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双管板换热器的设计应用

点击:2242 日期:[ 2014-04-26 21:36:09 ]
                           双管板换热器的设计应用                                  李 宁               (佛山市化机设备工程有限公司,广东佛山 528031)     摘要:从用途、结构及设计制造等方面论述了双管板换热器需要注意的一些问题,并同单管板换热器进行了简单对比。结果表明,双管板换热器管程、壳程间泄漏量会更少且受力状况也更好。     关键词:换热器;双管板;制造;应用     中图分类号: TE 965; TQ 050.3    文献标志码: B     文章编号: 1000-7466(2010)04-0074-04     在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业中,换热器是一种实现物料之间热量传递而被普遍应用的工艺设备。在生产中为了防腐蚀、防污垢,或出于工艺和劳动保护、安全等方面的要求,一些换热设备常采用双管板结构来解决问题。在某些特殊要求的工艺场合,双管板换热器作为比单管板换器更可靠的换热器结构形式,可以更好地推广应用。但首要前提是其制造的质量问题,尤其是换热管的质量,以保证双管板换热器在使用中不出现换热管壁破裂的情况。     双管板换热器典型结构示意图见图1。图1中,换热管的端部有1块管板,称为外侧管板,也就是管程管板,兼作设备法兰,其分别与换热管及管箱法兰相连接。在距换热管端部比较近的位置还有1块管板,称为内侧管板,也就是壳程管板,其分别与换热管及壳程相连接。外侧管板与内侧管板之间有一定的距离,这部分空间可以用一个短节跟外界隔离,组成一个不承受压力的隔离腔,也可以是敞开结构。                     1 双管板换热器应用场合[1,2]     (1)换热器两程之间介质混合后会产生严重后果的场合:①有腐蚀及有毒的场合。管侧与壳侧的流体不接触时不会产生腐蚀或中毒现象,但当管、壳程的两种流体相混合后会引起严重腐蚀或中毒。②防爆场合。当管、壳程两种流体相混(接触)后,会引起燃烧及爆炸。③对设备造成污垢的场合。当管、壳程两种流体相混合,会形成如树脂状物质或聚合物。④有不良化学反应的场合。在管、壳程两种流体接触后,使一种化学反应受到限制或不产生反应或者产生不良反应,污染产品,使产品质量下降。(2)管、壳程间介质压差很大的场合。设计时在内外管板之间的空腔中加入一种介质,来减小管、壳程间介质的压差,这是采用双管板结构型式的主要目的。     2 双管板换热器的相关计算     对于普通双管板结构,钻孔产生的错位以及受到工作温度的影响,将通过两管板之间适当的间距来控制。在换热管产生偏移的情况下,不仅要保证换热管强度,且不能影响换热管与管板连接处的紧密性。2块管板间隙G可通过下式计算[3]:          式中,d0为换热管外径,Δ为换热管的偏移, DOTL为最外圈换热管的外切圆直径,mm;E为换热管的弹性模量,σs为换热管的屈服强度,MPa;t2为管程管板的温度, t1为壳程管板的温度, t0为制造环境的温度。℃;αt为管程管板的线膨胀系数,αs为壳程管板的线膨胀系数,1/℃。     由上式可见,对于某一换热器而言,当管子的中心距和排列方式确定后,最外圈换热管的外切圆尺寸就一定,按照上式就能算出间隙G值。中心距的大小按照壳程管板与管子连接方式的不同而不同,采用强度胀接时的中心距可以参照GB 151-1999《管壳式换热器》中的有关规定[4]。当管板与管子采用焊接时,换热管中心距需要加大,否则因焊条角度不合适将难以焊接,甚至无法焊接,焊接质量也更是无从谈起。双管板换热器的壳程管板与管子焊接后会使管子的中心距增加,从而使设备的直径加大,成本有所增加。