變換熱交換器的管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（山西陽煤豐喜肥業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000）

換熱器作為節(jié)能設(shè)備之一，在化工生產(chǎn)工藝中起著非常重要的作用。換熱器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定了換熱器的性能。在化肥生產(chǎn)工藝中，不少介質(zhì)如半水煤氣、變換氣等都具有易結(jié)垢、腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)設(shè)備在高溫高壓條件下，殼體和管子在溫差較大工況運(yùn)行，使用條件苛刻。管板與換熱管的焊接接頭會(huì)因溫差產(chǎn)生應(yīng)力開裂和管子腐蝕，由于殼體部件壽命取決于換熱管的壽命，殼程無法進(jìn)行機(jī)械清洗，最終造成設(shè)備整體失效。本文通過實(shí)例，介紹一種具有有效熱補(bǔ)償、檢修及清洗方便，制造成本低，換熱效率高，使用壽命長(zhǎng)，適用于化肥生產(chǎn)變換工段的變換熱交換器結(jié)構(gòu)。

1 變換熱交換器的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)

變換熱交換器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，整體結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

變換熱交換器由裙座、下管箱、殼程殼體、管束、上管箱、上管箱接口等六部件組成。設(shè)備安裝時(shí)，裙座與下管箱焊接，管束與上管箱組焊后放置在下管箱上，套入殼程殼體與下管箱、上管箱接口S1螺栓連接而成。檢修時(shí)，去掉上管箱接口S1即可清洗上管箱，抽出殼程殼體可便于清洗或更換管束。管箱、管束、殼程、上管箱接口皆可拆卸是本設(shè)備的最大特點(diǎn)。各部件可拆卸，方便了檢修、清洗和易磨損部件的更換，可以再次利用完好的部件，達(dá)到降低制造成本、延長(zhǎng)使用壽命的目的。由于變換熱交換器多數(shù)管束易損壞，本文重點(diǎn)介紹管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 變換熱交換器結(jié)構(gòu)

圖2 管束上部可拆結(jié)構(gòu)

圖3 折流板8塊

圖4 中間折流板1塊

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)

本設(shè)備中管束與上管箱焊為一體，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮上管箱。管束包括管板、列管、折流板、旁路擋板（兼滑道）等，上管箱包括封頭、φ550×35短節(jié)、波紋管膨脹節(jié)、DN500×14短節(jié)、連接環(huán)φ652/φ500、吊耳等。

(1)設(shè)置波紋膨脹節(jié)

在變換熱交換器的管束設(shè)計(jì)中，考慮到管程殼程介質(zhì)溫差較大，管束與筒體將產(chǎn)生不同的伸長(zhǎng)量，如不采取熱補(bǔ)償措施，管束與殼體之間會(huì)產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力。本設(shè)備殼程溫度高于管程溫度，殼程筒體的伸長(zhǎng)量大于管束，如果管束不增加補(bǔ)償器，則管束受到的拉應(yīng)力可將管子拉長(zhǎng)，管頭焊縫受到的拉應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)將開裂破壞。在上管箱介質(zhì)出口處加裝波紋管膨脹節(jié)進(jìn)行熱補(bǔ)償，殼體的拉伸對(duì)于管束的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移至波紋管膨脹節(jié)上，對(duì)管束的熱膨脹伸長(zhǎng)相對(duì)自由。管板與管頭的焊接焊縫不受拘束，這對(duì)于存在應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)，效果尤為明顯。

(2)折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管束中的折流板如圖3、圖4所示采用圓環(huán)內(nèi)左右缺口布置，中間折流板為圓環(huán)形，如此布置加大了流體的湍流程度，流型均勻，殼程流體與管程流體可進(jìn)行良好的接觸，相應(yīng)提高了換熱效率，對(duì)支撐管束、防止振動(dòng)和彎曲要比單純弓形折流板效果好。

(3)設(shè)置旁路擋板

管束周邊設(shè)置旁路擋板，減小了旁路漏流也消除了死角。

(4)如圖2所示，上管箱與殼程用夾持環(huán)實(shí)現(xiàn)其密封效果。

2.2 波形膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)

根據(jù)GB16749-1997《壓力容器波紋膨脹節(jié)》，選用材質(zhì)：06Cr17Ni12Mo2。按照膨脹節(jié)的一般選用原則：溫差大、壓力低時(shí)，取波高長(zhǎng)、壁厚小者；溫差小、壓力高時(shí)，取波高短、壁厚大者；增加波數(shù)及波紋管的層數(shù)均可改善應(yīng)力狀況。本設(shè)備膨脹節(jié)選用多波多層。

(1)設(shè)備膨脹量計(jì)算

波形膨脹節(jié)的個(gè)數(shù)及層數(shù)按照膨脹量的大小計(jì)算確定。膨脹量的簡(jiǎn)易計(jì)算方法：

膨脹量ΔL=α×L×(t1- t0)

