国产首台超大型管壳式换热器的研制

点击：2058 日期：[ 2014-04-26 22:01:01 ]

国产首台超大型管壳式换热器的研制李力 1，董方亮 2，赵石军 2，魏鑫 3 （1. 中国石化股份有限公司镇海炼化分公司高级工程师，浙江宁波 315207；2．一重集团大连设计研究院高级工程师，辽宁大连 116600 ；3．中国石化股份有限公司镇海炼化分公司教授级高级工程师，浙江宁波 315207）摘要：中国石化股份有限公司镇海炼化分公司百万吨/年乙烯项目-EO/EG 装置中的换热器 E-6111，为国内正在制造的首台换热面积超过 10 000 m2 的超大型管壳式换热器。通过前期国产化方案论证，确定该设备按 GB150 及 GB151 标准进行设计，并拟定了十五项有关设计、制造及检验等方面攻关课题，展开了超大型管壳式换热器的研制，目前已取得了一定成果。关键词：超大型；管壳式换热器；国产化；研制中图分类号：TQ051.3 文献标识码：B 文章编号：1673-3355 （2008） 06-0007-04 中国石化在镇海炼化分公司建设的百万吨/年乙烯项目中的 EO/EG 装置中，专利商选用了数台超大型管壳式换热器。这些换热器的换热面积均在 10 000 m2 以上。对此类设备，其设计、制造难度较大，国内石化设备制造厂均无设计、制造业绩。目前只有国外的少数几家制造厂具有业绩（见表 1）。为实现超大型管壳式换热器的国产化，中石化组织国内相关科研设计单位及制造厂召开了多次国产化论证会。经过实地考察和方案论证，认为国内的材料供应、设计能力、制造水平已能够满足此类设备的设计及制造要求。并决定组织成立由中国石化、中国一重及兰州石油机械研究所组成的攻关课题组负责完成镇海炼化分公司的一台超大型换热器 E-6111 的研制。 1 E-6111 简介设备结构及总体尺寸见图 1，设计参数见表 2。该设备为立式固定管板（NEN）换热器，换热管采用 6 283 根超长换热管覫31.75 mm×1.651mm×20 000 mm，换热面积为 12 325 m2，设备金属总质量为 370 t。主要受压元件材料均要求采用 ASME 标准材料（且需满足国内相应压力容器钢板的技术要求），设备管程内表面（包括上、下管板）要求堆焊 304L 不锈钢。 2 重点研制项目根据专利商要求及设计条件，确定了有关设计、制造、检验等内容的 15 项重点攻关内容。 2.1 管束振动分析在换热器大型化的过程中，管束振动是不可忽视的问题。本设备管程介质为循环气体，壳程介质为冷却水。壳程体积流量比较大，且设备直径为 4 000 mm，体积庞大，壳程流路复杂，各流路中流体流速的大小和方向在不断变化，呈不规则的非稳定流动状态，整个管束处于不均匀流场中，因而管束极易诱发流体诱导振动。在对结构设计过程中，尤其要重视管束的防振结构设计及振动分析计算。在本设备的结构设计方面，采用了如下防振措施：（1）采用 NTIW 折流板，由于普通折流板支撑弓形缺口区管跨太长，且该区比管束中间区的流速要高，故采取除去弓形缺口区这部分管子，形成弓形缺口区不布管的设计（NTIW）；（2）壳程入口设置防冲杆；（3）采用标准要求最小的折流板（支撑板）管孔间隙；（4）保证均匀的折流板（支撑板）间距；（5）尽可能降低换热管的轴向压应力，以提高管子的固有频率。对于此台设备整个管束结构而言，管束壳程进口处第一排管、最后一排管处，换热管无支撑跨距大，固有频率低，流速高，最易诱发振动，因此，通过对此二处的各参数进行核算，从而推测整个管束的振动隐患情况。根据 GB 151 《管壳式换热器》附录 E （管束振动）及 TEMA-1999 第Ⅵ章（流体诱导振动）相关要求，核算换热管最低固有频率、临界横流速度、卡门漩涡频率及紊流抖振频率与换热管最低固有频率之比值、管束间横流速度与临界流速之比值等参数，确保设备管束无振动隐患。 2.2 复杂温度场下管板应力分析该换热器的结构尺寸已超过 GB 151-1999 《管壳式换热器》的适用范围。此外该换热器设计参数较为苛刻，管壳程温差达 22 ℃，且要求采用无膨胀节结构。为保证设计计算的准确性，需对管子、管板、壳程壳体、管箱壳体组成的超静定系统进行应力分析计算。对管板的强度计算，先采用 PV-ELITE 软件按 ASME VIII DIV1 UHX 篇进行初步核算，分别考虑了正常 NORMAL，MAX，UPSET 金属壁温工况。