(中國五環(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，隨著裝置的大型化，對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越廣泛的應(yīng)用。

1 雙殼程熱交換器特點

典型的雙殼程熱交換器主體結(jié)構(gòu)及介質(zhì)流向見圖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：①可以實現(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](壓降與流道的長度、流速的平方均成正比)。

基于以上特點，如果殼程允許的壓降較大，在管殼程介質(zhì)進出口溫度交叉，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)計要點

雙殼程熱交換器固然優(yōu)點很多，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，還有一個明顯缺點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)計和制造時，殼程縱向隔板的密封是一個關(guān)鍵點。

要實現(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度和剛度，避免過大變形；二是密封結(jié)構(gòu)選擇及加工精度要求。

2.1 縱向隔板的強度和剛度

為保證縱向隔板的強度和剛度，相較于1999版熱交換器標準，GB/T 151—2014對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，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，縱向隔板的厚度不應(yīng)小于8 mm，必要時可按以下公式進行校核計算。

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)計溫度下的許用應(yīng)力， MPa。

對于大直徑熱交換器，尤其需要重點關(guān)注縱向隔板的剛度問題，適當增加隔板厚度。當然，在確定縱向隔板厚度時，還應(yīng)考慮流體脈動、流體沖擊給隔板造成的影響，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗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：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)分別見圖3和圖4。

需要指出的是，對于焊接連接結(jié)構(gòu)在實際工程中出現(xiàn)過個別失誤案例，設(shè)備設(shè)計圖紙中縱向隔板與管板的連接處未明確表示出焊接符號，該設(shè)備制造人員恰巧對此種結(jié)構(gòu)了解不夠，導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向槽結(jié)構(gòu)，最終導致縱向隔板移動，介質(zhì)嚴重短路。

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，這也一直是該類熱交換器設(shè)計的一個關(guān)鍵點。

GB/T 151—2014標準中給出了4種縱向隔板與殼程筒體密封結(jié)構(gòu)(見圖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)

在實際工程應(yīng)用中，(c)導向槽的密封結(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熱交換器標準中只給出了該種密封連接的結(jié)構(gòu)形式，但沒有提出配套的技術(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；導向槽的平面度、表面粗糙度；導向槽與縱向隔板的配合公差等，所以設(shè)計人員在設(shè)計時也都沒有針對性地提出要求。但是針對這種密封結(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)計對以上的內(nèi)容提出了更高要求，在設(shè)備制造過程中仍然有很多因素會影響到隔板的密封，比如導向槽和筒體本身雖然加工精度高，但是兩者焊接時很難避免其變形，要保證兩側(cè)的導向槽在一個平面上也非常困難；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))。

而對于焊接連接不易實施或有其他要求時，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)該針對該結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)的設(shè)計要求。

(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，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，同時邊緣要平滑(必要時，兩側(cè)機加工)。

除了以上保證密封的措施外，還可以對彈性密封片的密封結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化，以達到更好的密封效果。比如，可以對彈性密封片的壓條倒圓角(見圖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，還可以對縱向隔板邊緣倒圓角(見圖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

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、制造在國內(nèi)也已經(jīng)非常成熟。而基于在大量的工程實踐中暴露出的問題，也在諸多的工程改造中進行了一些新的嘗試，從而也積累了豐富的實踐經(jīng)驗。對于設(shè)計者而言，在縱向隔板的密封方面還應(yīng)關(guān)注更多的細節(jié)要求，做到既安全有效，又經(jīng)濟合理，使雙殼程熱交換器的應(yīng)用真正達到提高效率、節(jié)省投資、降低能耗的目的。