但其优势也很突出,特别是设备投入使用后,下管板与管束采用焊接的易于检修,而采用胀接的基本上无法检修。     化工生产中的设备投资多是一次性,其性能如何将直接影响到整个装置能否长周期运行。因此,笔者建议在双管板换热器的下管板与管束能采用焊接时应尽量采用焊接,特别是在间隙G不是很大的情况下,胀焊并用后使用效果更佳。     3·双管板换热器的制造     双管板换热器制造过程中,关键要控制4块管板的同轴度、平行度、扭曲度及其与壳体轴线的垂直度,从而提高整个设备的制造质量、保障换热管与管板的连接性能以及确保壳程侧管板与换热管连接的拉脱力和密封性检验。     3.1 壳体     严格控制有关几何尺寸和方位。错边量、棱角度、无损检测、周长、圆度和直线度按文献[4]规定执行,壳体长度按图样规定。检查壳体两端面平行度与壳体轴线的垂直度,在两端面标出对称的十字中心线,且两端面中心线的连线(方位线)平行于壳体的轴线(该标记线是组对双管板的基准之一)。用与折流板外径相等的圆盘模板工装预先检测壳体的内径与直线度,以确保折流板外径和壳体内壁有一定的间隙,使管束能顺利地装入壳体。     3.2 管板及折流板     采用数控钻床钻孔,严格控制管孔直径、垂直度及管孔间距。为便于穿管,管板和折流板的钻孔方向应与穿管方向保持一致。按图样和文献[4]规定对单块管板的管孔进行检验,特别是内侧管板管孔内不允许存在贯通性的螺旋形或纵向条痕。     将2组双管板分别按钻孔方向叠置后找同心,用换热管逐孔预穿。将折流板叠置钻孔,按钻孔方向逐块做顺序号和正、反面的标记。每块折流板正、反面的管孔均要仔细倒角,清除毛刺以防止穿管时损伤管子的外表面。把双管板和折流板按钻孔的方向顺序叠置,用换热管逐孔预穿。     3.3 双管板预装     清除管孔内和管板面的毛刺、铁屑、锈斑及油污等影响胀接质量的异物。将每组双管板用定位筋板连接成一个整体,调整每组双管板的同轴度、平行度和扭曲度,用换热管逐孔预穿之后,按焊接工艺分别固定焊成2组双管板。     3.4 壳程管板与换热管的连接     换热管与管板的连接是制造过程中最重要的环节,该部位也是在使用过程中最容易出现问题的部位,失效绝大多数集中在换热器与管板的连接接头上。因此,应合理选用安全可靠的换热器与管板的连接接头型式。目前国内设计、制造此类设备的下管板与管束的连接方式基本上都是采用强度胀接。但在实际使用中一旦产生应力松弛,常在此部位引发泄漏,而且无法修复;影响设备的正常运行。制造过程中需要注意的要点如下。     (1)双管板间距 管板与管板之间形成了一个单独的腔,腔内不承受介质压力,但承受设备的机械载荷与热载荷。隔离腔的承载能力主要取决于双管板间距。当进行壳程水压试验时,内侧管板与换热管连接处可能存在泄漏,故在确定双管板间距时必须考虑观察、检漏所需要的最小空间,且距离不宜过大,否则会给胀管器的设计和制造带来一定的困难。     (2)管子与管板宜有一定的硬度差 要求管板硬度比换热管的硬度高出一些,一般要求换热管的硬度比管板的硬度小30HB左右。当管子和管板采用同一材质时,换热管应进行管端软化退火处理。当有应力腐蚀要求时,应整根进行软化处理。特殊情况下,不能用管端局部退火的方式来降低管子硬度时,这一硬度差很难达到,胀接质量也就难以保证。     (3)内侧管板管孔的胀管槽尺寸要适当 内侧管板与换热管的连接质量是双管板结构换热器制造的关键,而拉脱力与密封性能是衡量接头连接质量的主要指标。     (4)管板厚度 采用胀接时,实际管板的厚度是考虑到管板与换热管连接结构确定的,如果计算管板厚度小,为了满足结构需要,尽可能增厚至满足结构设计和制造以及胀接的要求。用于易燃、易爆及有毒介质工况时,管板厚度应不小于换热管的外径。这在压力不高、直径较小、管板计算厚度较薄时显然增加了设备的成本,至于复合管板的厚度更是高于采用焊接时的要求。     (5)强度胀接时管子外径和管孔内径之间的配合应为过紧配合 在这种情况下,管子外径尺寸的精度和管孔的精度都需要提高,安装4块管板的同轴度、平行度、扭曲度及其与壳体轴线的垂直度要求都要高。