式中：α -線膨脹系數(shù)；L -結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；t1-管壁（殼壁）計(jì)算溫度，本計(jì)算殼程取最高溫度，列管取最低溫度；t0-管子（殼體）安裝時(shí)溫度

本設(shè)備膨脹量計(jì)算見表2。

表2 膨脹量計(jì)算表

從表2可得出：殼體拉伸長(zhǎng)度比管束多l(xiāng)=67.53-20.21=47.32 mm，這時(shí)殼體承受壓力，列管承受拉力。要消除熱脹值引起的應(yīng)力即溫差應(yīng)力，必須進(jìn)行熱補(bǔ)償，膨脹節(jié)的最小變形位移必須大于47.32 mm，才可以消除溫差應(yīng)力。

(2)膨脹節(jié)位移量計(jì)算

已知管殼程最大壓差為0.4MPa，查表A5，膨脹節(jié)ZXL500-1.0，在500℃的許用工作壓力0.9MPa滿足要求。查表A1，在300℃時(shí)單波3層（單層1.5）最大位移量e1=7 mm，查圖A3（2）500℃時(shí)Ce=0.974，則e1t= Ce，e1=6.818 mm，若選用需要8波，則總位移量按式（8-2）計(jì)算，e=e1t(n-0.7)=49.77 mm＞l=47.32mm，膨脹節(jié)ZXL500-1.0-3x1.5x8x(M)滿足位移量要求。

(3)膨脹節(jié)剛度計(jì)算

查表A1，膨脹節(jié)在20℃時(shí)，單波軸向剛度K1=9680.6N/mm，查圖A4“溫度對(duì)單波剛度的修正曲線”500℃時(shí)材質(zhì)Ck=0.82，得K1t=Ck.K1=7938.1N/mm

綜上所述，本設(shè)備設(shè)計(jì)膨脹節(jié)ZXL500-1.0-3x1.5x8x(M)滿足使用要求。

2.3 換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)

按照GB151-1999《管殼式換熱器》規(guī)定，換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)度焊加貼脹結(jié)構(gòu)，適用于“密封性能要求較高的場(chǎng)合；承受振動(dòng)或疲勞載荷的場(chǎng)合；有間隙腐蝕的場(chǎng)合”。針對(duì)該變換氣熱交換器的高壓、高溫，介質(zhì)有較大腐蝕性工況條件分析，若單用強(qiáng)度脹接，隨著溫度升高，換熱管與管板的剛度下降，會(huì)發(fā)生脹接應(yīng)力松弛，熱膨脹應(yīng)力增大，最后引起脹接接頭失效，導(dǎo)致泄漏。采用強(qiáng)度焊接，管板與換熱管的焊接接頭強(qiáng)度高，連接可靠，泄漏少，生產(chǎn)效率高，但難以消除管孔和換熱管之間的間隙，容易發(fā)生間隙腐蝕。單獨(dú)采用強(qiáng)度焊或強(qiáng)度脹結(jié)構(gòu)，均難以滿足要求，為此采用強(qiáng)度焊加貼賬的連接結(jié)構(gòu)，用焊接結(jié)構(gòu)來保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度，用貼賬來消除換熱管與管板之間的間隙。實(shí)踐證明，脹焊并用能提高接頭的抗疲勞性能，可消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，使設(shè)備獲得較長(zhǎng)的使用壽命。

2.4 管板計(jì)算

管板是管殼式換熱器的主要部件，管板設(shè)計(jì)是否合理對(duì)確保換熱器的安全運(yùn)行至關(guān)重要。從本設(shè)備結(jié)構(gòu)分析，上管箱設(shè)置膨脹節(jié)，管束可以自由伸長(zhǎng)，不存在溫差應(yīng)力。本設(shè)備按GB151圖18a夾持結(jié)構(gòu)并參考浮頭式換熱器，利用SW6軟件進(jìn)行管板計(jì)算。設(shè)計(jì)參數(shù)按表1數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 管板計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

在采用合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，建議在其相關(guān)的工藝系統(tǒng)中采取以下措施：

(1)防止飽和塔出口煤氣帶水，其熱力管道和設(shè)備保溫要良好，防止水蒸汽發(fā)生冷凝。

(2)變換工段設(shè)置蒸汽過熱器，利用變換爐出口氣體使飽和蒸汽過熱，減少飽和蒸汽中夾帶的水滴，可以大大減輕電化學(xué)腐蝕。

按照上述設(shè)計(jì)制作的變換熱交換器累計(jì)出廠5臺(tái)，最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)7年，運(yùn)行效果穩(wěn)定。

[1]TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)檢察規(guī)程[S].

[2]GB151-1999，管殼式換熱器[S].

[3]GB 150.1～150.4-2011，壓力容器[S].

[4]GB16749-1997，壓力容器波紋膨脹節(jié)[S].

[5]化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書編輯委員會(huì). 換熱器設(shè)計(jì)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988.