四壳程低温换热器的设计

来源：发布时间：2014-07-10 11:41:39点击率：

炼油、化工装置中换热器占总设备量和设备投资的40%左右。在换热器设备中，管壳式换热器又是应用为广泛，使用量大的换热器型式。在管壳式换热器中，管程、壳程采用多程流动，可以提高流速，从而提高传热效率。然而，管程容易实现多程流动，壳程却因为结构上的原因，难以实现。所以，一般换热器多采用单壳程或者双壳程结构。2008年本公司承接的一台低温换热器，是四壳程、四管程结构设计的低温固定管板换热器，这种设计的目的，是提高介质流速，从而提高总传热系数及换热效率。
1·四壳程低温换热器设计参数
四壳程低温换热器设计参数见表1。

    2·材料选择
    根据换热器工作过程中的介质特性和工艺条件，以及设备在制造过程中的焊接性、工艺性，换热器主要材料的选择见表2。用于壳体的ooMnNIDR(厚度t)20mm)钢板，按JB/T4730，3一2(X)5逐张进行超声检测，111级合格。

受压元件用材料需进行一45℃低温冲击试验，试验值如表3所示。

    3·换热器程数分析
    从管壳程介质的流向，可以分析得出，管程介质沿换热管长度方向流次数为4次，壳程介质在壳程内流经路线为4次，所以这台换热器为四管程四壳程换热器。介质流向见图1。

    4·四壳程结构设计
    换热器壳程侧有两个介质进口、两个介质出口，即两进两出的设计。由壳程及管程进出口温度可以看出，本台换热器是进行冷却用的低温换热器，对壳程介质的温度要求较为严格，采用四壳程可提高壳程侧介质流动速度，而且介质采用下进上出，使介质流动过程中流经的范围更广，与换热管内的介质进行更加迅速而且全面的热交换，提高了壳程侧介质的利用率。
    由于该台设备是固定管板式换热器，换热管、管板、壳体焊在一起。一般增加换热器壳程程数的方式，就是在壳体内加分程隔板，把分程隔板焊接在壳体上，制造安装时无法实现，所以分成隔板的固定就成为大的问题。
    由图1看出，该台换热器由折流板分隔成两个独立的腔，两个腔体各自折流，实现介质的热交换。以其中一个为例进行说明:在进口和出口中心线位置设置一块圆形折流板，起到分流作用，折流板上焊接防冲板，以减少介质的不均匀分布和对换热管的冲蚀。在折流板两边设备中心线位置各设置一块隔板，其具体固定如下:
    (l)隔板与折流板角焊缝焊接牢固(见图2);
    (2)在尽可能靠近壳体内壁的位置设置两根拉杆，把隔板两边焊接在拉杆上(见图3)，这样隔板就有三面焊接，牢牢地固定在壳体中心，起到了分程的作用;
    (3)拉杆的固定:由于一块折流板位于进出口接管中心线上，与隔板焊接的两根拉杆太长，针对这一问题，在一块隔板右侧焊接一块支撑板(见图4)用于固定这两根拉杆，支撑板详图见图5。

    5·换热管与管板的连接
    换热管与管板连接的质量是换热器质量的重要标志，换热器的失效绝大多数集中在管接头上，因此合理选用安全可靠的管接头型式，使用相应的加工设备与技术是换热器制造技术的关键。
    本设备采用强度焊加贴胀的连接方式(见图6)，既满足强度及密封性的要求，又避免设备在工作中承受振动、疲劳以及间隙腐蚀等的影响。具体要求如下:换热管与管板的连接采用氢弧焊打底两道强度焊加贴胀。轻胀定位后氢弧焊打底焊，随后100%渗透检测，合格后以压力为0.05MPa压缩空气检漏;合格后施行第二道氢弧焊，完成后再进行表面100%渗透检测，按JB/T4750.5一20051级合格; 贴胀，开始贴胀出于焊接接头距离必须)15mm。

    6·强度计算
    设备的筒体、封头、管板、设备法兰、开孔补强等强度计算依据GB150一1998，GB151一1999进行，根据sw6一98《压力容器强度设计软件包》计算结果，确定各部件的计算厚度和名义厚度。
    7·热处理要求
    焊后热处理的目的是消除残余应力，改善焊接接头的塑性和韧性，恢复冷作时的预应变和时效丧失的性能，以减少应力腐蚀倾向。由于本台设备为低温换热器，为了降低设备在低温条件下的脆断倾向，设备进行整体热处理。
    8·无损检测要求(见表3)
    对接接头进行100%无损检测的容器筒节上的其它承压焊缝，以及附件和承压部件之间的焊缝检测，应符合下列要求:
    (l)吊耳的焊缝须进行磁粉检测;
    (2)承压焊缝应进行超声检测，采用纵波或横波方式;
    (3)所有附件与除碳钢材料之外的承压部件之间的焊缝，应进行磁粉检测。

    9·水压试验要求
    换热器的水压试验，一般应包括:
    (l)换热管与管板接头的试压:换热器的寿命及事故的发生往往在于连接接头的失效，故通过连接接头的试压以保证接头的可靠性尤为重要。当壳程水压试验压力大于管程时，按壳程压力试压;反之，当壳程水压试验压力小于管程时，按管程压力试压。
    (2)壳程试压。
    (3)管程试压。
    由于本设备管程水压试验压力为4.5MPa，远远高于壳程的2.625MPa，假如按管程试验压力对管接头进行水压试验，壳程筒体、管板等受压元件势必承受不了在此压力下的强度及密封性能要求。增加壳体及管板厚度在经济上并不合理，由此采用按照壳程试验压力进行水压试验，然后在壳程用氨渗漏进行补充性试验。
    按照HG20584一1998附录A《压力容器氨渗漏试验方法》，选用充人1%(体积)氨气法(C法)，具体方法如下:在容器内通人含氨体积分数约为1%的压缩空气，试验压力为设计压力的1.05倍，即2.205MPa，试验时压力应缓慢上升，达到试验压力后保压romin，将检漏试纸预先敷在待检表面，然后降至设计压力，观察试纸是否变色，如无变色，证明设备无渗漏。
    10·结束语
    该设备在按照标准及图纸要求制造完成后，且接受劳动局锅炉压力容器检验部门和第三方监督检验，各项检验项目检查结果均达到验收合格，为同类产品设计提供了参考经验

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