淺析浮頭式換熱器設(shè)計(jì)

王寧

（寧波華中工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 寧波 315000）

浮頭式換熱器應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011《壓力容器》、GB/T151-2014《熱交換器》的要求進(jìn)行選材、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收及安裝和使用。

浮頭式換熱器一端管板與殼體固定，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)；其優(yōu)點(diǎn)如下。（1）因這種結(jié)構(gòu)管束和殼體之間不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，因此管殼程介質(zhì)溫差不受限制。（2）浮頭蓋和鉤圈可以拆卸，管束可以抽出，方便設(shè)備的維修和管束的清洗。（3）可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合。（4）可用于管程易腐蝕場(chǎng)合。

但浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且在浮頭蓋和浮動(dòng)管板密封墊處發(fā)生泄漏（無法知道泄漏情況）；因此，如果管殼程介質(zhì)成分要求比較嚴(yán)格時(shí)，盡量不要選用浮頭式換熱器。浮頭式換熱器如圖1所示，是為寧波某化工企業(yè)節(jié)能降耗項(xiàng)目而設(shè)計(jì)的一臺(tái)雙殼程雙管程浮頭式換熱器。該換熱器主要是將塔側(cè)采出的成品熱二氯乙烷（～97℃）與裂解爐進(jìn)料冷二氯乙烷進(jìn)行充分熱交換后，達(dá)到降低成品二氯乙烷的溫度，提高裂解爐進(jìn)料端二氯乙烷的溫度，從而減少系統(tǒng)中蒸汽消耗和循環(huán)水的使用量，以減少生產(chǎn)成本。

圖1 浮頭換熱器

1 浮頭式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 工藝計(jì)算

換熱器的工藝計(jì)算有三種計(jì)算模式，即設(shè)計(jì)、模擬和校核計(jì)算。常用的是設(shè)計(jì)與校核計(jì)算模式；設(shè)計(jì)計(jì)算的目的是根據(jù)給定的工藝參數(shù)選擇換熱器類型并計(jì)算熱負(fù)荷，確定換熱面積和部分換熱器結(jié)構(gòu)尺寸；校核計(jì)算的目的是對(duì)已有的換熱器，校核它是否滿足預(yù)定的換熱要求，這是屬于換熱器的性能計(jì)算問題。我們選擇設(shè)計(jì)計(jì)算模式對(duì)浮頭式換熱器進(jìn)行工藝計(jì)算，工藝參數(shù)詳見表1。

表1 工藝參數(shù)

設(shè)備的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下：換熱器型式BFS，材質(zhì)為碳鋼，換熱器直徑1000mm，換熱管選用φ19×2。換熱管的排列形式為正三角形排列。折流板的弓形缺口可取0．2～0．45倍的圓筒內(nèi)直徑。數(shù)據(jù)輸入完成后，設(shè)計(jì)計(jì)算并查看計(jì)算結(jié)果。在reports中查看計(jì)算結(jié)果，首先看runtime messages，看有沒用輸入錯(cuò)誤或操作問題；然后再查看rating data sheet計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，在該數(shù)據(jù)表中可以查看換熱器型式、換熱器的換熱面積、總熱負(fù)荷、管殼程壓降、設(shè)計(jì)裕量（overdesign）等參數(shù)。（表2是計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表的一部分）。

表2

查看工藝計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)時(shí)要重點(diǎn)看以下幾個(gè)地方：（1）換熱器型式及換熱面積 。（2）管殼程壓降。管程或殼程壓降太大會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)壓力的增大，造成能源的浪費(fèi)。（3）換熱器設(shè)計(jì)裕量（overdesign）當(dāng)該值為負(fù)，則計(jì)算結(jié)果不能用；解決辦法是需增加換熱面積（增加換熱管數(shù)量、長(zhǎng)度），因此結(jié)果中的設(shè)計(jì)裕量（overdesign）需為正值。如果工藝沒有要求該值一般在15%～20%；（4）振動(dòng)。振動(dòng)消除的措施：減少無支撐跨距、調(diào)整折流板間距或采用弓形區(qū)不布管。（5）管殼程流速。如果對(duì)計(jì)算結(jié)果不滿意，可以通過調(diào)整換熱器的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（如換熱管數(shù)量、長(zhǎng)度、直徑、管間距，折流板形式、間距及弓形缺口高度），來實(shí)現(xiàn)浮頭式換熱器的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 強(qiáng)度計(jì)算