为此,要严格控制可能影响双管板同轴度、平行度、扭曲度及胀接质量的各种因素,尽量采用工装和预装、预穿及预试验的方法,这样极大增加了制造安装的难度。     (6)严格执行胀接工艺 强度胀接完全靠试胀或经验,造成的结果是容易使管子产生过胀,严重时只能重新制造,造成材料的损失、工时的浪费。强度焊接时,有合格的焊工及严格的工艺规程,焊接质量易于保证,即使不合格也方便返修。     (7)制造程序 内管板的胀接质量特别重要,内部管板胀好后,需进行试压,确保无泄漏后再进行外管板焊接。胀接前,先对换热管及管板孔进行随机测量,计算出胀管率,然后在胀接前10几个孔的时候,测量出管子胀后变形数据,再校验胀接系数。除了须进行水压试验外,还要进行氨泄漏试验。     (8)管桥尺寸要控制得当 间隙太窄,自动焊完成不了,焊条电弧焊也焊不透,质量无法保证。试压渗漏再补非常麻烦,不仅外表难看,还无法得到应有的熔深。     3.5 管程管板与换热管连接     管程管板与换热管连接可以根据具体情况来选择连接的结构,与单管板换热器管板与换热管的连接无区别。双管板换热器设计要求采取强度焊+强度胀,推荐采用液压胀管法。目前国内大多数制造商没有液压胀管设备,即使有,由于液压胀头购置费用高并且损耗大(平均胀100多个管口,要换一个液压胀头)。液压胀头一次性使用,不能修复,因而很少采用液压胀管法制造换热器。以往制造的双管板换热器都是采用机械胀管的方法,经过现场安装后耐压实验和一年多的使用表明,双管板换热器采用机械胀管法制造可以满足要求。若采用强度焊+贴胀结构,根据焊接工艺要求,采用氩弧焊,先焊接第1层,然后采用氩弧焊再焊接第2层,进行100%PT表面检查,按照JB/T 4730.1~4730.6—2005《承压设备无损检测》进行,Ⅰ级合格[11]。     3.6 压力试验[12]     双管板换热器的压力试验顺序与单管板换热器有着较大的区别。     试验顺序如下:①按图样试验压力进行壳程的水压试验,然后对壳程进行气密性试验(有要求的情况下),可从隔离腔的空间检查管子与壳程管板的连接质量。②壳程水压试验合格后,组焊隔离腔的短节,使之成为密闭的腔体,对隔离腔进行水压试验。③按图样气密性压力进行气密性试验,也可进行氨渗透试验,检查管子与管程管板的连接质量。④对管程进行水压试验和气密性试验。     4·结语     若要更好地推广应用双管板换热器,必须对其设计、制造、运行及维护各个环节严格把关,其中最为重要的是制造质量要求甚高,同时也要求换热管质量和较高的制造精度,以保证在使用中不出现换热管壁破裂的情况。 参考文献: [1]聂清德.化工设备设计[M].北京:化学工业出版社,1991. [2]朱有庭,曲文海,于浦义.化工设备设计手册[M].北京:化学工业出版社,2004. [3]秦叔经,叶文邦.换热器[M].北京:化学工业出版社,2003.[4]GB 151—1999,管壳式换热器[S]. [5]吕延茂.双管板换热器制造技术[J].石油化工设备,2004,33(6):62-64. [6]刘保富,马伟敬.双管板换热器的制造要点[J].压力容器,2009,26(5):63-68. [7]彭 翔.双管板换热器制造[J].石油化工设备,1998,27(5):48-49.[8]蔡莲莲.双管板换热器的设计、制造与应用[J].机械,2009,(11):59-61. [9]王 玲.双管板换热器管板设计及制造[J].中国科技信息,2009,(12):183,186. [10]钱婷婷,孔智文.双管板换热器的设计与制造[J].化工装备技术,2006,(6):44-47. [11] JB/T 4730.1~4730.6—2005,承压设备无损检测[S]. [12]叶文邦.压力容器设计指导手册[M].昆明:云南科技出版社,2006.(许编)
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