由于此管板属于非对称管板（NTIW 型），按 ASME 计算结果确定的管板厚度、局部壳体厚度，折流板支撑间距仅是参考值，最终结论需按应力分析计算结果确定。根据设备结构及载荷的对称性建立应力分析模型。首先，该换热器对于其垂直于设备轴线的中面对称，可将其自中面截开，建立半个换热器的计算模型。其次，该换热器周向旋转对称，为保证计算精度，取半个换热器沿圆筒周向的 1/4 建立最终的计算模型。计算采用的软件为 ANSYS11.0，选用 8 节点三维实体单元（SOLID185）进行网格划分，单元总数为： 5905083 个，节点总数为：6010574 个。有限元模型见图 2~图 4。根据 GB151 管板强度计算的规定，对该固定管板式换热器的管板强度计算采用了四种载荷组合工况，即（1）既有壳程设计压力，又有管程设计压力（F.V）.，不计膨胀变形差；（2）既有壳程设计压力，又有管程设计压力 (F.V.)，同时计入膨胀变形差；（3）既有管程设计压力，又有壳程设计压力 (F.V.)，不计膨胀变形差；（4）既有管程设计压力，又有壳程设计压力(F.V.)，同时计入膨胀变形差。在上述所有工况计算中均应同时考虑管束及物料自重的影响。最终，对各工况的有限元计算结果，按 JB4732-95 《钢制压力容器-分析设计标准》的应力分类方法，对管板、换热管、壳体及管板与壳体连接部位进行强度评定。并按评定结果确定结构强度尺寸。 2.3 技术条件的编制由于受该台换热器管子与管板连接型式（强度胀+密封焊）、管程操作条件和换热管长度 (20m) 等条件限制，为了满足设备的使用条件以及保证穿管顺利及胀接质量，设计人员编制了“超长高精度双等级不锈钢换热管技术条件”。该技术条件不仅明确规定换热管必须符合 ASME SA213 标准的一般要求，而且还提出了以下附加要求：（1）换热管材料选用双等级不锈钢 SA-213 TP304/304L 冷拔无缝钢管，即要求换热管同时具有 304 和 304L 双重性能，在力学性能上满足 304 标准的要求，化学成份上能满足 304L 标准的要求（包括含碳量的最大值）；（2）对管材直线度偏差、厚度及外径偏差提出较高要求。外径允许偏差目标值±0.05 mm，且最好为负偏差，厚度允许偏差目标值＋5％。（3）为保证换热管的致密性要求，提高了管材检验、验收标准。除逐根进行涡流检测外，还需逐根进行水压试验。 2.4 大型管板堆焊焊接变形控制本台设备的管板直径为覫4 100 mm，采用整体锻件加工而成。大型管板的堆焊焊接变形较难控制，且难以用试验方法模拟堆焊后管板的变形量。为此，采用数值模拟方法对按不同焊接顺序、不同热输入量等影响管板焊接变形的因素进行模拟、计算、预测和分析。主要研究内容如下：（1）建立热力学热源模型；（2）利用相似理论研究焊接变形的试验方法；（3）模拟关键工艺因素对管板焊接变形的影响，提出合理的工艺指导。 2.5 换热管与管板连接接头换热管与管板接头是换热器设计、制造的关键。图 5 为专利商建议的强度胀接密封焊接头结构。在设计计算中确保拉脱力满足强度胀接的设计要求。通过胀接试验确定适当的结构槽尺寸及间距。为防止积液，专利商要求上管板管端应与管板表面平齐。为此，通过采用管板自动氩弧焊机并制定最佳的焊接工艺参数来保证焊接接头平齐及密封焊的要求。 2.6 换热管与管板焊接接头射线检测为严格保证换热管与管板焊接接头的质量，要求抽检 2%管接头进行射线检测。此焊接接头属于角焊缝结构，且不利于射线检测。国内、外在这方面的检测经验非常少。小尺寸的焊接接头需要小的射线源及很短的片距（见图 6），对该焊接接头的射线检测，需采购特殊胶片，定制特殊工附具固定放射源并对焊接的不等厚性进行补偿，在模具上设计特殊像质计以评定检测灵敏度，采用小焦点放射源反向透照。 3 结语目前，该超大型管壳式换热器 E-6111 的攻关项目基本已经完成，制造工作正在按计划紧张有序地进行中。通过该设备的国产化研制，必将推动我国大型管壳式换热器乃至大型管壳式反应器的设计与制造技术的进步。参考文献 [1] 秦叔经等.化工设备设计全书-换热器.北京:化学工业出版社, 2003. [2] 钱颂文等译.换热器设计手册.北京:中国石化出版社, 2004.

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