任軍輝

（寶塔國際石化工程技術(shù)有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519050）

內(nèi)翅片管填函式熱交換器主要元件的設計

任軍輝

（寶塔國際石化工程技術(shù)有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519050）

換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，是在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應用的一種工藝設備。隨著壓力容器大型化、高參數(shù)、長周期的趨勢，相應的提高了壓縮機的負荷，為了將壓縮機與設備之間的流體的溫度降下來和回收熱能，都需要換熱設備來完成。當換熱效率較低時，換熱設備就要占用更多的場地和消耗更多的材料，隨著大型換熱器的使用需求增加，出現(xiàn)了大面積換熱器的制造難度大，安裝難度也很大的問題。為了用小型設備來完成大型換熱器才能完成的換熱任務，可以采用提高換熱效率的辦法。用內(nèi)翅片管換熱器能夠?qū)Q熱設備的總體尺寸大幅減小，可以節(jié)省占地面積和節(jié)約金屬能耗。

內(nèi)翅片管；O形密封圈；隔板；非標設備法蘭

1 結(jié)構(gòu)設計

填函式換熱器既可以做成立式也可以做成臥式，結(jié)構(gòu)形式非常靈活，臥式布置的時候，用鞍式支座支撐；立式布置的時候，支座一般選裙座支撐，當然裙座上段筒節(jié)的材質(zhì)應與罐體封頭材質(zhì)相同。內(nèi)翅片管由基管和內(nèi)翅片組合而成，沒有氯離子腐蝕的情況下基管和芯管通常用不銹鋼管制作，內(nèi)翅片一般用導熱性能良好的銅片軋制而成。當然在氫氣介質(zhì)中或其他不宜用銅材的情況下翅片則要選用鋁片或不銹鋼片來制作，翅片的選材要根據(jù)管程介質(zhì)的物理和化學性質(zhì)來確定。因為管壁越薄，換熱效果越好，為了提高換熱效率，基管通常為壁厚為1mm的不銹鋼管，管內(nèi)外流體通過管壁及翅片進行熱交換。因為機基管內(nèi)還要裝翅片和內(nèi)管，而翅片約在內(nèi)管兩邊各占用 6mm左右的空間，內(nèi)管一般用的是 11.7mm左右的一端堵住的無縫管，所以除了換熱管要承受中高壓的情況之外，基管的外徑一般為 28mm，這與普通的 DN20公制無縫鋼管的外徑不同，需在鋼廠定制。

翅片管熱交換器由于在管內(nèi)加翅，增加了換熱面積，促進了流體的湍流，傳熱系數(shù)比光管可提高2～4倍，同樣的熱負荷時，殼體直徑或長度也可以減小很多。本文的內(nèi)翅片管的形式為縱向翅片，因為換熱管插入管板內(nèi)的部分不參與管殼程流體之間的熱交換，所以基管的兩端可以不需要布置翅片。為取得最佳傳熱性能，管束常用正三角形排列方式，如圖1。

2 圓筒的設計

圖1

換熱效率提高以后，設備往往可以做得小巧，因而大量的殼體都可以選用無縫鋼管，一般選用厚壁管，圓筒的最小厚度按 GB/T151-2014中 7.1.3.2的規(guī)定進行設計。外殼用 20鋼管時應符合 GB 9948-2013 《石油裂化用無縫鋼管》的要求，16Mn外殼應符合 GB 6479-2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》的規(guī)定，不銹鋼外殼宜按 GB 13296-2013 《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》的規(guī)定要求。

3 設備法蘭的設計

設備公稱直徑可以做得很小以后，就可以用鋼管來制作殼體，但是在設計設備法蘭的時候卻宜參照NB/ T47020～ NB/T47023的要求進行設計 ,這是因為管法蘭螺栓中心圓較大，且螺栓中心圓離法蘭外圓之間的間距也偏大，以致螺栓安裝以后和法蘭外圓之間剩余的空隙過多，而且管法蘭選用的單個螺栓通常也比設備法蘭用的螺栓規(guī)格要大，任意兩個螺栓之間的環(huán)向間隙也比標準設備法蘭用的螺栓之間的間隙要大，因而管法蘭不如設備法蘭結(jié)構(gòu)緊湊。由于殼體采用無縫鋼管，而無縫鋼管的公稱直徑都只是和鋼管的內(nèi)徑接近，在NB/T47021~NB/T47023中設備法蘭的公稱直徑都是整百或以 50mm為進級檔，也就是說鋼管的內(nèi)徑和 NB/ T47021中標準設備法蘭的內(nèi)徑不同，因而找不到相同內(nèi)徑的標準設備法蘭來直接選用，所以要對設備法蘭進行設計。設計法蘭的時候可以參照標準設備法蘭進行設計，法蘭的螺栓規(guī)格可以用直徑相臨近的標準設備法蘭的螺栓規(guī)格，螺栓中心圓值可以先計算無縫鋼管內(nèi)徑和標準設備法蘭內(nèi)徑的差值Δ，然后用標準中的螺栓中心圓的數(shù)值加上Δ，就可以得到要設計的法蘭的螺栓中心圓值，法蘭的外徑也可以按標準的外徑值加上Δ，法蘭的參數(shù)都確定下來后，還要對設計的法蘭進行應力校核和剛度校核。

