鈦制換熱器結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化

張 成, 孫萬倉

(西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西 西安 710201)

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鈦制換熱器結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化

張 成, 孫萬倉

(西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西 西安 710201)

結(jié)合多年產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大型鈦制換熱器管板結(jié)構(gòu)、管殼式換熱器的小間隙分程隔板結(jié)構(gòu)和殼程進(jìn)口防沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。設(shè)計(jì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)：在保證設(shè)備安全、可靠運(yùn)行的條件下，降低了大型換熱器對(duì)鈦鋼爆炸復(fù)合板的技術(shù)要求和管板的制造成本；解決了狹小空間分程隔板焊接難及無法對(duì)焊縫實(shí)施完全無損檢測的問題，實(shí)現(xiàn)了分程隔板可拆卸功能，便于鈦管箱的檢修；避免了傳統(tǒng)防沖結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)管束振動(dòng)、防沖板變形脫落的現(xiàn)象，提升了該結(jié)構(gòu)的防沖效果，進(jìn)而保證了換熱器的安全可靠運(yùn)行。

鈦換熱器；鈦鋼復(fù)合板；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引 言

化工行業(yè)一直是我國用鈦的第一大領(lǐng)域，如2010年我國化工行業(yè)用鈦量占全國用鈦總量的53%[1]。而在鈦制化工裝備中鈦制換熱器又占很大的比例[2]。

鈦制換熱器以其優(yōu)異的耐腐蝕性和高可靠性被廣泛用于氯堿、化纖、無機(jī)合成、染料中間體、精細(xì)化工等行業(yè)。經(jīng)過近40余年的發(fā)展，我國鈦制換熱器產(chǎn)品已形成了包括JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》[3]和GB/T 151—2014《熱交換器》[4]在內(nèi)的較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著化工裝備向大型化和特殊化方向發(fā)展，與之配套的重要設(shè)備——鈦制換熱器也隨之向大型化、特殊化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化方向發(fā)展。如西安優(yōu)耐特容器容器制造有限公司為某PTA項(xiàng)目生產(chǎn)的鈦制冷凝器，單臺(tái)用鈦量就超過12 t。

鈦制換熱器接觸的介質(zhì)一般具有強(qiáng)腐蝕性如燒堿等，或劇毒性如濕氯氣等，一旦發(fā)生泄漏危害極大。因此，對(duì)鈦制換熱器設(shè)備的可靠性有極高要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須留有安全裕量。但是換熱器標(biāo)準(zhǔn)多是基于碳鋼和不銹鋼推薦的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而鈦材與碳鋼、不銹鋼相比價(jià)格高得多，若設(shè)計(jì)安全裕量過大，勢必會(huì)造成鈦制換熱器成本有較大地增加。從可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面綜合考慮，對(duì)鈦制換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是十分重要的。

作者結(jié)合多年產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大型鈦制換熱器的管板結(jié)構(gòu)、管殼式換熱器的小間隙分程隔板結(jié)構(gòu)和殼程進(jìn)口防沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化，旨在保證鈦制換熱器安全可靠性的前題下，降低制造成本。

1 鈦鋼復(fù)合管板結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)分析

管板是管殼式換熱器的核心部件之一。鈦鋼復(fù)合的管板在管殼式換熱器中最為常見，其結(jié)構(gòu)如圖形1所示。這種結(jié)構(gòu)在美國TEMA[5]和我國鈦制換熱器標(biāo)準(zhǔn)中均被采用，具有可靠性和一定的經(jīng)濟(jì)性。但當(dāng)換熱器規(guī)格較大，如直徑超過2 000 mm時(shí)，仍然采用該管板結(jié)構(gòu)，有可能會(huì)存在以下問題。

圖1 常見的鈦鋼復(fù)合板管板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of titanium-steel clad plate tubesheet structure

首先，為了滿足后續(xù)的機(jī)械加工和耐腐蝕性的要求，鈦鋼復(fù)合板覆層的厚度必須≥10 mm。而該結(jié)構(gòu)鈦覆層金屬利用率是隨著管板直徑的增大而下降的，尤其是在管板直徑超過2 000 mm的情況下，鈦覆層機(jī)械加工損耗會(huì)更大，導(dǎo)致鈦鋼復(fù)合管板的成本大幅度提高。若當(dāng)工況條件需要TA9鈦合金和TA10鈦合金等作為覆層時(shí)，會(huì)使復(fù)合管板的造價(jià)更高。

