雙殼程熱交換器縱向隔板密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

熱交換器是石油、化工、石化、冶金、電力、輕紡、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的工藝設(shè)備。在煉油、化工裝置中熱交換器占設(shè)備總數(shù)量的40%左右，占總投資的30%～45%。而在熱交換器中，使用量最大的是管殼式熱交換器[1]。

近年來(lái)，隨著裝置的大型化，對(duì)管殼式熱交換器換熱效率、布置以及防垢、防堵等方面的要求越來(lái)越高，所以，相較于單殼程熱交換器，換熱效率更高、結(jié)構(gòu)更緊湊、更節(jié)省投資的雙殼程熱交換器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 雙殼程熱交換器特點(diǎn)

典型的雙殼程熱交換器主體結(jié)構(gòu)及介質(zhì)流向見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 雙殼程雙管程固定管板式熱交換器

圖2 雙殼程雙管程U形管式熱交換器

和單殼程熱交換器相比，雙殼程熱交換器具有如下特點(diǎn)：①可以實(shí)現(xiàn)全逆流傳熱(雙殼程雙管程)，故可提高換熱效果，減小換熱面積，節(jié)省設(shè)備投資和占地面積；②可以提高殼程流速，使雷諾數(shù)得到提高，強(qiáng)化了傳熱，提高了換熱效率；③殼程流速提高，不易結(jié)垢、結(jié)焦；④殼程壓降高，比單殼程上升了6～8倍[2](壓降與流道的長(zhǎng)度、流速的平方均成正比)。

基于以上特點(diǎn)，如果殼程允許的壓降較大，在管殼程介質(zhì)進(jìn)出口溫度交叉，或殼程介質(zhì)流量小需要提高殼程流速和傳熱系數(shù)的情況下，雙殼程熱交換器是一個(gè)合適的選擇。

2 雙殼程熱交換器縱向隔板密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

雙殼程熱交換器固然優(yōu)點(diǎn)很多，但因其特殊的結(jié)構(gòu)也必然存在一些弊端，除了前面提到的殼程壓降高之外，還有一個(gè)明顯缺點(diǎn)是殼程縱向隔板密封處易泄漏，殼程流體容易發(fā)生短路。所以，雙殼程熱交換器在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，殼程縱向隔板的密封是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

要實(shí)現(xiàn)縱向隔板的良好密封，應(yīng)從兩方面著手：一是保證隔板本身的強(qiáng)度和剛度，避免過(guò)大變形；二是密封結(jié)構(gòu)選擇及加工精度要求。

2.1 縱向隔板的強(qiáng)度和剛度

為保證縱向隔板的強(qiáng)度和剛度，相較于1999版熱交換器標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 151—2014對(duì)于縱向隔板提出了更為明確的要求：①與殼體之間采用密封板(墊)密封時(shí)，縱向隔板的厚度不應(yīng)小于6 mm；②與殼體之間采用焊接密封時(shí)，縱向隔板的厚度不應(yīng)小于8 mm，必要時(shí)可按以下公式進(jìn)行校核計(jì)算。

其中，b為隔板結(jié)構(gòu)尺寸，按GB/T 151—2014表7-2，mm；Δp為隔板兩側(cè)壓力差值， MPa；B為尺寸系數(shù)，按GB/T 151—2014表7-2查取(中間值用內(nèi)插法查)；[σ]t為隔板材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力， MPa。

對(duì)于大直徑熱交換器，尤其需要重點(diǎn)關(guān)注縱向隔板的剛度問(wèn)題，適當(dāng)增加隔板厚度。當(dāng)然，在確定縱向隔板厚度時(shí)，還應(yīng)考慮流體脈動(dòng)、流體沖擊給隔板造成的影響，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)考慮一定的厚度裕量。

2.2 縱向隔板密封結(jié)構(gòu)

縱向隔板的密封主要涉及到兩點(diǎn)：一是殼程入口側(cè)縱向隔板與管板連接處的密封；二是縱向隔板與殼程筒體之間的密封。

殼程入口側(cè)縱向隔板與管板的連接可采用可拆連接或焊接連接，其常用結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖3和圖4。

需要指出的是，對(duì)于焊接連接結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中出現(xiàn)過(guò)個(gè)別失誤案例，設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙中縱向隔板與管板的連接處未明確表示出焊接符號(hào)，該設(shè)備制造人員恰巧對(duì)此種結(jié)構(gòu)了解不夠，導(dǎo)致隔板與管板僅僅貼合而未予焊接，由于縱向隔板與筒體之間又采用了導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致縱向隔板移動(dòng)，介質(zhì)嚴(yán)重短路。

圖3 縱向隔板與管板的可拆連接

圖4 縱向隔板與管板的焊接連接

在雙殼程熱交換器中，最需關(guān)注也是最難保證的是縱向隔板與殼程筒體之間的密封。因此，這也一直是該類(lèi)熱交換器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

GB/T 151—2014標(biāo)準(zhǔn)中給出了4種縱向隔板與殼程筒體密封結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)。

在這4種密封結(jié)構(gòu)中，(a)彈性密封片結(jié)構(gòu)適用于可拆卸管束，(b)、(c)、(d)這3種結(jié)構(gòu)適用于固定管板式熱交換器。

圖5 縱向隔板與殼程筒體密封結(jié)構(gòu)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，(c)導(dǎo)向槽的密封結(jié)構(gòu)曾出現(xiàn)大量殼程介質(zhì)短路案例，說(shuō)明這種密封結(jié)構(gòu)存在一定的弊端。

