四殼程低溫?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)

四殼程低溫?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)
李紅娜
天津津?yàn)I石化設(shè)備有限公司(天津市300271)

摘要:換熱器管程、殼程采用多程流動(dòng)，可以提高流速，從而提高傳熱效率。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹了四殼程低溫?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)、材料選用、工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱處理要求、無(wú)損檢測(cè)要求、水壓試驗(yàn)等。
    關(guān)鍵詞:四殼程低溫?fù)Q熱器   結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)   管接頭   熱處理   無(wú)損檢測(cè)   水壓試驗(yàn)
    煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備量和設(shè)備投資的40%左右。在換熱器設(shè)備中，管殼式換熱器又是應(yīng)用最為廣泛，使用量最大的換熱器型式。在管殼式換熱器中，管程、殼程采用多程流動(dòng)，可以提高流速，從而提高傳熱效率。然而，管程容易實(shí)現(xiàn)多程流動(dòng)，殼程卻因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上的原因，難以實(shí)現(xiàn)。所以，一般換熱器多采用單殼程或者雙殼程結(jié)構(gòu)。2008年本公司承接的一臺(tái)低溫?fù)Q熱器，是四殼程、四管程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的低溫固定管板換熱器，這種設(shè)計(jì)的目的，是提高介質(zhì)流速，從而提高總傳熱系數(shù)及換熱效率。
    1·四殼程低溫?fù)Q熱器設(shè)計(jì)參數(shù)
    四殼程低溫?fù)Q熱器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

            
    2·材料選擇
    根據(jù)換熱器工作過(guò)程中的介質(zhì)特性和工藝條件，以及設(shè)備在制造過(guò)程中的焊接性、工藝性，換熱器主要材料的選擇見(jiàn)表2。用于殼體的ooMnNIDR(厚度t)20mm)鋼板，按JB/T4730，3一2(X)5逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)，111級(jí)合格。

            
    受壓元件用材料需進(jìn)行一45℃低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)值如表3所示。

            
    3·換熱器程數(shù)分析
    從管殼程介質(zhì)的流向，可以分析得出，管程介質(zhì)沿?fù)Q熱管長(zhǎng)度方向流次數(shù)為4次，殼程介質(zhì)在殼程內(nèi)流經(jīng)路線為4次，所以這臺(tái)換熱器為四管程四殼程換熱器。介質(zhì)流向見(jiàn)圖1。

    
    4·四殼程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    換熱器殼程側(cè)有兩個(gè)介質(zhì)進(jìn)口、兩個(gè)介質(zhì)出口，即兩進(jìn)兩出的設(shè)計(jì)。由殼程及管程進(jìn)出口溫度可以看出，本臺(tái)換熱器是進(jìn)行冷卻用的低溫?fù)Q熱器，對(duì)殼程介質(zhì)的溫度要求較為嚴(yán)格，采用四殼程可提高殼程側(cè)介質(zhì)流動(dòng)速度，而且介質(zhì)采用下進(jìn)上出，使介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中流經(jīng)的范圍更廣，與換熱管內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行更加迅速而且全面的熱交換，提高了殼程側(cè)介質(zhì)的利用率。
    由于該臺(tái)設(shè)備是固定管板式換熱器，換熱管、管板、殼體焊在一起。一般增加換熱器殼程程數(shù)的方式，就是在殼體內(nèi)加分程隔板，把分程隔板焊接在殼體上，制造安裝時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以分成隔板的固定就成為最大的問(wèn)題。
    由圖1看出，該臺(tái)換熱器由折流板分隔成兩個(gè)獨(dú)立的腔，兩個(gè)腔體各自折流，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的熱交換。以其中一個(gè)為例進(jìn)行說(shuō)明:在進(jìn)口和出口中心線位置設(shè)置一塊圓形折流板，起到分流作用，折流板上焊接防沖板，以減少介質(zhì)的不均勻分布和對(duì)換熱管的沖蝕。在折流板兩邊設(shè)備中心線位置各設(shè)置一塊隔板，其具體固定如下:
    (l)隔板與折流板角焊縫焊接牢固(見(jiàn)圖2);
    (2)在盡可能靠近殼體內(nèi)壁的位置設(shè)置兩根拉桿，把隔板兩邊焊接在拉桿上(見(jiàn)圖3)，這樣隔板就有三面焊接，牢牢地固定在殼體中心，起到了分程的作用;
    (3)拉桿的固定:由于最后一塊折流板位于進(jìn)出口接管中心線上，與隔板焊接的兩根拉桿太長(zhǎng)，針對(duì)這一問(wèn)題，在最后一塊隔板右側(cè)焊接一塊支撐板(見(jiàn)圖4)用于固定這兩根拉桿，支撐板詳圖見(jiàn)圖5。