其次，作為大型壓力容器用的鈦鋼復(fù)合板，一方面要求大幅面的爆炸復(fù)合板復(fù)合貼合率要達(dá)到100%；另一方面要求大幅面爆炸復(fù)合板的平面度不得大于2 mm/m。由于覆板越厚、幅面越大，其復(fù)合貼合率和平面度越難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)大幅面鈦鋼爆炸復(fù)合板制造提出了更高的技術(shù)要求。若復(fù)合板的貼合率未達(dá)到100%，則未貼合處的鈦覆層會(huì)因承受較大的應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋等缺陷，導(dǎo)致覆層下的鋼材腐蝕而使整個(gè)設(shè)備失效。如果平面度大于2 mm/m，則無法保證5 mm深的分程隔板槽及密封面的機(jī)械加工尺寸，導(dǎo)致加工后的隔板槽底部和密封面鈦覆層的厚度不能滿足耐蝕性要求，甚至露出鋼基層而導(dǎo)致管板報(bào)廢。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鑒于上述分析，為了降低鈦鋼爆炸復(fù)合板的制造難度和大型鈦制換熱器的制造成本，對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)中的管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的鈦鋼復(fù)合板管板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of optimized titanium-steel clad plate tubesheet structure

比較設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的管板結(jié)構(gòu)可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)采用的管板為覆層厚度不超過5 mm的薄覆層鈦鋼復(fù)合板，為了保證密封面和分程隔板槽的加工，在管板上加焊了鈦環(huán)、槽型墊板。該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)有效降低了管板制造成本。優(yōu)化的結(jié)構(gòu)鈦鋼復(fù)合管板的鈦用量比原結(jié)構(gòu)鈦鋼復(fù)合管板的鈦用量降低了40%還多。對(duì)于有可能發(fā)生縫隙腐蝕的管板，僅需將圖中的鈦環(huán)、鈦槽形墊板的材質(zhì)改為TA10或TA9鈦合金即可，大面積的復(fù)合管板覆層仍采用工業(yè)純鈦，即就是這樣，鈦鋼復(fù)合管板的綜合成本仍比原結(jié)構(gòu)降低很多。對(duì)于設(shè)備上所用的人孔蓋、法蘭蓋等零件也可參照本結(jié)構(gòu)來有效降低鈦材的用量。

(2)降低了大幅面鈦鋼爆炸復(fù)合板的技術(shù)要求。采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，管板密封面和分程隔板槽是組焊密封環(huán)和槽形墊板后再進(jìn)行機(jī)械加工。只要留有足夠的加工余量，很容易保證密封面及隔板槽的最終尺寸公差。無需要求管板的平面度一定不大于2mm/m，間接地降低了鈦鋼復(fù)合板生產(chǎn)成本。

該項(xiàng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)，已在某企業(yè)的大型換熱器中運(yùn)行了5年，未發(fā)生任何問題，使用效果良好。并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利。

2 小間隙分程隔板結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)分析

多管程換熱器的管箱結(jié)構(gòu)和分程隔板與管箱殼體焊接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多管程換熱器管箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of multiple tube passes heat exchanger channel structure

由圖3可以看出，該結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，為目前管殼式換熱器普遍采用。但是小直徑管箱和分程數(shù)較多的復(fù)雜管箱，由于隔板間距過小，在實(shí)際工程中此種結(jié)構(gòu)制作難度大，焊接質(zhì)量難以保證。尤其是采用鈦等稀有金屬制作問題更為突出。主要原因如下。

(1)分程隔板與管箱焊接時(shí)受操作空間限制，無法實(shí)施焊接或施焊者操作和觀察困難，導(dǎo)致焊縫質(zhì)量無法保證。

(2)鈦材焊接時(shí)需惰性氣體保護(hù)，除槍氣保護(hù)外還需氣體拖罩等保護(hù)工裝，空間狹小不利保護(hù)措施的實(shí)施，進(jìn)而會(huì)影響焊接質(zhì)量。

(3)空間狹小，焊縫局部地方無法實(shí)施無損檢測，難以評(píng)定該處的焊接質(zhì)量，有可能成為整個(gè)設(shè)備的隱患。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了解決特殊的小直徑管箱和分程數(shù)較多的復(fù)雜管箱在實(shí)際工程中的焊接問題，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化的分程隔板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of optimized pass partition plate

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)將隔板焊接轉(zhuǎn)換成了鈦壓板的焊接。使焊接容易進(jìn)行，焊縫全部可以進(jìn)行無損檢測，無漏檢處，能夠保證焊接質(zhì)量。最終是將隔板用固定螺栓和起密封作用的非金屬填充物等裝配在兩條鈦壓板間，可拆卸。不但解決了小間隙分程隔板與管箱的焊接問題，還有利于鈦管箱的檢修。

此結(jié)構(gòu)已在多個(gè)鈦制換熱器中應(yīng)用，用戶反饋使用效果良好。

3 殼程進(jìn)口防沖結(jié)構(gòu)