表3是工藝計(jì)算后確定的浮頭式換熱器筒體內(nèi)徑，換熱管尺寸、數(shù)量，折流板形式、間距等參數(shù)；殼程工作壓力 0．89MPa ，工作溫度進(jìn)出口 97℃ /59．31℃；管程工作壓力2．12MPa ，工作溫度進(jìn)出口44℃ /77℃；殼體材質(zhì)為Q345R(GB713-2008)，管程材質(zhì)為20無縫鋼管（GB9948-2006）和Q345R。

表3

浮頭式換熱器的管板（固定、浮動(dòng)管板）、鉤圈、浮頭法蘭設(shè)計(jì)可以按照GB/T151-2014《熱交換器》中規(guī)定的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；設(shè)備法蘭可以按標(biāo)準(zhǔn)NB/T47023-2012《長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭》來選?。唤庸芊ㄌm按標(biāo)準(zhǔn)HG/T20592～20635-2009選用。使用SW6-2011軟件進(jìn)行浮頭式換熱器的強(qiáng)度計(jì)算，主要對(duì)筒節(jié)、封頭、管板（固定、滑動(dòng)）、浮頭蓋與鉤圈、浮頭法蘭、法蘭及開孔補(bǔ)強(qiáng)等受壓元件進(jìn)行計(jì)算。換熱器設(shè)計(jì)過程中還需注意介質(zhì)的影響。本臺(tái)換熱器管殼程均為易爆介質(zhì)（二氯乙烷），因此設(shè)計(jì)中需注意以下幾點(diǎn)。（1）選設(shè)備法蘭時(shí)建議選擇長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。（2）接管法蘭的公稱壓力等級(jí)選用應(yīng)不低于1．6MPa。（3）接管與殼體之間的焊接接頭應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。（4）需設(shè)置靜電接地板（材質(zhì)為不銹鋼）。

1.2.2 縱向隔板密封結(jié)構(gòu)

在標(biāo)準(zhǔn) GB/T151-2014《熱交換器》第 6．8．4 節(jié) 雙殼程結(jié)構(gòu)中有縱向隔板的相關(guān)規(guī)定?？v向隔板厚度設(shè)計(jì)為8mm厚，它與固定管板是采用焊接結(jié)構(gòu)。縱向隔板的密封結(jié)構(gòu)在（見圖2）中彈簧片1與彈簧片2材質(zhì)為1Cr13；每塊壓板有兩個(gè)螺栓固定，縱向隔板兩側(cè)對(duì)稱。維修、更換彈簧片時(shí)壓板可以拆掉?？v向隔板密封是為了防止流體短路，提高傳熱效率而設(shè)置的。

圖2

圖3

1.2.3 旁路擋板

殼體的流路大體可以分為五路，其中B流路是管束熱傳遞的有效流路（越大對(duì)換熱越有利）；C、F流路的存在不利于傳熱（注1）；增設(shè)旁路擋板就是為了防止流體由殼體和管束之間旁流（C流路）。旁路擋板應(yīng)與折流板焊接牢固（見圖3）；折流板上加工出相應(yīng)的槽（見圖4）。DN≥1000mm，旁路擋板可設(shè)置三對(duì)擋板。旁路擋板也可作為滑板用，方便管束安裝和抽出。

圖4

1.2.4 前端管箱

前端管箱帶分程隔板，所以要進(jìn)行熱處理；并且設(shè)備法蘭和分程隔板密封面加工要放在消應(yīng)力熱處理以后進(jìn)行。這里要注意前端管箱設(shè)備法蘭的第一次機(jī)加工密封面要留一定的余量，以備熱處理后有足夠的加工量。

2 結(jié)語(yǔ)

浮頭換熱器設(shè)計(jì)可以分為工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分；工藝設(shè)計(jì)主要是浮頭換熱器熱負(fù)荷計(jì)算、換熱器的選型及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定；設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T151-2014《熱交換器》的規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，生成計(jì)算書。注1：C流路——管束外圍與殼體內(nèi)壁之間的旁流流路。在可拆卸管束的換熱器，特別是浮頭式換熱器中，此流路的流通面積可能很大。

[1]GB/T151-2014，熱交換器[S]．中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版．

[2]GB150-2011，壓力容器[S]．中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版．

[3]錢頌文主編．換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社．

[4]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司組織編寫．石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社．