毛 薦 王尚峰 張玉輝 洪 俊

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)壓力容器有限公司)

1 設(shè)計(jì)開發(fā)的出發(fā)點(diǎn)

就一般的管殼式換熱器而言，換熱管與管板的連接處通常是換熱器容易滲漏的地方，若連接質(zhì)量不好，會直接影響工藝操作的正常進(jìn)行，甚至迫使機(jī)組停車，影響正常的生產(chǎn)。為保證管子與管板的連接強(qiáng)度和密封性能，可采用各種連接方法，但這些方法都不能保證絕對不泄漏。即使水壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)完全合格，單在操作中由于介質(zhì)腐蝕、溫度和壓力的作用，特別是壓力、溫度的波動或突然變化 （如開、停車，不正常操作），往往會使管子與管板連接處產(chǎn)生不同程度的泄漏。少量的泄漏在一般的化工工藝中或許影響不大，就整套機(jī)組的運(yùn)行而言或許是允許的，但是在兩種介質(zhì)混合后會燃燒或爆炸等嚴(yán)禁管、殼程介質(zhì)混合的場合，這是絕對不允許的。因此，這種場合可以考慮采用雙管板換熱器。雙管板的作用并不是消除泄漏，而是防止殼程 （或管程）漏出的流體混進(jìn)管程 （或殼程）。

沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)壓力容器有限公司與山東華魯恒升化工股份有限公司簽訂空分機(jī)組項(xiàng)目及氮壓機(jī)項(xiàng)目時，用戶堅(jiān)持采用雙管板結(jié)構(gòu)，其目的是要確保生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行和操作人員的人身安全。該公司以前在雙管板換熱器方面還是空白，這次以該項(xiàng)目為契機(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)出了雙管板冷卻器。

該雙管板冷卻器由管束、管箱和殼體等組成，換熱管為U形管，管程介質(zhì)為熱流體，殼程介質(zhì)為冷流體。

2 冷卻器的有關(guān)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 熱力計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算

雙管板換熱器的熱力計(jì)算與一般的管殼式換熱器并沒有太大的區(qū)別，其與普通的U形管式換熱器相比，只是在計(jì)算換熱管的有效長度時應(yīng)扣除兩管板之間的換熱管長度。

強(qiáng)度計(jì)算時，殼體、管箱的計(jì)算基本等同于一般的U形管式換熱器。相對而言，管板部分是比較有特點(diǎn)的，應(yīng)分別根據(jù)兩管板各自所接觸的介質(zhì)和所受的壓力、溫度來確定管板厚度、管板材料和熱片直徑等。

以該雙管板設(shè)計(jì)計(jì)算為例，殼側(cè)管板兩側(cè)所受的壓力一邊為殼側(cè)壓力，另一邊為大氣壓力；而管側(cè)管板兩側(cè)一邊為管側(cè)壓力，另一邊為大氣壓力。該項(xiàng)目管側(cè)壓力遠(yuǎn)高于殼側(cè)壓力，其設(shè)計(jì)壓力分別為 5.0 MPa和 0.6 MPa。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)壓力計(jì)算，殼程管板較薄，厚度為50 mm，而管程管板相對較厚，厚度為100 mm。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是此次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，尤其是確定兩管板間一個合適的距離更是 “難中之難”。其原因如下所述。

（1）為了便于穿管，兩塊管板在制造時通常是重疊在一起鉆孔的。但在鉆孔過程中，不可避免地會存在偏斜，因而雙管板相同位置的孔存在一定的錯位。當(dāng)管束裝配后，這種錯位就會在管束上引起一定的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

（2）由于兩管板各自接觸的流體溫度不同，每塊管板具有不同的壁溫。不同的熱膨脹也會使相同位置的孔產(chǎn)生錯位，當(dāng)兩管板壁溫差較大時，在管束上會引起可觀的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。這些彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力將影響管子的強(qiáng)度，也影響管子和管板連接處的強(qiáng)度和密封性能。如果壁溫變化是周期性的，則管束會產(chǎn)生疲勞破壞。管板間距則用來保證管板存在錯位的情況下管束不致被破壞。對于相同數(shù)值的錯位來說，板間距越大，彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力就越小。但板間距太大會造成換熱管與管板間的焊接 （或脹接）困難，同時還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不緊湊。因此在滿足上述諸多限制的條件下，確定了一個比較合理的板間距。

此外，換熱器其他部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需要充分予以考慮。為了保證兩管板間的管束不至于裸露在空氣中，在兩管板間用連接板環(huán) （即短筒節(jié)）進(jìn)行連接。在短筒節(jié)最上端、最下端靠近管程管板處分別開有半圓孔，另半圓孔開在管程管板上，分別連接兩接管，最上端的為泄漏氣口，最下端的為泄漏液口，以方便及時發(fā)現(xiàn)管程或殼程的泄漏。對于該換熱器的材料選用，殼程管板采用了碳鋼管板（16MnR），管程管板采用了碳鋼與不銹鋼的復(fù)合管板 （16MnII+0Cr18Ni9），而換熱管材料為0Cr18Ni9，這樣既降低了成本，也可以保證管程焊接的可靠性和管板的抗腐蝕性能。

殼體的設(shè)計(jì)采用兩殼程結(jié)構(gòu)，為冷卻水下進(jìn)上出。在殼體最下端、兩鞍式支座間設(shè)有排液口，以便在停車或檢修清潔時使用；在殼體最上端、靠近筒體中心處設(shè)有排氣口，以方便排除冷卻水中的氣泡；在殼體最上端設(shè)有兩個爆破片接口，以便在發(fā)生氣體泄漏時能夠及時發(fā)現(xiàn)。殼體的材料為碳鋼。

管箱的設(shè)計(jì)采用兩管程結(jié)構(gòu)，為熱流體上進(jìn)下出，中間使用分程隔板將管箱一分為二。這樣設(shè)計(jì)可以使冷、熱流體近似于逆流，從而獲得較好的換熱效果。

所設(shè)計(jì)的雙管板冷卻器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙管板冷卻器

3 結(jié)論

雙管板換熱器的設(shè)計(jì)開發(fā)，主要的難點(diǎn)是管束及其與管板連接部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是確定兩管板間的合適的距離。在兩管板間采用連接板環(huán) （短筒節(jié)）進(jìn)行連接，可以保證兩管板間的這部分管束不至于裸露在空氣中，同時若有泄漏發(fā)生，也能保證管內(nèi)介質(zhì)和殼程介質(zhì)不接觸，使換熱器處于一個安全的運(yùn)行狀態(tài)。雙管板換熱器結(jié)構(gòu)使不能發(fā)生直接接觸的介質(zhì)相互換熱成為可能，這在工藝流程上就可以解決很多實(shí)際的問題。