3.1 結(jié)構(gòu)分析

管殼式換熱器殼程進(jìn)口防沖板一般按GB/T 151—2014推薦結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 殼程進(jìn)口防沖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of shell side import impingement plate structure

設(shè)置防沖板的目的是為了減緩殼程進(jìn)口流體對(duì)管束的沖擊和磨蝕作用。但是從多起管殼式換熱器設(shè)備使用出現(xiàn)的問題來看，這種結(jié)構(gòu)在特定工況下存在隱患。如某PTA企業(yè)使用的2臺(tái)鈦制換熱器均使用了不足90天，就出現(xiàn)了換熱管束振動(dòng)和換熱管斷裂的問題。停車檢查，殼程進(jìn)口防沖板已嚴(yán)重變形，并且即將脫落。最終認(rèn)定，防沖失效是導(dǎo)致本設(shè)備出現(xiàn)上述問題的主要原因。分析殼程進(jìn)口防沖結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，造成防沖失效的主要原因是：①殼程進(jìn)口直徑較大，防沖面積大，較大的流體沖擊力直接造成防沖板與殼體焊縫的斷裂；②殼程流體的流速不穩(wěn)定，防沖板受到交變載荷作用，加速焊縫失效；③流體通過防沖板時(shí)，產(chǎn)生較大的橫向沖擊力導(dǎo)致管束振動(dòng)乃至剪切斷裂。即該防沖結(jié)構(gòu)未完全起到防沖和改善流體分布的作用。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)上述分析的結(jié)果，對(duì)殼程防沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用外導(dǎo)流筒加常規(guī)防沖板的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化的防沖擋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Sketch of optimized impingement plate structure

在流體入口處增加了一個(gè)外流道，在對(duì)應(yīng)的殼體位置設(shè)置多個(gè)分流孔，并對(duì)原設(shè)計(jì)中的防沖擋板增加支撐(圖6中的連接板)。這樣流體在接觸管束前，經(jīng)過了殼程筒體和防沖板兩級(jí)緩沖，重新分布，有效地降低了流體對(duì)管束的沖刷和誘發(fā)管束振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)安全可靠，已在多臺(tái)鈦、鋯管殼式換熱器中應(yīng)用，使用壽命已超過10年。

4 結(jié) 論

西安優(yōu)耐特容器制造有限公司通過對(duì)大型鈦制換熱器管板結(jié)構(gòu)、多管程管殼式換熱器小間隙分程隔板結(jié)構(gòu)和殼程進(jìn)口防沖結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得如下成果。

(1)在保證設(shè)備安全、可靠運(yùn)行的條件下，降低了大型換熱器對(duì)鈦鋼爆炸復(fù)合板的技術(shù)要求和管板的制造成本。

(2)解決了狹小空間分程隔板焊接難以及無法對(duì)焊縫實(shí)施完全無損檢測的問題，實(shí)現(xiàn)了分程隔板可拆卸功能，便于鈦管箱的檢修。

(3)改變了傳統(tǒng)防沖結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)管束振動(dòng)、防沖板變形脫落狀況，提升了該結(jié)構(gòu)的防沖效果，進(jìn)而保證了換熱器的安全可靠運(yùn)行。

[1] 鄒武裝，郭曉光，謝湘云，等．鈦手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2] 黃嘉琥，應(yīng)道宴.鈦制化工設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).鈦制焊接容器:JB/T 4745—2002[S].昆明：云南科技出版社，2002.

[4] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).熱交換器:GB/T 151—2014[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[5] Tubular Exchanger Manufacturers Association.Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association[M].New York:Tubular Exchanger Manufacturers Association, 2007.

[6] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板：第3部分 鈦-鋼復(fù)合板:NB/T 47002.3—2009[S].北京：新華出版社，2009.

Structure Analysis and Optimization of Titanium Heat Exchanger

Zhang Cheng，Sun Wancang

(Xi’an United Vessel Manufacture Co., Ltd.,Xi’an 710201, China)

Combined with design and manufacture experience, the key structure of titanium large heat exchanger, such as titanium-steel clad plate tubesheet, pass partition plate and shell side import impingement plate were analyzed and optimized. On the premise of safety and reliable operation, the technical requirements and the manufacturing cost are reduced of titanium steel composite sheet for large heat exchanger. The problems of difficult to weld due to narrow space pass partition and unable to completely nondestructive test are solved. The pass partitions are changed to removable ones, which makes titanium tube box easy to maintain. The phenomenon of bundle vibration and impingement plate detachment are avoided, the impingement effect is enhanced, and the safety and reliability for the heat exchanger is ensured.

titanium heat exchanger;titanium clad steel plate;structure optimization

2016-04-07

張成(1975—)，男，工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)04-0040-04