若法蘭的設計壓力超出標準中甲型法蘭的公稱壓力，如果仍要設計甲型法蘭，則法蘭選用螺栓的規(guī)格及數(shù)量可以參照 NB/T47022或者 NB/T47023中相同壓力等級下標準設備法蘭選用的螺栓規(guī)格和數(shù)量，其他尺寸的修改也與上面相同，法蘭的參數(shù)都確定下來后，也要通過應力校核和剛度校核后才能最終確定。

當然當設計壓力較高的時候，還是盡可能的選用長頸對焊設備法蘭，由于 NB/T47023中標準設備法蘭的內(nèi)徑和我們用的無縫鋼管的內(nèi)徑值不相同，也存在一個要設計非標法蘭的問題，除了和設計甲型法蘭時利用標準設備法蘭的螺栓和螺栓中心圓或?qū)Ψㄌm外徑修正的問題之外還有一個利用標準法蘭中的錐頸的問題，確定法蘭的直邊段的外徑后，然后將設備法蘭的整個錐頸（過渡段）復制過來作為要設計的法蘭的錐頸，過渡段的圓弧半徑和斜度及直邊段長度都不變。過渡段的目的是保證結(jié)構(gòu)連續(xù)性和焊接的需要。法蘭的參數(shù)都確定下來后，然后對設計的設備法蘭進行應力校核和剛度校核，若滿足要求就可以確定下來了。

注意法蘭計算時未扣除C2的。所以剛度校核合格后還要將與介質(zhì)接觸的表面加上腐蝕裕量。

對長頸對焊法蘭，應注意：當工作壓力大于或等于 0.8倍標準中規(guī)定的最大允許工作壓力時，法蘭與圓筒的對接焊縫必須進行 100%的 RT或 UT，合格級別為RTⅡ級、UTⅠ級。

4 設備法蘭和管板的密封面設計

大管板夾在兩片開了凹面止口的設備法蘭之間，管板兩端面都做成全平面，設備法蘭與管板貼合的凹面上開環(huán)槽，然后在環(huán)槽內(nèi)裝上O型密封圈，當O形密封圈的直徑為 5.7mm的時候，槽深一般為 3.5mm，槽寬一般為 6mm，如圖2所示。

圖2

5 墊片的選用

墊片宜用非金屬墊片；一般選用O形圈，除了溫度限制必須滿足之外，對于這種小公稱直徑的換熱器，O 形圈可以用到的壓力較其他管殼式換熱器用的普通形狀的墊片，能承受的壓力要大得多，這種O形圈一般用于 200℃以下是沒問題的，如果遇到特殊工況，選用氟橡膠O形圈就可以了。O形圈是線密封，而且因為是非金屬材料，可塑性好，能夠填平密封面上的顯微結(jié)構(gòu)，密封可靠。

6 泄漏信號結(jié)構(gòu)的設計

填函式換熱器的缺點是容易發(fā)生泄漏，如何才能發(fā)現(xiàn)管程和殼程之間是否發(fā)生了串通呢？一般可以在小管板的外周上設置一個環(huán)，這里稱這個環(huán)為隔板，安裝的時候，隔板被兩邊的設備法蘭夾緊。在隔板兩端的內(nèi)孔處開一個 4×5°的坡口（錐面），作為直徑為 5.7mm的 O形圈的密封斜面，然后在隔板外周上開兩個對稱的徑向泄漏孔，不管是管程還是殼程側(cè)的密封圈發(fā)生泄漏，流體都會從法蘭和小管板外周之間的小環(huán)隙流向這個泄漏孔，就能在巡查的時候發(fā)現(xiàn)設備故障了，如圖3所示。

圖3

7 結(jié)語

本文介紹了抽芯式換熱器主要結(jié)構(gòu)的設計，因為非標元件較多，特別是要進行非標設備法蘭的設計，在設計法蘭的時候，可以對標準設備法蘭的一些參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整，選定這些參數(shù)后，再進行應力校核和剛度校核。用O型圈來實現(xiàn)大管板側(cè)的徑向密封和小管板側(cè)的軸向密封，這種密封結(jié)構(gòu)比普通填函式的密封結(jié)構(gòu)更加可靠。這種換熱器常用于氣氣換熱或氣液換熱，一般用于工作溫度在 200℃以下工作，如果要用于更高的工作溫度工況下，理論上只要O型圈的耐熱溫度能夠滿足要求就可以。軋卷成型后的內(nèi)翅片經(jīng)組裝工具裝入基管后，相當于貼脹在基管內(nèi)壁和行管外壁上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

[1]GB/T151-2014.熱交換器 .北京：中國標準出版社，2015,3. [2]陳志平編著 .過程設備設計與選型基礎 [M].杭州：浙江大學出版社，2005.9.

[3]錢頌文主編 .換熱器設計手冊 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.8.

[4]秦叔經(jīng)，葉文邦等編 . 化工設備設計全書 換熱器 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.5.

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