            
    5·換熱管與管板的連接
    換熱管與管板連接的質(zhì)量是換熱器質(zhì)量的重要標(biāo)志，換熱器的失效絕大多數(shù)集中在管接頭上，因此合理選用安全可靠的管接頭型式，使用相應(yīng)的加工設(shè)備與技術(shù)是換熱器制造技術(shù)的關(guān)鍵。
    本設(shè)備采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接方式(見(jiàn)圖6)，既滿足強(qiáng)度及密封性的要求，又避免設(shè)備在工作中承受振動(dòng)、疲勞以及間隙腐蝕等的影響。具體要求如下:換熱管與管板的連接采用氫弧焊打底兩道強(qiáng)度焊加貼脹。輕脹定位后氫弧焊打底焊，隨后100%滲透檢測(cè)，合格后以壓力為0.05MPa壓縮空氣檢漏;合格后施行第二道氫弧焊，完成后再進(jìn)行表面100%滲透檢測(cè)，按JB/T4750.5一20051級(jí)合格;最后貼脹，開(kāi)始貼脹出于焊接接頭距離必須)15mm。

           
    6·強(qiáng)度計(jì)算
    設(shè)備的筒體、封頭、管板、設(shè)備法蘭、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)GB150一1998，GB151一1999進(jìn)行，根據(jù)sw6一98《壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)軟件包》計(jì)算結(jié)果，確定各部件的計(jì)算厚度和名義厚度。
    7·熱處理要求
    焊后熱處理的目的是消除殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的塑性和韌性，恢復(fù)冷作時(shí)的預(yù)應(yīng)變和時(shí)效喪失的性能，以減少應(yīng)力腐蝕傾向。由于本臺(tái)設(shè)備為低溫?fù)Q熱器，為了降低設(shè)備在低溫條件下的脆斷傾向，設(shè)備進(jìn)行整體熱處理。
    8·無(wú)損檢測(cè)要求(見(jiàn)表3)
    對(duì)接接頭進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)的容器筒節(jié)上的其它承壓焊縫，以及附件和承壓部件之間的焊縫檢測(cè)，應(yīng)符合下列要求:
    (l)吊耳的焊縫須進(jìn)行磁粉檢測(cè);
    (2)承壓焊縫應(yīng)進(jìn)行超聲檢測(cè)，采用縱波或橫波方式;
    (3)所有附件與除碳鋼材料之外的承壓部件之間的焊縫，應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測(cè)。

            
    9·水壓試驗(yàn)要求
    換熱器的水壓試驗(yàn)，一般應(yīng)包括:
    (l)換熱管與管板接頭的試壓:換熱器的壽命及事故的發(fā)生往往在于連接接頭的失效，故通過(guò)連接接頭的試壓以保證接頭的可靠性尤為重要。當(dāng)殼程水壓試驗(yàn)壓力大于管程時(shí)，按殼程壓力試壓;反之，當(dāng)殼程水壓試驗(yàn)壓力小于管程時(shí)，按管程壓力試壓。
    (2)殼程試壓。
    (3)管程試壓。
    由于本設(shè)備管程水壓試驗(yàn)壓力為4.5MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于殼程的2.625MPa，假如按管程試驗(yàn)壓力對(duì)管接頭進(jìn)行水壓試驗(yàn)，殼程筒體、管板等受壓元件勢(shì)必承受不了在此壓力下的強(qiáng)度及密封性能要求。增加殼體及管板厚度在經(jīng)濟(jì)上并不合理，由此采用按照殼程試驗(yàn)壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)，然后在殼程用氨滲漏進(jìn)行補(bǔ)充性試驗(yàn)。
    按照HG20584一1998附錄A《壓力容器氨滲漏試驗(yàn)方法》，選用充人1%(體積)氨氣法(C法)，具體方法如下:在容器內(nèi)通人含氨體積分?jǐn)?shù)約為1%的壓縮空氣，試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.05倍，即2.205MPa，試驗(yàn)時(shí)壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到試驗(yàn)壓力后保壓romin，將檢漏試紙預(yù)先敷在待檢表面，然后降至設(shè)計(jì)壓力，觀察試紙是否變色，如無(wú)變色，證明設(shè)備無(wú)滲漏。
    10·結(jié)束語(yǔ)
    該設(shè)備在按照標(biāo)準(zhǔn)及圖紙要求制造完成后，且接受勞動(dòng)局鍋爐壓力容器檢驗(yàn)部門(mén)和第三方監(jiān)督檢驗(yàn)，各項(xiàng)檢驗(yàn)項(xiàng)目檢查結(jié)果均達(dá)到驗(yàn)收合格，為同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考經(jīng)驗(yàn)。(編輯：蘇德中)