GB/T 151—2014熱交換器標(biāo)準(zhǔn)中只給出了該種密封連接的結(jié)構(gòu)形式，但沒(méi)有提出配套的技術(shù)要求，比如殼程筒體的圓度、直線度；縱向隔板的平面度、表面粗糙度；導(dǎo)向槽的平面度、表面粗糙度；導(dǎo)向槽與縱向隔板的配合公差等，所以設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)也都沒(méi)有針對(duì)性地提出要求。但是針對(duì)這種密封結(jié)構(gòu)，以上內(nèi)容都應(yīng)該提出比普通熱交換器更高的要求。

即使設(shè)計(jì)對(duì)以上的內(nèi)容提出了更高要求，在設(shè)備制造過(guò)程中仍然有很多因素會(huì)影響到隔板的密封，比如導(dǎo)向槽和筒體本身雖然加工精度高，但是兩者焊接時(shí)很難避免其變形，要保證兩側(cè)的導(dǎo)向槽在一個(gè)平面上也非常困難；縱向隔板即使平面度和加工精度很高，但是如果受到折流板等的影響，導(dǎo)致局部翹曲變形，也不能保證密封。

所以，固定管板熱交換器縱向隔板密封結(jié)構(gòu)盡量避免采用導(dǎo)向槽的形式，條件允許的情況下，可優(yōu)選縱向隔板與殼程筒體焊接的密封形式，該結(jié)構(gòu)可避免殼程介質(zhì)短路，大直徑熱交換器縱向隔板與殼程筒體在內(nèi)部焊接，低壓小直徑熱交換器可參考GB/T 151—2014給出的(d)焊接連接形式(應(yīng)注意此結(jié)構(gòu)連接部位會(huì)產(chǎn)生邊緣應(yīng)力，而且隔板與殼體之間的焊縫根部易形成焊接缺陷，有質(zhì)量隱患[3]，如有其他可用連接形式，盡量不采用該結(jié)構(gòu))。

而對(duì)于焊接連接不易實(shí)施或有其他要求時(shí)，固定管板熱交換器縱向隔板與殼程筒體之間也可采用彈性密封片的連接形式。

彈性密封片的連接結(jié)構(gòu)是目前雙殼程熱交換器應(yīng)用最普遍的密封形式，但是如果設(shè)計(jì)不合理或制造加工誤差偏大，也容易造成流體短路，故應(yīng)該針對(duì)該結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。

(1)選擇合適的彈性密封片材料?？紤]與介質(zhì)的相容性(耐介質(zhì)腐蝕)、材料的彈性、介質(zhì)的溫度等，高溫(特別是超過(guò)400 ℃)工況下不能采用普通的不銹鋼材料，因在高溫下普通不銹鋼材料回彈性快速下降，可采用合金材料或其他適用的材料。

(2)設(shè)置合適的彈性密封片厚度和數(shù)量。彈性密封片不能太厚，否則不易安裝，而且回彈性不易保證；同時(shí)，彈性密封片應(yīng)設(shè)置合適的層數(shù)，一是可形成一定的對(duì)殼程筒體的貼合力；二是可形成多道密封，有利于保證密封效果。推薦的彈性密封片厚度和數(shù)量為0.12 mm×8層或0.2 mm×5層。

(3)設(shè)置合適的定位螺栓間距。定位螺栓間距過(guò)大，兩螺栓之間的密封片易出現(xiàn)翹曲變形，影響密封效果。為了保證彈性密封片貼合效果，推薦120 mm的定位螺栓間距，也可根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整。

(4)提高殼程筒體的圓度要求。為保證殼程筒體的圓度，一方面要保證各筒節(jié)的圓度，另一方面要保證筒節(jié)之間的焊縫盡可能光滑(需要打磨處理)，還要減小縱環(huán)焊縫的錯(cuò)邊量。

(5)提高殼程筒體的直線度及其與管板的垂直度要求。為保證殼程筒體的直線度及其與管板的垂直度，也要保證各筒節(jié)的直線度、圓度，并減小焊縫錯(cuò)邊量。

(6)提高筒體內(nèi)壁粗糙度要求。筒體內(nèi)壁與彈性密封片相接區(qū)域打磨光滑，建議打磨至粗糙度Ra25。

(7)為保證密封，縱向隔板應(yīng)提出較高的直線度和平面度要求，同時(shí)邊緣要平滑(必要時(shí)，兩側(cè)機(jī)加工)。

除了以上保證密封的措施外，還可以對(duì)彈性密封片的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，以達(dá)到更好的密封效果。比如，可以對(duì)彈性密封片的壓條倒圓角(見(jiàn)圖6)，彈性密封片彎折處的壓條尖角倒圓角，可防止該尖角處的應(yīng)力集中引起密封片的塑性變形，回彈力減小，密封性能下降。另外，還可以對(duì)縱向隔板邊緣倒圓角(見(jiàn)圖6)，圓角可避免刮傷筒體內(nèi)壁(特別是薄壁筒體)，從安全和密封方面考慮都是有益的。

圖6 壓條和縱向隔板邊緣倒圓角

3 結(jié)語(yǔ)

換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的雙殼程熱交換器已經(jīng)得到了大量的工程應(yīng)用，其設(shè)計(jì)、制造在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)非常成熟。而基于在大量的工程實(shí)踐中暴露出的問(wèn)題，也在諸多的工程改造中進(jìn)行了一些新的嘗試，從而也積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，在縱向隔板的密封方面還應(yīng)關(guān)注更多的細(xì)節(jié)要求，做到既安全有效，又經(jīng)濟(jì)合理，使雙殼程熱交換器的應(yīng)用真正達(dá)到提高效率、節(jié)省投資、降低能耗的目的。