应该解决的重要问题，目前各国为改善该换热器的传热性性能展开了大量的研究。
1管壳式换热器简介
管壳式换热器（shellandtubeheatexchanger）又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
2管壳式换热器分类
管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等。前3种应用比较普遍。因此我们对前三种换热器进行简单的介绍。
2.1固定管板式换热器
固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。
固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。
2.2浮头式换热器
浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。
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2.3U型管式换热器
因其换热管成U形而得名。U形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。
U型换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。
3管壳式换热器常见问题与维护检修
3.1对于固定管板式换热器，堵管多了影响传热面积，必须进行换管，首先利用拔管专用工具将泄漏的管子拔出。需要说明的是拔管专用工具有各种不同的形型式，如液压推进式、螺纹拉力式。在检修中不管用什么型式的拔管器，但必须保证管板的完整，不能破坏管板上的胀管槽和周围的换热管。管子拔出后，对管板孔、折流板孔进行清理，测量管板孔和折流板的中心线是否偏斜，再进行穿管，并用丙酮、酒精清理好管板的胀焊部位，换管后的焊接一定用氩弧焊，保证管板的不变形。管板上管孔直径的允许偏差要在规定的范围内。
3.2换热器管子泄漏是管壳式换热器最常见的故障之一，泄漏一般采用堵管的方法。首先坼开换热器的封头，采用充水、充气或用液氨渗透的方法检查泄漏的管子部位，再加工管子堵头，一般加工成有锥度的楔状堵头，有的是堵后焊接，根据管子在管板上布置的形式，堵后不应焊接，因为焊接时，管子局部受热就容易使周围的管子和管板处也同时受热，从而对管子有一种拉脱的作用，造成周围的列管也松动，在运行中很可能产生泄漏。现在采用的是用手枪式射堵头工具，一次最大可产生10MPa的压力，把堵头打到泄漏的管子上，待有机会可把堵头拿下时才更换新的管子。所以，堵管时，一定要选好材质，原则上堵头应和管子的材质相同，以防产生电化学反应。
4管壳式换热器改造建议
4.1首先要根据设计准则，准确计算出管板中的弹性应力，采用结构力学中的“力法”强化管板强度分析，将各个部件之间的基本未知量列出来，给出每个部件之间内力素关系式，充分考虑其变形协调条件，组成一个变形协调方程组，进行就可以准确地得到管板内的应力，同时，根据计算结果，优化材料方面的设计，如经常所用到的普通钢板、低炭钢、或者是锻造管板来制造，在实际选择时，一定要根据相关要求，选择最为合理的材料，避免换热介质的腐蚀，并且满足机械应力增加以及热应力增加的需求，保证其良好的坚固强度与稳定性能。
4.2提高管壳式换热器传热能力，管壳式换热器的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热介质的对数平温差决定的。冷、热介质平均对数温差除直接受冷、热介质进出口温度影响外，还受到冷、热介质的流动方向和换热流程的影响。因此，合理的结构设计也能提高换热器传热能力。常见的措施有：一，对管程，介质流入方向与换热管方向一致时，在进口处增设防冲挡板，一方面能有效的防止介质对管头的冲刷，另一方面能让介质更加均匀的分布到换热管中。二，对壳程，布管数和直流板数都已确定时，适当的增加一些防短路结构比如：挡管和中间挡板，这些也能提高壳程内介质的湍流程度，从而提高传热系数。
4.3有限元件分析，由于管板与壳体相连接，所以必须要进行管板强度计算，将所有的元件作为一个整体，进行具体的分析，计算出垫片力与螺栓力，避免法兰与管板部分发生泄漏，使得管板的应力计算更为精确，优化管板强度计算，并且以弹性力学的经典理论为参照，计算出开孔区的当量压力。另外，对于折流板间距的控制，要求其间距小，使得通道面积减小，从而加快流速，强化换热效果，提高传热效果；要根据设计要求，增加管程数，提高对管程介质的换热，确定合理的壳体分程，确保档管或档板等防短路结构的科学设置，针对不同介质及换热工况，还可采用特殊换热管，采用合适的导流形式避免死角，提高换热效果，优化使壳体介质的流动效果。
结束语：
管壳式换热器应用广泛，不管新型换热器如何发展，管壳式换热器仍以它自身的独特的优势在石油、化工、炼油、核能等行业有不可取代的地位。在今后的研究中，在管程和壳程传热面的强化传热方面，以及应用领域的扩展、新材料的选用以及抗震、反腐等方面是管壳式换热器设计、生产、使用方主要注重的方向。为满足节能、环保、低耗、高效的要求传热效率高，加工制造工艺简单和安装维修方便易行、占地面积小等特点将是今后管壳式换热器的研制方向。
参考文献：
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[3]管壳式换热器的腐蚀及防治措施[J].陈永刚.新疆有色金属.2014(S2)
[4]管壳式换热器设计的几个问题[J].解小銮.石油和化工设备.2014(06)
论文作者:王阳
论文发表刊物:《防护工程》2017年第33期
论文发表时间:2018/3/23
标签：换热器论文; 管壳论文; 壳体论文; 介质论文; 流体论文; 换热论文; 结构论文; 《防护工程》2017年第33期论文;